Fermentacja - co to jest w chemii?
Fermentacja jest jednym z najważniejszych procesów zachodzących w środowisku, którego istota sprowadza się do wytwarzania energii przez grzyby i bakterie do ich funkcji życiowych. Ale, podobnie jak wiele innych zjawisk, człowiek nauczył się go używać, aby zaspokoić swoje potrzeby. Fermentacja to nie tylko otrzymywanie produktów alkoholowych. W wyniku fermentacji ludzkość otrzymuje wiele rodzajów produktów spożywczych. Obecnie istnieją również technologie umożliwiające uzyskanie plastiku spożywczego, którego jednym z etapów jest ten proces.
Koncepcja fermentacji
Chemia i biologia określają ten proces nieco inaczej. Z punktu widzenia chemii fermentacja jest reakcją na wytwarzanie etanolu i innych produktów pod działaniem wielu mikroorganizmów, na przykład drożdży. Biologia wyjaśnia, że to beztlenowy rozkład węglowodanów (w tym glukozy), występujący pod wpływem mikroorganizmów (lub enzymów z nich pochodzących). Jest to proces wieloetapowy obejmujący reakcje utleniania i redukcji, a donory i akceptory elektronów otrzymuje się z tego samego substratu.
Wiele substancji może ulegać fermentacji, ale częściej stosuje się węglowodany. Powoduje to wytwarzanie nie tylko głównych substancji, ale także produktów takich jak aceton, dwutlenek węgla wodór i inne
Biologiczna rola fermentacji
Znaczenie tego zjawiska dla organizmów żywych jest ogromne. W rezultacie powstaje zestaw reakcji chemicznych podczas fermentacji:
- Cząsteczki ATP z rezerwą energii niezbędnej do utrzymania życia mikroorganizmów;
- chemikalia potrzebne do syntetyzowania własnych białek, cukrów, różnych kwasów nukleinowych itp.
Uważa się, że główne trzy rodzaje fermentacji zostały odkryte i opisane przez L. Pasteura w XIX wieku. Jednak ich produkty są wykorzystywane przez ludzkość od niepamiętnych czasów.
Rodzaje fermentacji
Kwas alkoholowy, kwas mlekowy i kwas masłowy są najczęściej stosowane na skalę przemysłową. Biochemia rozważa również kwas propionowy, cytrynian, aceton-butyl i inne odmiany. Aby zrozumieć, jaki rodzaj fermentacji odbędzie się w taki czy inny sposób, jest to możliwe dzięki rodzajowi użytych mikroorganizmów.
Tak więc fermentacja alkoholowa wzbudzają drożdże piekarnicze (Saccharomyces cerevisiae), bakterie z rodzaju Erwinia (Erwinia amylovora) i sarcin (Sarcina ventriculi). Maślan jest prowadzony przez obligatoryjnie beztlenowe bakterie z rodzaju Clostridium. Czynniki sprawcze fermentacji w kierunku kwasu mlekowego to bakterie Streptococcus cremoris, cocci (rodzaj Lactococcus) i pałeczki (Lactobacillus genus).
Fermentacja alkoholowa
Proces ten obejmuje 12 etapów i ma dość skomplikowany mechanizm. Podczas fermentacji glukozy powstaje kwas 2-oksopropanowy, powszechnie nazywany kwasem pirogronowym. Ten etap przechodzi glukozę w dowolnym typie fermentacji. Następnie poddaje się go działaniu enzymów i przekształca w aldehyd octowy, który redukuje się do etanolu.
Zredukowane równanie dla fermentacji alkoholowej to:
6 6 Η 12 О 6 -> 2С 2 Η 5 ОΗ + 2 СО 2
Uwzględniając uwolnioną energię, można ją zapisać w następujący sposób:
C 6 Η 12 O 6 + 2Η 3 PO 4 + 2ADF -> 2C 2 5 O Η + 2 CO 2 + 2 ATP
Tak więc dwie cząsteczki ATF są przechowywane z jednej cząsteczki glukozy.
Fermentacja mlekowa
W zależności od grupy mikroorganizmów biorących udział w tym procesie fermentacja może przebiegać na dwa sposoby. Homofermentatywne bakterie kwasu mlekowego prowadzą głównie do powstania kwas mlekowy jego zawartość w produktach wynosi do 90%. Jest to najbardziej prymitywna metoda fermentacji, którą poddawane są mono- i disacharydy (glukoza, laktoza). Dla niego równanie reakcji zawiera:
2С 6 Η 12 О 6 -> 2СΗ 3 СΗ (ОΗ) СООΗ + Q
Heterofermentacyjne bakterie kwasu mlekowego, oprócz kwasu mlekowego, produkują etanol, kwas octowy, dwutlenek węgla i inne substancje jako produkty uboczne. Możesz zapisać następujące równanie fermentacji:
2С 6 Η 12 О 6 -> 2СΗ 3 СΗ (ОΗ) СООΗ + СООΗ (СΗ 2 ) 2 СООΗ + С 2 Η 5 ОΗ + СΗ 3 СООΗ + Q
Mikrocialna fermentacja
Ten rodzaj fermentacji jest znany wielu gospodyniom domowym, ponieważ to on doprowadza do pogarszania się żywności. Bakterie kwasu tłuszczowego powodują zjełczałe masło, kapustę i marynowane grzyby, jeśli nie są wystarczająco wysterylizowane. Produktami ubocznymi tej fermentacji są dwutlenek węgla i wodór. Możliwe są również klastry acetonu, etanolu, butanolu i kwasu octowego.
Polisacharydy mogą ulegać fermentacji, dlatego dla przemysłu perfumeryjnego otrzymuje się je z ziemniaków, ziaren i melasy (odpady z produkcji cukru). Sam kwas ma odpychający zapach, ale jego estry przyjemnie pachną kwiatami i owocami. W celu fermentacji kwasu masłowego można zapisać następujące równanie reakcji:
2С 6 Η 12 О 6 -> СΗ 3 СΗ 2 СН 2 СООΗ + 2СО 2 + 2Н 2 + Q
Fermentacja cytrynowa
Podobnie jak inne rodzaje fermentacji, przechodzi przez etap powstawania kwasu pirogronowego, który następnie włącza się do cyklu Krebsa. Konwersja glukozy do kwasu cytrynowego przebiega w wielu etapach, ale w sumie można ją wyrazić za pomocą równania:
2С 6 Η 12 О 6 + 3О 2 -> 2С 6 Н 8 О 7 + 4Н 2 О
Produkcja przemysłowa kwasu cytrynowego opiera się na reakcjach biochemicznych przy użyciu grzyba Aspergillus niger w środowisku kwaśnym. Jeśli medium jest neutralne, to jako produkt uboczny również się kumuluje kwas szczawiowy.
Fermentacja w przemyśle spożywczym
Procesy fermentacji są szeroko stosowane do otrzymywania płynów zawierających alkohol nie tylko na skalę przemysłową. W zależności od surowców i technologii otrzymujemy napoje o różnej zawartości etanolu. Ponieważ fermentacji alkoholowej glukozy towarzyszy uwalnianie CO2, istnieje szereg produktów, które charakteryzują się uwalnianiem podczas użytkowania. Należą do nich piwo i wina musujące (szampan). Technologia produkcji innych zapewnia terminowe odprowadzanie gazu powstałego podczas fermentacji, aby zapobiec jego akumulacji.
Odpowiednie bakterie są wykorzystywane do produkcji produktów mlecznych. Dzięki temu rodzajowi fermentacji ludzkość nauczyła się takich produktów, jak kwaśna śmietana, kefir, jogurt, jogurt, ser, twaróg. Również ten proces jest ważny przy przygotowywaniu kwasu chlebowego. Ze względu na bakterie kwasu mlekowego, które hamują wzrost mikroflory chorobotwórczej, możliwe jest przygotowanie marynowanych warzyw (kapusta, ogórki, pomidory). Ponadto przyczyniają się do obniżenia pH i zachowania produktów mięsnych, dlatego też bakterie kwasu mlekowego są stosowane do wytwarzania suszonych odmian kiełbasy, takich jak salami.
Proces fermentacji alkoholowej jest bardzo ważny dla przemysłu piekarniczego i cukierniczego. Dwutlenek węgla uwalniany podczas interakcji cukru z drożdżami, a po upieczeniu i upieczeniu, rozszerza się. Prowadzi to do powstawania dużych porów w cieście, dzięki czemu staje się bujny.
Aplikacja fermentacji
Bakterie kwasu mlekowego stosowane w produkcji skór. Do produkcji niektórych rodzajów skór futerkowych (astrachań, mole, wiewiórki) stosuje się ich fermentację z mąką żytnią lub kefirem. Prowadzi to do zmiękczania i łuszczenia włókien skóry właściwej.
Dzięki bakteriom kwasu mlekowego i ich produktom metabolicznym otrzymuje się biodegradowalny plastikowy polilaktyd. Z niego z kolei produkuje opakowania na żywność i produkty medyczne o krótkim okresie użytkowania (nici i szpilki).
Odgrywają również ważną rolę w przechowywaniu paszy dla zwierząt gospodarskich w postaci kiszonki. Aby to zrobić, szczyty ziemniaków, buraków, kukurydzy, lucerny są tłoczone z dodatkiem kwasu mrówkowego. Bez dostępu powietrza do takiego substratu rozpoczyna się kontrolowany proces fermentacji kwasu mlekowego.
We współczesnym świecie walka o czyste środowisko jest jednym z najważniejszych zadań społeczeństwa. Proces fermentacji może pomóc pozbyć się odpadów zwierzęcych, a jednocześnie uzyskać cenny biogaz, który można wykorzystać do ogrzewania tych samych gospodarstw. Aby to zrobić, użyj różnych szczepów bakterii na różnych etapach ich produkcji. Po pierwsze, bakterie kwasotwórcze przetwarzają materię organiczną w kwasy lotne. A następnie bakterie tworzące metan wytwarzają metan z kwasów organicznych. Siarkowodór i tlenek węgla są zawarte w biogazie jako produkty uboczne.