ปฏิกิริยาการหมักกลูโคส ชนิด ความหมาย และผลิตภัณฑ์ของการหมัก

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-02 17:57

การหมักกลูโคสเป็นหนึ่งในปฏิกิริยาหลักที่ทำให้สามารถเตรียมเครื่องดื่มแอลกอฮอล์ได้ สามารถทำได้หลายวิธีโดยแต่ละผลิตภัณฑ์จะถูกสร้างขึ้น กระบวนการนี้มีบทบาทสำคัญในชีวิตของเราในหลายด้าน ตั้งแต่การทำอาหาร การทำไวน์ และผลิตภัณฑ์วอดก้า ไปจนถึงปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในร่างกายของเรา

ประวัติศาสตร์

กระบวนการหมักกลูโคสและน้ำตาลอื่น ๆ ที่คนโบราณใช้ พวกเขากินอาหารหมักเล็กน้อย อาหารดังกล่าวปลอดภัยกว่าเนื่องจากมีแอลกอฮอล์ซึ่งแบคทีเรียที่เป็นอันตรายจำนวนมากเสียชีวิต ในอียิปต์โบราณและบาบิโลน ผู้คนรู้วิธีหมักเครื่องดื่มและนมที่มีน้ำตาลมากอยู่แล้ว เมื่อผู้คนในปลายศตวรรษที่ 18 สามารถศึกษากระบวนการนี้ได้ดีขึ้น ประเภทและความเป็นไปได้ในการปรับปรุง อุตสาหกรรมเช่น kvass การผลิตเบียร์ และไวน์-วอดก้าเติบโตในเชิงคุณภาพอย่างมาก

ประเภทการหมัก

ถึงจะแปลกแต่กระบวนการนี้ต่างออกไป และยังมีการหมักกลูโคสด้วยผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายอีกด้วย ดังนั้นจึงมีกรดแลคติก แอลกอฮอล์ กรดซิตริก อะซิโตน บิวทิริก และอื่นๆ อีกหลายชนิด มาว่ากันเล็กน้อยเกี่ยวกับแต่ละประเภทของแยกจากกัน การหมักกลูโคสด้วยกรดแลคติกเป็นกระบวนการหลักในการเตรียมผลิตภัณฑ์ เช่น โยเกิร์ต ครีมเปรี้ยว คีเฟอร์ คอทเทจชีส นอกจากนี้ยังใช้เพื่อรักษาผักและทำหน้าที่สำคัญในร่างกายของเรา: ในสภาวะที่ขาดออกซิเจน กลูโคสจะถูกแปลงเป็นผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย - กรดแลคติกซึ่งทำให้เกิดอาการปวดกล้ามเนื้อระหว่างและหลังการฝึก

การหมักด้วยแอลกอฮอล์จะต่างกันตรงที่เอทิลแอลกอฮอล์จะก่อตัวเป็นผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย มันเกิดขึ้นด้วยความช่วยเหลือของจุลินทรีย์ - ยีสต์ และมีบทบาทสำคัญในการปรุงอาหาร เนื่องจากนอกเหนือจากผลิตภัณฑ์หลักแล้ว คาร์บอนไดออกไซด์จะถูกปล่อยออกมาในระหว่างการหมักกลูโคสด้วยแอลกอฮอล์ (ซึ่งจะอธิบายถึงความงดงามของแป้งยีสต์)

การหมักกรดซิตริกเกิดขึ้นอย่างที่คุณอาจเดาได้ด้วยการก่อตัวของกรดซิตริก มันเกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของเชื้อราบางชนิดและเป็นส่วนหนึ่งของวงจร Krebs ซึ่งทำให้การหายใจของเซลล์ทั้งหมดในร่างกายของเราดีขึ้น

การหมักอะซิโตน-บิวทิลคล้ายกับการหมักบิวทิลมาก เป็นผลให้เกิดกรดบิวทิริก, บิวทิลและเอทิลแอลกอฮอล์, อะซิโตนและคาร์บอนไดออกไซด์ การหมักบิวทีริกจะผลิตกรดที่มีชื่อและคาร์บอนไดออกไซด์เท่านั้น

ตอนนี้เราจะดูรายละเอียดเพิ่มเติมทุกประเภท แต่ขอเริ่มด้วยการหมักกลูโคสด้วยแอลกอฮอล์ขั้นพื้นฐานที่สุด ปฏิกิริยาและความแตกต่างของหลักสูตรทั้งหมดจะได้รับการวิเคราะห์โดยละเอียด

หมักแอลกอฮอล์

มาพูดถึงการหมักกลูโคสกันอีกหน่อย สมการคือ:S₆N₁₂O₆ =2S₂N ₅OH + 2CO_{2. สามารถเรียนรู้อะไรจากปฏิกิริยานี้ เรามีผลิตภัณฑ์ 2 รายการ ได้แก่ เอทิลแอลกอฮอล์และคาร์บอนไดออกไซด์ เนื่องจากในช่วงหลัง เราสังเกตการบวมของแป้งยีสต์ และด้วยเหตุแรก เราจึงมีโอกาสได้ลิ้มรสไวน์และเครื่องดื่มไวน์ที่ไม่อาจลืมเลือน แต่อันที่จริง นี่เป็นเพียงสมการแบบง่าย ปฏิกิริยาการหมักกลูโคสที่สมบูรณ์นั้นซับซ้อนกว่า ดังนั้นเรามาทำลายมันกันสักหน่อย}

มีกระบวนการเช่นไกลโคไลซิส แท้จริงแล้วชื่อของมันแปลว่า "การแยกน้ำตาล" มันเกิดขึ้นในร่างกายและผลพลอยได้ของมันคือกรดไพรูวิกและสารหลักคืออะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (ATP) ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยานี้จากสารประกอบอื่น เราสามารถพูดได้ว่า ATP เป็นตัวพาพลังงานในร่างกาย และในความเป็นจริง glycolysis ทำหน้าที่ให้พลังงานแก่ร่างกายของเรา

เราพูดถึงกระบวนการนี้ด้วยเหตุผลบางอย่าง อันที่จริงการหมักนั้นคล้ายกับไกลโคไลซิสมากเนื่องจากขั้นตอนแรกนั้นเหมือนกันสำหรับพวกเขาทุกประการ อาจกล่าวได้ว่าการหมักกลูโคสด้วยแอลกอฮอล์เป็นการต่อเนื่องของไกลโคไลซิส ไพรูเวต (กรดไพรูวิกไอออน) ที่เกิดขึ้นในช่วงหลังจะถูกแปลงเป็นอะซีตัลดีไฮด์ (CH_{3-C(O)H) โดยปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นผลพลอยได้ หลังจากนั้น ผลิตภัณฑ์ที่ได้จะลดลงโดยโคเอ็นไซม์ NADH ที่มีอยู่ในแบคทีเรีย การลดนำไปสู่การก่อตัวของเอทิลแอลกอฮอล์}

ดังนั้น ปฏิกิริยาการหมักของกลูโคสต่อเอทิลแอลกอฮอล์จึงมีลักษณะดังนี้:

1)C₆H₁₂O₆=2 C₃H₄O₃ + 4 H⁺

2) C₃H₄O₃=CH₃ -COH + CO₂

3) CH₃-COH + NADH + H⁺=C₂H ₅OH + NAD⁺

NADH ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับปฏิกิริยา และไอออน NAD+มีบทบาทสำคัญในระยะเริ่มต้นของไกลโคไลซิส และก่อตัวขึ้นเมื่อสิ้นสุดการหมักด้วยแอลกอฮอล์ กลับสู่กระบวนการ

ไปต่อกันที่ปฏิกิริยาประเภทต่อไปภายใต้การศึกษา

การหมักกลูโคสด้วยกรดแลคติก

สายพันธุ์นี้แตกต่างจากแอลกอฮอล์ตรงที่มันไม่ได้เกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของยีสต์ แต่ด้วยความช่วยเหลือของแบคทีเรียกรดแลคติก ดังนั้นเราจึงมีผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิง การหมักกรดแลคติกยังเกิดขึ้นในกล้ามเนื้อของเราเมื่อเราทำงานหนักและขาดออกซิเจน

กระบวนการนี้มีสองประเภท ประการแรกคือการหมักแบบโฮโมเฟอร์เมนเททีฟ หากคุณเคยได้ยินคำนำหน้า "ตุ๊ด" คุณก็คงจะเข้าใจความหมาย การหมักแบบ Homofermentative เป็นกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับเอนไซม์ตัวเดียว ในระยะแรกจะเกิดไกลโคไลซิสและเกิดกรดไพรูวิก จากนั้นไพรูเวตที่เป็นผลลัพธ์ (ในสารละลายกรดนี้สามารถมีอยู่ได้เฉพาะในรูปของไอออน) จะถูกไฮโดรจิเนชันโดยใช้ NADH+H และแลคเตทดีไฮโดรจีเนส เป็นผลให้ผลิตภัณฑ์รีดิวซ์คือกรดแลคติกซึ่งคิดเป็นประมาณ 90% ของผลิตภัณฑ์ทั้งหมดที่ได้รับระหว่างปฏิกิริยา อย่างไรก็ตาม สารประกอบนี้ยังสามารถเกิดขึ้นได้ในรูปของสองไอโซเมอร์ที่แตกต่างกัน: D และ L. ประเภทนี้แตกต่างกันเนื่องจากเป็นภาพสะท้อนของกันและกันและส่งผลให้ร่างกายของเราแตกต่างกัน ไอโซเมอร์ใดจะก่อตัวขึ้นในระดับที่มากขึ้นกำหนดโครงสร้างของแลคเตทดีไฮโดรจีเนส

มาต่อกันที่การหมักกรดแลคติกแบบที่สอง - heterofermentative กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับเอ็นไซม์หลายชนิดและเป็นไปตามเส้นทางที่ซับซ้อนกว่า ด้วยเหตุนี้ ปฏิกิริยาจึงเกิดผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างกันมากขึ้น: นอกจากกรดแลคติกแล้ว เรายังสามารถพบกรดอะซิติกและเอทิลแอลกอฮอล์ที่นั่นได้

ดังนั้นเราจึงพิจารณาการหมักกรดแลคติก นี่เป็นกระบวนการที่เราสามารถเพลิดเพลินกับรสชาติของคอทเทจชีส นมข้นจืด นมอบหมัก และ kefir มาสรุปและจดปฏิกิริยาทั่วไปของการหมักกลูโคสด้วยกรดแลคติก: C₆H₁₂O₆=2 C ₃H₆O₃. แน่นอนว่านี่เป็นแผนภาพแบบง่ายของกระบวนการหมักแบบ homofermentative เนื่องจากแม้แต่แผนภาพของกระบวนการหมักแบบ heterofermentative ก็ยังซับซ้อนมาก นักเคมียังคงศึกษาการหมักแลคติกของกลูโคสและชี้แจงกลไกการทำงานทั้งหมด ดังนั้นจึงยังมีช่องว่างสำหรับการปรับปรุง

การหมักกรดซิตริก

ปฏิกิริยาของการหมักประเภทนี้เกิดขึ้น เช่นเดียวกับแอลกอฮอล์ ภายใต้การกระทำของเห็ดบางสายพันธุ์ กลไกที่สมบูรณ์ของปฏิกิริยานี้ยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างถ่องแท้ และเราสามารถพึ่งพาการทำให้เข้าใจง่ายบางอย่างเท่านั้น อย่างไรก็ตาม มีข้อเสนอแนะว่าระยะเริ่มต้นของกระบวนการคือไกลโคไลซิส จากนั้นกรดไพรูวิกจะถูกแปลงเป็นเปลี่ยนเป็นกรดต่างๆ และกลายเป็นกรดซิตริก เนื่องจากกลไกนี้ กรดอื่นๆ จึงสะสมในตัวกลางที่ทำปฏิกิริยา - ผลิตภัณฑ์จากการเกิดออกซิเดชันที่ไม่สมบูรณ์ของกลูโคส

กระบวนการนี้เกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของออกซิเจน และโดยทั่วไปสามารถเขียนได้เป็นสมการต่อไปนี้: 6 _+3O2_=2C 6_N8_{O 7} + 4H₂O. ก่อนการค้นพบการหมักประเภทนี้ ผู้คนสกัดกรดซิตริกโดยการกดผลของต้นไม้ที่เกี่ยวข้องเท่านั้น อย่างไรก็ตาม กรดนี้มีอยู่ในมะนาวไม่เกิน 15% ดังนั้นวิธีนี้จึงใช้ไม่ได้ผล และหลังจากค้นพบปฏิกิริยานี้ กรดทั้งหมดก็เริ่มได้มาจากการหมัก

การหมักบิวทีริก

ไปประเภทต่อไปกัน การหมักประเภทนี้เกิดขึ้นภายใต้การกระทำของแบคทีเรียกรดบิวทิริก พวกมันแพร่หลายและกระบวนการที่ทำให้เกิดมีบทบาทสำคัญในวัฏจักรที่มีความสำคัญทางชีววิทยา ด้วยความช่วยเหลือของแบคทีเรียเหล่านี้ทำให้การสลายตัวของสิ่งมีชีวิตที่ตายแล้วเกิดขึ้น กรดบิวทิริกที่เกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยาจะดึงดูดผู้กินขยะด้วยกลิ่นของมัน

การหมักแบบนี้ใช้ในอุตสาหกรรม อย่างที่คุณอาจเดาได้ พวกมันได้กรดบิวทิริก เอสเทอร์ของมันถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในน้ำหอมและมีกลิ่นหอมไม่เหมือนตัวมันเอง อย่างไรก็ตาม การหมักแบบบิวทิริกไม่ได้มีประโยชน์เสมอไป มันสามารถทำให้ผัก อาหารกระป๋อง นม และผลิตภัณฑ์อื่นๆ เน่าเสียได้ แต่สิ่งนี้สามารถเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อแบคทีเรียกรดบิวทิริกเข้าไปในผลิตภัณฑ์

มาวิเคราะห์กลไกของบิวทิลกันการหมักกลูโคส ปฏิกิริยาของเขามีลักษณะดังนี้: C₆H₁₂O₆ → CH_3CH2_CH2_{COOH + 2CO}2_{↑ + 2H} 2 _{. ส่งผลให้มีการสร้างพลังงานขึ้นด้วย ซึ่งช่วยรับรองกิจกรรมที่สำคัญของแบคทีเรียบิวทีริก}

การหมักอะซิโตน-บิวทิล

ประเภทนี้คล้ายกับ butyric มาก ไม่เพียงแต่กลูโคสเท่านั้น แต่กลีเซอรอลและกรดไพรูวิกก็สามารถหมักด้วยวิธีนี้ได้ กระบวนการนี้สามารถแบ่งออกเป็นสองขั้นตอน: ขั้นตอนแรก (บางครั้งเรียกว่ากรด) เป็นการหมักแบบบิวทิริก อย่างไรก็ตามนอกเหนือจากกรดบิวทิริกแล้วกรดอะซิติกก็ถูกปล่อยออกมาเช่นกัน ผลจากการหมักกลูโคสด้วยวิธีนี้ เราจะได้ผลิตภัณฑ์ที่เข้าสู่ระยะที่สอง (acetonobutyl) เนื่องจากกระบวนการทั้งหมดนี้เกิดขึ้นภายใต้การกระทำของแบคทีเรียเช่นกัน เมื่อตัวกลางถูกทำให้เป็นกรด (เพิ่มความเข้มข้นของกรด) เอนไซม์พิเศษจึงถูกปล่อยออกมาจากแบคทีเรีย ทำให้เกิดการเปลี่ยนผลิตภัณฑ์จากการหมักกลูโคสเป็นเอ็น-บิวทานอล (บิวทิลแอลกอฮอล์) และอะซิโตน นอกจากนี้ อาจมีการผลิตเอทานอลบางชนิด

การหมักแบบอื่นๆ

นอกจากกระบวนการทั้ง 5 ประเภทนี้แล้ว ยังมีอีกหลายอย่าง ตัวอย่างเช่นนี่คือการหมักอะซิติก นอกจากนี้ยังเกิดขึ้นภายใต้การกระทำของแบคทีเรียหลายชนิด การหมักประเภทนี้สามารถนำมาใช้เพื่อประโยชน์ในการดอง ช่วยปกป้องอาหารจากแบคทีเรียก่อโรคและเป็นอันตราย นอกจากนี้ยังมีการหมักแบบอัลคาไลน์หรือมีเทน ต่างจากประเภทก่อนหน้านี้ ประเภทนี้การหมักสามารถทำได้สำหรับสารประกอบอินทรีย์ส่วนใหญ่ จากผลของปฏิกิริยาที่ซับซ้อนจำนวนมาก สารอินทรีย์จะถูกแบ่งออกเป็นมีเทน ไฮโดรเจน และคาร์บอนไดออกไซด์

บทบาททางชีวภาพ

การหมักเป็นวิธีที่เก่าแก่ที่สุดในการได้รับพลังงานจากสิ่งมีชีวิต สิ่งมีชีวิตบางชนิดผลิตสารอินทรีย์ได้รับพลังงานระหว่างทางในขณะที่บางชนิดทำลายสารเหล่านี้ในขณะเดียวกันก็ได้รับพลังงานด้วย ทั้งชีวิตของเราถูกสร้างขึ้นบนนี้ และในพวกเราแต่ละคน การหมักจะเกิดขึ้นในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง ดังที่เราได้กล่าวไว้ข้างต้น การหมักกรดแลคติกเกิดขึ้นในกล้ามเนื้อในระหว่างการฝึกอย่างเข้มข้น

อ่านอะไรอีก

หากคุณสนใจชีวเคมีของกระบวนการที่น่าสนใจมากนี้ คุณควรเริ่มด้วยหนังสือเรียนวิชาเคมีและชีววิทยาของโรงเรียน หนังสือเรียนของมหาวิทยาลัยหลายเล่มมีรายละเอียดมากจนอ่านจบแล้วสามารถเป็นผู้เชี่ยวชาญในสาขานี้ได้

สรุป

มาถึงตอนจบแล้ว เราวิเคราะห์การหมักกลูโคสทุกประเภทและหลักการทั่วไปของกระบวนการเหล่านี้ ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการทำงานของสิ่งมีชีวิตและในอุตสาหกรรมของเรา เป็นไปได้ว่าในอนาคตเราจะค้นพบกระบวนการโบราณนี้อีกหลายประเภทและเรียนรู้วิธีใช้กระบวนการเหล่านี้ให้เป็นประโยชน์ เช่นเดียวกับที่เราทำกับกระบวนการที่รู้จักกันแล้ว