تخمیر گلوکز یکی از اصلی ترین واکنش هایی است که با آن امکان تهیه نوشیدنی های الکلی فراهم می شود. می توان آن را به روش های مختلفی انجام داد که در هر یک از آنها محصولات جداگانه تشکیل می شود. این فرآیند در بسیاری از زمینه‌های زندگی ما، از پخت و پز و ساخت محصولات شراب و ودکا گرفته تا واکنش‌هایی که در بدن ما رخ می‌دهد، نقش کلیدی دارد.
تاریخ
فرایند تخمیر گلوکز و سایر قندها توسط مردم باستان استفاده می شد. آنها غذای کمی تخمیر شده می خوردند. چنین غذایی ایمن تر بود، زیرا حاوی الکل بود، که در آن بسیاری از باکتری های مضر مردند. در مصر باستان و بابل، مردم از قبل می دانستند که چگونه بسیاری از نوشیدنی های شیرین و شیر را تخمیر کنند. هنگامی که مردم در پایان قرن هجدهم موفق به مطالعه بهتر این فرآیند، انواع و امکانات آن برای بهبود شدند، صنایعی مانند کواس، آبجوسازی و شراب-ودکا از نظر کیفی رشد کردند.
انواع تخمیر
به اندازه کافی عجیب است، اما این روند متفاوت است. و انواع تخمیر گلوکز توسط محصولات نهایی وجود دارد. بنابراین، اسید لاکتیک، الکل، اسید سیتریک، استون، بوتیریک و چندین مورد دیگر وجود دارد. بیایید کمی در مورد هر نوع صحبت کنیمبصورت جداگانه. تخمیر اسید لاکتیک گلوکز فرآیند اصلی در تهیه محصولاتی مانند ماست، خامه ترش، کفیر، پنیر دلمه است. همچنین برای حفظ سبزیجات استفاده می شود و یک عملکرد کلیدی را در بدن ما انجام می دهد: در شرایط کمبود اکسیژن، گلوکز به محصول نهایی - اسید لاکتیک تبدیل می شود که باعث درد عضلانی در حین و بعد از تمرین می شود.
تخمیر الکلی از این جهت متفاوت است که الکل اتیلیک به عنوان محصول نهایی تشکیل می شود. با کمک میکروارگانیسم ها - مخمر رخ می دهد. و نقش کلیدی در پخت و پز دارد، زیرا علاوه بر محصول اصلی، دی اکسید کربن در طی تخمیر الکلی گلوکز آزاد می شود (این شکوه خمیر مخمر را توضیح می دهد).
تخمیر اسید سیتریک، همانطور که ممکن است حدس بزنید، با تشکیل اسید سیتریک رخ می دهد. این بیماری تحت تأثیر نوع خاصی از قارچ رخ می دهد و بخشی از چرخه کربس است که تنفس تمام سلول های بدن ما را تضمین می کند.
تخمیر استون - بوتیل بسیار شبیه به تخمیر بوتیریک است. در نتیجه اسید بوتیریک، بوتیل و اتیل الکل، استون و دی اکسید کربن تشکیل می شود. تخمیر بوتیریک فقط اسید و دی اکسید کربن نامدار را تولید می کند.
اکنون همه انواع را با جزئیات بیشتری بررسی می کنیم، اما اجازه دهید با اساسی ترین - تخمیر الکلی گلوکز شروع کنیم. تمام واکنش ها و تفاوت های ظریف دوره آنها به طور مفصل تجزیه و تحلیل خواهد شد.
تخمیر الکل
بیایید کمی بیشتر در مورد تخمیر گلوکز بگوییم که معادله آن این است:S6N12O6 =2S2N 5OH + 2CO2. از این واکنش چه می توان آموخت؟ ما دو محصول داریم: اتیل الکل و دی اکسید کربن. با توجه به دومی، تورم خمیر مایه را مشاهده می کنیم. و به دلیل اولی، ما این فرصت را داریم که طعمی فراموش نشدنی از شراب و نوشیدنی های شراب را تجربه کنیم. اما در واقع، این فقط یک معادله ساده شده است. واکنش تخمیر کامل گلوکز پیچیده‌تر است، بنابراین اجازه دهید کمی آن را تجزیه کنیم.
فرآیندی مانند گلیکولیز وجود دارد. به معنای واقعی کلمه، نام آن به عنوان "شکستن شکر" ترجمه می شود. در بدن ایجاد می شود و محصول جانبی آن پیروویک اسید است و اصلی ترین آن آدنوزین تری فسفات (ATP) است که در طی این واکنش از ترکیب دیگری تشکیل می شود. می توان گفت که ATP حامل انرژی در بدن است و در واقع گلیکولیز برای تامین انرژی بدن ما عمل می کند.
ما به دلیلی این روند را لمس کردیم. در واقع، تخمیر بسیار شبیه به گلیکولیز است، زیرا مرحله اول دقیقاً برای آنها یکسان است. حتی می توان گفت که تخمیر الکلی گلوکز ادامه گلیکولیز است. پیروات (یون اسید پیروویک) تشکیل شده در جریان دومی با آزاد شدن دی اکسید کربن به عنوان یک محصول جانبی به استالدهید (CH3-C(O)H) تبدیل می شود. پس از آن، محصول به دست آمده توسط کوآنزیم NADH موجود در باکتری کاهش می یابد. کاهش منجر به تشکیل الکل اتیلیک می شود.
بنابراین، واکنش تخمیر گلوکز به اتیل الکل به این صورت است:
1)C6H12O6=2 C3H4O3 + 4 H+
2) C3H4O3=CH3 -COH + CO2
3) CH3-COH + NADH + H+=C2H 5OH + NAD+
NADH به عنوان یک کاتالیزور برای واکنش عمل می کند و یون NAD+نقش کلیدی در مراحل اولیه گلیکولیز بازی می کند و در پایان تخمیر الکلی تشکیل می شود. به روند بازمی گردد.
بیایید به نوع بعدی واکنش تحت مطالعه برویم.
تخمیر اسیدلاکتیک گلوکز
تفاوت این گونه با الکل در این است که نه تحت تأثیر مخمر، بلکه با کمک باکتری های اسید لاکتیک ایجاد می شود. بنابراین، ما محصولات کاملا متفاوتی داریم. تخمیر اسید لاکتیک نیز در ماهیچه‌های ما زمانی که سخت کار می‌کنیم و کمبود اکسیژن داریم اتفاق می‌افتد.
دو نوع از این فرآیند وجود دارد. اولین مورد تخمیر هموفرمنتیو است. اگر تا به حال پیشوند "هومو" را شنیده باشید، احتمالاً معنی آن را متوجه شده اید. تخمیر هموفرمنتیو فرآیندی است که شامل یک آنزیم واحد است. در مرحله اول، گلیکولیز اتفاق می افتد و اسید پیروویک تشکیل می شود. سپس پیروات به دست آمده (در محلول این اسید فقط به شکل یون وجود دارد) با استفاده از NADH+H و لاکتات دهیدروژناز تحت هیدروژناسیون قرار می گیرد. در نتیجه محصول احیا اسید لاکتیک است که حدود 90 درصد از کل محصولات به دست آمده در طی واکنش را تشکیل می دهد. این ترکیب اما می تواند به شکل دو نیز تشکیل شودایزومرهای مختلف: D و L. این انواع از این جهت متفاوت هستند که تصاویر آینه ای از یکدیگر هستند و در نتیجه بدن ما را به روش های مختلف تحت تأثیر قرار می دهند. اینکه کدام ایزومر به میزان بیشتری تشکیل می شود، ساختار لاکتات دهیدروژناز را تعیین می کند.
بیایید به سراغ نوع دوم تخمیر اسید لاکتیک برویم - هتروفرمنتاتیو. این فرآیند شامل چندین آنزیم است و مسیر پیچیده تری را دنبال می کند. به همین دلیل، محصولات مختلف بیشتری در طول واکنش تشکیل می‌شوند: علاوه بر اسید لاکتیک، می‌توانیم اسید استیک و اتیل الکل را در آنجا پیدا کنیم.
بنابراین ما تخمیر اسید لاکتیک را در نظر گرفتیم. این فرآیندی است که طی آن می‌توانیم از طعم پنیر، شیر دلمه‌شده، شیر پخته تخمیر شده و کفیر لذت ببریم. بیایید واکنش کلی تخمیر اسید لاکتیک گلوکز را جمع بندی و یادداشت کنیم: C6H12O6=2 C 3H6O3. البته، این یک نمودار ساده از فرآیند تخمیر هموفرمنتیو است، زیرا حتی نمودار یک فرآیند تخمیر هتروفرمنتیو بسیار پیچیده خواهد بود. شیمیدانان هنوز در حال مطالعه تخمیر لاکتیکی گلوکز و روشن کردن مکانیسم کامل آن هستند، بنابراین هنوز جای بهبود وجود دارد.
تخمیر اسید سیتریک
واکنش‌های این نوع تخمیر، مانند الکل، تحت تأثیر قارچ‌های یک سویه خاص رخ می‌دهد. مکانیسم کامل این واکنش هنوز به طور کامل درک نشده است و ما فقط می توانیم به برخی ساده سازی ها تکیه کنیم. با این حال، پیشنهاداتی وجود دارد که مرحله اولیه فرآیند گلیکولیز است. سپس پیروویک اسید تبدیل می شودبه اسیدهای مختلف تبدیل می شود و به سیتریک می رسد. با توجه به این مکانیسم، اسیدهای دیگر در محیط واکنش انباشته می شوند - محصولات اکسیداسیون ناقص گلوکز.
این فرایند تحت تأثیر اکسیژن رخ می دهد و به طور کلی می توان آن را به صورت معادله زیر نوشت: 6 +3O2=2C 6N8O 7 + 4H2O. قبل از اینکه این نوع تخمیر کشف شود، مردم اسید سیتریک را منحصراً با فشار دادن میوه درخت مربوطه استخراج می کردند. اما این اسید در لیمو بیشتر از 15 درصد نیست، بنابراین این روش غیر عملی بود و پس از کشف این واکنش، تمام اسید از طریق تخمیر شروع شد.
تخمیر بوتیریک
بیایید به نوع بعدی برویم. این نوع تخمیر تحت تأثیر باکتری اسید بوتیریک اتفاق می افتد. آنها گسترده هستند و فرآیندی که ایجاد می کنند نقش کلیدی در چرخه های مهم بیولوژیکی ایفا می کند. با کمک این باکتری ها، تجزیه موجودات مرده اتفاق می افتد. اسید بوتیریک تشکیل شده در طی واکنش ها با بوی خود لاشخورها را جذب می کند.
این نوع تخمیر در صنعت استفاده می شود. همانطور که ممکن است حدس بزنید، آنها اسید بوتیریک دریافت می کنند. استرهای آن در عطرسازی بسیار مورد استفاده قرار می گیرد و برخلاف خودش بوی مطبوعی دارد. با این حال، تخمیر بوتیریک همیشه مفید نیست. می تواند سبزیجات، غذاهای کنسرو شده، شیر و سایر محصولات را خراب کند. اما این تنها در صورتی می تواند اتفاق بیفتد که باکتری اسید بوتیریک وارد محصول شده باشد.
بیایید مکانیسم بوتیریک را تجزیه و تحلیل کنیمتخمیر گلوکز واکنش او به این صورت است: C6H12O6 → CH3CH2CH2COOH + 2CO2↑ + 2H 2 . در نتیجه، انرژی نیز تولید می‌شود که فعالیت حیاتی باکتری‌های بوتیریک را تضمین می‌کند.
تخمیر استون - بوتیل
این نوع بسیار شبیه بوتیریک است. نه تنها گلوکز، بلکه گلیسرول و اسید پیروویک نیز می توانند از این طریق تخمیر شوند. این فرآیند را می توان به دو مرحله تقسیم کرد: مرحله اول (گاهی اوقات اسیدی نامیده می شود) در واقع تخمیر بوتیریک است. با این حال، علاوه بر اسید بوتیریک، اسید استیک نیز آزاد می شود. در نتیجه تخمیر گلوکز از این طریق محصولاتی به دست می آوریم که به مرحله دوم می روند (استونوبوتیل). از آنجایی که کل این فرآیند تحت تأثیر باکتری ها نیز اتفاق می افتد، هنگامی که محیط اسیدی می شود (افزایش غلظت اسیدها)، آنزیم های خاصی توسط باکتری ها آزاد می شود. آنها باعث تبدیل محصولات تخمیر گلوکز به n-بوتانول (الکل بوتیل) و استون می شوند. علاوه بر این، ممکن است مقداری اتانول تولید شود.
سایر انواع تخمیر
علاوه بر پنج نوع این فرآیند ذکر شده، چندین نوع دیگر نیز وجود دارد. به عنوان مثال، این تخمیر استیک است. همچنین تحت تأثیر بسیاری از باکتری ها رخ می دهد. از این نوع تخمیر می توان برای مصارف مفید هنگام ترشی استفاده کرد. از غذا در برابر باکتری های بیماری زا و خطرناک محافظت می کند. تخمیر قلیایی یا متان نیز وجود دارد. بر خلاف انواع قبلی، این نوعتخمیر را می توان برای اکثر ترکیبات آلی انجام داد. در نتیجه تعداد زیادی واکنش پیچیده، مواد آلی به متان، هیدروژن و دی اکسید کربن تقسیم می شوند.
نقش بیولوژیکی
تخمیر قدیمی ترین راه برای به دست آوردن انرژی توسط موجودات زنده است. برخی از موجودات مواد آلی تولید می کنند و در طول مسیر انرژی دریافت می کنند، در حالی که برخی دیگر این مواد را از بین می برند و در عین حال انرژی دریافت می کنند. تمام زندگی ما بر این بنا شده است. و در هر یک از ما تخمیر به یک شکل صورت می گیرد. همانطور که در بالا گفتیم، تخمیر اسید لاکتیک در عضلات در طول تمرین شدید رخ می دهد.
چه چیز دیگری برای خواندن؟
اگر به بیوشیمی این فرآیند بسیار جالب علاقه دارید، باید از کتاب های درسی مدرسه شیمی و زیست شناسی شروع کنید. بسیاری از کتاب های درسی دانشگاه آنقدر مفصل هستند که پس از خواندن آنها می توانید فقط در این زمینه متخصص شوید.
نتیجه گیری
اینجا به پایان رسیدیم. ما همه انواع تخمیر گلوکز و اصول کلی این فرآیندها را که نقش بسیار مهمی هم در عملکرد موجودات زنده و هم در صنعت ما ایفا می کنند، تجزیه و تحلیل کردیم. این امکان وجود دارد که در آینده چندین نوع دیگر از این فرآیند باستانی را کشف کنیم و یاد بگیریم که چگونه از آنها به نفع خود استفاده کنیم، همانطور که با مواردی که قبلاً برای ما شناخته شده بودیم.
