Glukózová fermentace je jednou z hlavních reakcí, pomocí kterých je možná příprava alkoholických nápojů. Může být prováděn různými způsoby, z nichž každý tvoří jednotlivé produkty. Tento proces hraje klíčovou roli v mnoha oblastech našeho života, od vaření a výroby produktů z vína a vodky až po reakce, které probíhají v našem těle.
Historie
Proces fermentace glukózy a jiných cukrů používali již starověcí lidé. Jedli mírně fermentované jídlo. Takové jídlo bylo bezpečnější, protože obsahovalo alkohol, ve kterém uhynulo mnoho škodlivých bakterií. Již ve starověkém Egyptě a Babylonu lidé věděli, jak fermentovat mnoho slazených nápojů a mléka. Když se lidem na konci 18. století podařilo tento proces lépe prostudovat, jeho druhy a možnosti zlepšení, odvětví jako kvas, pivovarnictví a víno-vodka se velmi kvalitativně rozrostlo.
Typy fermentace
Kupodivu, ale tento proces je jiný. A existují typy fermentace glukózy konečnými produkty. Existuje tedy kyselina mléčná, alkohol, kyselina citrónová, aceton, máselná a několik dalších. Promluvme si trochu o každém typuodděleně. Mléčná fermentace glukózy je hlavním procesem při přípravě takových produktů, jako je jogurt, zakysaná smetana, kefír, tvaroh. Používá se také ke konzervaci zeleniny a plní klíčovou funkci v našem těle: v podmínkách nedostatku kyslíku se glukóza přeměňuje na konečný produkt - kyselinu mléčnou, která způsobuje bolesti svalů během a po tréninku.
Alkoholové kvašení se liší tím, že jako konečný produkt vzniká ethylalkohol. Dochází k němu pomocí mikroorganismů – kvasinek. A hraje klíčovou roli při vaření, protože kromě hlavního produktu se při alkoholové fermentaci glukózy uvolňuje oxid uhličitý (to vysvětluje nádheru kynutého těsta).
K fermentaci kyseliny citronové dochází, jak asi tušíte, s tvorbou kyseliny citrónové. Vyskytuje se pod vlivem určitého druhu houby a je součástí Krebsova cyklu, který zajišťuje dýchání všech buněk v našem těle.
Aceton-butylová fermentace je velmi podobná máselné fermentaci. V důsledku toho vzniká kyselina máselná, butyl a ethylalkoholy, aceton a oxid uhličitý. Máselná fermentace produkuje pouze kyselinu a oxid uhličitý.
Nyní se podíváme na všechny typy podrobněji, ale začněme tím nejzákladnějším – alkoholovou fermentací glukózy. Všechny reakce a nuance jejich průběhu budou podrobně analyzovány.
Alkoholové kvašení
Povězme si něco více o fermentaci glukózy, jejíž rovnice je:S6N12O6 =2S2N 5OH + 2CO2. Co se lze z této reakce naučit? Máme dva produkty: ethylalkohol a oxid uhličitý. Kvůli tomu druhému pozorujeme bobtnání kynutého těsta. A díky tomu prvnímu máme možnost získat nezapomenutelnou chuť vína a vinných nápojů. Ale ve skutečnosti je to jen zjednodušená rovnice. Kompletní reakce fermentace glukózy je složitější, tak si to pojďme trochu rozebrat.
Existuje takový proces jako glykolýza. Doslova se jeho název překládá jako „štěpení cukru“. Vyskytuje se v těle a jeho vedlejším produktem je kyselina pyrohroznová a tím hlavním je adenosintrifosfát (ATP), který vzniká při této reakci z jiné sloučeniny. Můžeme říci, že ATP je nosič energie v těle a ve skutečnosti glykolýza slouží k tomu, aby naše tělo zásobovalo energií.
Dotkli jsme se tohoto procesu z nějakého důvodu. Ve skutečnosti je fermentace velmi podobná glykolýze, protože první fáze je pro ně úplně stejná. Dá se dokonce říci, že alkoholové kvašení glukózy je pokračováním glykolýzy. Vzniklý pyruvát (iont kyseliny pyrohroznové) se přeměňuje na acetaldehyd (CH3-C(O)H) s uvolňováním oxidu uhličitého jako vedlejšího produktu. Poté je výsledný produkt redukován koenzymem NADH obsaženým v bakteriích. Redukce vede k tvorbě ethylalkoholu.
Fermentační reakce glukózy na ethylalkohol tedy vypadá takto:
1)C6H12O6=2 C3H4O3 + 4 H+
2) C3H4O3=CH3 -COH + CO2
3) CH3-COH + NADH + H+=C2H 5OH + NAD+
NADH slouží jako katalyzátor reakce a iont NAD+hraje klíčovou roli v rané fázi glykolýzy a vzniká na konci alkoholové fermentace, vrátí se do procesu.
Přejděme k dalšímu typu zkoumané reakce.
Mléčná fermentace glukózy
Tento druh se od alkoholu liší tím, že se nevyskytuje pod vlivem kvasinek, ale za pomoci bakterií mléčného kvašení. Proto máme úplně jiné produkty. K fermentaci kyseliny mléčné také dochází v našich svalech, když tvrdě pracujeme a máme nedostatek kyslíku.
Existují dva typy tohoto procesu. První je homofermentativní fermentace. Pokud jste někdy slyšeli předponu „homo“, pak pravděpodobně chápete, co znamená. Homofermentativní fermentace je proces zahrnující jediný enzym. V první fázi nastává glykolýza a vzniká kyselina pyrohroznová. Poté se výsledný pyruvát (v roztoku může tato kyselina vyskytovat pouze ve formě iontů) podrobí hydrogenaci pomocí NADH+H a laktátdehydrogenázy. Výsledkem je, že produktem redukce je kyselina mléčná, která tvoří asi 90 % všech produktů získaných během reakce. Tato sloučenina však může být také vytvořena ve formě dvourůzné izomery: D a L. Tyto typy se liší tím, že jsou navzájem zrcadlovými obrazy a v důsledku toho ovlivňují naše tělo různými způsoby. Který izomer se bude tvořit ve větší míře, určuje strukturu laktátdehydrogenázy.
Přejděme k druhému typu mléčného kvašení – heterofermentativní. Tento proces zahrnuje několik enzymů a sleduje složitější cestu. Kvůli tomu během reakce vzniká více různých produktů: kromě kyseliny mléčné tam najdeme kyselinu octovou a ethylalkohol.
Takže jsme uvažovali o mléčném kvašení. To je proces, při kterém si můžeme vychutnat chuť tvarohu, sraženého mléka, fermentovaného pečeného mléka a kefíru. Shrňme a zapišme obecnou reakci mléčné fermentace glukózy: C6H12O6=2 C 3H6O3. Samozřejmě se jedná o zjednodušené schéma procesu homofermentativní fermentace, protože i schéma heterofermentativního fermentačního procesu bude velmi složité. Chemici stále studují mléčnou fermentaci glukózy a objasňují její úplné mechanismy, takže stále existuje prostor pro zlepšení.
Kvasení kyselinou citronovou
Reakce tohoto typu fermentace nastávají, stejně jako u alkoholu, působením hub určitého druhu. Úplný mechanismus této reakce není dosud zcela objasněn a můžeme se spolehnout pouze na některá zjednodušení. Existují však návrhy, že počáteční fází procesu je glykolýza. Poté se kyselina pyrohroznová přemění nase mění na různé kyseliny a přechází na citrónovou. Díky tomuto mechanismu se v reakčním médiu hromadí další kyseliny - produkty neúplné oxidace glukózy.
Tento proces probíhá pod vlivem kyslíku a obecně jej lze zapsat jako následující rovnici: 6 +3O2=2C 6N8O 7 + 4H2O. Než byl tento typ fermentace objeven, lidé extrahovali kyselinu citronovou výhradně lisováním plodů odpovídajícího stromu. Této kyseliny však v citronu není více než 15 %, proto se tato metoda ukázala jako nepraktická a po objevení této reakce se veškerá kyselina začala získávat fermentací.
máselná fermentace
Přejděme k dalšímu typu. K tomuto typu fermentace dochází působením bakterií kyseliny máselné. Jsou rozšířené a proces, který způsobují, hraje klíčovou roli v biologicky důležitých cyklech. Pomocí těchto bakterií dochází k rozkladu mrtvých organismů. Kyselina máselná vznikající při reakcích přitahuje lapače svým zápachem.
Tento typ fermentace se používá v průmyslu. Jak asi tušíte, dostávají kyselinu máselnou. Jeho estery jsou široce používány v parfumerii a na rozdíl od ní příjemně voní. Máselná fermentace však není vždy prospěšná. Může zkazit zeleninu, konzervy, mléko a další produkty. To se však může stát pouze v případě, že se do produktu dostaly bakterie kyseliny máselné.
Pojďme analyzovat mechanismus máselné kyselinyfermentace glukózy. Jeho reakce vypadá takto: C6H12O6 → CH3CH2CH2COOH + 2CO2↑ + 2H 2 . V důsledku toho se také generuje energie, která zajišťuje životně důležitou činnost máselných bakterií.
Aceton-butylová fermentace
Tento typ je velmi podobný máselné. Tímto způsobem může fermentovat nejen glukóza, ale také glycerol a kyselina pyrohroznová. Tento proces lze rozdělit do dvou fází: první (někdy nazývaná kyselá) je ve skutečnosti máselná fermentace. Kromě kyseliny máselné se však uvolňuje také kyselina octová. V důsledku fermentace glukózy tímto způsobem získáme produkty, které jdou do druhého stupně (acetonobutyl). Vzhledem k tomu, že celý tento proces probíhá také působením bakterií, kdy se médium okyseluje (zvýšení koncentrace kyselin), uvolňují se speciální enzymy bakteriemi. Vyvolávají přeměnu produktů fermentace glukózy na n-butanol (butylalkohol) a aceton. Kromě toho může být produkováno určité množství etanolu.
Jiné typy fermentace
Kromě pěti uvedených typů tohoto procesu existuje několik dalších. Jedná se například o octové kvašení. Vyskytuje se také působením mnoha bakterií. Tento typ fermentace lze využít pro užitečné účely při moření. Chrání potraviny před patogenními a nebezpečnými bakteriemi. Existuje také alkalická nebo metanová fermentace. Na rozdíl od předchozích typů tento typfermentace může být provedena pro většinu organických sloučenin. V důsledku velkého množství komplexních reakcí se organické látky štěpí na metan, vodík a oxid uhličitý.
Biologická role
Fermentace je nejstarší způsob získávání energie živými organismy. Někteří tvorové produkují organické látky, přijímající energii na cestě, zatímco jiní tyto látky ničí a zároveň přijímají energii. Na tom je postaven celý náš život. A v každém z nás probíhá fermentace v té či oné podobě. Jak jsme řekli výše, během intenzivního tréninku dochází ve svalech ke fermentaci kyseliny mléčné.
Co ještě číst?
Pokud vás zajímá biochemie tohoto velmi zajímavého procesu, měli byste začít se školními učebnicemi chemie a biologie. Mnohé vysokoškolské učebnice jsou tak podrobné, že se po jejich přečtení můžete stát pouhými odborníky v této oblasti.
Závěr
A jsme na konci. Analyzovali jsme všechny typy fermentace glukózy a obecné principy těchto procesů, které hrají velmi důležitou roli jak ve fungování živých organismů, tak v našem průmyslu. Je možné, že v budoucnu objevíme několik dalších typů tohoto starověkého procesu a naučíme se, jak je využít ve svůj prospěch, jako jsme to udělali s těmi, které nám již známe.
