Fermentacija - što je to u kemiji?
Fermentacija je jedan od najvažnijih procesa koji se odvija u okolišu, čija je suština reducirana na proizvodnju energije gljivama i bakterijama za njihove vitalne funkcije. Ali, kao i mnoge druge pojave, čovjek je naučio koristiti ga da zadovolji svoje potrebe. Fermentacija nije samo dobivanje alkoholnih proizvoda. Kao rezultat fermentacije, čovječanstvo prima mnoge vrste prehrambenih proizvoda. Danas postoje i tehnologije koje omogućuju dobivanje plastike za prehrambenu industriju, čija je faza taj proces.
Koncept fermentacije
Kemija i biologija definiraju taj proces na nešto drugačiji način. Sa stajališta kemije, fermentacija je reakcija za proizvodnju etanola i drugih proizvoda pod djelovanjem niza mikroorganizama, na primjer, kvasca. Biologija pojašnjava da se anaerobna razgradnja ugljikohidrata (uključujući glukozu) odvija pod utjecajem mikroorganizama (ili enzima koji iz njih proizlaze). To je višestepeni proces koji uključuje oksidacijsko-redukcijske reakcije, a donori i akceptori elektrona se dobivaju iz istog supstrata.
Mnoge tvari mogu proći fermentaciju, ali se češće koriste ugljikohidrati. Time se dobivaju ne samo glavne tvari, već i proizvodi kao što je aceton, ugljični dioksid vodika i drugih
Biološka uloga fermentacije
Značaj ove pojave za žive organizme je velik. Kao rezultat toga, formira se niz kemijskih reakcija tijekom fermentacije:
- Molekule ATP s rezervom energije potrebne za održavanje života mikroorganizama;
- kemikalije potrebne za sintezu vlastitih proteina, šećera, različitih nukleinskih kiselina, itd.
Smatra se da su glavne tri vrste fermentacije otkrili i opisali L. Pasteur u 19. stoljeću. Međutim, njihovi proizvodi koriste čovječanstvo od pamtivijeka.
Vrste fermentacije
Alkoholne, mliječne i maslinaste kiseline najčešće se koriste u industrijskim razmjerima. Biokemija također razmatra propionsku kiselinu, citrat, aceton-butil i druge vrste. Da bi se razumjelo koja će se vrsta fermentacije odvijati na ovaj ili onaj način, moguće je pomoću vrste korištenih mikroorganizama.
Na primjer, alkoholna fermentacija uzbuđuju pekarski kvasac (Saccharomyces cerevisiae), bakterije roda Erwinia (Erwinia amylovora) i sarcina (Sarcina ventriculi). Butirat se provodi pomoću obvezno-anaerobnih bakterija roda Clostridium. Uzročnici fermentacije u smjeru mliječne kiseline su bakterija Streptococcus cremoris, koke (Lactococcus genus) i štapići (Lactobacillus genus).
Fermentacija alkohola
Ovaj proces uključuje 12 faza i ima prilično složen mehanizam. Tijekom fermentacije glukoze nastaje 2-oksopropanska kiselina, koja se češće naziva piruvična kiselina. Ova faza prolazi glukozu u bilo kojoj vrsti fermentacije. Dalje se izlaže enzimima i pretvara u acetaldehid, koji se reducira u etanol.
Smanjena jednadžba za alkoholno vrenje je:
S 6 О 12 O 6 -> 2S 2 Η 5 OΗ + 2 SO 2
Uzimajući u obzir ispuštenu energiju, može se napisati na sljedeći način:
C 6 O 12 O 6 + 2Η 3 PO 4 + 2ADF -> 2C 2 5 OΗ + 2CO 2 + 2ATP
Tako su dvije molekule ATF pohranjene iz jedne molekule glukoze.
Mliječna fermentacija
Ovisno o skupini mikroorganizama uključenih u ovaj proces, fermentacija se može odvijati na dva načina. Homofermentativne bakterije mliječne kiseline uglavnom dovode do stvaranja mliječna kiselina sadržaj u proizvodima je do 90%. To je najprimitivniji način fermentacije kroz koji prolaze mono- i disaharidi (glukoza, laktoza). Za njega, jednadžba reakcije vrijedi:
2S 6 О 12 O 6 -> 2Η3 3Η (OΗ) SOΗ + Q
Heterofermentativne bakterije mliječne kiseline, osim mliječne kiseline, proizvode nusprodukt etanola, octene kiseline, ugljičnog dioksida i drugih tvari. Možete napisati sljedeću jednadžbu fermentacije:
2S 6 О 12 O 6 -> 2Η 3 SΗ (OΗ) SOOΗ + SOOΗ (S) 2 ) 2 SOOΗ + S 2 Η 5 OΗ + SΗ 3 SOOΗ + Q
Buterna fermentacija
Ova vrsta fermentacije je poznata mnogim kućanicama, jer upravo on dovodi do propadanja hrane. Masne kiselinske bakterije uzrokuju upaljeni maslac, kiseli kupus i kisele gljive ako nisu dovoljno sterilizirane. Nusproizvodi ove fermentacije su ugljični dioksid i vodik. Klasteri acetona, etanola, butanola i octene kiseline su također mogući.
Polisaharidi su sposobni za fermentaciju, stoga se za industriju parfimerije dobiva iz krumpira, žitarica i melase (otpad od proizvodnje šećera). Sama kiselina ima odbojni miris, ali njezini esteri ugodno mirišu na cvijeće i voće. Za fermentaciju maslačne kiseline može se napisati sljedeća jednadžba reakcije:
2S 6 О 12 O 6 -> SΗ 3 S СН 2 SN 2 SOOΗ + 2SO 2 + 2N 2 + Q
Citronska fermentacija
Kao i druge vrste fermentacije, ona prolazi kroz fazu stvaranja piruvične kiseline, koja se zatim uključuje u Krebsov ciklus. Pretvorba glukoze u limunsku kiselinu prolazi kroz mnoge faze, ali se ukupno može izraziti jednadžbom:
2S 6 О 12 O 6 + 3O 2 -> 2S 6 N 8 O 7 + 4N 2 O
Industrijska proizvodnja limunske kiseline temelji se na biokemijskim reakcijama korištenjem gljive Aspergillus niger u kiseloj okolini. Ako je medij neutralan, onda će se kao nusprodukt akumulirati oksalna kiselina.
Fermentacija u prehrambenoj industriji
Procesi fermentacije su široko korišteni za dobivanje tekućina koje sadrže alkohol ne samo u industrijskim razmjerima. Ovisno o sirovinama i tehnologiji dobivamo pića s različitim sadržajem etanola. Budući da je alkoholna fermentacija glukoze popraćena otpuštanjem CO 2 , postoji određen broj proizvoda koji su karakterizirani njegovim oslobađanjem tijekom uporabe. To uključuje pivo i pjenušava vina (šampanjac). Tehnologija proizvodnje drugih osigurava pravovremeno ispuštanje plina nastalog tijekom fermentacije kako bi se spriječilo njegovo nakupljanje.
Za proizvodnju mliječnih proizvoda koriste se odgovarajuće bakterije. Zahvaljujući ovoj vrsti vrenja, čovječanstvo je naučilo proizvode kao što su kiselo vrhnje, kefir, jogurt, jogurt, sir, svježi sir. I ovaj proces je važan u pripremi kvasa. Zbog bakterija mliječne kiseline koje inhibiraju rast patogene mikroflore, moguće je pripremiti ukiseljeno povrće (kupus, krastavac, rajčica). Osim toga, oni pridonose smanjenju pH vrijednosti i očuvanju mesnih proizvoda, stoga se bakterije mliječne kiseline koriste u proizvodnji sušenih sorti kobasica, kao što je salama.
Proces alkoholnog vrenja vrlo je važan za pekarsku i konditorsku industriju. Ugljični dioksid koji se oslobađa tijekom interakcije šećera s kvascem, a kada se peče i peče, širi se. To dovodi do stvaranja velikih pora u tijestu, zbog čega postaje bujno.
Primjena fermentacije
Bakterije mliječne kiseline koristi u proizvodnji kože. Za proizvodnju nekih vrsta krzna kože (astrakhan, krtica, vjeverica) koristiti svoje fermentacije s raženog brašna ili kefir. To dovodi do omekšavanja i ljuštenja dermis vlakana.
Zahvaljujući bakterijama mliječne kiseline i njihovim metaboličkim proizvodima dobiva se biološki razgradivi polilaktid. Iz nje se pak pakira za hranu i medicinske proizvode s kratkim vijekom trajanja (niti i igle).
Oni također igraju važnu ulogu u skladištenju hrane za stoku u obliku silaže. Da bi se to postiglo, vrhovi krumpira, repe, kukuruza, lucerne su prešani dodatkom mravlje kiseline. Bez pristupa zraku u takvom supstratu započinje kontrolirani proces fermentacije mliječne kiseline.
U suvremenom svijetu borba za čistu okolinu jedan je od najvažnijih zadataka društva. Postupak fermentacije može pomoći u zbrinjavanju životinjskog otpada i istodobno dobiti vrijedan bioplin koji se može koristiti za zagrijavanje istih farmi. Da biste to učinili, koristite različite vrste bakterija u različitim fazama njegove proizvodnje. Prvo, bakterije koje stvaraju kiselinu procesiraju organsku tvar u hlapljivim kiselinama. A onda bakterije koje stvaraju metan proizvode metan od organskih kiselina. Vodikov sulfid i ugljični monoksid sadržani su u bioplinu kao nusproizvodi.