Glukoosikäyminen on yksi tärkeimmistä reaktioista, joilla alkoholijuomien valmistus on mahdollista. Se voidaan suorittaa eri tavoilla, joista jokaisessa muodostuu yksittäisiä tuotteita. Tällä prosessilla on keskeinen rooli monilla elämämme alueilla ruoanlaitosta ja viini- ja vodkatuotteiden valmistamisesta kehossamme tapahtuviin reaktioihin.
Historia
Muinaiset ihmiset käyttivät glukoosin ja muiden sokereiden käymisprosessia. He söivät hieman fermentoitua ruokaa. Tällainen ruoka oli turvallisempaa, koska se sisälsi alkoholia, johon monet haitalliset bakteerit kuolivat. Muinaisessa Egyptissä ja Babylonissa ihmiset osasivat jo fermentoida monia sokeripitoisia juomia ja maitoa. Kun ihmiset 1700-luvun lopulla onnistuivat paremmin tutkimaan tätä prosessia, sen tyyppejä ja kehittämismahdollisuuksia, sellaiset teollisuudenalat kuin kvass, panimo ja viinivodka kasvoivat erittäin laadukkaasti.
Kämistyypit
Omituista kyllä, mutta tämä prosessi on erilainen. Ja on olemassa erilaisia glukoosin käymismuotoja lopputuotteiden kautta. Siten on maitohappoa, alkoholia, sitruunahappoa, asetonia, voihappoa ja monia muita. Puhutaanpa hieman kustakin tyypistäerikseen. Glukoosin maitohappokäyminen on pääprosessi tällaisten tuotteiden, kuten jogurtin, smetanan, kefirin, raejuuston, valmistuksessa. Sitä käytetään myös vihannesten säilöntään ja se suorittaa avaintoimintoa kehossamme: hapenpuutteen olosuhteissa glukoosi muuttuu lopputuotteeksi - maitohapoksi, joka aiheuttaa lihaskipuja harjoituksen aikana ja sen jälkeen.
Alkoholikäyminen eroaa siitä, että etyylialkoholia muodostuu lopputuotteena. Se tapahtuu mikro-organismien - hiivan - avulla. Ja sillä on keskeinen rooli ruoanlaitossa, koska päätuotteen lisäksi glukoosin alkoholikäymisessä vapautuu hiilidioksidia (tämä selittää hiivataikinan loiston).
Sitruunahappokäyminen tapahtuu, kuten arvata saattaa, sitruunahapon muodostuessa. Se esiintyy tietyntyyppisen sienen vaikutuksen alaisena ja on osa Krebsin kiertoa, joka varmistaa kehomme kaikkien solujen hengityksen.
Asetoni-butyylikäyminen on hyvin samanlainen kuin voifermentointi. Tämän seurauksena muodostuu voihappoa, butyyli- ja etyylialkoholeja, asetonia ja hiilidioksidia. Voihappokäyminen tuottaa vain nimeä kantavaa happoa ja hiilidioksidia.
Nyt tarkastellaan kaikkia tyyppejä yksityiskohtaisemmin, mutta aloitetaan yksinkertaisimmasta - glukoosin alkoholikäymisestä. Kaikki reaktiot ja niiden kulun vivahteet analysoidaan yksityiskohtaisesti.
Alkoholikäyminen
Kerrotaanpa hieman lisää glukoosin käymisestä, jonka yhtälö on:S6N12O6 =2S2N 5OH + 2CO2. Mitä tästä reaktiosta voidaan oppia? Meillä on kaksi tuotetta: etyylialkoholi ja hiilidioksidi. Jälkimmäisen takia tarkkailemme hiivataikinan turpoamista. Ja ensimmäisen ansiosta meillä on mahdollisuus saada unohtumaton maku viinistä ja viinijuomista. Mutta itse asiassa tämä on vain yksinkertaistettu yhtälö. Täydellinen glukoosin käymisreaktio on monimutkaisempi, joten rikotaan sitä hieman.
On olemassa sellainen prosessi kuin glykolyysi. Kirjaimellisesti sen nimi tarkoittaa "sokerin halkaisua". Sitä esiintyy kehossa, ja sen sivutuote on pyruviinihappo, ja pääasiallinen on adenosiinitrifosfaatti (ATP), joka muodostuu tämän reaktion aikana toisesta yhdisteestä. Voimme sanoa, että ATP on kehon energian kantaja, ja itse asiassa glykolyysi tarjoaa kehollemme energiaa.
Käsittelimme tätä prosessia syystä. Itse asiassa käyminen on hyvin samanlainen kuin glykolyysi, koska ensimmäinen vaihe on heille täsmälleen sama. Voidaan jopa sanoa, että glukoosin alkoholikäyminen on jatkoa glykolyysille. Jälkimmäisen aikana muodostunut pyruvaatti (pyruviinihappoioni) muuttuu asetaldehydiksi (CH3-C(O)H) hiilidioksidin vapautuessa sivutuotteena. Sen jälkeen saatu tuote pelkistyy bakteerien sisältämän NADH-koentsyymin vaikutuksesta. Pelkistys johtaa etyylialkoholin muodostumiseen.
Siksi glukoosin käymisreaktio etyylialkoholiksi näyttää tältä:
1)C6H12O6=2 C3H4O3 + 4 H+
2) C3H4O3=CH3 -COH + CO2
3) CH3-COH + NADH + H+=C2H 5OH + NAD+
NADH toimii katalysaattorina reaktiolle, ja NAD-ionilla+on keskeinen rooli glykolyysin alkuvaiheessa, ja alkoholikäymisen lopussa muodostuneella palaa prosessiin.
Siirrytään seuraavaan tutkittavana olevaan reaktioon.
Glukoosin maitohappokäyminen
Tämä laji eroaa alkoholista siinä, että sitä ei esiinny hiivan vaikutuksen alaisena, vaan maitohappobakteerien avulla. Siksi meillä on täysin erilaisia tuotteita. Maitohappokäyminen tapahtuu myös lihaksissamme, kun työskentelemme kovasti ja hapenpuute.
Tätä prosessia on kahdenlaisia. Ensimmäinen on homofermentatiivinen käyminen. Jos olet koskaan kuullut etuliitettä "homo", ymmärrät todennäköisesti mitä se tarkoittaa. Homofermentatiivinen käyminen on prosessi, jossa on mukana yksi entsyymi. Ensimmäisessä vaiheessa tapahtuu glykolyysi ja muodostuu palorypälehappoa. Sitten tuloksena oleva pyruvaatti (liuoksessa tämä happo voi esiintyä vain ionien muodossa) hydrataan käyttämällä NADH+H ja laktaattidehydrogenaasia. Tämän seurauksena pelkistystuote on maitohappoa, joka muodostaa noin 90 % kaikista reaktion aikana saaduista tuotteista. Tämä yhdiste voidaan kuitenkin muodostaa myös kahden muodossaeri isomeerit: D ja L. Nämä tyypit eroavat toisistaan siinä, että ne ovat peilikuvia toisistaan ja vaikuttavat sen seurauksena kehoomme eri tavoin. Mikä isomeeri muodostuu enemmän, määrää laktaattidehydrogenaasin rakenteen.
Siirrytään toiseen maitohappokäymisen tyyppiin - heterofermentatiiviseen. Tämä prosessi sisältää useita entsyymejä ja seuraa monimutkaisempaa reittiä. Tästä johtuen reaktion aikana muodostuu enemmän erilaisia tuotteita: sieltä löytyy maitohapon lisäksi etikkahappoa ja etyylialkoholia.
Olemme siis harkinneet maitohappokäymistä. Tämä on prosessi, jolla voimme nauttia raejuuston, juoksevan maidon, fermentoidun leivonnaisen ja kefirin mausta. Tehdään yhteenveto ja kirjoitetaan ylös glukoosin maitohappokäymisen yleinen reaktio: C6H12O6=2 C 3H6O3. Tietenkin tämä on yksinkertaistettu kaavio homofermentatiivisesta käymisprosessista, koska jopa heterofermentatiivisen käymisprosessin kaavio on hyvin monimutkainen. Kemistit tutkivat edelleen glukoosin maitohappokäymistä ja selvittävät sen kaikkia mekanismeja, joten parantamisen varaa on vielä.
Sitruunahappokäyminen
Tällaiset käymisreaktiot tapahtuvat, kuten alkoholin kanssa, tietyn lajin sienten vaikutuksesta. Tämän reaktion koko mekanismia ei vielä täysin ymmärretä, ja voimme luottaa vain joihinkin yksinkertaistuksiin. On kuitenkin ehdotuksia, että prosessin alkuvaihe on glykolyysi. Sitten pyruviinihappo muuttuumuuttuu erilaisiksi hapoiksi ja tulee sitruunaksi. Tämän mekanismin ansiosta reaktioväliaineeseen kerääntyy muita happoja - glukoosin epätäydellisen hapettumisen tuotteita.
Tämä prosessi tapahtuu hapen vaikutuksen alaisena, ja yleisesti ottaen se voidaan kirjoittaa seuraavaksi yhtälöksi: 6 +3O2=2C 6N8O 7 + 4H2O. Ennen kuin tällainen käyminen löydettiin, ihmiset uutettiin sitruunahappoa yksinomaan puristamalla vastaavan puun hedelmiä. Tätä happoa ei kuitenkaan ole enempää kuin 15 % sitruunassa, joten tämä menetelmä osoittautui epäkäytännölliseksi, ja tämän reaktion havaitsemisen jälkeen kaikki happo alkoi saada käymisen avulla.
Voihappokäyminen
Siirrytään seuraavaan tyyppiin. Tämän tyyppinen käyminen tapahtuu voihappobakteerien vaikutuksesta. Ne ovat laajalle levinneitä, ja niiden aiheuttamalla prosessilla on keskeinen rooli biologisesti tärkeissä sykleissä. Näiden bakteerien avulla tapahtuu kuolleiden organismien hajoaminen. Reaktioiden aikana muodostunut voihappo houkuttelee hajullaan raadonsyöjiä.
Tällaista käymismenetelmää käytetään teollisuudessa. Kuten arvata saattaa, he saavat voihappoa. Sen estereitä käytetään laaj alti hajuvedissä ja niillä on miellyttävä tuoksu, toisin kuin itsellään. Butyyrikäyminen ei kuitenkaan aina ole hyödyllistä. Se voi pilata vihanneksia, säilykkeitä, maitoa ja muita tuotteita. Mutta tämä voi tapahtua vain, jos voihappobakteerit ovat päässeet tuotteeseen.
Analysoidaan voihapon mekanismiaglukoosin fermentaatio. Hänen reaktionsa näyttää tältä: C6H12O6 → CH3CH2CH2COOH + 2CO2↑ + 2H 2 . Tuloksena syntyy myös energiaa, joka varmistaa voibakteerien elintärkeän toiminnan.
Asetoni-butyylifermentointi
Tämä tyyppi on hyvin samanlainen kuin butyyri. Ei vain glukoosi, vaan myös glyseroli ja palorypälehappo voivat käydä tällä tavalla. Tämä prosessi voidaan jakaa kahteen vaiheeseen: ensimmäinen (joskus kutsutaan happamaksi) on itse asiassa voihappokäyminen. Voihapon lisäksi vapautuu kuitenkin myös etikkahappoa. Tällä tavalla glukoosifermentaation seurauksena saamme tuotteita, jotka menevät toiseen vaiheeseen (asetonobutyyli). Koska koko tämä prosessi tapahtuu myös bakteerien vaikutuksesta, kun alusta happamoitetaan (happopitoisuuden kasvu), bakteerit vapauttavat erityisiä entsyymejä. Ne saavat aikaan glukoosin käymistuotteiden muuttumisen n-butanoliksi (butyylialkoholiksi) ja asetoniksi. Lisäksi saattaa muodostua jonkin verran etanolia.
Muut fermentointityypit
Luettelun viiden prosessityypin lisäksi on olemassa useita muita. Tämä on esimerkiksi etikkakäyminen. Sitä esiintyy myös monien bakteerien vaikutuksesta. Tämän tyyppistä käymistä voidaan käyttää hyödyllisiin tarkoituksiin peittauksessa. Se suojaa ruokaa patogeenisiltä ja vaarallisilta bakteereilta. On myös alkalista tai metaanikäymistä. Toisin kuin edelliset tyypit, tämä tyyppifermentointi voidaan suorittaa useimmille orgaanisille yhdisteille. Useiden monimutkaisten reaktioiden seurauksena orgaaniset aineet hajoavat metaaniksi, vedyksi ja hiilidioksidiksi.
Biologinen rooli
Kermentointi on vanhin tapa saada energiaa elävien organismien toimesta. Jotkut olennot tuottavat orgaanisia aineita ja saavat energiaa matkan varrella, kun taas toiset tuhoavat näitä aineita samalla kun saavat energiaa. Koko elämämme on rakennettu tälle. Ja jokaisessa meissä käyminen tapahtuu tavalla tai toisella. Kuten edellä totesimme, maitohappokäyminen tapahtuu lihaksissa intensiivisen harjoittelun aikana.
Mitä muuta luettavaa?
Jos olet kiinnostunut tämän erittäin mielenkiintoisen prosessin biokemiasta, sinun tulee aloittaa kemian ja biologian koulukirjoista. Monet yliopiston oppikirjat ovat niin yksityiskohtaisia, että niiden lukemisen jälkeen sinusta tulee vain tämän alan asiantuntija.
Johtopäätös
Tässä tullaan loppuun. Analysoimme kaiken tyyppistä glukoosifermentaatiota ja näiden prosessien yleisiä periaatteita, joilla on erittäin tärkeä rooli sekä elävien organismien toiminnassa että toimialallamme. On mahdollista, että tulevaisuudessa löydämme useita muita tämän muinaisen prosessin tyyppejä ja opimme käyttämään niitä hyödyksemme, kuten teimme jo tuttujen kanssa.
