Waarom zijn er buffers bij fermentatie?

Mensen gebruiken ethanol - in wijn, bier en andere alcoholische dranken - sinds de prehistorie als recreatieve drug. Meer recentelijk is ethanol ook belangrijk geworden als alternatieve brandstof. Of het nu voor menselijke consumptie is of voor verbranding in auto's, ethanol wordt geproduceerd met behulp van gist, microben die suikers fermenteren en ethanol als afvalproduct afgeven. Tijdens dit proces worden buffers toegevoegd om de pH te stabiliseren.

Het handhaven van een stabiele pH of waterstofionenconcentratie is cruciaal voor het verkrijgen van een goede opbrengst van fermentatie. Dat komt omdat de gist die de suikers fermenteert levende organismen zijn en hun biochemie alleen goed functioneert binnen een bepaald pH-bereik, net als die van jou. Als je bijvoorbeeld in een bad met zwavelzuur zou worden ondergedompeld, zou het je dood of ernstig verwonden. Hetzelfde geldt voor de gist: als de pH zo hoog of laag is dat deze buiten hun tolerantiebereik valt, kan het hun groei remmen of zelfs doden.

Het fermentatieproces in de gist vertoont enige overeenkomsten met het fermentatieproces dat plaatsvindt in je spiercellen als ze zuurstof tekort komen, bijvoorbeeld als je aan het sprinten bent. Je cellen geven koolstofdioxide en melkzuur af door fermentatie; gist daarentegen geeft kooldioxide en ethanol af. Die koolstofdioxide is in feite de reden waarom je gist gebruikt om brood te laten rijzen; het ingesloten gas zorgt voor uitzettende bellen in het deeg.

In een fermentatievat is de concentratie CO2 in de oplossing hoger dan normaal vanwege de fermentatieactiviteit. Veel van dit overtollige CO2 borrelt eraf. Het verzuurt echter ook de oplossing, omdat opgeloste CO2 zich met water verbindt om koolzuur te maken. Als de oplossing te zuur wordt, kan het de gistgroei remmen. Gist geeft de voorkeur aan een pH in het bereik van 4 - 6, dus bakkers, brouwers en andere industrieën die afhankelijk zijn van fermentatie, gebruiken buffers om de pH binnen een optimaal bereik te houden.

Naarmate de pH stijgt, neemt de snelheid waarmee de bufferverbinding waterstofionen (protonen) verliest toe, en hoewel meer van de bufferverbinding zijn protonen heeft verloren, verandert de pH van de oplossing alleen enigszins. Wanneer de pH daalt, vindt het omgekeerde proces plaats; een grotere fractie van de buffermoleculen heeft protonen geaccepteerd, en opnieuw matigt de buffer de verandering in pH. Kortom, de bufferverbinding helpt overtollige zuurgraad of alkaliteit "op te nemen". De pH begint pas significant te veranderen als het grootste deel van de bufferverbinding is geneutraliseerd of "opgebruikt".