Glükoosi kääritamine on üks peamisi reaktsioone, mille abil on võimalik alkohoolseid jooke valmistada. Seda saab läbi viia erineval viisil, millest igaühes moodustatakse üksikud tooted. See protsess mängib võtmerolli paljudes meie eluvaldkondades, alates toidu valmistamisest ning veini- ja viinatoodete valmistamisest kuni meie kehas toimuvate reaktsioonideni.
Ajalugu
Glükoosi ja teiste suhkrute kääritamise protsessi kasutasid juba iidsed inimesed. Nad sõid kergelt kääritatud toitu. Selline toit oli ohutum, kuna see sisaldas alkoholi, milles paljud kahjulikud bakterid surid. Juba Vana-Egiptuses ja Babüloonias teadsid inimesed, kuidas kääritada palju magusaid jooke ja piima. Kui inimestel 18. sajandi lõpul õnnestus seda protsessi, selle liike ja parendusvõimalusi paremini uurida, kasvasid sellised tööstused nagu kalja, õllepruulimine ja veiniviin väga kvalitatiivselt.
Kääritamise tüübid
Kummalisel kombel, kuid see protsess on erinev. Ja on olemas glükoosi kääritamise tüübid lõpptoodete poolt. Seega on piimhape, alkohol, sidrunhape, atsetoon, võihape ja mitmed teised. Räägime veidi igast tüübisteraldi. Glükoosi piimhappekääritamine on peamine protsess selliste toodete valmistamisel nagu jogurt, hapukoor, keefir, kodujuust. Seda kasutatakse ka köögiviljade säilitamiseks ja see täidab meie kehas võtmefunktsiooni: hapnikuvaeguse tingimustes muundatakse glükoos lõpptooteks - piimhappeks, mis põhjustab lihasvalu treeningu ajal ja pärast seda.
Alkohoolne kääritamine erineb selle poolest, et lõpptootena moodustub etüülalkohol. See tekib mikroorganismide - pärmi abil. Ja see mängib toiduvalmistamisel võtmerolli, kuna glükoosi alkohoolse kääritamise käigus eraldub lisaks põhitootele süsihappegaasi (see seletab pärmitaigna hiilgust).
Sidrunhappe käärimine toimub, nagu võite arvata, sidrunhappe moodustumisega. See esineb teatud tüüpi seene mõjul ja on osa Krebsi tsüklist, mis tagab meie keha kõigi rakkude hingamise.
Atsetoon-butüülkääritamine on väga sarnane võihappega kääritamisele. Selle tulemusena moodustuvad võihape, butüül- ja etüülalkoholid, atsetoon ja süsinikdioksiid. Võihappe kääritamisel tekib ainult nime kandev hapet ja süsinikdioksiidi.
Nüüd vaatleme kõiki tüüpe üksikasjalikum alt, kuid alustame kõige elementaarsemast - glükoosi alkohoolsest kääritamisest. Kõiki reaktsioone ja nende kulgu nüansse analüüsitakse üksikasjalikult.
Alkoholikääritamine
Räägime natuke lähem alt glükoosi käärimisest, mille võrrand on:S6N12O6 =2S2N 5OH + 2CO2. Mida sellest reaktsioonist õppida? Meil on kaks toodet: etüülalkohol ja süsihappegaas. Viimase tõttu jälgime pärmitaigna paisumist. Ja tänu esimesele on meil võimalus saada unustamatu veini ja veinijookide maitse. Kuid tegelikult on see lihts alt lihtsustatud võrrand. Täielik glükoosi kääritamisreaktsioon on keerulisem, seega jagame seda veidi lahti.
On olemas selline protsess nagu glükolüüs. Selle nimi tähendab sõna otseses mõttes "suhkru lõhestamist". Seda esineb kehas ja selle kõrvalsaaduseks on püroviinamarihape ja peamine on adenosiintrifosfaat (ATP), mis tekib selle reaktsiooni käigus teisest ühendist. Võime öelda, et ATP on kehas energiakandja ja tegelikult annab glükolüüs meie kehale energiat.
Me puudutasime seda protsessi põhjusega. Tegelikult on kääritamine väga sarnane glükolüüsiga, kuna esimene etapp on nende jaoks täpselt sama. Võib isegi öelda, et glükoosi alkoholkäärimine on glükolüüsi jätk. Viimase käigus tekkiv püruvaat (püruviinhappe ioon) muundatakse atseetaldehüüdiks (CH3-C(O)H), mille kõrvalproduktina eraldub süsinikdioksiid. Pärast seda redutseeritakse saadud produkt bakterites sisalduva NADH koensüümi toimel. Redutseerimine viib etüülalkoholi moodustumiseni.
Seega näeb glükoosi käärimisreaktsioon etüülalkoholiks välja järgmine:
1)C6H12O6=2 C3H4O3 + 4 H+
2) C3H4O3=CH3 -COH + CO2
3) CH3-COH + NADH + H+=C2H 5OH + NAD+
NADH toimib reaktsiooni katalüsaatorina ja NAD-ioon+mängib võtmerolli glükolüüsi varases staadiumis ning alkohoolse kääritamise lõpus moodustub naaseb protsessi.
Liikugem järgmise uuritava reaktsiooni tüübi juurde.
Glükoosi piimhappekääritamine
See liik erineb alkoholist selle poolest, et see ei teki pärmi, vaid piimhappebakterite mõjul. Seetõttu on meil täiesti erinevad tooted. Piimhappekäärimine toimub ka meie lihastes, kui töötame kõvasti ja hapnikupuuduses.
Seda protsessi on kahte tüüpi. Esimene on homofermentatiivne kääritamine. Kui olete kunagi kuulnud eesliidet "homo", siis ilmselt mõistate, mida see tähendab. Homofermentatiivne fermentatsioon on protsess, mis hõlmab ühte ensüümi. Esimeses etapis toimub glükolüüs ja moodustub püroviinamarihape. Seejärel hüdrogeenitakse saadud püruvaat (lahuses võib see hape eksisteerida ainult ioonide kujul), kasutades NADH+H ja laktaatdehüdrogenaasi. Selle tulemusena on redutseerimisproduktiks piimhape, mis moodustab ligikaudu 90% kõigist reaktsiooni käigus saadud saadustest. Seda ühendit võib aga moodustada ka kahe kujulerinevad isomeerid: D ja L. Need tüübid erinevad selle poolest, et nad on üksteise peegelpildid ja sellest tulenev alt mõjutavad meie keha erineval viisil. Milline isomeer moodustub suuremal määral, määrab laktaatdehüdrogenaasi struktuuri.
Liikume teise piimhappekääritamise tüübi – heterofermentatiivse – juurde. See protsess hõlmab mitmeid ensüüme ja järgib keerukamat rada. Seetõttu tekib reaktsiooni käigus rohkem erinevaid tooteid: lisaks piimhappele leiame se alt äädikhapet ja etüülalkoholi.
Seega oleme kaalunud piimhappekääritamist. See on protsess, mille käigus saame nautida kodujuustu, kalgendatud piima, fermenteeritud küpsetuspiima ja keefiri maitset. Teeme kokkuvõtte ja paneme kirja glükoosi piimhappekäärimise üldise reaktsiooni: C6H12O6=2 C 3H6O3. Muidugi on see homofermentatiivse fermentatsiooni protsessi lihtsustatud diagramm, kuna isegi heterofermentatiivse kääritamisprotsessi diagramm on väga keeruline. Keemikud alles uurivad glükoosi piimhappekääritamist ja selgitavad välja selle täielikud mehhanismid, seega on veel arenguruumi.
Sidrunhappe kääritamine
Seda tüüpi kääritamise reaktsioonid tekivad nagu alkoholi puhul teatud tüüpi seente toimel. Selle reaktsiooni täielikku mehhanismi pole veel täielikult mõistetud ja saame tugineda vaid mõnele lihtsustusele. Siiski on ettepanekuid, et protsessi algetapp on glükolüüs. Seejärel muundatakse püroviinamarihapemuutub erinevateks hapeteks ja saab sidruniks. Selle mehhanismi tõttu kogunevad reaktsioonikeskkonda teised happed – glükoosi mittetäieliku oksüdatsiooni saadused.
See protsess toimub hapniku mõjul ja üldiselt saab selle kirjutada järgmise võrrandiga: 6 +3O2=2C 6N8O 7 + 4H2O. Enne seda tüüpi kääritamise avastamist ekstraheerisid inimesed sidrunhapet ainult vastava puu viljade pressimise teel. Kuid seda hapet ei ole sidrunis rohkem kui 15%, seega osutus see meetod ebapraktiliseks ja pärast selle reaktsiooni avastamist hakati kogu hapet saama kääritamise teel.
Võihappe kääritamine
Liikume järgmise tüübi juurde. Seda tüüpi käärimine toimub võihappebakterite toimel. Need on lai alt levinud ja nende põhjustatud protsess mängib bioloogiliselt olulistes tsüklites võtmerolli. Nende bakterite abil toimub surnud organismide lagunemine. Reaktsioonide käigus tekkinud võihape tõmbab oma lõhnaga ligi püüdjaid.
Seda tüüpi kääritamist kasutatakse tööstuses. Nagu võite arvata, saavad nad võihapet. Selle estreid kasutatakse laialdaselt parfümeerias ja neil on erinev alt iseendast meeldiv lõhn. Võikääritamine ei ole aga alati kasulik. See võib rikkuda köögivilju, konserve, piima ja muid tooteid. Kuid see võib juhtuda ainult siis, kui tootesse on sattunud võihappebakterid.
Analüüsime võihappe toimemehhanismiglükoosi kääritamine. Tema reaktsioon näeb välja selline: C6H12O6 → CH3CH2CH2COOH + 2CO2↑ + 2H 2 . Selle tulemusena tekib ka energia, mis tagab võibakterite elulise aktiivsuse.
Atsetoon-butüülfermentatsioon
See tüüp on väga sarnane võihappega. Sel viisil ei saa käärida mitte ainult glükoos, vaid ka glütserool ja püroviinamarihape. Selle protsessi saab jagada kaheks etapiks: esimene (mõnikord nimetatakse seda happeliseks) on tegelikult võihapete kääritamine. Kuid lisaks võihappele vabaneb ka äädikhape. Sellisel viisil glükoosi kääritamise tulemusena saame tooted, mis lähevad teise etappi (atsetonobutüül). Kuna kogu see protsess toimub ka bakterite toimel, siis söötme hapestamisel (hapete kontsentratsiooni tõus) vabanevad bakterid spetsiaalsed ensüümid. Nad kutsuvad esile glükoosi käärimisproduktide muundumise n-butanooliks (butüülalkoholiks) ja atsetooniks. Lisaks võib tekkida veidi etanooli.
Muud kääritamise tüübid
Lisaks viiele loetletud protsessitüübile on veel mitu. Näiteks on see äädikhape käärimine. See esineb ka paljude bakterite toimel. Seda tüüpi kääritamist saab marineerimisel kasulikel eesmärkidel kasutada. See kaitseb toitu patogeensete ja ohtlike bakterite eest. Samuti on leeliseline või metaankäärimine. Erinev alt eelmistest tüüpidest on see tüüpfermentatsiooni saab läbi viia enamiku orgaaniliste ühendite puhul. Paljude keerukate reaktsioonide tulemusena jagunevad orgaanilised ained metaaniks, vesinikuks ja süsinikdioksiidiks.
Bioloogiline roll
Käärimine on kõige iidseim viis elusorganismide energia saamiseks. Mõned olendid toodavad orgaanilisi aineid, saades teel energiat, teised aga hävitavad neid aineid, saades samal ajal ka energiat. Kogu meie elu on sellele üles ehitatud. Ja igaühes meist toimub käärimine ühel või teisel kujul. Nagu eespool öeldud, toimub intensiivse treeningu ajal lihastes piimhappekäärimine.
Mida veel lugeda?
Kui olete huvitatud selle väga huvitava protsessi biokeemiast, peaksite alustama keemia ja bioloogia kooliõpikutest. Paljud ülikooliõpikud on nii üksikasjalikud, et pärast nende lugemist võite saada lihts alt selle valdkonna eksperdiks.
Järeldus
Siin jõuame lõpuni. Analüüsisime kõiki glükoosi fermentatsiooni liike ja nende protsesside üldpõhimõtteid, millel on väga oluline roll nii elusorganismide toimimises kui ka meie tööstuses. Võimalik, et tulevikus avastame veel mitut tüüpi seda iidset protsessi ja õpime neid enda huvides kasutama, nagu tegime juba meile teadaolevate puhul.
