Gliukozės fermentacijos reakcija. Rūgimo rūšys, reikšmė ir produktas

2024 Autorius: Angel Austin | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-02 17:51

Gliukozės fermentacija yra viena iš pagrindinių reakcijų, kurios metu galima gaminti alkoholinius gėrimus. Tai gali būti atliekama įvairiais būdais, kiekviename iš kurių susidaro atskiri produktai. Šis procesas atlieka pagrindinį vaidmenį daugelyje mūsų gyvenimo sričių – nuo maisto gaminimo ir vyno bei degtinės gaminių gaminimo iki mūsų organizme vykstančių reakcijų.

Istorija

Gliukozės ir kitų cukrų fermentacijos procesą naudojo senovės žmonės. Jie valgė šiek tiek fermentuotą maistą. Toks maistas buvo saugesnis, nes jame buvo alkoholio, kuriame žuvo daug kenksmingų bakterijų. Senovės Egipte ir Babilone žmonės jau mokėjo fermentuoti daugybę saldžių gėrimų ir pieno. Kai XVIII amžiaus pabaigoje žmonėms pavyko geriau išstudijuoti šį procesą, jo rūšis ir tobulinimo galimybes, tokios pramonės šakos kaip gira, alaus gamyba ir vyno degtinė išaugo labai kokybiškai.

Rauginimo rūšys

Kaip bebūtų keista, bet šis procesas skiriasi. Ir yra galutinių produktų gliukozės fermentacijos rūšių. Taigi, yra pieno rūgšties, alkoholio, citrinų rūgšties, acetono, sviesto ir keletas kitų. Pakalbėkime šiek tiek apie kiekvieną tipąatskirai. Gliukozės fermentacija pieno rūgštimi yra pagrindinis procesas ruošiant tokius produktus kaip jogurtas, grietinė, kefyras, varškė. Jis taip pat naudojamas daržovėms konservuoti ir atlieka pagrindinę funkciją mūsų organizme: deguonies trūkumo sąlygomis gliukozė paverčiama galutiniu produktu – pieno rūgštimi, kuri sukelia raumenų skausmą treniruotės metu ir po jos.

Alkoholio fermentacija skiriasi tuo, kad etilo alkoholis susidaro kaip galutinis produktas. Tai atsiranda mikroorganizmų – mielių – pagalba. Be to, jis vaidina pagrindinį vaidmenį gaminant maistą, nes alkoholinės gliukozės fermentacijos metu, be pagrindinio produkto, išsiskiria anglies dioksidas (tai paaiškina mielinės tešlos puošnumą).

Citrinų rūgšties fermentacija vyksta, kaip jau galima spėti, susidarant citrinų rūgščiai. Jis atsiranda veikiant tam tikros rūšies grybeliui ir yra Krebso ciklo dalis, užtikrinanti visų mūsų kūno ląstelių kvėpavimą.

Acetono-butilo fermentacija labai panaši į sviesto fermentaciją. Dėl to susidaro sviesto rūgštis, butilo ir etilo alkoholiai, acetonas ir anglies dioksidas. Sviesto fermentacija gamina tik pavadinimą turinčią rūgštį ir anglies dioksidą.

Dabar apžvelgsime visas rūšis išsamiau, bet pradėkime nuo paprasčiausio – alkoholinės gliukozės fermentacijos. Visos reakcijos ir jų eigos niuansai bus išsamiai išanalizuoti.

Alkoholio fermentacija

Papasakokime šiek tiek daugiau apie gliukozės fermentaciją, kurios lygtis yra tokia:S₆N₁₂O₆ =2S₂N ₅OH + 2CO_{2. Ko galima pasimokyti iš šios reakcijos? Turime du produktus: etilo alkoholį ir anglies dioksidą. Dėl pastarosios stebime mielinės tešlos brinkimą. O dėl pirmojo turime galimybę paragauti nepamirštamo vyno ir vyno gėrimų skonio. Tačiau iš tikrųjų tai tik supaprastinta lygtis. Visiška gliukozės fermentacijos reakcija yra sudėtingesnė, todėl ją šiek tiek suskaidykime.}

Yra toks procesas kaip glikolizė. Pažodžiui jo pavadinimas verčiamas kaip „cukraus suskaidymas“. Jis atsiranda organizme, o jo šalutinis produktas yra piruvo rūgštis, o pagrindinis yra adenozino trifosfatas (ATP), kuris susidaro šios reakcijos metu iš kito junginio. Galime sakyti, kad ATP yra energijos nešėjas organizme, o iš tikrųjų glikolizė padeda aprūpinti mūsų organizmą energija.

Mes palietėme šį procesą dėl priežasties. Tiesą sakant, fermentacija yra labai panaši į glikolizę, nes pirmoji stadija jiems yra lygiai tokia pati. Galima net sakyti, kad alkoholio gliukozės fermentacija yra glikolizės tąsa. Pastarojo metu susidaręs piruvatas (piruvo rūgšties jonas) virsta acetaldehidu (CH_{3-C(O)H), kaip šalutinis produktas išsiskiria anglies dioksidu. Po to gautą produktą redukuoja bakterijose esantis NADH kofermentas. Sumažėjus susidaro etilo alkoholis.}

Taigi, gliukozės fermentacijos reakcija į etilo alkoholį atrodo taip:

1)C₆H₁₂O₆=2 C₃H₄O₃ + 4 H⁺

2) C₃H₄O₃=CH₃ -COH + CO₂

3) CH₃-COH + NADH + H⁺=C₂H ₅OH + NAD⁺

NADH yra reakcijos katalizatorius, o NAD jonas+vaidina pagrindinį vaidmenį ankstyvoje glikolizės stadijoje ir, susidaręs alkoholinės fermentacijos pabaigoje, grįžta į procesą.

Pereikime prie kito tiriamos reakcijos tipo.

Gliukozės fermentacija pieno rūgštimi

Ši rūšis nuo alkoholio skiriasi tuo, kad atsiranda ne veikiant mielioms, o padedant pieno rūgšties bakterijoms. Todėl turime visiškai skirtingus produktus. Pieno rūgšties fermentacija vyksta ir mūsų raumenyse, kai sunkiai dirbame ir trūksta deguonies.

Yra dviejų tipų šis procesas. Pirmoji – homofermentacinė fermentacija. Jei kada nors girdėjote priešdėlį „homo“, tikriausiai suprantate, ką jis reiškia. Homofermentacinė fermentacija yra procesas, kuriame dalyvauja vienas fermentas. Pirmajame etape vyksta glikolizė ir susidaro piruvo rūgštis. Tada susidaręs piruvatas (tirpoje ši rūgštis gali egzistuoti tik jonų pavidalu) yra hidrinamas naudojant NADH+H ir laktato dehidrogenazę. Dėl to redukcijos produktas yra pieno rūgštis, kuri sudaro apie 90% visų reakcijos metu gautų produktų. Tačiau šis junginys taip pat gali būti sudarytas dviejų pavidaluskirtingi izomerai: D ir L. Šie tipai skiriasi tuo, kad yra vienas kito veidrodiniai atvaizdai ir dėl to skirtingai veikia mūsų organizmą. Kuris izomeras susidarys didesniu mastu, lemia laktatdehidrogenazės struktūrą.

Pereikime prie antrojo pieno rūgšties fermentacijos tipo – heterofermentinės. Šis procesas apima kelis fermentus ir vyksta sudėtingesniu keliu. Dėl to reakcijos metu susidaro daugiau skirtingų produktų: be pieno rūgšties, joje galime rasti ir acto rūgšties bei etilo alkoholio.

Taigi mes svarstėme pieno rūgšties fermentaciją. Tai procesas, kurio metu galime mėgautis varškės, rūgpienio, rauginto kepto pieno ir kefyro skoniu. Apibendrinkime ir užrašykime bendrą gliukozės pieno rūgšties fermentacijos reakciją: C₆H₁₂O₆=2 C ₃H₆O₃. Žinoma, tai yra supaprastinta homofermentinės fermentacijos proceso diagrama, nes net heterofermentinio fermentacijos proceso diagrama bus labai sudėtinga. Chemikai vis dar tiria pieno pieno fermentaciją ir aiškinasi visus jos mechanizmus, todėl dar yra kur tobulėti.

Citrinos rūgšties fermentacija

Šio tipo fermentacijos reakcijos vyksta, kaip ir alkoholio atveju, veikiant tam tikros rūšies grybams. Visas šios reakcijos mechanizmas dar nėra visiškai suprantamas, todėl galime pasikliauti tik kai kuriais supaprastinimais. Tačiau yra pasiūlymų, kad pradinis proceso etapas yra glikolizė. Tada piruvo rūgštis virstavirsta įvairiomis rūgštimis ir patenka į citriną. Dėl šio mechanizmo reakcijos terpėje kaupiasi kitos rūgštys – nepilnos gliukozės oksidacijos produktai.

Šis procesas vyksta veikiant deguoniui, ir apskritai jį galima parašyti tokia lygtimi: 6 _+3O2_=2C 6_N8_{O 7} + 4H₂O. Prieš atrandant šį fermentacijos būdą, žmonės citrinų rūgštį išgaudavo tik spaudydami atitinkamo medžio vaisius. Tačiau šios rūgšties citrinoje yra ne daugiau kaip 15%, todėl šis metodas pasirodė nepraktiškas, o atradus šią reakciją, visa rūgštis buvo pradėta gauti fermentacijos būdu.

Sviestinė fermentacija

Pereikime prie kito tipo. Šio tipo fermentacija vyksta veikiant sviesto rūgšties bakterijoms. Jie yra plačiai paplitę, o jų sukeliamas procesas atlieka pagrindinį vaidmenį biologiškai svarbiuose ciklus. Šių bakterijų pagalba vyksta negyvų organizmų irimas. Reakcijų metu susidariusi sviesto rūgštis savo kvapu pritraukia nešvarumus.

Šis fermentacijos būdas naudojamas pramonėje. Kaip jau galima spėti, jie gauna sviesto rūgšties. Jo esteriai plačiai naudojami parfumerijoje ir turi malonų kvapą, skirtingai nei jis pats. Tačiau sviesto fermentacija ne visada naudinga. Jis gali sugadinti daržoves, konservus, pieną ir kitus produktus. Tačiau tai gali atsitikti tik tuo atveju, jei sviesto rūgšties bakterijos pateko į produktą.

Išanalizuokime sviesto mechanizmągliukozės fermentacija. Jo reakcija atrodo taip: C₆H₁₂O₆ → CH_3CH2_CH2_{COOH + 2CO}2_{↑ + 2H} 2 _{. Dėl to taip pat susidaro energija, kuri užtikrina gyvybinę sviesto bakterijų veiklą.}

Acetono-butilo fermentacija

Šis tipas labai panašus į sviesto rūgštį. Taip fermentuotis gali ne tik gliukozė, bet ir glicerolis bei piruvo rūgštis. Šį procesą galima suskirstyti į du etapus: pirmasis (kartais vadinamas rūgštiniu) iš tikrųjų yra sviesto fermentacija. Tačiau be sviesto rūgšties išsiskiria ir acto rūgštis. Dėl gliukozės fermentacijos tokiu būdu gauname produktus, kurie patenka į antrąjį etapą (acetonobutilas). Kadangi visas šis procesas vyksta ir veikiant bakterijoms, terpę rūgštinant (padidėjus rūgščių koncentracijai), bakterijos išskiria specialius fermentus. Jie skatina gliukozės fermentacijos produktų pavertimą n-butanoliu (butilo alkoholiu) ir acetonu. Be to, gali susidaryti šiek tiek etanolio.

Kiti fermentacijos tipai

Be išvardytų penkių šio proceso tipų, yra dar keletas. Pavyzdžiui, tai yra acto fermentacija. Jis taip pat atsiranda veikiant daugeliui bakterijų. Šis fermentacijos būdas gali būti naudingas marinuojant. Jis apsaugo maistą nuo patogeninių ir pavojingų bakterijų. Taip pat yra šarminė arba metano fermentacija. Skirtingai nuo ankstesnių tipų, šis tipasfermentacija gali būti atliekama daugumai organinių junginių. Dėl daugybės sudėtingų reakcijų organinės medžiagos skyla į metaną, vandenilį ir anglies dioksidą.

Biologinis vaidmuo

Rauginimas yra seniausias gyvų organizmų energijos gavimo būdas. Kai kurios būtybės gamina organines medžiagas, gaudamos energijos pakeliui, o kitos šias medžiagas sunaikina, kartu gaudamos energijos. Visas mūsų gyvenimas yra pastatytas ant to. Ir kiekviename iš mūsų fermentacija vyksta viena ar kita forma. Kaip minėjome aukščiau, pieno rūgšties fermentacija vyksta raumenyse intensyvių treniruočių metu.

Ką dar skaityti?

Jei jus domina šio labai įdomaus proceso biochemija, turėtumėte pradėti nuo mokyklinių chemijos ir biologijos vadovėlių. Daugelis universitetų vadovėlių yra tokie išsamūs, kad juos perskaitę galite tapti tiesiog šios srities ekspertu.

Išvada

Štai mes atėjome į pabaigą. Išanalizavome visas gliukozės fermentacijos rūšis ir bendruosius šių procesų principus, kurie atlieka labai svarbų vaidmenį tiek gyvų organizmų funkcionavime, tiek mūsų pramonėje. Gali būti, kad ateityje atrasime dar keletą šio senovinio proceso tipų ir išmoksime juos panaudoti savo naudai, kaip tai padarėme su jau žinomais.