تخمیر چیست؟ + کاربردها و اصول بنیادی

فرآیند تخمیر یک روش برای تولید شراب، آبجو، ماست و محصولات دیگر است. در اینجا نگاهی به فرآیند شیمیایی که در طول تخمیر رخ می دهد، داریم.

نکات کلیدی

• تخمیر یک واکنش بیوشیمیایی است که انرژی را از کربوهیدرات ها بدون استفاده از اکسیژن استخراج می کند.
• بشر از تخمیر برای زندگی استفاده می کند و این روش کاربردهای تجاری زیادی دارد.
• محصولات ممکن تخمیر شامل اتانول، گاز هیدروژن و اسید لاکتیک است.

تعریف تخمیر

تخمیر یک فرآیند متابولیک است که در آن یک موجود زنده یک کربوهیدرات، مانند نشاسته یا شکر، را به الکل یا اسید تبدیل می کند. به عنوان مثال، مخمر تخمیر را برای به دست آوردن انرژی با تبدیل شکر به الکل انجام می دهد. باکتری ها نیز تخمیر را انجام می دهند و کربوهیدرات ها را به اسید لاکتیک تبدیل می کنند. مطالعه تخمیر به نام زیمولوژی شناخته می شود.

تاریخچه تخمیر

واژه "تخمیر" از کلمه لاتین fervere به معنای "جوشیدن" گرفته شده است. تخمیر توسط کیمیاگران قرن چهاردهم توصیف شده است، اما نه به معنای مدرن آن. فرآیند شیمیایی تخمیر از حدود سال 1600 به عنوان موضوعی برای تحقیق علمی مطرح شد.

تخمیر یک فرآیند طبیعی است. مردم از تخمیر برای تولید محصولاتی مانند شراب، عسل، پنیر و آبجو استفاده می کردند، قبل از آنکه فرآیند بیوشیمیایی آن فهمیده شود. در دهه 1850 و 1860، لوئی پاستور اولین زایمروژیست یا دانشمندی بود که تخمیر را مطالعه کرد و نشان داد که تخمیر ناشی از سلول های زنده است. با این حال، پاستور در تلاش هایش برای استخراج آنزیم مسئول تخمیر از سلول های مخمر موفق نبود. در سال 1897، شیمیدان آلمانی ادوارد بویخنر مخمر را خرد کرد، مایعی از آن ها استخراج کرد و دریافت که این مایع می تواند محلول شکر را تخمیر کند. آزمایش بویخنر به عنوان آغاز علم بیوشیمی شناخته می شود و او جایزه نوبل شیمی را در سال 1907 دریافت کرد.

نمونه هایی از محصولات حاصل از تخمیر

بیشتر مردم با غذاها و نوشیدنی های حاصل از تخمیر آشنا هستند، اما ممکن است متوجه شوند که بسیاری از محصولات صنعتی مهم نیز از تخمیر به دست می آید.

• آبجو
• شراب
• ماست
• پنیر
• برخی از غذاهای ترش حاوی اسید لاکتیک، از جمله کلم ترش، کیمچی و پپرونی
• خمیر نان با استفاده از مخمر
• تصفیه فاضلاب
• تولید برخی از الکل های صنعتی، مانند سوخت های زیستی
• گاز هیدروژن

تخمیر اتانول

مخمر و برخی باکتری ها تخمیر اتانول را انجام می دهند که در آن پیروات (از متابولیسم گلوکز) به اتانول و دی اکسید کربن شکسته می شود. معادله شیمیایی خالص تولید اتانول از گلوکز به صورت زیر است:

C6H12O6 (گلوکز) → 2 C2H5OH (اتانول) + 2 CO2 (دی اکسید کربن)

تخمیر اتانول در تولید آبجو، شراب و نان استفاده می شود. شایان ذکر است که تخمیر در حضور سطح بالای پکتین منجر به تولید مقادیر کمی متانول می شود که در صورت مصرف سمی است.

تخمیر اسید لاکتیک

مولکول های پیروات از متابولیسم گلوکز (گلیکولیز) ممکن است به اسیدلاکتیک تخمیر شوند. تخمیر اسید لاکتیک برای تبدیل لاکتوز به اسید لاکتیک در تولید ماست استفاده می شود. همچنین در ماهیچه های حیوانات زمانی که بافت به انرژی در سرعتی سریع تر از مقدار اکسیژن موجود نیاز دارد، رخ می دهد. معادله بعدی برای تولید اسید لاکتیک از گلوکز به صورت زیر است:

C6H12O6 (گلوکز) → 2 CH3CHOHCOOH (اسید لاکتیک)

تولید اسید لاکتیک از لاکتوز و آب می تواند به صورت زیر خلاصه شود:

C12H22O11 (لاکتوز) + H2O (آب) → 4 CH3CHOHCOOH (اسید لاکتیک)

تولید گاز هیدروژن و متان

فرایند تخمیر ممکن است گاز هیدروژن و گاز متان تولید کند.

آرکئاهای متانوژنیک واکنش نامتناسبی را تجربه می کنند که در آن یک الکترون از کربونیل یک گروه اسید کربوکسیلیک به گروه متیل اسید استیک منتقل می شود تا متان و گاز دی اکسید کربن تولید شود.

انواع متعددی از تخمیر گاز هیدروژن تولید می کنند. این محصول می تواند توسط موجودات زنده برای بازسازی NAD+ از NADH مورد استفاده قرار گیرد. گاز هیدروژن ممکن است به عنوان بستر توسط کاهنده های سولفات و متانوژن ها استفاده شود. انسان ها نیز از باکتری های روده ای تولید گاز هیدروژن را تجربه می کنند که منجر به گاز معده می شود.

حقایقی درباره تخمیر

• تخمیر یک فرایند بی هوازی است، به این معنی که برای وقوع آن به اکسیژن نیاز ندارد. با این حال، حتی زمانی که اکسیژن به وفور موجود است، سلول های مخمر ترجیح می دهند تخمیر را به تنفس هوایی انتخاب کنند، به شرطی که منبع قند کافی در دسترس باشد.
• تخمیر در سیستم گوارشی انسان ها و دیگر حیوانات اتفاق می افتد.
• در یک وضعیت پزشکی نادر به نام سندرم تخمیر روده یا سندرم خودجوش، تخمیر در دستگاه گوارش انسان منجر به مستی به دلیل تولید اتانول می شود.
• تخمیر در سلول های عضلانی انسان نیز رخ می دهد. عضلات می توانند ATP را سریع تر از آنچه که اکسیژن می تواند تأمین شود، مصرف کنند. در این صورت، ATP از طریق گلیکولیز تولید می شود که از اکسیژن استفاده نمی کند.
• اگرچه تخمیر یک مسیر رایج است، اما تنها روش مورد استفاده توسط موجودات زنده برای کسب انرژی به صورت بی هوازی نیست. برخی از سیستم ها از سولفات به عنوان گیرنده نهایی الکترون در زنجیره انتقال الکترون استفاده می کنند.