تخمير الجلوكوز هو أحد التفاعلات الرئيسية التي يمكن من خلالها تحضير المشروبات الكحولية. يمكن تنفيذه بطرق مختلفة ، يتم تشكيل كل منها على حدة. تلعب هذه العملية دورًا رئيسيًا في العديد من مجالات حياتنا ، من الطهي وصنع منتجات النبيذ والفودكا إلى ردود الفعل التي تحدث في أجسامنا.
التاريخ
استخدم القدماء عملية تخمير الجلوكوز والسكريات الأخرى. أكلوا طعامًا مخمرًا قليلاً. كان هذا الطعام أكثر أمانًا ، حيث احتوى على الكحول ، مما أدى إلى موت العديد من البكتيريا الضارة. في مصر القديمة وبابل ، كان الناس يعرفون بالفعل كيفية تخمير العديد من المشروبات السكرية والحليب. عندما تمكن الناس في نهاية القرن الثامن عشر من دراسة هذه العملية بشكل أفضل ، نمت أنواعها وإمكانياتها للتحسين ، مثل صناعات كفاس والتخمير والنبيذ فودكا نوعيًا للغاية.
أنواع التخمير
الغريب ، لكن هذه العملية مختلفة. وهناك أنواع من تخمير الجلوكوز بواسطة المنتجات النهائية. وهكذا ، يوجد حمض اللاكتيك والكحول وحمض الستريك والأسيتون والزبد وغيرها. دعنا نتحدث قليلا عن كل نوع منبشكل منفصل. تخمير حمض اللاكتيك للجلوكوز هو العملية الرئيسية في تحضير منتجات مثل الزبادي والقشدة الحامضة والكفير والجبن القريش. كما أنه يستخدم لحفظ الخضار ويؤدي وظيفة أساسية في أجسامنا: في ظروف نقص الأكسجين ، يتم تحويل الجلوكوز إلى المنتج النهائي - حمض اللاكتيك ، الذي يسبب آلامًا في العضلات أثناء وبعد التدريب.
يختلف التخمير الكحولي في أن الكحول الإيثيلي يتكون كمنتج نهائي. يحدث بمساعدة الكائنات الحية الدقيقة - الخميرة. ويلعب دورًا رئيسيًا في الطهي ، لأنه بالإضافة إلى المنتج الرئيسي ، يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون أثناء التخمير الكحولي للجلوكوز (وهذا يفسر روعة عجينة الخميرة).
يحدث تخمر حامض الستريك ، كما قد تتخيل ، مع تكوين حامض الستريك. يحدث تحت تأثير نوع معين من الفطريات وهو جزء من دورة كريبس التي تضمن تنفس جميع الخلايا في الجسم.
تخمير الأسيتون - البيوتيل مشابه جدًا للتخمير الزبداني. نتيجة لذلك ، يتم تكوين حمض الزبد وكحول البوتيل والإيثيل والأسيتون وثاني أكسيد الكربون. ينتج التخمير الزبدي فقط الحمض الذي يحمل الاسم وثاني أكسيد الكربون.
الآن سننظر في جميع الأنواع بمزيد من التفصيل ، لكن لنبدأ بالأكثر أساسية - التخمير الكحولي للجلوكوز. سيتم تحليل جميع ردود الفعل والفروق الدقيقة في الدورة التدريبية بالتفصيل.
تخمير الكحول
دعنا نتحدث قليلا عن تخمر الجلوكوز ، و معادلته هي:S6N12O6=2S2N5OH + 2CO2. ما الذي يمكن تعلمه من رد الفعل هذا؟ لدينا منتجان: الكحول الإيثيلي وثاني أكسيد الكربون. بسبب هذا الأخير ، نلاحظ تورم عجينة الخميرة. نظرًا للأول ، لدينا فرصة لتذوق النبيذ والمشروبات التي لا تُنسى. لكن في الحقيقة ، هذه مجرد معادلة مبسطة. تفاعل تخمر الجلوكوز الكامل أكثر تعقيدًا ، لذلك دعونا نكسره قليلاً.
هناك عملية مثل تحلل السكر. حرفيا ، اسمه يترجم على أنه "تقسيم السكر". يحدث في الجسم ، ومنتجه الثانوي هو حمض البيروفيك ، والمنتج الرئيسي هو الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) ، والذي يتكون أثناء هذا التفاعل من مركب آخر. يمكننا القول أن ATP هو ناقل الطاقة في الجسم ، وفي الواقع ، يعمل تحلل السكر على إمداد الجسم بالطاقة.
لقد تطرقنا إلى هذه العملية لسبب ما. في الواقع ، يشبه التخمير إلى حد كبير تحلل السكر ، لأن المرحلة الأولى هي نفسها تمامًا بالنسبة لهم. يمكن القول أن التخمر الكحولي للجلوكوز هو استمرار لتحلل السكر. يتم تحويل البيروفات (أيون حمض البيروفيك) المتكون في سياق هذا الأخير إلى أسيتالديهيد (CH3-C (O) H) مع إطلاق ثاني أكسيد الكربون كمنتج ثانوي. بعد ذلك ، يتم تقليل المنتج الناتج بواسطة أنزيم NADH الموجود في البكتيريا. يؤدي التخفيض إلى تكوين الكحول الإيثيلي.
وهكذا ، يبدو تفاعل تخمير الجلوكوز مع الكحول الإيثيلي كما يلي:
1)C6H12O6=2 C3H4O3+ 4 H+
2) C3H4O3=CH3-COH + CO2
3) CH3-COH + NADH + H+=C2H5OH + NAD+
يعملNADH كمحفز للتفاعل ، ويلعب أيون NAD+دورًا رئيسيًا في المرحلة المبكرة من تحلل السكر ، ويتشكل في نهاية التخمير الكحولي ، يعود إلى العملية.
دعنا ننتقل إلى النوع التالي من ردود الفعل قيد الدراسة.
تخمير حمض اللاكتيك للجلوكوز
يختلف هذا النوع عن الكحول في أنه لا يحدث تحت تأثير الخميرة ، ولكن بمساعدة بكتيريا حمض اللاكتيك. لذلك ، لدينا منتجات مختلفة تمامًا. يحدث تخمر حمض اللاكتيك أيضًا في عضلاتنا عندما نعمل بجد ونفتقر إلى الأكسجين.
هناك نوعان من هذه العملية. الأول هو التخمير المتجانسة. إذا كنت قد سمعت البادئة "homo" ، فمن المحتمل أنك تفهم ما تعنيه. التخمير المتجانس هو عملية تنطوي على إنزيم واحد. في المرحلة الأولى ، يحدث تحلل السكر ويتكون حمض البيروفيك. ثم يتعرض البيروفات الناتج (في المحلول يمكن أن يوجد هذا الحمض فقط في شكل أيونات) للهدرجة باستخدام NADH+H و lactate dehydrogenase. نتيجة لذلك ، منتج الاختزال هو حمض اللاكتيك ، والذي يشكل حوالي 90٪ من جميع المنتجات التي يتم الحصول عليها أثناء التفاعل. ومع ذلك ، يمكن أيضًا تكوين هذا المركب في شكل اثنينأيزومرات مختلفة: D و L. تختلف هذه الأنواع من حيث أنها صور مرآة لبعضها البعض ، ونتيجة لذلك ، تؤثر على أجسامنا بطرق مختلفة. أي ايزومر سيتم تكوينه إلى حد كبير يحدد بنية نازعة هيدروجين اللاكتات.
دعنا ننتقل إلى النوع الثاني من تخمير حمض اللاكتيك - التخمر المتغاير. تتضمن هذه العملية عدة إنزيمات وتتبع مسارًا أكثر تعقيدًا. لهذا السبب ، يتم تكوين المزيد من المنتجات المختلفة أثناء التفاعل: بالإضافة إلى حمض اللاكتيك ، يمكننا العثور على حمض الأسيتيك والكحول الإيثيلي هناك.
لذلك نظرنا في تخمير حمض اللاكتيك. هذه هي العملية التي يمكننا من خلالها الاستمتاع بمذاق الجبن والحليب الرائب والحليب المخمر والكفير. دعونا نلخص ونكتب رد الفعل العام لتخمير حمض اللاكتيك للجلوكوز: C6H12O6=2 C3H6O3. بالطبع ، هذا رسم تخطيطي مبسط لعملية التخمير المتجانس ، حيث أنه حتى الرسم التخطيطي لعملية التخمير غير المتغاير سيكون معقدًا للغاية. لا يزال الكيميائيون يدرسون التخمر اللبني للجلوكوز ويوضحون آلياته الكاملة ، لذلك لا يزال هناك مجال للتحسين.
تخمير حامض الستريك
تحدث تفاعلات من هذا النوع من التخمير ، كما هو الحال مع الكحول ، تحت تأثير عيش الغراب لسلالة معينة. الآلية الكاملة لرد الفعل هذا لم يتم فهمها بالكامل بعد ، ولا يمكننا الاعتماد إلا على بعض التبسيط. ومع ذلك ، هناك اقتراحات بأن المرحلة الأولى من العملية هي تحلل السكر. ثم يتم تحويل حمض البيروفيك إلىيتحول إلى أحماض مختلفة ويتحول إلى حامض. بسبب هذه الآلية ، تتراكم الأحماض الأخرى في وسط التفاعل - نتاج أكسدة غير مكتملة للجلوكوز.
تحدث هذه العملية تحت تأثير الأكسجين ، ويمكن كتابتها بشكل عام على أنها المعادلة التالية: 6+ 3O2=2C6N8O 7+ 4H2O. قبل اكتشاف هذا النوع من التخمير ، كان الناس يستخرجون حامض الستريك حصريًا عن طريق الضغط على ثمار الشجرة المقابلة. ومع ذلك ، فإن هذا الحمض لا يزيد عن 15٪ في الليمون ، لذلك تبين أن هذه الطريقة غير عملية ، وبعد اكتشاف هذا التفاعل ، بدأ الحصول على كل الحمض عن طريق التخمير.
تخمير زبدة
دعنا ننتقل إلى النوع التالي. يحدث هذا النوع من التخمير تحت تأثير بكتيريا حمض الزبد. إنها منتشرة على نطاق واسع ، والعملية التي تسببها تلعب دورًا رئيسيًا في الدورات المهمة بيولوجيًا. بمساعدة هذه البكتيريا ، يحدث تحلل الكائنات الحية الميتة. حمض الزبد المتكون أثناء التفاعلات يجذب الزبالين برائحته
يستخدم هذا النوع من التخمير في الصناعة. كما قد تتخيل ، فإنهم يحصلون على حمض الزبد. تستخدم استراته على نطاق واسع في صناعة العطور ولها رائحة طيبة على عكس نفسها. ومع ذلك ، فإن تخمير الزبد ليس مفيدًا دائمًا. يمكن أن تفسد الخضروات والأطعمة المعلبة والحليب ومنتجات أخرى. لكن هذا يمكن أن يحدث فقط إذا دخلت بكتيريا حمض الزبد المنتج.
دعونا نحلل آلية الزبدتخمر الجلوكوز. يبدو رد فعله كما يلي: C6H12O6→ CH3 CH2CH2COOH + 2CO2↑ + 2H2. نتيجة لذلك ، يتم أيضًا توليد الطاقة ، مما يضمن النشاط الحيوي للبكتيريا الزبدية.
تخمير الأسيتون - بوتيل
هذا النوع يشبه إلى حد بعيد الزبد. ليس فقط الجلوكوز ، ولكن أيضًا الجلسرين وحمض البيروفيك يمكن أن يتخمر بهذه الطريقة. يمكن تقسيم هذه العملية إلى مرحلتين: الأولى (تسمى أحيانًا الحمضية) هي التخمر الزبداني. ومع ذلك ، بالإضافة إلى حمض الزبد ، يتم إطلاق حمض الأسيتيك أيضًا. نتيجة تخمير الجلوكوز بهذه الطريقة ، نحصل على منتجات تنتقل إلى المرحلة الثانية (الأسيتونوبوتيل). نظرًا لأن هذه العملية برمتها تحدث أيضًا تحت تأثير البكتيريا ، عندما يتم تحمض الوسط (زيادة تركيز الأحماض) ، يتم إطلاق إنزيمات خاصة بواسطة البكتيريا. إنها تحفز تحويل منتجات تخمير الجلوكوز إلى ن-بيوتانول (كحول بوتيل) وأسيتون. بالإضافة إلى ذلك ، قد يتم إنتاج بعض الإيثانول.
أنواع أخرى من التخمير
بالإضافة إلى الأنواع الخمسة المذكورة من هذه العملية ، هناك العديد من الأنواع الأخرى. على سبيل المثال ، هذا هو تخمير الخل. يحدث أيضًا تحت تأثير العديد من البكتيريا. يمكن استخدام هذا النوع من التخمير لأغراض مفيدة عند التخليل. يحمي الطعام من البكتيريا المسببة للأمراض والخطرة. هناك أيضًا تخمير قلوي أو ميثان. على عكس الأنواع السابقة ، هذا النوعيمكن إجراء التخمير لمعظم المركبات العضوية. نتيجة لعدد كبير من التفاعلات المعقدة ، تنقسم المواد العضوية إلى ميثان وهيدروجين وثاني أكسيد الكربون.
الدور البيولوجي
التخمير هو أقدم طريقة للحصول على الطاقة عن طريق الكائنات الحية. تنتج بعض الكائنات مواد عضوية ، وتتلقى الطاقة على طول الطريق ، بينما يدمر البعض الآخر هذه المواد ، مع تلقي الطاقة أيضًا. حياتنا كلها مبنية على هذا. وفي كل منا يحدث التخمير بشكل أو بآخر. كما قلنا أعلاه ، يحدث تخمر حمض اللاكتيك في العضلات أثناء التدريب المكثف.
ماذا تقرأ؟
إذا كنت مهتمًا بالكيمياء الحيوية لهذه العملية الشيقة جدًا ، فيجب أن تبدأ بالكتب المدرسية في الكيمياء والبيولوجيا. تم تفصيل العديد من الكتب المدرسية الجامعية لدرجة أنه بعد قراءتها يمكنك أن تصبح مجرد خبير في هذا المجال.
الخلاصة
ها نحن نصل إلى النهاية. قمنا بتحليل جميع أنواع تخمير الجلوكوز والمبادئ العامة لهذه العمليات ، والتي تلعب دورًا مهمًا للغاية في كل من عمل الكائنات الحية وفي صناعتنا. من الممكن أن نكتشف في المستقبل عدة أنواع أخرى من هذه العملية القديمة ونتعلم كيفية استخدامها لصالحنا ، كما فعلنا مع أولئك المعروفين لدينا بالفعل.
