تسمح الطبيعة للفرد بالاستمتاع بالمزايا المتوفرة فيها. في الوقت نفسه ، يحاول الناس زيادة هذه الثروات ، وخلق شيء جديد والتعرف على المجهول. البكتيريا هي أصغر كائنات الطبيعة ، والتي تعلم الناس أيضًا استخدامها لأغراضهم الخاصة.
ولكن ليس فقط الضرر المرتبط بالعمليات والأمراض المسببة للأمراض تحمله هذه الكائنات بدائية النواة. كما أنها مصدر لعملية صناعية مهمة استخدمها الناس منذ العصور القديمة - التخمير. في هذه المقالة ، سننظر في ماهية هذه العملية وكيف يتم تخمير حمض اللاكتيك للمواد على وجه التحديد.
تاريخ حدوث واستخدام التخمير
أول ذكر أن عملية التخمير تم استخدامها من قبل الناس من أجل الحصول على منتجات معينة ظهرت منذ 5000 قبل الميلاد. ثم استخدم البابليون هذه الطريقة للحصول على منتجات مثل:
- جبن ؛
- نبيذ ؛
- لبن رائب و غيرهامنتجات الألبان.
لاحقًا ، بدأ استلام أغذية مماثلة في مصر والصين والسودان والمكسيك ودول أخرى قديمة. بدأوا في خبز الخميرة ، تخمير محاصيل الخضار ، وظهرت أولى محاولات التعليب.
لقد استخدم الناس عملية تخمير حمض اللاكتيك منذ آلاف السنين. كانت الجبن والكفير والزبادي جزءًا مهمًا من الوجبة في جميع الأوقات. علم جميع الأطباء والمعالجين بفوائد هذه المنتجات. ومع ذلك ، فإن أسباب هذا النوع من التحول ظلت مجهولة لفترة طويلة.
حقيقة أن ظروف التخمير تتطلب وجود الكائنات الحية الدقيقة ، لم يستطع الناس حتى تخيلها. في منتصف القرن السابع عشر ، اقترح فان هيلمونت إدخال مصطلح "التخمير" لعمليات الطهي التي يصاحبها إطلاق الغاز. بعد كل شيء ، في الترجمة ، هذه الكلمة تعني "الغليان". ومع ذلك ، فقط في القرن التاسع عشر ، أي بعد ما يقرب من مائتي عام ، اكتشف عالم الأحياء الدقيقة والكيميائي والفيزيائي الفرنسي لويس باستير وجود الميكروبات والبكتيريا في العالم.
أصبح معروفًا منذ ذلك الحين أن أنواعًا مختلفة من التخمر تتطلب وجود أنواع مختلفة من الكائنات الحية الدقيقة غير المرئية للعين. أتاحت دراستهم ، بمرور الوقت ، التحكم في التخمير وتوجيهه في الاتجاه الصحيح للشخص.
جوهر عمليات التخمير
إذا تحدثنا عن ماهية عملية التخمير ، فعلينا أن نشير إلى طبيعتها البيوكيميائية. بعد كل شيء ، في جوهره ، هذا مجرد نشاط البكتيريا التي تستخرج الطاقة لأنفسها مدى الحياة ، بينما تنتج أنواعًا مختلفةالمنتجات الثانوية.
بشكل عام ، يمكن وصف التخمير في كلمة واحدة - الأكسدة. التحلل اللاهوائي لمادة ما تحت تأثير بكتيريا معينة ، مما يؤدي إلى تكوين عدد من المنتجات. ماهية الأساس ، وكذلك ما ستكون النتيجة ، يتم تحديدها من خلال نوع العملية نفسها. يوجد العديد من خيارات التخمير ، لذلك يوجد تصنيف لهذه التحولات.
التصنيف
هناك ثلاثة أنواع رئيسية من التخمير
- الكحول. يتكون من أكسدة جزيء الكربوهيدرات الأصلي لكحول الإيثيل وثاني أكسيد الكربون والماء وجزيء ATP (مصدر طاقة). تتم هذه التحولات تحت تأثير البكتيريا فحسب ، بل أيضًا الفطريات من مختلف الأجناس والأنواع. وبهذه الطريقة يتم الحصول على منتجات مثل البيرة والنبيذ وخميرة الخبز والكحول منذ العصور القديمة. يتم إنفاق الطاقة التي يتم إطلاقها أثناء تحلل الكربوهيدرات على ضمان العمليات الحيوية للكائنات الحية الدقيقة. هذا هو الجوهر البيولوجي للعملية
- تخمير حمض اللاكتيك هو أكسدة الكربوهيدرات إلى حمض اللاكتيك مع إطلاق عدد من المنتجات الثانوية. كيف يتم تنفيذه وما أنواعه ، سننظر بمزيد من التفصيل.
- حمض الزبد. هذا النوع من التخمير مهم على نطاق طبيعي. يتم إجراؤه بسبب النشاط الحيوي لبكتيريا حمض الزبد التي تعيش في ظروف لاهوائية في قاع المستنقعات وطمي النهر وما إلى ذلك. بفضل عملهم في الطبيعة ، تتم معالجة كمية كبيرة من المكونات العضوية. المنتجات هي العديد من المواد ، أهمهاحمض البيوتيريك. ينبعث أيضًا: الأسيتون ، كحول الأيزوبروبيل ، ثاني أكسيد الكربون ، حمض الأسيتيك ، حمض اللاكتيك ، كحول الإيثيل ومركبات أخرى.
كل نوع من الأنواع المعينة مهم على المستوى الطبيعي والصناعي. تمت دراسة أنواع الكائنات الحية التي تقوم بمثل هذه التحولات جيدًا اليوم ، ويتم زراعة العديد منها بشكل مصطنع من أجل الحصول على عائد كبير من المنتج.
تخمير حمض اللاكتيك: مفهوم عام
هذا النوع من التخمير معروف منذ العصور القديمة. حتى قبل عصرنا ، كان سكان مصر القديمة ودول أخرى يعرفون كيفية صنع الجبن ، وتخمير الجعة والنبيذ ، وخبز الخبز ، وتخمير الخضار والفواكه.
اليوم ، تُستخدم مزارع بادئ خاصة لمنتجات الألبان المخمرة ، ويتم زراعة سلالات من الكائنات الحية الدقيقة الضرورية صناعياً. تم تحديث العملية وإدخالها إلى الأتمتة ، ويتم تنفيذها بمساعدة معدات كاملة. هناك العديد من الشركات المصنعة التي تنتج مباشرة تخمير حمض اللاكتيك.
يمكن تلخيص جوهر العملية برمتها في عدة فقرات.
- يتم تناول الكربوهيدرات كمنتج رئيسي - بسيط (الفركتوز ، الجلوكوز ، البنتوز) أو معقد (السكروز ، النشا ، الجليكوجين وغيرها).
- يتم إنشاء الظروف اللاهوائية.
- يتم إضافة سلالات من بكتيريا حمض اللاكتيك من نوع معين إلى المنتج.
- يتم توفير جميع العوامل الخارجية الضرورية والمثلى للمنتج المطلوب: الإضاءة ، ودرجة الحرارة ، ووجود بعض العناصر الإضافيةمكونات الضغط
- بعد اكتمال عملية التخمير ، تتم معالجة المنتج وعزل جميع المركبات الجانبية.
بالطبع ، هذا مجرد وصف عام لما يحدث. في الواقع ، في كل مرحلة هناك العديد من التفاعلات الكيميائية الحيوية المعقدة ، لأن عملية تخمير حمض اللاكتيك هي نتيجة النشاط الحيوي للكائنات الحية.
أساسيات عملية تخمير حمض اللاكتيك
من وجهة نظر كيميائية هذه التحولات هي سلسلة من المراحل المتتالية
- أولاً ، هناك تغيير في الركيزة الأصلية ، أي تغيرات سلسلة الكربون للمادة (الكربوهيدرات). هذا يؤدي إلى ظهور مركبات وسيطة ذات طبيعة مختلفة تمامًا ، تنتمي إلى فئات مختلفة. على سبيل المثال ، إذا كانت الركيزة الأولية عبارة عن جلوكوز ، فيتم إعادة ترتيبه إلى حمض الجلوكونيك.
- تفاعلات الأكسدة والاختزال ، مصحوبة بإطلاق غازات ، وتشكيل نواتج ثانوية. الوحدة الرئيسية في العملية برمتها هي حمض اللاكتيك. هي التي تنتج وتتراكم أثناء التخمير. ومع ذلك ، ليس هذا هو الاتصال الوحيد. لذلك ، هناك تكوين جزيئات حمض الأسيتيك ، وكحول الإيثيل ، وثاني أكسيد الكربون ، والماء ، وأحيانًا ما يصاحبها من جزيئات أخرى.
- إنتاجية الطاقة للعملية على شكل جزيئات من حمض الأدينوزين ثلاثي الفوسفوريك (ATP). يوجد 2 جزيء ATP لكل جزيء من الجلوكوز ، ولكن إذا كانت الركيزة الأولية ذات بنية أكثر تعقيدًا ، على سبيل المثال السليلوز ، فهناك ثلاثة جزيئات ATP. تستخدم بكتيريا حمض اللاكتيك هذه الطاقة لمزيد من الحياة.
من الطبيعي أنإذا فهم المرء التحولات الكيميائية الحيوية بالتفصيل ، فيجب الإشارة إلى جميع الجزيئات والمجمعات الوسيطة. مثل:
- حمض البيروفيك
- ثنائي فوسفات الأدينوزين ؛
- جزيئات النيكوتينامين ثنائي الفوسفات كناقل للهيدروجين وغيره.
لكن هذه القضية تستحق اهتماما خاصا ويجب النظر إليها من وجهة نظر الكيمياء الحيوية ، لذلك لن نتطرق إليها في هذه المقالة. دعونا نلقي نظرة فاحصة على ماهية التكنولوجيا المستخدمة في إنتاج منتجات حمض اللاكتيك وأنواع التخمير المعنية.
التخمير المثلي
تخمير حمض اللاكتيك المتجانس يتضمن استخدام أشكال خاصة من مسببات الأمراض ويختلف عن التخمير المتغاير في المنتجات الناتجة وكميتها. يحدث على طول مسار حال السكر داخل خلية الكائن الدقيق. خلاصة القول ، كما هو الحال بشكل عام مع أي تخمير ، تحويل الكربوهيدرات إلى حمض اللاكتيك. الميزة الرئيسية لهذه العملية هي أن العائد من المنتج المطلوب هو 90٪. والباقي فقط يذهب للمركبات الجانبية
تخمر البكتيريا من هذا النوع من الأنواع التالية:
- العقدية اللبنية.
- Lactobacillus casei.
- Lactobacillus acidophilus وغيرها.
ما هي المواد الأخرى التي تتكون نتيجة التخمير المثلي؟ هذه وصلات مثل:
- الكحول الإيثيلي ؛
- أحماض متطايرة ؛
- ثاني أكسيد الكربون
- حمض الفوماريك و السكسينيك
ومع ذلك ، فإن هذه الطريقة للحصول على منتجات الألبان المخمرة لا تستخدم عمليا في الصناعة. يتم حفظه في الطبيعة كمرحلة أولية من تحلل السكر ، ويحدث أيضًا في خلايا عضلات الثدييات أثناء مجهود بدني مكثف.
تتضمن تقنية إنتاج المنتجات الضرورية لتغذية الإنسان استخدام الكربوهيدرات الأولية مثل:
- جلوكوز ؛
- سكروز ؛
- سكر الفواكه
- مانوز ؛
- نشاء و البعض الاخر
والبكتيريا المتجانسة غير قادرة على أكسدة العديد من هذه المركبات ، لذا فإن استخدامها كمزارع بداية في الإنتاج غير ممكن.
تخمير حمض اللاكتيك غير المتجانسة
هذه الطريقة هي بالضبط الطريقة القابلة للتطبيق صناعيًا ، وبفضلها يتم إنتاج جميع منتجات الألبان المخمرة ، والحفاظ على الخضار ، وحصد علف السيلاج للماشية.
الاختلاف الرئيسي عن ذلك الموصوف سابقًا هو أن مسببات الأمراض تقوم بتخمير حمض اللاكتيك مع تكوين عدد أكبر من المنتجات الثانوية. فقط 50٪ من السكر تعالج بواسطة البكتيريا وتحويله إلى حمض اللاكتيك ، والباقي يذهب إلى تكوين جزيئات مثل:
- حمض الخليك
- جلسرين
- ثاني أكسيد الكربون
- الكحول الإيثيلي وغيره
كيف يكون أفضل وأكثر ربحية من تكوين 90٪ من حمض اللاكتيك النقي بطريقة التخمير المثلي؟ الشيء هو أنه عندما يتم إنتاج المنتج الرئيسيأكثر من اللازم ، ثم يتم إعاقة النشاط الحيوي للعديد من البكتيريا تمامًا. بالإضافة إلى ذلك ، تفقد المنتجات العديد من صفات الذوق التي تكتسبها بسبب المركبات الجانبية. لذلك ، على سبيل المثال ، يتم توفير الرائحة اللطيفة للخضروات المعلبة بواسطة حمض الأسيتيك وكحول الأيزو أميل. إذا لم تكن هذه المركبات موجودة ، فإن نتيجة الحفظ ستكون مختلفة تمامًا.
محصول حمض اللاكتيك بنسبة 50٪ كافٍ تمامًا لقمع التطور والنشاط الحيوي لجميع الفطريات والكائنات الدقيقة الدخيلة في النظام. لأنه حتى 1-2٪ يسبب تحمضًا قويًا جدًا للبيئة حيث لا يمكن أن توجد كائنات أخرى ، باستثناء بكتيريا حمض اللاكتيك. تتم العملية برمتها على طول مسار فوسفات البنتوز.
يجب أن تكون شروط التخمير لطريقة التخمر المتغاير على النحو التالي:
- إضافة بداية جيدة وجديدة في المرحلة الأولية ؛
- الظروف الخارجية المثلى التي يتم تحديدها لكل منتج على حدة ؛
- معدات عالية الجودة وتعمل بشكل جيد ؛
- جميع الاجهزة التقنية اللازمة للعملية
من بين الظروف الخارجية ، تعتبر درجة حرارة العملية ذات أهمية خاصة. لا ينبغي أن يكون مرتفعًا جدًا ، لكن البرودة ستبطئ بشكل كبير مجرى التخمير بالكامل.
يوجد اليوم خزان تخمير متخصص يقوم تلقائيًا بإنشاء جميع الظروف اللازمة للتشغيل السليم والمريح للكائنات الحية الدقيقة.
المعدات المطلوبة
كما أشرنا أعلاه ، من بين أهم السماتوتجدر الإشارة إلى القدرة على التخمير. إذا تحدثنا عن الإجراء المنزلي ، فعليك الانتباه إلى نظافة الأطباق المستخدمة أثناء الحفظ ، وتصنيع الزبادي وغيرها من المنتجات. طريقة واحدة لتقليل عدد الكائنات الحية الدقيقة الدخيلة هي تعقيم الحاويات قبل استخدامها.
ما هي الأطباق المناسبة للتخمير المتغاير؟ يمكن أن تكون حاوية زجاجية أو بلاستيكية عالية الجودة (بولي بروبيلين ، بولي إيثيلين) يمكن إغلاقها بإحكام بغطاء.
تستخدم الصناعة أجهزة خاصة لتطهير وتنظيف الحاويات قبل بدء عملية التخمير.
البكتيريا المستخدمة في العملية
إذا تحدثنا عن الثقافات البكتيرية المستخدمة في إنتاج منتجات الألبان المعلبة والمخمرة ، فيمكننا حينها تحديد العديد من الأنواع الأكثر شيوعًا من الكائنات الحية.
- العصا البلغارية الحمضية
- أنواع Lactobacillus Sporolactobacillus inulinus.
- Bifidobacteria.
- Leukostocks.
- مكواة حمض اللاكتيك.
- أنواع Lactobacillus L. Casei.
- بكتيريا من جنس Streptococcus وغيرها.
بناءً على التركيبة والثقافات النقية للكائنات المشار إليها ، يتم تصنيع المزارع البادئة لمنتجات الألبان المخمرة. هم في المجال العام ، يمكن لأي شخص شرائها. والأهم من ذلك مراعاة شروط عملية التخمير للاستفادة من الناتجالمنتج
ما هي المنتجات التي يتم الحصول عليها من هذا التخمير؟
إذا تحدثنا عن منتجات التخمير التي يمكن الحصول عليها بمساعدة العصيات اللبنية ، فيمكننا تسمية عدة فئات رئيسية.
- منتجات الحليب المخمر (الحليب المخمر ، الزبادي ، الأصناف ، الكفير ، الجبن القريش ، القشدة الحامضة ، الزبدة ، منتجات اسيدوفيلوس وغيرها).
- علف من نوع الصومعة لحيوانات المزرعة.
- حمض اللاكتيك و الذي يستخدم في صناعة المشروبات الغازية و تلبيس جلود الفراء و المزيد
- الخبز ، إنتاج الجبن.
- الفواكه والخضروات المعلبة.
كل هذا يثبت أهمية أنواع معينة من البكتيريا في حياة الناس وأنشطتهم الصناعية.
