التخمير هو عملية كيميائية يتم من خلالها تكسير الكربوهيدرات ، مثل النشا والجلوكوز ، بطريقة لا هوائية. للتخمير العديد من الفوائد الصحية ويستخدم في إنتاج المشروبات الكحولية والخبز واللبن ومخلل الملفوف وخل التفاح والكومبوتشا. كما أنها تستخدم في الصناعة لتوليد الإيثانول كمصدر للوقود الحيوي.
تاريخ موجز للتخمير
على مدار تاريخ البشرية ، أنتجت ثقافات مختلفة المشروبات المخمرة بترك الحبوب والفاكهة في أوعية مغطاة ، دون فهم سبب نجاح الوصفة.
لم يكن الأمر كذلك حتى جرب جوزيف لويس جاي لوساك طريقة للحفاظ على عصير العنب غير مختمر لفترة طويلة حتى وجد الخميرة لا غنى عنها للتخمير الكحولي. ومع ذلك ، كان باستير هو الذي أظهر أن الخميرة مسؤولة عن تحول الجلوكوز إلى إيثانول في المشروبات المخمرة. اكتشف أيضًا الكائنات الحية الدقيقة التي تسبب تعكر اللبن ، والتي تم اكتشافها لاحقًا على أنها من عمل البكتيريا في تخمير حمض اللاكتيك.
تعريف التخمير
التخمير هو عملية التمثيل الغذائي حيث يؤدي نشاط الكائنات الحية الدقيقة إلى إحداث تغيير مرغوب فيه لطعام أو شراب. على سبيل المثال ، في إنتاج المشروبات الكحولية أو منتجات الألبان الحمضية. في هذه العملية الكيميائية ، يتم تكسير جزيئات مثل الجلوكوز في ظل ظروف لاهوائية.
كلمة "ferment" مشتقة من الكلمة اللاتينية "fervere" والتي تعني الغليان. يُعرف علم التخمير باسم zymology ، من اليونانية لـ "أعمال التخمير" ، وهو دراسة للعملية الكيميائية الحيوية للتخمير وتطبيقاتها.
التخمر يحدث تحت الظروف اللاهوائية (نقص الأكسجين) ، بفعل الكائنات الدقيقة (الخمائر والبكتيريا والعفن) التي تستخرج الطاقة من العملية.
بعض أنواع الخميرة مثل خميرة الخميرة، يفضل التخمر على التنفس الهوائي ، حتى عندما يكون الأكسجين وفيرًا ، طالما أن هناك كمية كافية من السكر. لا يقتصر التخمير على الخميرة ولكن يمكن إجراؤه أيضًا في العضلات ، حيث تحفز العضلات تحويل الجلوكوز إلى اللاكتات.
عرض الكيمياء الحيوية
تحلل السكروهو المسار الأيضي الذي يحول الجلوكوز إلى البيروفات ، وهو الخطوة الأولى في عملية التخمير. أثناء عملية تحلل السكر ، يتحلل جزيء الجلوكوز ، ستة سكر كربون ، إلى جزيئين من البيروفات. يطلق هذا التفاعل الطارد للحرارة طاقة من أجل فسفرة ADP إلى ATP وتحويل NAD + إلى NADH.
في وجود الأكسجين ، يمكن بعد ذلك أكسدة البيروفات من خلال دورة حمض الكربوكسيليك ، وهي عملية تعرف باسم التنفس الهوائي. على العكس من ذلك ، يمكن اختزال البيروفات إلى كحول أو حمض اللاكتيك أو منتجات أخرى في حالة عدم وجود الأكسجين ، في عملية التخمير.
أنواع التخمير
هناك العديد من أنواع التخمير ، وتتميز بشكل أساسي بالمنتجات النهائية. اثنان من أهم الأنواع وأكثرها استخدامًا هما الإيثانول / التخمير الكحولي وتخمير حمض اللاكتيك.
تخمير الإيثانول يستخدم في إنتاج المشروبات الكحولية. تخمير حمض اللاكتيك يستخدم لتنكيه أو حفظ منتجات الألبان والخضروات يحدث تخمر حمض اللاكتيك أيضًا في خلايا العضلات تحت النشاط الشاق. في هذه الحالة ، تستهلك العضلات الطاقة (ATP) أسرع من توفير الأكسجين ، مما يؤدي إلى بيئة لاهوائية وبالتالي تراكم حمض اللاكتيك والتهاب العضلات.
هناك أنواع أخرى من التخمير مثل تخمير حمض الأسيتيك ، تخمير الأسيتون - البيوتانول - الإيثانول والتخمير الحمضي المختلط.
تخمير الإيثانول
يعرف تخمير الإيثانول بأنه العملية البيولوجية التي تحول السكر (الجلوكوز والفركتوز والسكروز) إلى إيثانول وثاني أكسيد الكربون وطاقة.
بعد خطوة تحلل الجلوكوز الأولية التي تحول جزيء جلوكوز واحد إلى جزيئين من البيروفات ، البيروفات تنقسم الجزيئات إلى جزئين من الأسيتالديهيد واثنين من جزيئات ثاني أكسيد الكربون ، وهي خطوة يتم تحفيزها بواسطة البيروفات ديكاربوكسيلاز. يقوم نازع هيدروجين الكحول بتسهيل تحويل جزيئي الأسيتالديهيد إلى جزيئين من الإيثانول ، باستخدام الطاقة والهيدروجين من NADH.
•••تم التعديل من https://www.khanacademy.org/science/biology/cellular-respiration-and-fermentation/variations-on-cellular-respiration/a/fermentation-and-anaerobic-respiration
التخمير بحمض اللاكتيك
تخمير حمض اللاكتيك هو نوع آخر من التخمير ويوصف بأنه عملية التمثيل الغذائي التي تحول السكر إلى اللاكتات المستقلب والطاقة. إنها عملية التنفس الوحيدة التي لا تنتج غازات وتحدث في بعض البكتيريا (مثل العصيات اللبنية) وخلايا العضلات.
يحول هذا النوع من التخمير جزيئي البيروفات من تحلل السكر إلى جزيئين من حمض اللاكتيك ويجدد NAD+ في هذه العملية ، واستمرار الدورة. يتم تحفيز تفاعل الأكسدة والاختزال هذا عن طريق نازعة هيدروجين حمض اللاكتيك.
يمكن أن تقوم بكتيريا حمض اللاكتيك إما بالتخمير المثلي ، حيث يكون حمض اللاكتيك هو المنتج الرئيسي ، أو التخمير غير المتجانس ، حيث يتم استقلاب بعض اللاكتات إلى إيثانول وثاني أكسيد الكربون وغيرها المنتجات الثانوية.
•••تم التعديل من https://www.khanacademy.org/science/biology/cellular-respiration-and-fermentation/variations-on-cellular-respiration/a/fermentation-and-anaerobic-respiration
أهمية وفوائد التخمير
غني ب البروبيوتيك، تحتوي الأطعمة المخمرة على كائنات دقيقة يمكن أن تساعد في الحفاظ على نظام أمعاء صحي ، حتى تتمكن من استخلاص العناصر الغذائية من الطعام بكفاءة أكبر. إنها مفيدة لصحة الإنسان بعدة طرق.
يمكن أن تسهل البروبيوتيك والإنزيمات وحمض اللاكتيك في الأطعمة المخمرة امتصاص الجسم للفيتامينات والمعادن. يزيد التخمر من فيتامينات B و C ويعزز حمض الفوليك والريبوفلافين والنياسين والثيامين والبيوتين ، مما يجعلها أكثر سهولة للامتصاص.
يمكن أن يؤدي التخمير أيضًا إلى تحييد حمض الفيتيك ، وهو مادة موجودة في الحبوب والمكسرات والبذور والبقوليات تسبب نقصًا في المعادن. الفيتات ، الشكل المتأين لحمض الفيتيك ، يجعل النشا والبروتينات والدهون أقل قابلية للهضم.
يمكن أن تساعد الكائنات الحية الدقيقة ، أو البروبيوتيك ، في الطعام المخمر في الحفاظ على أمعاء صحية في إنتاج المضادات الحيوية ، العوامل المضادة للفيروسات والفطريات والأورام ، بالإضافة إلى خلق بيئة حمضية لا تزدهر فيها مسببات الأمراض في.
الاستخدامات اليومية للتخمير
يستخدم التخمير على نطاق واسع لإنتاج المشروبات الكحولية ، على سبيل المثال ، النبيذ من عصائر الفاكهة والبيرة من الحبوب. يمكن أيضًا تخمير البطاطس الغنية بالنشا وتقطيرها لصنع الجن والفودكا.
كما يستخدم التخمير على نطاق واسع في صنع الخبز. عندما يتم الجمع بين السكر والخميرة والدقيق والماء لتكوين عجينة ، فإن الخميرة تكسر السكر وتطلق ثاني أكسيد الكربون ، مما يؤدي إلى ارتفاع الخبز. يستخدم الخبز المتخصص مثل العجين المخمر كلاً من الخميرة والعصيات اللبنية. هذا المزيج يعطي العجينة قوامها المرن وطعمها الحامض المميز.
يستخدم تخمير حمض اللاكتيك لإضفاء نكهة على منتجات الألبان والخضروات أو الحفاظ عليها ، مثل الزبادي ومخلل الملفوف والمخللات والكيمتشي.
يمكن أيضًا استخدام تخمير حمض الخليك لتحويل النشويات والسكريات من الحبوب والفاكهة إلى الخل والتوابل الحامضة بما في ذلك خل التفاح والكومبوتشا.
التطبيق الصناعي للتخمير
يستخدم التخمير في الصناعة للتوليد الإيثانول لإنتاج الوقود الحيوي. إنه مورد متجدد جذاب لأنه ينشأ من المواد الأولية بما في ذلك الحبوب والمحاصيل مثل الذرة وقصب السكر وبنجر السكر والكسافا. يمكن أن تأتي أيضًا من الأشجار والأعشاب والمخلفات الزراعية والغابات.
في الولايات المتحدة ، التي تعد أكبر منتج لوقود الإيثانول ، تعتبر الذرة المادة الخام الرئيسية لوقود الإيثانول نظرًا لوفرة سعرها وانخفاض سعرها. يمكن إنتاج حوالي 0.42 لتر من الإيثانول من كيلوغرام واحد من الذرة. ثاني أكبر منتج هي البرازيل ، ويأتي معظم وقود الإيثانول من قصب السكر. تعمل معظم السيارات في البرازيل بالإيثانول النقي أو مزيج من البنزين والإيثانول.
التخمير قادر أيضًا على إنتاج غاز الهيدروجين ، على سبيل المثال في كلوستريديوم باستيريانوم، حيث يتم تحويل الجلوكوز إلى الزبدات والأسيتات وثاني أكسيد الكربون وغاز الهيدروجين. في تخمير الأسيتون - البيوتانول - الإيثانول ، يتم تكسير الكربوهيدرات مثل النشا والجلوكوز بواسطة البكتيريا لإنتاج الأسيتون ، ن-بيوتانول والإيثانول. تم تطوير هذه العملية بواسطة Chaim Weizmann كطريقة أساسية لصنع الأسيتون في الحرب العالمية الأولى.