Kāpēc fermentācijā ir buferi?

Cilvēki kopš aizvēstures ir izmantojuši etanolu - vīnu, alu un citus alkoholiskos dzērienus - kā atpūtas narkotiku. Pavisam nesen etanols ir kļuvis nozīmīgs arī kā alternatīva degviela. Neatkarīgi no tā, vai tas paredzēts lietošanai pārtikā vai sadedzināšanai automašīnās, etanolu ražo, izmantojot raugu, mikrobus, kas raudzē cukurus un kā atkritumus izdalās etanols. Šī procesa laikā tiek pievienoti buferi, lai palīdzētu stabilizēt pH līmeni.

Stabila pH vai ūdeņraža jonu koncentrācijas uzturēšana ir izšķiroša, lai fermentācijas rezultātā iegūtu labu ražu. Tas ir tāpēc, ka raugi, kas raudzē cukurus, ir dzīvi organismi, un to bioķīmija labi darbojas tikai noteiktā pH diapazonā, tāpat kā jūsu. Ja jūs tiktu iegremdēts, piemēram, sērskābes vannā, tas jūs vai nu nogalinātu, vai smagi ievainotu. Tas pats attiecas arī uz raugu: ja pH ir tik augsts vai zems, ka tas pārsniedz to pielaides robežas, tas varētu kavēt to augšanu vai pat nogalināt.

Fermentācijas procesam raugā ir dažas līdzības ar fermentācijas procesu, kas notiek jūsu muskuļu šūnās, kad tām trūkst skābekļa - piemēram, kad jūs sprintējat. Jūsu šūnas fermentācijas laikā atbrīvo oglekļa dioksīdu un pienskābi; turpretī raugs izdala oglekļa dioksīdu un etanolu. Šis oglekļa dioksīds patiesībā ir iemesls, kāpēc jūs izmantojat raugu, lai maize pieaugtu; ieslodzītā gāze mīklā rada paplašinošus burbuļus.

Fermentācijas cisternā CO2 koncentrācija šķīdumā ir augstāka nekā parasti fermentācijas aktivitātes dēļ. Liela daļa šī CO2 pārpalikuma burbuļo. Tas arī paskābina šķīdumu, jo izšķīdušais CO2 kopā ar ūdeni rada ogļskābi. Ja šķīdums kļūtu pārāk skābs, tas varētu kavēt rauga augšanu. Raugs dod priekšroku pH 4–6 diapazonā, tāpēc maizes ceptāji, alus darītāji un citas rūpniecības nozares, kas paļaujas uz fermentāciju, izmanto buferus, lai pH saglabātu optimālā diapazonā.

Palielinoties pH, palielinās ātrums, kādā bufera savienojums zaudē ūdeņraža jonus (protonus), un lai gan vairāk bufera savienojuma ir zaudējuši protonus, šķīduma pH tikai mainās nedaudz. Kad pH pazeminās, notiek apgrieztais process; lielāka bufera molekulu daļa ir pieņēmusi protonus, un atkal buferis samazina pH izmaiņas. Būtībā buferšķīdums palīdz "uzsūkt" lieko skābumu vai sārmainību. PH sāks būtiski mainīties tikai tad, kad lielākā daļa bufera savienojuma būs neitralizēta vai "iztērēta".