Glikozes raudzēšana ir viena no galvenajām reakcijām, ar kuru iespējams pagatavot alkoholiskos dzērienus. To var veikt dažādos veidos, no kuriem katrā tiek veidoti atsevišķi produkti. Šim procesam ir galvenā loma daudzās mūsu dzīves jomās, sākot no ēdiena gatavošanas un vīna un degvīna produktu gatavošanas līdz reakcijām, kas notiek mūsu organismā.
Vēsture
Glikozes un citu cukuru fermentācijas procesu izmantoja senie cilvēki. Viņi ēda nedaudz raudzētu pārtiku. Šāds ēdiens bija drošāks, jo saturēja alkoholu, kurā gāja bojā daudzas kaitīgās baktērijas. Senajā Ēģiptē un Babilonijā cilvēki jau prata raudzēt daudzus cukurotus dzērienus un pienu. Kad 18. gadsimta beigās cilvēkiem izdevās labāk izpētīt šo procesu, tā veidus un pilnveidošanas iespējas, ļoti kvalitatīvi pieauga tādas nozares kā kvass, alus un vīna degvīns.
Raudzēšanas veidi
Savādi, bet šis process ir atšķirīgs. Un ir glikozes fermentācijas veidi ar galaproduktiem. Tādējādi ir pienskābe, spirts, citronskābe, acetons, sviestskābe un vairāki citi. Parunāsim nedaudz par katru veiduatsevišķi. Glikozes pienskābes fermentācija ir galvenais process tādu produktu pagatavošanā kā jogurts, skābs krējums, kefīrs, biezpiens. To izmanto arī dārzeņu konservēšanai un veic galveno funkciju mūsu organismā: skābekļa trūkuma apstākļos glikoze tiek pārvērsta galaproduktā – pienskābē, kas izraisa muskuļu sāpes treniņa laikā un pēc tā.
Spirta fermentācija atšķiras ar to, ka kā galaprodukts veidojas etilspirts. Tas notiek ar mikroorganismu - rauga palīdzību. Un tam ir galvenā loma ēdiena gatavošanā, jo papildus galvenajam produktam glikozes spirta fermentācijas laikā izdalās oglekļa dioksīds (tas izskaidro rauga mīklas krāšņumu).
Citronskābes fermentācija notiek, kā jūs varētu nojaust, veidojoties citronskābei. Tas notiek noteikta veida sēnīšu ietekmē un ir daļa no Krebsa cikla, kas nodrošina visu mūsu ķermeņa šūnu elpošanu.
Acetona-butilfermentācija ir ļoti līdzīga sviesta fermentācijai. Rezultātā veidojas sviestskābe, butilspirti un etilspirti, acetons un oglekļa dioksīds. Sviesta fermentācija rada tikai nosaukumu saturošo skābi un oglekļa dioksīdu.
Tagad apskatīsim visus veidus sīkāk, bet sāksim ar pašu elementārāko - glikozes spirtotu fermentāciju. Visas reakcijas un to gaitas nianses tiks detalizēti analizētas.
Spirta fermentācija
Pastāstīsim nedaudz vairāk par glikozes fermentāciju, kuras vienādojums ir:S6N12O6 =2S2N 5OH + 2CO2. Ko var mācīties no šīs reakcijas? Mums ir divi produkti: etilspirts un oglekļa dioksīds. Sakarā ar pēdējo mēs novērojam rauga mīklas uzbriest. Un, pateicoties pirmajam, mums ir iespēja iegūt neaizmirstamu vīna un vīna dzērienu garšu. Bet patiesībā tas ir tikai vienkāršots vienādojums. Pilnīga glikozes fermentācijas reakcija ir sarežģītāka, tāpēc to nedaudz sadalīsim.
Ir tāds process kā glikolīze. Burtiski tā nosaukums tulko kā "cukura sadalīšana". Tas rodas organismā, un tā blakusprodukts ir pirovīnskābe, un galvenais ir adenozīna trifosfāts (ATP), kas veidojas šīs reakcijas laikā no cita savienojuma. Var teikt, ka ATP ir enerģijas nesējs organismā, un patiesībā glikolīze kalpo, lai nodrošinātu mūsu ķermeni ar enerģiju.
Mēs pieskārāmies šim procesam kāda iemesla dēļ. Faktiski fermentācija ir ļoti līdzīga glikolīzei, jo pirmais posms viņiem ir tieši tāds pats. Var pat teikt, ka glikozes alkoholiskā fermentācija ir glikolīzes turpinājums. Piruvāts (pirovīnskābes jons), kas veidojas pēdējā gaitā, pārvēršas acetaldehīdā (CH3-C(O)H), kā blakusprodukts izdalās oglekļa dioksīds. Pēc tam iegūto produktu samazina baktērijās esošais NADH koenzīms. Samazināšana izraisa etilspirta veidošanos.
Tādējādi glikozes fermentācijas reakcija uz etilspirtu izskatās šādi:
1)C6H12O6=2 C3H4O3 + 4 H+
2) C3H4O3=CH3 -COH + CO2
3) CH3-COH + NADH + H+=C2H 5OH + NAD+
NADH kalpo kā reakcijas katalizators, un NAD jons+spēlē galveno lomu glikolīzes sākumposmā, un, kas veidojas spirta fermentācijas beigās, atgriežas procesā.
Pāriesim pie nākamā pētāmā reakcijas veida.
Glikozes pienskābes fermentācija
Šī suga atšķiras no alkohola ar to, ka tā rodas nevis rauga ietekmē, bet gan ar pienskābes baktēriju palīdzību. Tāpēc mums ir pilnīgi atšķirīgi produkti. Pienskābes fermentācija notiek arī mūsu muskuļos, kad smagi strādājam un mums trūkst skābekļa.
Ir divu veidu šis process. Pirmā ir homofermentatīvā fermentācija. Ja kādreiz esat dzirdējuši priedēkli "homo", tad droši vien saprotat, ko tas nozīmē. Homofermentatīvā fermentācija ir process, kurā iesaistīts viens ferments. Pirmajā posmā notiek glikolīze un veidojas pirovīnskābe. Pēc tam iegūtais piruvāts (šķīdumā šī skābe var pastāvēt tikai jonu veidā) tiek pakļauts hidrogenēšanai, izmantojot NADH+H un laktātdehidrogenāzi. Rezultātā reducēšanās produkts ir pienskābe, kas veido aptuveni 90% no visiem reakcijas laikā iegūtajiem produktiem. Tomēr šo savienojumu var veidot arī divu formādažādi izomēri: D un L. Šie veidi atšķiras ar to, ka tie ir viens otra spoguļattēli un rezultātā dažādi ietekmē mūsu ķermeni. Kurš izomērs veidosies lielākā mērā, nosaka laktātdehidrogenāzes struktūru.
Pārejam pie otrā veida pienskābes fermentācijas – heterofermentatīvās. Šis process ietver vairākus enzīmus un iet pa sarežģītāku ceļu. Sakarā ar to reakcijas laikā veidojas vairāk dažādu produktu: bez pienskābes tajā var atrast etiķskābi un etilspirtu.
Tātad mēs esam apsvēruši pienskābes fermentāciju. Tas ir process, kurā varam izbaudīt biezpiena, rūgušpiena, raudzēta cepamā piena un kefīra garšu. Apkoposim un pierakstīsim glikozes pienskābes fermentācijas vispārējo reakciju: C6H12O6=2 C 3H6O3. Protams, šī ir vienkāršota homofermentatīvās fermentācijas procesa diagramma, jo pat heterofermentatīvās fermentācijas procesa diagramma būs ļoti sarežģīta. Ķīmiķi joprojām pēta glikozes pienskābo fermentāciju un noskaidro tās pilnos mehānismus, tāpēc vēl ir vietas uzlabojumiem.
Citronskābes raudzēšana
Šāda veida fermentācijas reakcijas, tāpat kā alkoholam, notiek noteikta celma sēņu ietekmē. Pilns šīs reakcijas mehānisms vēl nav pilnībā izprasts, un mēs varam paļauties tikai uz dažiem vienkāršojumiem. Tomēr ir ieteikumi, ka procesa sākuma stadija ir glikolīze. Pēc tam pirovīnskābe tiek pārvērsta parpārvēršas dažādās skābēs un nonāk citronā. Pateicoties šim mehānismam, reakcijas vidē uzkrājas citas skābes - glikozes nepilnīgas oksidācijas produkti.
Šis process notiek skābekļa ietekmē, un vispārīgi to var uzrakstīt kā vienādojumu: 6 +3O2=2C 6N8O 7 + 4H2O. Pirms šāda veida fermentācijas atklāšanas cilvēki citronskābi ekstrahēja, tikai presējot attiecīgā koka augļus. Taču šīs skābes citronā nav vairāk par 15%, tāpēc šī metode izrādījās nepraktiska, un pēc šīs reakcijas atklāšanas visu skābi sāka iegūt fermentācijas ceļā.
Sviesta fermentācija
Pāriesim pie nākamā veida. Šāda veida fermentācija notiek sviestskābes baktēriju ietekmē. Tie ir plaši izplatīti, un to izraisītajam procesam ir galvenā loma bioloģiski svarīgos ciklos. Ar šo baktēriju palīdzību notiek mirušo organismu sadalīšanās. Reakciju laikā radusies sviestskābe ar savu smaržu pievelk tīrītājus.
Šis fermentācijas veids tiek izmantots rūpniecībā. Kā jūs varētu nojaust, viņi saņem sviestskābi. Tās esteri tiek plaši izmantoti parfimērijā, un tiem ir patīkama smarža, atšķirībā no tā paša. Tomēr sviesta fermentācija ne vienmēr ir izdevīga. Tas var sabojāt dārzeņus, konservus, pienu un citus produktus. Bet tas var notikt tikai tad, ja sviestskābes baktērijas ir nonākušas produktā.
Analīzēsim sviestskābes mehānismuglikozes fermentācija. Viņa reakcija izskatās šādi: C6H12O6 → CH3CH2CH2COOH + 2CO2↑ + 2H 2 . Rezultātā rodas arī enerģija, kas nodrošina sviestbaktēriju vitālo darbību.
Acetona-butilfermentācija
Šis veids ir ļoti līdzīgs sviestskābei. Tādā veidā var rūgt ne tikai glikoze, bet arī glicerīns un pirovīnskābe. Šo procesu var iedalīt divos posmos: pirmais (dažreiz saukts par skābu) faktiski ir sviesta fermentācija. Taču papildus sviestskābei izdalās arī etiķskābe. Glikozes fermentācijas rezultātā šādā veidā mēs iegūstam produktus, kas nonāk otrajā posmā (acetonobutils). Tā kā viss šis process notiek arī baktēriju iedarbībā, tad, kad barotne tiek paskābināta (palielinās skābju koncentrācija), tad baktērijas izdala īpašus enzīmus. Tie izraisa glikozes fermentācijas produktu pārvēršanu n-butanolā (butilspirtā) un acetonā. Turklāt var veidoties nedaudz etanola.
Citi fermentācijas veidi
Papildus pieciem uzskaitītajiem šī procesa veidiem ir vēl vairāki. Piemēram, tā ir etiķskābā fermentācija. Tas notiek arī daudzu baktēriju ietekmē. Šo fermentācijas veidu var izmantot lietderīgiem nolūkiem kodināšanas laikā. Tas aizsargā pārtiku no patogēnām un bīstamām baktērijām. Ir arī sārma vai metāna fermentācija. Atšķirībā no iepriekšējiem veidiem, šis tipsfermentāciju var veikt lielākajai daļai organisko savienojumu. Daudzu sarežģītu reakciju rezultātā organiskās vielas sadalās metānā, ūdeņradi un oglekļa dioksīdā.
Bioloģiskā loma
Raudzēšana ir senākais enerģijas iegūšanas veids ar dzīviem organismiem. Dažas radības ražo organiskas vielas, pa ceļam saņemot enerģiju, bet citas šīs vielas iznīcina, vienlaikus saņemot enerģiju. Visa mūsu dzīve ir balstīta uz to. Un katrā no mums fermentācija notiek vienā vai otrā veidā. Kā jau teicām iepriekš, intensīvas apmācības laikā muskuļos notiek pienskābes fermentācija.
Ko vēl lasīt?
Ja jūs interesē šī ļoti interesantā procesa bioķīmija, jāsāk ar skolas mācību grāmatām ķīmijā un bioloģijā. Daudzas universitāšu mācību grāmatas ir tik detalizētas, ka pēc to izlasīšanas jūs varat kļūt tikai par ekspertu šajā jomā.
Secinājums
Šeit mēs nonākam pie beigām. Mēs analizējām visus glikozes fermentācijas veidus un šo procesu vispārīgos principus, kam ir ļoti svarīga loma gan dzīvo organismu funkcionēšanā, gan mūsu nozarē. Iespējams, ka nākotnē mēs atklāsim vēl vairākus šī senā procesa veidus un iemācīsimies tos izmantot savā labā, kā to darījām ar mums jau zināmajiem.
