Glukózová fermentácia je jednou z hlavných reakcií, pomocou ktorých je možná príprava alkoholických nápojov. Môže sa vykonávať rôznymi spôsobmi, pričom v každom z nich sa vytvárajú jednotlivé produkty. Tento proces hrá kľúčovú úlohu v mnohých oblastiach nášho života, od varenia a výroby produktov z vína a vodky až po reakcie, ktoré prebiehajú v našom tele.
História
Proces fermentácie glukózy a iných cukrov používali už starovekí ľudia. Jedli mierne fermentované jedlo. Takéto jedlo bolo bezpečnejšie, pretože obsahovalo alkohol, v ktorom uhynulo veľa škodlivých baktérií. V starovekom Egypte a Babylone už ľudia vedeli skvasiť mnohé sladené nápoje a mlieko. Keď sa ľuďom na konci 18. storočia podarilo tento proces, jeho druhy a možnosti zlepšenia lepšie preštudovať, kvalitatívne sa rozrástli také odvetvia ako kvas, pivovarníctvo a vínovodka.
Typy fermentácie
Napodiv, ale tento proces je iný. A existujú druhy fermentácie glukózy konečnými produktmi. Existuje teda kyselina mliečna, alkohol, kyselina citrónová, acetón, maslová a niekoľko ďalších. Povedzme si trochu o každom druhuoddelene. Mliečna fermentácia glukózy je hlavným procesom pri príprave takých produktov, ako je jogurt, kyslá smotana, kefír, tvaroh. Používa sa aj na konzervovanie zeleniny a v našom tele plní kľúčovú funkciu: v podmienkach nedostatku kyslíka sa glukóza premieňa na konečný produkt – kyselinu mliečnu, ktorá spôsobuje bolesti svalov počas a po tréningu.
Alkoholové kvasenie sa líši v tom, že ako konečný produkt vzniká etylalkohol. Vyskytuje sa pomocou mikroorganizmov – kvasiniek. A hrá kľúčovú úlohu pri varení, pretože okrem hlavného produktu sa pri alkoholovej fermentácii glukózy uvoľňuje oxid uhličitý (to vysvetľuje nádheru kysnutého cesta).
K fermentácii kyseliny citrónovej, ako by ste mohli hádať, dochádza pri tvorbe kyseliny citrónovej. Vyskytuje sa pod vplyvom určitého druhu húb a je súčasťou Krebsovho cyklu, ktorý zabezpečuje dýchanie všetkých buniek v našom tele.
Acetón-butylová fermentácia je veľmi podobná maslovej fermentácii. V dôsledku toho sa tvorí kyselina maslová, butyl a etylalkoholy, acetón a oxid uhličitý. Maslová fermentácia produkuje iba kyselinu a oxid uhličitý.
Teraz sa na všetky typy pozrieme podrobnejšie, no začnime tým najzákladnejším – alkoholovou fermentáciou glukózy. Všetky reakcie a nuansy ich priebehu budú podrobne analyzované.
Alkoholové kvasenie
Poďme si povedať niečo viac o fermentácii glukózy, ktorej rovnica je:S6N12O6 =2S2N 5OH + 2CO2. Čo sa dá z tejto reakcie naučiť? Máme dva produkty: etylalkohol a oxid uhličitý. V dôsledku toho pozorujeme napučiavanie kysnutého cesta. A vďaka tomu prvému máme možnosť získať nezabudnuteľnú chuť vína a vínnych nápojov. Ale v skutočnosti je to len zjednodušená rovnica. Kompletná glukózová fermentačná reakcia je komplikovanejšia, tak si to poďme trochu rozobrať.
Existuje taký proces ako glykolýza. Doslova sa jeho názov prekladá ako „štiepenie cukru“. Vyskytuje sa v organizme a jej vedľajším produktom je kyselina pyrohroznová a hlavným je adenozíntrifosfát (ATP), ktorý vzniká pri tejto reakcii z inej zlúčeniny. Môžeme povedať, že ATP je nosič energie v tele a v skutočnosti glykolýza slúži nášmu telu na zásobovanie energiou.
Tohto procesu sme sa dotkli z nejakého dôvodu. V skutočnosti je fermentácia veľmi podobná glykolýze, pretože prvá fáza je pre nich úplne rovnaká. Dá sa dokonca povedať, že alkoholová fermentácia glukózy je pokračovaním glykolýzy. Vzniknutý pyruvát (ión kyseliny pyrohroznovej) sa premieňa na acetaldehyd (CH3-C(O)H), pričom sa ako vedľajší produkt uvoľňuje oxid uhličitý. Potom je výsledný produkt redukovaný koenzýmom NADH obsiahnutým v baktériách. Redukcia vedie k tvorbe etylalkoholu.
Reakcia fermentácie glukózy na etylalkohol teda vyzerá takto:
1)C6H12O6=2 C3H4O3 + 4 H+
2) C3H4O3=CH3 -COH + CO2
3) CH3-COH + NADH + H+=C2H 5OH + NAD+
NADH slúži ako katalyzátor reakcie a ión NAD+hrá kľúčovú úlohu v ranom štádiu glykolýzy a vytvára sa na konci alkoholovej fermentácie, sa vráti do procesu.
Prejdime k ďalšiemu typu skúmanej reakcie.
Mliečna fermentácia glukózy
Tento druh sa od alkoholu líši tým, že sa nevyskytuje pod vplyvom kvasiniek, ale pomocou baktérií mliečneho kvasenia. Preto máme úplne iné produkty. K fermentácii kyseliny mliečnej tiež dochádza v našich svaloch, keď tvrdo pracujeme a máme nedostatok kyslíka.
Existujú dva typy tohto procesu. Prvým je homofermentatívna fermentácia. Ak ste už niekedy počuli predponu „homo“, pravdepodobne ste pochopili, čo znamená. Homofermentatívna fermentácia je proces zahŕňajúci jeden enzým. V prvom štádiu nastáva glykolýza a vzniká kyselina pyrohroznová. Potom sa výsledný pyruvát (v roztoku môže táto kyselina vyskytovať iba vo forme iónov) podrobí hydrogenácii pomocou NADH+H a laktátdehydrogenázy. Výsledkom je, že produktom redukcie je kyselina mliečna, ktorá tvorí asi 90 % všetkých produktov získaných počas reakcie. Táto zlúčenina však môže byť vytvorená aj vo forme dvochrôzne izoméry: D a L. Tieto typy sa líšia tým, že sú vzájomnými zrkadlovými obrazmi a v dôsledku toho ovplyvňujú naše telo rôznymi spôsobmi. Ktorý izomér sa vytvorí vo väčšej miere, určuje štruktúru laktátdehydrogenázy.
Prejdime k druhému typu mliečnej fermentácie – heterofermentatívnej. Tento proces zahŕňa niekoľko enzýmov a sleduje zložitejšiu cestu. Kvôli tomu pri reakcii vzniká viac rôznych produktov: okrem kyseliny mliečnej tam nájdeme kyselinu octovú a etylalkohol.
Takže sme uvažovali o mliečnej fermentácii. Toto je proces, pri ktorom si môžeme vychutnať chuť tvarohu, zrazeného mlieka, fermentovaného pečeného mlieka a kefíru. Zhrňme a napíšme všeobecnú reakciu mliečnej fermentácie glukózy: C6H12O6=2 C 3H6O3. Samozrejme, toto je zjednodušená schéma procesu homofermentatívnej fermentácie, pretože aj schéma heterofermentatívneho fermentačného procesu bude veľmi komplexná. Chemici stále študujú mliečnu fermentáciu glukózy a objasňujú jej úplné mechanizmy, takže stále existuje priestor na zlepšenie.
Kvasenie kyselinou citrónovou
Reakcie tohto typu fermentácie vznikajú, podobne ako pri alkohole, pôsobením húb určitého druhu. Úplný mechanizmus tejto reakcie ešte nie je úplne pochopený a môžeme sa spoliehať len na niektoré zjednodušenia. Existujú však návrhy, že počiatočným štádiom procesu je glykolýza. Potom sa kyselina pyrohroznová prevedie nasa mení na rôzne kyseliny a prechádza na citrónovú. Vďaka tomuto mechanizmu sa v reakčnom médiu hromadia ďalšie kyseliny - produkty neúplnej oxidácie glukózy.
Tento proces prebieha pod vplyvom kyslíka a vo všeobecnosti ho možno zapísať ako nasledujúcu rovnicu: 6 +3O2=2C 6N8O 7 + 4H2O. Pred objavením tohto typu fermentácie ľudia extrahovali kyselinu citrónovú výlučne lisovaním plodov príslušného stromu. Tejto kyseliny však v citróne nie je viac ako 15%, preto sa tento spôsob ukázal ako nepraktický a po objavení tejto reakcie sa všetka kyselina začala získavať fermentáciou.
Maslová fermentácia
Prejdime na ďalší typ. Tento typ fermentácie prebieha pôsobením baktérií kyseliny maslovej. Sú rozšírené a proces, ktorý spôsobujú, zohráva kľúčovú úlohu v biologicky dôležitých cykloch. Pomocou týchto baktérií dochádza k rozkladu mŕtvych organizmov. Kyselina maslová vznikajúca pri reakciách priťahuje lapače zápachom.
Tento typ fermentácie sa používa v priemysle. Ako by ste mohli hádať, dostanú kyselinu maslovú. Jeho estery sú široko používané v parfumérii a na rozdiel od neho samého príjemne voňajú. Maslová fermentácia však nie je vždy prospešná. Môže pokaziť zeleninu, konzervy, mlieko a iné produkty. To sa však môže stať iba vtedy, ak sa do produktu dostanú baktérie kyseliny maslovej.
Poďme analyzovať mechanizmus butyrikafermentácia glukózy. Jeho reakcia vyzerá takto: C6H12O6 → CH3CH2CH2COOH + 2CO2↑ + 2H 2 . V dôsledku toho vzniká aj energia, ktorá zabezpečuje životne dôležitú činnosť maslových baktérií.
Acetón-butylová fermentácia
Tento typ je veľmi podobný maslovej. Takto môže fermentovať nielen glukóza, ale aj glycerol a kyselina pyrohroznová. Tento proces možno rozdeliť do dvoch etáp: prvá (niekedy nazývaná kyslá) je vlastne maslová fermentácia. Okrem kyseliny maslovej sa však uvoľňuje aj kyselina octová. V dôsledku fermentácie glukózy týmto spôsobom získame produkty, ktoré prechádzajú do druhej fázy (acetonobutyl). Keďže celý tento proces prebieha aj pôsobením baktérií, keď sa médium okyslí (zvýšenie koncentrácie kyselín), baktérie uvoľňujú špeciálne enzýmy. Vyvolávajú premenu produktov fermentácie glukózy na n-butanol (butylalkohol) a acetón. Okrem toho sa môže produkovať určité množstvo etanolu.
Iné typy fermentácie
Okrem piatich uvedených typov tohto procesu existuje niekoľko ďalších. Ide napríklad o octové kvasenie. Vyskytuje sa aj pri pôsobení mnohých baktérií. Tento typ fermentácie je možné použiť na užitočné účely pri morení. Chráni potraviny pred patogénnymi a nebezpečnými baktériami. Existuje aj alkalická alebo metánová fermentácia. Na rozdiel od predchádzajúcich typov tento typfermentáciu možno uskutočniť pre väčšinu organických zlúčenín. V dôsledku veľkého počtu zložitých reakcií sa organické látky delia na metán, vodík a oxid uhličitý.
Biologická úloha
Fermentácia je najstarší spôsob získavania energie živými organizmami. Niektoré tvory produkujú organické látky, pričom energiu prijímajú na ceste, zatiaľ čo iné tieto látky ničia a zároveň prijímajú energiu. Na tomto je postavený celý náš život. A v každom z nás kvasenie prebieha v tej či onej podobe. Ako sme povedali vyššie, fermentácia kyseliny mliečnej prebieha vo svaloch počas intenzívneho tréningu.
Čo ešte čítať?
Ak vás zaujíma biochémia tohto veľmi zaujímavého procesu, mali by ste začať so školskými učebnicami chémie a biológie. Mnohé vysokoškolské učebnice sú také podrobné, že po ich prečítaní sa môžete stať v tejto oblasti iba odborníkom.
Záver
Tu sa dostávame na koniec. Analyzovali sme všetky typy fermentácie glukózy a všeobecné princípy týchto procesov, ktoré zohrávajú veľmi dôležitú úlohu ako vo fungovaní živých organizmov, tak aj v našom priemysle. Je možné, že v budúcnosti objavíme niekoľko ďalších typov tohto prastarého procesu a naučíme sa, ako ich využiť vo svoj prospech, ako sme to urobili s tými, ktoré sú nám už známe.
