Dlaczego w fermentacji są bufory?

Ludzie używali etanolu – w winie, piwie i innych napojach alkoholowych – jako narkotyk rekreacyjny od czasów prehistorycznych. Niedawno etanol stał się również ważnym paliwem alternatywnym. Niezależnie od tego, czy jest przeznaczony do spożycia przez ludzi, czy do spalania w samochodach, etanol jest wytwarzany przy użyciu drożdży, drobnoustrojów, które fermentują cukry i uwalniają etanol jako produkt odpadowy. Bufory są dodawane podczas tego procesu, aby pomóc ustabilizować pH.

Utrzymanie stabilnego pH lub stężenia jonów wodorowych ma kluczowe znaczenie dla uzyskania dobrej wydajności fermentacji. Dzieje się tak, ponieważ drożdże fermentujące cukry są żywymi organizmami, a ich biochemia działa dobrze tylko w pewnym zakresie pH, tak jak w twoim. Jeśli na przykład zostałeś zanurzony w kąpieli z kwasem siarkowym, to albo cię zabije, albo poważnie zrani. To samo dotyczy drożdży: jeśli pH jest tak wysokie lub niskie, że wykracza poza zakres tolerancji, może to zahamować ich wzrost lub nawet je zabić.

Proces fermentacji w drożdżach wykazuje pewne podobieństwa do procesu fermentacji, który zachodzi w komórkach mięśniowych, gdy brakuje im tlenu – na przykład podczas biegu. Twoje komórki uwalniają z fermentacji dwutlenek węgla i kwas mlekowy; drożdże natomiast uwalniają dwutlenek węgla i etanol. To właśnie dwutlenek węgla jest powodem, dla którego używa się drożdży do wyrastania chleba; uwięziony gaz tworzy rozszerzające się bąbelki w cieście.

W kadzi fermentacyjnej stężenie CO2 w roztworze jest wyższe niż normalnie ze względu na aktywność fermentacyjną. Duża część tego nadmiaru CO2 wylatuje. Zakwasza również roztwór, ponieważ rozpuszczony CO2 łączy się z wodą, tworząc kwas węglowy. Jeśli roztwór stanie się zbyt kwaśny, może zahamować wzrost drożdży. Drożdże preferują pH w zakresie 4–6, więc piekarze, piwowarzy i inne branże polegające na fermentacji używają buforów, aby utrzymać pH w optymalnym zakresie.

Wraz ze wzrostem pH wzrasta szybkość, z jaką związek buforowy traci jony wodorowe (protony) i chociaż większa część związku buforowego straciła swoje protony, pH roztworu tylko się zmienia nieco. Kiedy pH spada, następuje proces odwrotny; większa część cząsteczek buforu zaakceptowała protony i ponownie bufor łagodzi zmianę pH. Zasadniczo związek buforujący pomaga „wchłonąć” nadmiar kwasowości lub zasadowości. pH zacznie się znacząco zmieniać dopiero wtedy, gdy większość związku buforowego zostanie zneutralizowana lub „zużyta”.