Fermentacija - kaj je v kemiji?
Fermentacija je eden najpomembnejših procesov, ki se pojavljajo v okolju, katerega bistvo se zmanjša na proizvodnjo energije z glivami in bakterijami za njihove vitalne funkcije. Toda, tako kot mnogi drugi pojavi, se je človek naučil uporabljati, da bi zadostil svojim potrebam. Fermentacija ni le pridobivanje alkoholnih izdelkov. Zaradi fermentacije človeštvo prejme več vrst živilskih izdelkov. Danes obstajajo tudi tehnologije, ki omogočajo pridobivanje živilske plastike, katere ena od stopenj je ta proces.
Koncept fermentacije
Kemija in biologija ta proces definirata nekoliko drugače. Z vidika kemije je fermentacija reakcija za proizvodnjo etanola in drugih produktov pod vplivom številnih mikroorganizmov, na primer kvasa. Biologija pojasnjuje, da ta anaerobna razgradnja ogljikovih hidratov (vključno z glukozo) nastane pod vplivom mikroorganizmov (ali encimov, ki iz njih izhajajo). Gre za večstopenjski proces, ki vključuje oksidacijsko-redukcijske reakcije, iz istega substrata pa se pridobivajo darovalci in sprejemniki elektronov.
Mnoge snovi se lahko fermentirajo, vendar se pogosteje uporabljajo ogljikovi hidrati. To ne proizvaja samo glavnih snovi, ampak tudi izdelke, kot je aceton, ogljikov dioksid vodika in drugih
Biološka vloga fermentacije
Pomen tega pojava za žive organizme je velik. Posledično nastane vrsta kemičnih reakcij med fermentacijo:
- Molekule ATP z rezervo energije, potrebne za vzdrževanje življenja mikroorganizmov;
- kemikalije, potrebne za sintezo lastnih beljakovin, sladkorjev, različnih nukleinskih kislin itd.
Domneva se, da so glavne tri vrste fermentacije odkrili in opisali L. Pasteur v 19. stoletju. Vendar pa so njihovi izdelki človeštvo že od nekdaj uporabljali.
Vrste fermentacije
Alkoholne, mlečnokislinske in masleno kislinske vrste se najpogosteje uporabljajo v industrijskem obsegu. Biokemija obravnava tudi propionsko kislino, citrat, aceton-butil in druge sorte. Da bi razumeli, kakšno vrsto fermentacije bo potekalo na tak ali drugačen način, je mogoče z vrsto uporabljenih mikroorganizmov.
Torej alkoholno vrenje vznemirja pekarski kvas (Saccharomyces cerevisiae), bakterije iz rodu Erwinia (Erwinia amylovora) in sarcin (Sarcina ventriculi). Butir se izvaja z obvezno-anaerobnimi bakterijami rodu Clostridium. Povzročitelji fermentacije v smeri mlečne kisline so bakterije Streptococcus cremoris, koki (Lactococcus genus) in palice (Lactobacillus genus).
Alkoholna fermentacija
Ta proces vključuje 12 stopenj in ima precej zapleten mehanizem. Med fermentacijo nastane glukoza, nastane 2-oksopropanojska kislina, ki se pogosteje imenuje piruvična kislina. Ta stopnja prehaja glukozo v katerokoli vrsto fermentacije. Nadalje je izpostavljen encimom in pretvorjen v acetaldehid, ki se reducira v etanol.
Zmanjšana enačba za alkoholno fermentacijo je:
С 6 О 12 О 6 -> 2С 2 Η 5 ОΗ + 2 СО2
Upoštevajoč sproščeno energijo, jo lahko zapišemo na naslednji način:
C 6 O 12 O 6 + 2Η 3 PO 4 + 2ADF -> 2C 2 5 OΗ + 2CO 2 + 2ATP
Tako sta dve molekuli ATF shranjeni iz ene molekule glukoze.
Mlečna fermentacija
Glede na skupino mikroorganizmov, ki so vključeni v ta proces, lahko fermentacija poteka na dva načina. Homofermentativne mlečnokislinske bakterije večinoma vodijo v tvorbo mlečno kislino vsebnost v izdelkih je do 90%. To je najbolj primitivna fermentacijska pot, na kateri potekajo mono- in disaharidi (glukoza, laktoza). Za njega velja enačba za reakcijo:
2С 6 О 12 О 6 -> 2 Η 3 Η (ОΗ) СООΗ + Q
Heterofermentativne mlečnokislinske bakterije poleg mlečne kisline proizvajajo etanol, ocetno kislino, ogljikov dioksid in druge snovi kot stranske proizvode. Napišete lahko naslednjo fermentacijsko enačbo:
2С 6 О 12 О 6 -> 2С 3 Η (ОΗ) СООΗ + СООΗ (СΗ 2 ) 2 СООΗ + С 2 Η 5 ОΗ + СΗ 3 СООΗ + Q
Butrična fermentacija
Ta vrsta fermentacije je znana mnogim gospodinjam, ker je tisti, ki vodi k propadanju hrane. Oljne kislinske bakterije povzročajo žarko maslo, kislo zelje in kisle gobe, če niso dovolj sterilizirane. Stranski produkti te fermentacije so ogljikov dioksid in vodik. Možni so tudi grozdi acetona, etanola, butanola in ocetne kisline.
Polisaharidi so sposobni fermentacije, zato se za industrijo parfumerije pridobiva iz krompirja, zrn in melase (odpadki iz proizvodnje sladkorja). Sama kislina ima odvraten vonj, vendar njeni estri prijetno diši s cvetjem in sadjem. Za fermentacijo maslene kisline lahko zapišemo naslednjo reakcijsko enačbo:
2С 6 О 12 О 6 -> Η 3 3 Η 2 SN 2 SOΗΗ + 2СО 2 + 2N 2 + Q
Citronska fermentacija
Podobno kot druge vrste fermentacije gre skozi fazo nastanka piruvične kisline, ki je nato vključena v Krebsov cikel. Pretvorba glukoze v citronsko kislino poteka skozi številne faze, vendar se lahko skupaj izrazi z enačbo:
2С 6 О 12 О 6 + 3O 2 -> 2С 6 Н 8 О 7 + 4Н 2 О
Industrijska proizvodnja citronske kisline temelji na biokemičnih reakcijah z uporabo glive Aspergillus niger v kislem okolju. Če je medij nevtralen, se bo kot stranski proizvod tudi kopičil oksalne kisline.
Fermentacija v živilski industriji
Fermentacijski postopki se pogosto uporabljajo za pridobivanje tekočin, ki vsebujejo alkohol, ne samo v industrijskem obsegu. Glede na surovine in tehnologijo dobite pijače z različno vsebnostjo etanola. Ker alkoholno fermentacijo glukoze spremlja sproščanje CO 2 , obstaja več proizvodov, za katere je značilno, da se sproščajo med uporabo. Vključujejo pivo in peneča vina (šampanjec). Tehnologija proizvodnje drugih zagotavlja pravočasno odvajanje plina, ki nastane med fermentacijo, da se prepreči njegovo kopičenje.
Za proizvodnjo mlečnih izdelkov se uporabljajo ustrezne bakterije. Zaradi te vrste fermentacije se je človeštvo naučilo izdelkov, kot so kisla smetana, kefir, jogurt, jogurt, sir, skuta. Tudi ta postopek je pomemben pri pripravi kvasa. Zaradi mlečnokislinskih bakterij, ki zavirajo rast patogene mikroflore, je možno pripraviti kislo zelenjavo (zelje, kumare, paradižnik). Poleg tega prispevajo k znižanju pH in ohranjanju mesnih izdelkov, zato se mlečne kislinske bakterije uporabljajo pri izdelavi sušenih sort klobas, kot je salama.
Postopek alkoholnega vrenja je zelo pomemben za pekarsko in slaščičarsko industrijo. Ogljikov dioksid, ki se sprošča med medsebojnim delovanjem sladkorja s kvasom, pri pečenju in pečenju se širi. To vodi v nastanek velikih por v testu, zaradi česar postane bujno.
Uporaba fermentacije
Bakterije mlečne kisline uporabljajo v proizvodnji usnja. Za proizvodnjo nekaterih vrst krzna kože (astrakhan, mol, veverica) uporabite njihovo fermentacijo z rženo moko ali kefir. To vodi v mehčanje in luščenje dermis vlaken.
Zahvaljujoč mlečnokislinskim bakterijam in njihovim presnovnim produktom dobimo biološko razgradljivo polilaktidno plastiko. Iz nje pa proizvajajo embalažo za živila in medicinske izdelke s kratko življenjsko dobo (niti in nožice).
Prav tako imajo pomembno vlogo pri skladiščenju krme za živino v obliki silaže. Da bi to naredili, so vrhovi krompirja, pese, koruze, lucerne stisnjeni z dodatkom mravljične kisline. Brez dostopa do zraka v takem substratu se začne kontroliran proces fermentacije mlečne kisline.
V sodobnem svetu je boj za čisto okolje ena najpomembnejših nalog družbe. Postopek fermentacije lahko pomaga odstraniti živalske odpadke in hkrati pridobi dragocen bioplin, ki se lahko uporablja za ogrevanje istih kmetij. V ta namen uporabite različne vrste bakterij na različnih stopnjah proizvodnje. Prvič, bakterije, ki tvorijo kislino, predelajo organske snovi v hlapne kisline. In potem bakterije, ki tvorijo metan, proizvajajo metan iz organskih kislin. Bioplin kot stranski produkti vsebujejo vodikov sulfid in ogljikov monoksid.