Fermentazione: cosa c'è nella chimica?
La fermentazione è uno dei processi più importanti che si verificano nell'ambiente, la cui essenza è ridotta alla produzione di energia da parte di funghi e batteri per le loro funzioni vitali. Ma, come molti altri fenomeni, l'uomo ha imparato ad usarlo per soddisfare i suoi bisogni. La fermentazione non è solo ottenere prodotti alcolici. Come conseguenza della fermentazione, l'umanità riceve molti tipi di prodotti alimentari. Oggi esistono anche tecnologie che consentono di ottenere plastica alimentare, una delle fasi di questo processo.
Concetto di fermentazione
Chimica e biologia definiscono questo processo in modi leggermente diversi. Dal punto di vista della chimica, la fermentazione è una reazione per produrre etanolo e altri prodotti sotto l'azione di un certo numero di microrganismi, ad esempio il lievito. La biologia chiarisce che questa rottura anaerobica dei carboidrati (compreso il glucosio), che si verifica sotto l'influenza di microrganismi (o enzimi derivati da loro). È un processo a più fasi che comporta reazioni di riduzione dell'ossidazione e donatori e accettori di elettroni sono ottenuti dallo stesso substrato.
Molte sostanze possono essere sottoposte a fermentazione, ma i carboidrati vengono più spesso utilizzati. Questo produce non solo le principali sostanze, ma anche prodotti come l'acetone, anidride carbonica idrogeno e altri
Il ruolo biologico della fermentazione
Il significato di questo fenomeno per gli organismi viventi è grande. Di conseguenza, si formano una serie di reazioni chimiche durante la fermentazione:
- Molecole di ATP con una riserva di energia necessaria per il mantenimento della vita dei microrganismi;
- sostanze chimiche necessarie per sintetizzare le proprie proteine, zuccheri, vari acidi nucleici, ecc.
Si ritiene che i tre principali tipi di fermentazione siano stati scoperti e descritti da L. Pasteur nel XIX secolo. Tuttavia, i loro prodotti sono usati dall'umanità da tempo immemorabile.
Tipi di fermentazione
Le specie alcoliche, dell'acido lattico e dell'acido butirrico sono più comunemente utilizzate su scala industriale. La biochimica considera anche acido propionico, citrato, acetone-butile e altre varietà. Per capire quale tipo di fermentazione avverrà in un modo o nell'altro, è possibile dal tipo di microrganismi utilizzati.
Ad esempio, fermentazione alcolica eccitare il lievito di birra (Saccharomyces cerevisiae), i batteri del genere Erwinia (Erwinia amylovora) e il sarcin (Sarcina ventriculi). Il butirrato è effettuato da batteri obbligati-anaerobici del genere Clostridium. Gli agenti causali della fermentazione nella direzione dell'acido lattico sono i batteri Streptococcus cremoris, cocchi (genere Lactococcus) e bastoni (genere Lactobacillus).
Fermentazione alcolica
Questo processo include 12 fasi e ha un meccanismo piuttosto complicato. Durante la fermentazione del glucosio, si forma l'acido 2-ossopropanoico, più comunemente chiamato acido piruvico. Questo stadio passa il glucosio in qualsiasi tipo di fermentazione. È ulteriormente esposto agli enzimi e convertito in acetaldeide, che viene ridotto in etanolo.
L'equazione ridotta per la fermentazione alcolica è:
С 6 Η 12 О 6 -> 2С 2 Η 5 ОΗ + 2 СО 2
Tenendo conto dell'energia rilasciata, può essere scritta come segue:
C 6 Η 12 O 6 + 2Η 3 PO 4 + 2ADF -> 2C 2 5 OΗ + 2CO 2 + 2ATP
Quindi, due molecole di ATF sono immagazzinate da una molecola di glucosio.
Fermentazione lattica
A seconda del gruppo di microrganismi coinvolti in questo processo, la fermentazione può procedere in due modi. I batteri lattici omofermentanti portano principalmente alla formazione di acido lattico il suo contenuto nei prodotti è fino al 90%. Questa è la via di fermentazione più primitiva a cui sono sottoposti mono e disaccaridi (glucosio, lattosio). Per lui, l'equazione di reazione vale:
2С 6 Η 12 О 6 -> 2СΗ 3 СΗ (ОΗ) СООΗ + Q
I batteri dell'acido lattico eterofermentanti, oltre all'acido lattico, producono etanolo, acido acetico, anidride carbonica e altre sostanze come sottoprodotti. Puoi scrivere la seguente equazione di fermentazione:
2С 6 Η 12 О 6 -> 2СΗ 3 СΗ (ОΗ) СООΗ + СООΗ (СΗ 2 ) 2 СООΗ + С 2 Η 5 ОΗ + СΗ 3 СООΗ + Q
Fermentazione butirrica
Questo tipo di fermentazione è familiare a molte casalinghe, perché è lui che porta a danneggiare il cibo. I batteri acidi oleosi causano burro rancido, cavolo acido e funghi marinati se non sono sufficientemente sterilizzati. I sottoprodotti di questa fermentazione sono anidride carbonica e idrogeno. Sono anche possibili cluster di acetone, etanolo, butanolo e acido acetico.
I polisaccaridi sono in grado di fermentare, quindi per l'industria della profumeria è ottenuto da patate, cereali e melassa (scarti della produzione di zucchero). L'acido stesso ha un odore repellente, ma i suoi esteri odorano piacevolmente di fiori e frutti. Per la fermentazione dell'acido butirrico si può scrivere la seguente equazione di reazione:
2С 6 Η 12 О 6 -> СΗ 3 СΗ 2 СН 2 СООΗ + 2СО 2 + 2Н 2 + Q
Fermentazione citrica
Come altri tipi di fermentazione, passa attraverso lo stadio di formazione dell'acido piruvico, che viene quindi incluso nel ciclo di Krebs. La conversione del glucosio in acido citrico passa attraverso molte fasi, ma in totale può essere espressa dall'equazione:
2С 6 Η 12 О 6 + 3О 2 -> 2С 6 Н 8 О 7 + 4Н 2 О
La produzione industriale di acido citrico si basa su reazioni biochimiche che utilizzano il fungo Aspergillus niger in ambiente acido. Se il mezzo è neutro, allora anche un sottoprodotto si accumulerà acido ossalico.
Fermentazione nell'industria alimentare
I processi di fermentazione sono ampiamente utilizzati per ottenere liquidi contenenti alcol non solo su scala industriale. A seconda delle materie prime e della tecnologia, si ottengono bevande con diversi contenuti di etanolo. Poiché la fermentazione alcolica del glucosio è accompagnata dal rilascio di CO 2 , esistono numerosi prodotti che si caratterizzano per il suo rilascio durante l'uso. Questi includono birra e vini spumanti (champagne). La tecnologia di produzione di altri prevede lo scarico tempestivo del gas formatosi durante la fermentazione per prevenirne l'accumulo.
Per produrre prodotti lattiero-caseari vengono utilizzati batteri appropriati. Grazie a questo tipo di fermentazione, l'umanità ha imparato prodotti come panna acida, kefir, yogurt, yogurt, formaggio, ricotta. Anche questo processo è importante nella preparazione del kvas. A causa dei batteri dell'acido lattico che inibiscono la crescita della microflora patogena, è possibile preparare verdure in salamoia (cavoli, cetrioli, pomodori). Inoltre, contribuiscono ad abbassare il pH e preservare i prodotti a base di carne, quindi i batteri dell'acido lattico vengono utilizzati nella produzione di varietà di salsicce secche, come i salami.
Il processo di fermentazione alcolica è molto importante per l'industria della panificazione e della confetteria. L'anidride carbonica che viene rilasciata durante l'interazione dello zucchero con il lievito, e quando viene cotta e cotta, si espande. Questo porta alla formazione di pori dilatati nell'impasto, grazie al quale diventa rigoglioso.
Applicazione di fermentazione
Batteri dell'acido lattico utilizzato nella produzione di cuoio. Per la produzione di alcuni tipi di pellicce (astrakan, talpa, scoiattolo) utilizzare la loro fermentazione con farina di segale o kefir. Questo porta ad ammorbidire e sfaldarsi delle fibre del derma.
Grazie ai batteri dell'acido lattico e ai loro prodotti metabolici si ottiene polylactide di plastica biodegradabile. Da questo, a sua volta, produce imballaggi per alimenti e prodotti medicali con una vita breve (fili e spilli).
Inoltre svolgono un ruolo importante nella conservazione del mangime per il bestiame sotto forma di insilato. Per fare questo, le cime di patata, barbabietola, mais, erba medica vengono pressate con l'aggiunta di acido formico. Senza accesso all'aria in tale substrato, inizia un processo controllato di fermentazione dell'acido lattico.
Nel mondo moderno, la lotta per un ambiente pulito è uno dei compiti più importanti della società. Il processo di fermentazione può aiutare a smaltire i rifiuti di origine animale e allo stesso tempo ottenere un prezioso biogas, che può essere utilizzato per riscaldare le stesse fattorie. Per fare questo, utilizzare diversi ceppi di batteri in diverse fasi della sua produzione. In primo luogo, i batteri che formano acido trasformano la materia organica in acidi volatili. E poi i batteri che generano metano producono metano da acidi organici. L'idrogeno solforato e il monossido di carbonio sono contenuti in biogas come sottoprodotti.