Proč jsou ve fermentaci pufry?

Lidé už od pravěku užívali ethanol - ve víně, pivu a jiných alkoholických nápojích - jako rekreační drogu. V poslední době se etanol stal důležitým také jako alternativní palivo. Ať už jde o lidskou spotřebu nebo spalování v automobilech, ethanol se vyrábí pomocí kvasinek, mikrobů, které fermentují cukry a uvolňují ethanol jako odpadní produkt. Během tohoto procesu se přidávají pufry, které pomáhají stabilizovat pH.

Udržování stabilního pH nebo koncentrace vodíkových iontů je zásadní pro dosažení dobrého výtěžku z fermentace. Je to proto, že kvasinky, které fermentují cukry, jsou živé organismy a jejich biochemie funguje dobře pouze v určitém rozmezí pH, stejně jako vaše. Pokud byste se například namočili do lázně s kyselinou sírovou, zabilo by vás to nebo vás zranilo. Totéž platí pro kvasinky: pokud je pH tak vysoké nebo nízké, že spadá mimo jejich toleranční rozmezí, mohlo by to bránit jejich růstu nebo dokonce je zabít.

Fermentační proces v kvasnicích má některé podobnosti s fermentačním procesem, který probíhá ve vašich svalových buňkách, když mají nedostatek kyslíku - například když sprintujete. Vaše buňky uvolňují oxid uhličitý a kyselinu mléčnou z fermentace; kvasinky naopak uvolňují oxid uhličitý a ethanol. Tento oxid uhličitý je ve skutečnosti důvodem, proč používáte droždí ke zvýšení chleba; zachycený plyn vytváří rozšiřující se bubliny v těstě.

Ve fermentační vaně je koncentrace CO2 v roztoku vyšší než obvykle kvůli fermentační aktivitě. Velká část tohoto přebytečného CO2 odfukuje. Také však okyselí roztok, protože rozpuštěný CO2 se spojí s vodou a vytvoří kyselinu uhličitou. Pokud by byl roztok příliš kyselý, mohl by inhibovat růst kvasinek. Kvasinky preferují pH v rozmezí 4 - 6, takže pekaři, pivovary a další průmyslová odvětví spoléhající na fermentaci používají pufry k udržení pH v optimálním rozmezí.

Jak stoupá pH, zvyšuje se rychlost, jakou pufrovací sloučenina ztrácí vodíkové ionty (protony), a ačkoli více pufrovací sloučeniny ztratilo své protony, pH roztoku se pouze mění mírně. Když pH klesne, nastane opačný proces; větší část molekul pufru přijala protony a pufr opět zmírňuje změnu pH. V zásadě pomáhá pufrovací sloučenina „pohltit“ přebytečnou kyselost nebo zásaditost. Hodnota pH se začne významně měnit až poté, co bude neutralizována nebo „spotřebována“ většina pufrovací sloučeniny.