Ферментация - какво е в химията?
Ферментацията е един от най-важните процеси, протичащи в околната среда, чиято същност се свежда до производството на енергия от гъбички и бактерии за тяхната жизнена дейност. Но, както и много други явления, човекът се е научил да го използва, за да задоволи нуждите си. Ферментацията не само води до получаване на алкохолни продукти. В резултат на ферментацията човечеството получава много видове хранителни продукти. Днес съществуват и технологии, които позволяват да се получи хранителна пластмаса, един от етапите на който е този процес.
Концепция за ферментация
Химията и биологията определят този процес по малко по-различен начин. От гледна точка на химията, ферментацията е реакция за получаване на етанол и други продукти под действието на редица микроорганизми, например дрожди. Биологията изяснява, че това анаеробно разграждане на въглехидрати (включително глюкоза), настъпващи под влиянието на микроорганизми (или ензими, получени от тях). Това е многоетапен процес, включващ окислително-редукционни реакции, и донори и акцептори на електрони се получават от същия субстрат.
Много вещества могат да бъдат подложени на ферментация, но въглехидратите са по-често използвани. Това произвежда не само основните вещества, но и продукти като ацетон, въглероден диоксид водород и други
Биологичната роля на ферментацията
Значението на това явление за живите организми е голямо. В резултат на това се образуват набор от химични реакции по време на ферментацията:
- АТР молекули с резерв от енергия, необходим за поддържане на живота на микроорганизмите;
- химикали, необходими за синтезиране на техните собствени протеини, захари, различни нуклеинови киселини и др.
Смята се, че основните три вида ферментация са открити и описани от Л. Пастьор през 19 век. Въпреки това, техните продукти се използват от човечеството от незапомнени времена.
Видове ферментация
Видовете алкохолни, млечна киселина и маслена киселина най-често се използват в промишлен мащаб. Биохимията също така разглежда пропионова киселина, цитрат, ацетон-бутил и други сортове. За да се разбере какъв вид ферментация ще се осъществи по един или друг начин, е възможно чрез използваните видове микроорганизми.
Например, алкохолна ферментация възбуждат хлебни дрожди (Saccharomyces cerevisiae), бактерии от рода Erwinia (Erwinia amylovora) и сарцин (Sarcina ventriculi). Бутиратът се извършва от задължително-анаеробни бактерии от рода Clostridium. За причинителите на ферментация в посока млечна киселина са бактериите Streptococcus cremoris, коки (Lactococcus genus) и пръчки (Lactobacillus genus).
Алкохолна ферментация
Този процес включва 12 етапа и има доста сложен механизъм. По време на ферментацията на глюкоза се образува 2-оксопропанова киселина, по-често наричана пировинова киселина. Този етап преминава през глюкоза във всеки вид ферментация. По-нататък той се излага на ензими и се превръща в ацеталдехид, който се редуцира до етанол.
Намаленото уравнение за алкохолна ферментация е:
С 6 О 12 О 6 -> 2С 2 Η 5 ОΗ + 2 СО 2
Като се има предвид освободената енергия, тя може да бъде записана, както следва:
C 6 O 12 O 6 + 2Η 3 PO 4 + 2ADF -> 2C 2 5 OΗ + 2CO 2 + 2ATP
Така, две молекули ATF се съхраняват от една глюкозна молекула.
Млечна ферментация
В зависимост от групата микроорганизми, участващи в този процес, ферментацията може да протече по два начина. Хомоферментативните млечнокисели бактерии водят главно до образуването на млечна киселина неговото съдържание в продуктите е до 90%. Това е най-примитивният ферментационен път, през който преминават моно- и дизахаридите (глюкоза, лактоза). За него уравнението на реакцията притежава:
2С 6 О 12 О 6 -> 2С3 3Η (ОΗ) СООΗ + Q
Хетероферментативните млечнокисели бактерии, в допълнение към млечната киселина, произвеждат етанол, оцетна киселина, въглероден диоксид и други вещества като странични продукти. Можете да напишете следното уравнение за ферментация:
2С 6 О 12 О 6 -> 2С 3 СΗ (ОΗ) СООΗ + СООΗ (СΗ 2 ) 2 СООΗ + С 2 Η 5 ОΗ + СΗ 3 СООΗ + Q
Бутирова ферментация
Този вид ферментация е позната на много домакини, защото той води до влошаване на храната. Мастните кисели бактерии причиняват гранясало масло, кисело зеле и кисели гъби, ако не са достатъчно стерилизирани. Вторичните продукти на тази ферментация са въглероден диоксид и водород. Възможни са и клъстери от ацетон, етанол, бутанол и оцетна киселина.
Полизахаридите са способни да претърпят ферментация, поради което за парфюмерийната индустрия той се получава от картофи, зърна и меласа (отпадъци от производството на захар). Самата киселина има отблъскваща миризма, но естерите й приятно миришат на цветя и плодове. За ферментация на маслена киселина може да се напише следното уравнение на реакцията:
2С 6 О 12 О 6 -> СΗ 3 СΗ 2 СН 2 СООΗ + 2СО 2 + 2Н 2 + Q
Лимонена ферментация
Подобно на други видове ферментация, той преминава през етапа на образуване на пирувинова киселина, която след това се включва в цикъла на Кребс. Превръщането на глюкозата в лимонена киселина преминава през много етапи, но като цяло може да се изрази чрез уравнението:
2С 6 О 12 О 6 + 3О 2 -> 2С 6 Н 8 О 7 + 4Н 2 О
Промишленото производство на лимонена киселина се основава на биохимични реакции, при които се използва гъбичката Aspergillus niger в кисела среда. Ако средата е неутрална, то като страничен продукт също ще се натрупва оксалова киселина.
Ферментация в хранително-вкусовата промишленост
Процесите на ферментация се използват широко за получаване на течности, съдържащи алкохол, не само в промишлен мащаб. В зависимост от суровините и технологиите се получават напитки с различно съдържание на етанол. Тъй като алкохолната ферментация на глюкоза е съпроводена с освобождаване на CO 2 , съществуват редица продукти, които се характеризират с освобождаването му по време на употреба. Те включват бира и пенливи вина (шампанско). Технологията на производство на други осигурява своевременно изхвърляне на газ, образуван по време на ферментацията, за да се предотврати неговото натрупване.
Подходящи бактерии се използват за производство на млечни продукти. Благодарение на този вид ферментация, човечеството е научило продукти като заквасена сметана, кефир, кисело мляко, кисело мляко, сирене, извара. Също така този процес е важен при приготвянето на квас. Благодарение на млечнокиселите бактерии, които инхибират растежа на патогенната микрофлора, е възможно да се приготвят мариновани зеленчуци (зеле, краставици, домати). В допълнение, те допринасят за понижаване на рН и запазване на месните продукти, затова млечнокиселите бактерии се използват при производството на сушени сортове колбаси, като например салам.
Процесът на алкохолна ферментация е много важен за пекарната и сладкарската промишленост. Въглеродният диоксид, който се отделя при взаимодействието на захар с дрожди, и когато се пече и изпече, се разширява. Това води до образуването на големи пори в тестото, поради което става буйно.
Приложение на ферментация
Млечнокисели бактерии използвани в производството на кожа. За производството на някои видове кожени кожи (астрахан, мол, катерица) използвайте тяхната ферментация с ръжено брашно или кефир. Това води до омекване и лющене на дермисните влакна.
Благодарение на млечнокиселите бактерии и техните метаболитни продукти се получава биоразградим пластмасов полилактид. От него, от своя страна, произвеждат опаковки за храни и медицински продукти с кратък експлоатационен живот (нишки и игли).
Те също играят важна роля за съхранението на фуражите за добитък под формата на силаж. За да направите това, върховете на картофи, цвекло, царевица, люцерна се притискат с добавка на мравчена киселина. Без достъп на въздух в такъв субстрат започва контролиран процес на ферментация на млечна киселина.
В съвременния свят борбата за чиста околна среда е една от най-важните задачи на обществото. Процесът на ферментация може да помогне за изхвърлянето на животински отпадъци и в същото време да получи ценен биогаз, който може да се използва за отопление на същите стопанства. За да направите това, използвайте различни щамове бактерии на различни етапи от неговото производство. Първо, бактериите, образуващи киселини, обработват органичното вещество в летливи киселини. А след това метанобразуващите бактерии произвеждат метан от органични киселини. Сероводород и въглероден оксид се съдържат в биогаз като странични продукти.