Reakcija fermentacije glukoze. Vrste, značenje i proizvod fermentacije

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-02 17:42

Glukozna fermentacija je jedna od glavnih reakcija kojom je moguća priprema alkoholnih pića. Može se izvesti na različite načine, na svakom od kojih se formiraju pojedinačni proizvodi. Ovaj proces igra ključnu ulogu u mnogim područjima našeg života, od kuhanja i pravljenja proizvoda od vina i votke do reakcija koje se dešavaju u našem tijelu.

Historija

Proces fermentacije glukoze i drugih šećera koristili su stari ljudi. Jeli su blago fermentisanu hranu. Takva hrana je bila sigurnija, jer je sadržavala alkohol, u kojem su mnoge štetne bakterije umrle. U starom Egiptu i Babilonu ljudi su već znali kako da fermentiraju mnoga slatka pića i mlijeko. Kada su ljudi krajem 18. veka uspeli da bolje prouče ovaj proces, njegove vrste i mogućnosti za unapređenje, industrije kao što su kvas, pivarstvo i vino-votka su veoma kvalitativno porasle.

Vrste fermentacije

Čudno, ali ovaj proces je drugačiji. A postoje i vrste fermentacije glukoze krajnjim proizvodima. Tako postoji mliječna kiselina, alkohol, limunska kiselina, aceton, maslačna kiselina i nekoliko drugih. Hajde da popričamo malo o svakoj vrstiodvojeno. Mliječno kisela fermentacija glukoze glavni je proces u pripremi proizvoda kao što su jogurt, pavlaka, kefir, svježi sir. Koristi se i za očuvanje povrća i obavlja ključnu funkciju u našem organizmu: u uslovima nedostatka kiseonika, glukoza se pretvara u konačni proizvod - mlečnu kiselinu, koja izaziva bolove u mišićima tokom i nakon treninga.

Alkoholna fermentacija se razlikuje po tome što nastaje etil alkohol kao konačni proizvod. Javlja se uz pomoć mikroorganizama - kvasca. I igra ključnu ulogu u kuvanju, jer se pored glavnog proizvoda, prilikom alkoholne fermentacije glukoze oslobađa ugljični dioksid (ovo objašnjava sjaj kvasnog tijesta).

Vermentacija limunske kiseline nastaje, kao što možete pretpostaviti, stvaranjem limunske kiseline. Nastaje pod uticajem određene vrste gljivica i deo je Krebsovog ciklusa, koji obezbeđuje disanje svih ćelija u našem telu.

Aceton-butil fermentacija je vrlo slična maslačnoj fermentaciji. Kao rezultat toga nastaju maslačna kiselina, butilni i etilni alkoholi, aceton i ugljični dioksid. Maslačna fermentacija proizvodi samo kiselinu i ugljični dioksid koji nosi ime.

Sada ćemo detaljnije pogledati sve vrste, ali počnimo s najosnovnijim - alkoholnom fermentacijom glukoze. Sve reakcije i nijanse njihovog toka biće detaljno analizirane.

Alkoholna fermentacija

Recimo malo više o fermentaciji glukoze, čija je jednadžba:S₆N₁₂O₆ =2S₂N ₅OH + 2CO_{2. Šta se može naučiti iz ove reakcije? Imamo dva proizvoda: etil alkohol i ugljen dioksid. Zbog potonjeg uočavamo bubrenje tijesta sa kvascem. A zahvaljujući prvom, imamo priliku dobiti nezaboravan okus vina i vinskih napitaka. Ali u stvari, ovo je samo pojednostavljena jednadžba. Kompletna reakcija fermentacije glukoze je komplikovanija, pa hajde da je malo razložimo.}

Postoji takav proces kao što je glikoliza. Doslovno, njegovo ime se prevodi kao "cijepanje šećera". Javlja se u organizmu, a njegov nusproizvod je pirogrožđana kiselina, a glavni je adenozin trifosfat (ATP), koji nastaje tokom ove reakcije iz drugog jedinjenja. Možemo reći da je ATP nosilac energije u tijelu, a zapravo glikoliza služi da našem tijelu obezbijedi energiju.

Dotakli smo se ovog procesa s razlogom. U stvari, fermentacija je vrlo slična glikolizi, jer je prva faza za njih potpuno ista. Može se čak reći da je alkoholna fermentacija glukoze nastavak glikolize. Piruvat (jon pirogrožđane kiseline) koji nastaje u toku potonjeg pretvara se u acetaldehid (CH_{3-C(O)H) uz oslobađanje ugljičnog dioksida kao nusproizvoda. Nakon toga, nastali proizvod se reducira NADH koenzimom sadržanim u bakterijama. Redukcija dovodi do stvaranja etil alkohola.}

Dakle, reakcija fermentacije glukoze u etil alkohol izgleda ovako:

1)C₆H₁₂O₆=2 C₃H₄O₃ + 4 H⁺

2) C₃H₄O₃=CH₃ -COH + CO₂

3) CH₃-COH + NADH + H⁺=C₂H ₅OH + NAD⁺

NADH služi kao katalizator reakcije, a NAD ion+igra ključnu ulogu u ranoj fazi glikolize, a formiran na kraju alkoholne fermentacije, vraća se u proces.

Pređimo na sljedeću vrstu reakcije koja se proučava.

Mlečnokiselinska fermentacija glukoze

Ova vrsta se razlikuje od alkohola po tome što nastaje ne pod uticajem kvasca, već uz pomoć bakterija mlečne kiseline. Stoga imamo potpuno različite proizvode. Fermentacija mliječne kiseline također se događa u našim mišićima kada naporno radimo i nedostaje nam kisik.

Postoje dvije vrste ovog procesa. Prva je homofermentativna fermentacija. Ako ste ikada čuli prefiks "homo", onda verovatno razumete šta to znači. Homofermentativna fermentacija je proces koji uključuje jedan enzim. U prvoj fazi dolazi do glikolize i formiranja pirogrožđane kiseline. Zatim se dobijeni piruvat (u rastvoru ova kiselina može postojati samo u obliku jona) podvrgava hidrogenizaciji pomoću NADH+H i laktat dehidrogenaze. Kao rezultat toga, produkt redukcije je mliječna kiselina, koja čini oko 90% svih proizvoda dobivenih tijekom reakcije. Ovo jedinjenje, međutim, može se formirati i u obliku dvarazličiti izomeri: D i L. Ovi se tipovi razlikuju po tome što su jedni druge u ogledalu i, kao rezultat, utiču na naše tijelo na različite načine. Koji izomer će se formirati u većoj mjeri određuje strukturu laktat dehidrogenaze.

Pređimo na drugu vrstu mlečnokiselinske fermentacije - heterofermentativnu. Ovaj proces uključuje nekoliko enzima i prati složeniji put. Zbog toga se tokom reakcije stvara više različitih proizvoda: osim mliječne kiseline, tu možemo pronaći octenu kiselinu i etil alkohol.

Dakle, razmotrili smo fermentaciju mliječne kiseline. Ovo je proces kojim možemo uživati u ukusu svježeg sira, kiselog mlijeka, fermentisanog mlijeka i kefira. Da sumiramo i zapišemo opštu reakciju mlečnokiselinske fermentacije glukoze: C₆H₁₂O₆=2 C ₃H₆O₃. Naravno, ovo je pojednostavljeni dijagram procesa homofermentativne fermentacije, jer će čak i dijagram procesa heterofermentativne fermentacije biti vrlo složen. Hemičari još uvijek proučavaju mliječnu fermentaciju glukoze i razjašnjavaju njene potpune mehanizme, tako da još uvijek ima prostora za poboljšanje.

fermentacija limunskom kiselinom

Reakcije ove vrste fermentacije nastaju, kao i kod alkohola, pod dejstvom gljiva određenog soja. Potpuni mehanizam ove reakcije još nije u potpunosti shvaćen i možemo se osloniti samo na neka pojednostavljenja. Međutim, postoje sugestije da je početna faza procesa glikoliza. Zatim se pirogrožđana kiselina pretvara upretvara se u razne kiseline i dolazi do limunske. Zbog ovog mehanizma, druge kiseline se akumuliraju u reakcionom mediju - proizvodi nepotpune oksidacije glukoze.

Ovaj proces se odvija pod uticajem kiseonika, a generalno se može zapisati kao sledeća jednačina: 6 _+3O2_=2C 6_N8_{O 7} + 4H₂O. Prije nego što je ova vrsta fermentacije otkrivena, ljudi su limunsku kiselinu ekstrahirali isključivo presovanjem ploda odgovarajućeg drveta. Međutim, ove kiseline nema više od 15% u limunu, pa se ova metoda pokazala nepraktičnom, a nakon otkrića ove reakcije sva kiselina je počela da se dobija fermentacijom.

Butirna fermentacija

Pređimo na sljedeću vrstu. Ova vrsta fermentacije nastaje pod djelovanjem bakterija maslačne kiseline. Oni su široko rasprostranjeni, a proces koji izazivaju igra ključnu ulogu u biološki važnim ciklusima. Uz pomoć ovih bakterija dolazi do razgradnje mrtvih organizama. Maslačna kiselina nastala tokom reakcija svojim mirisom privlači čistače.

Ova vrsta fermentacije se koristi u industriji. Kao što možete pretpostaviti, dobijaju butirnu kiselinu. Njegovi estri se široko koriste u parfimeriji i imaju ugodan miris, za razliku od sebe. Međutim, maslačna fermentacija nije uvijek korisna. Može pokvariti povrće, konzerviranu hranu, mlijeko i druge proizvode. Ali to se može dogoditi samo ako su bakterije maslačne kiseline ušle u proizvod.

Hajde da analiziramo mehanizam butirne kiselinefermentacija glukoze. Njegova reakcija izgleda ovako: C₆H₁₂O₆ → CH_3CH2_CH2_{COOH + 2CO}2_{↑ + 2H} 2 _{. Kao rezultat, također se stvara energija koja osigurava vitalnu aktivnost butirnih bakterija.}

Aceton-butil fermentacija

Ova vrsta je vrlo slična butirnoj. Na ovaj način mogu fermentirati ne samo glukoza, već i glicerol i pirogrožđana kiselina. Ovaj proces se može podijeliti u dvije faze: prva (ponekad se naziva kisela) je zapravo maslačna fermentacija. Međutim, osim maslačne kiseline, oslobađa se i octena kiselina. Kao rezultat fermentacije glukoze na ovaj način dobijamo proizvode koji idu u drugu fazu (acetonobutil). Budući da se cijeli ovaj proces odvija i pod djelovanjem bakterija, kada se medij zakiseli (povećanje koncentracije kiselina), bakterije oslobađaju posebne enzime. Oni indukuju konverziju proizvoda fermentacije glukoze u n-butanol (butil alkohol) i aceton. Osim toga, može se proizvesti nešto etanola.

Druge vrste fermentacije

Pored navedenih pet tipova ovog procesa, postoji još nekoliko. Na primjer, ovo je octena fermentacija. Javlja se i pod djelovanjem mnogih bakterija. Ova vrsta fermentacije može se koristiti u korisne svrhe prilikom kiseljenja. Štiti hranu od patogenih i opasnih bakterija. Postoje i alkalna ili metanska fermentacija. Za razliku od prethodnih tipova, ovaj tipfermentacija se može provesti za većinu organskih spojeva. Kao rezultat velikog broja složenih reakcija, organske tvari se dijele na metan, vodonik i ugljični dioksid.

Biološka uloga

Fermentacija je najstariji način dobijanja energije živim organizmima. Neka stvorenja proizvode organske tvari, primajući energiju usput, dok druga uništavaju te tvari, istovremeno primajući energiju. Ceo naš život je izgrađen na tome. I u svakom od nas, fermentacija se odvija u ovom ili onom obliku. Kao što smo rekli gore, fermentacija mliječne kiseline se dešava u mišićima tokom intenzivnog treninga.

Šta još čitati?

Ako vas zanima biohemija ovog vrlo zanimljivog procesa, trebali biste početi sa školskim udžbenicima iz hemije i biologije. Mnogi univerzitetski udžbenici su toliko detaljni da nakon čitanja možete postati samo stručnjak u ovoj oblasti.

Zaključak

Evo dolazimo do kraja. Analizirali smo sve vrste fermentacije glukoze i opšte principe ovih procesa, koji igraju veoma važnu ulogu kako u funkcionisanju živih organizama tako i u našoj industriji. Moguće je da ćemo u budućnosti otkriti još nekoliko tipova ovog drevnog procesa i naučiti kako ih iskoristiti u svoju korist, kao što smo to učinili sa onima koji su nam već poznati.