การหมักเป็นกระบวนการทางเคมีโดยที่คาร์โบไฮเดรต เช่น แป้งและกลูโคส ถูกย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจน การหมักมีประโยชน์ต่อสุขภาพมากมาย และใช้ในการผลิตเครื่องดื่มแอลกอฮอล์ ขนมปัง โยเกิร์ต กะหล่ำปลีดอง น้ำส้มสายชูแอปเปิ้ลไซเดอร์ และคอมบูชา นอกจากนี้ยังใช้ในอุตสาหกรรมเพื่อผลิตเอทานอลเป็นแหล่งเชื้อเพลิงชีวภาพ
ประวัติโดยย่อของการหมัก
ตลอดประวัติศาสตร์ของมนุษย์ วัฒนธรรมต่างๆ ได้ก่อกำเนิดขึ้น เครื่องดื่มหมัก โดยทิ้งเมล็ดพืชและผลไม้ไว้ในภาชนะที่มีฝาปิด โดยไม่เข้าใจว่าทำไมสูตรถึงได้ผล
จนกระทั่งโจเซฟ หลุยส์ เกย์-ลุสแซกทดลองวิธีเก็บน้ำองุ่นที่ไม่ผ่านการหมักมาเป็นเวลานาน เขาพบว่ายีสต์เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้สำหรับการหมักด้วยแอลกอฮอล์ อย่างไรก็ตาม ปาสเตอร์เป็นผู้แสดงให้เห็นว่ายีสต์มีหน้าที่ในการเปลี่ยนกลูโคสเป็นเอทานอลในเครื่องดื่มหมัก นอกจากนี้ เขายังค้นพบจุลินทรีย์ที่ทำให้นมเปรี้ยว ซึ่งต่อมาพบว่าเป็นการกระทำของแบคทีเรียในการหมักกรดแลคติก
ความหมายของการหมัก
การหมักคือ a กระบวนการเผาผลาญ ซึ่งกิจกรรมของจุลินทรีย์ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่พึงประสงค์ต่ออาหารหรือเครื่องดื่ม ตัวอย่างเช่น ในการผลิตเครื่องดื่มแอลกอฮอล์หรือผลิตภัณฑ์นมที่เป็นกรด ในกระบวนการทางเคมีนี้ โมเลกุล เช่น กลูโคส จะถูกย่อยสลายภายใต้สภาวะที่ไม่ใช้ออกซิเจน
คำว่า "ferment" มาจากคำภาษาละติน "fervere" ซึ่งหมายถึงการต้ม ศาสตร์แห่งการหมักเรียกว่า zymology ซึ่งมาจากภาษากรีกว่า "การทำงานของการหมัก" และเป็นการศึกษากระบวนการทางชีวเคมีของการหมักและการประยุกต์ใช้
การหมักเกิดขึ้นภายใต้ สภาวะไร้อากาศ (ขาดออกซิเจน) ด้วยการกระทำของจุลินทรีย์ (ยีสต์ แบคทีเรีย และเชื้อรา) ที่ดึงพลังงานออกจากกระบวนการ
ยีสต์บางชนิด เช่น Saccharomyces cerevisiae, ชอบการหมักมากกว่าการหายใจแบบใช้ออกซิเจน แม้ว่าจะมีออกซิเจนเพียงพอ ตราบใดที่มีน้ำตาลเพียงพอ การหมักไม่ได้จำกัดเฉพาะยีสต์เท่านั้น แต่ยังสามารถทำได้ในกล้ามเนื้อ ซึ่งกล้ามเนื้อกระตุ้นการเปลี่ยนกลูโคสเป็นแลคเตท
มุมมองทางชีวเคมี
ไกลโคไลซิสซึ่งเป็นวิถีเมแทบอลิซึมที่เปลี่ยนกลูโคสเป็นไพรูเวต เป็นขั้นตอนแรกในการหมัก ระหว่างกระบวนการไกลโคไลซิส กลูโคส 1 โมเลกุล น้ำตาลคาร์บอน 6 ตัว จะแตกตัวเป็นไพรูเวต 2 โมเลกุล ปฏิกิริยาคายความร้อนนี้จะปล่อยพลังงานสำหรับฟอสโฟรีเลชั่นของ ADP เป็น ATP และการแปลง NAD+ เป็น NADH
ในที่ที่มีออกซิเจน ไพรูเวตอาจถูกออกซิไดซ์ผ่านวัฏจักรกรดไตรคาร์บอกซิลิก ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่าการหายใจแบบใช้ออกซิเจน ในทางกลับกัน ไพรูเวตอาจลดลงเป็นแอลกอฮอล์ กรดแลคติก หรือผลิตภัณฑ์อื่นๆ ในกรณีที่ไม่มีออกซิเจน ในกระบวนการหมัก
ประเภทของการหมัก
การหมักมีหลายประเภท โดยเฉพาะอย่างยิ่งผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย สองประเภทที่สำคัญที่สุดและใช้กันทั่วไปคือการหมักเอทานอล/แอลกอฮอล์และการหมักกรดแลคติก
การหมักเอทานอล ใช้ในการผลิตเครื่องดื่มแอลกอฮอล์ การหมักกรดแลคติก ใช้ในการปรุงแต่งหรือถนอมผลิตภัณฑ์จากนมและผัก การหมักกรดแลคติกยังเกิดขึ้นในเซลล์กล้ามเนื้อภายใต้กิจกรรมที่ต้องใช้กำลังมาก ในกรณีนี้ กล้ามเนื้อจะใช้พลังงาน (ATP) เร็วกว่าการให้ออกซิเจน ส่งผลให้เกิดสภาพแวดล้อมที่ไม่ใช้ออกซิเจนและทำให้เกิดกรดแลคติกสะสมและเจ็บกล้ามเนื้อ
มีการหมักประเภทอื่นๆ เช่น การหมักกรดอะซิติก การหมักอะซิโตน-บิวทานอล-เอทานอล และการหมักกรดผสม
การหมักเอทานอล
การหมักเอทานอลหมายถึงกระบวนการทางชีววิทยาที่เปลี่ยนน้ำตาล (กลูโคส ฟรุกโตส และซูโครส) เป็นเอทานอล คาร์บอนไดออกไซด์ และพลังงาน
หลังจากขั้นตอนไกลโคไลซิสเริ่มต้นที่เปลี่ยนโมเลกุลกลูโคสหนึ่งโมเลกุลเป็นสองโมเลกุลไพรูเวต ไพรูเวต โมเลกุลจะแตกตัวเป็นอะซีตัลดีไฮด์ 2 ตัวและคาร์บอนไดออกไซด์อีก 2 โมเลกุล ซึ่งเป็นขั้นตอนที่เร่งปฏิกิริยาด้วยไพรูเวต ดีคาร์บอกซิเลส จากนั้นแอลกอฮอล์ดีไฮโดรจีเนสจะอำนวยความสะดวกในการเปลี่ยนโมเลกุลอะซีตัลดีไฮด์สองโมเลกุลไปเป็นโมเลกุลเอทานอลสองโมเลกุล โดยใช้พลังงานและไฮโดรเจนจาก NADH
•••ดัดแปลงจาก https://www.khanacademy.org/science/biology/cellular-respiration-and-fermentation/variations-on-cellular-respiration/a/fermentation-and-anaerobic-respiration
การหมักกรดแลคติก
การหมักกรดแลคติกเป็นอีกประเภทหนึ่งของการหมักและอธิบายว่าเป็นกระบวนการเมตาบอลิซึมที่เปลี่ยนน้ำตาลให้กลายเป็นเมตาบอไลท์แลคเตทและพลังงาน เป็นกระบวนการหายใจเพียงอย่างเดียวที่ไม่ก่อให้เกิดก๊าซและเกิดขึ้นในแบคทีเรียบางชนิด (เช่น แลคโตบาซิลลัส) และเซลล์กล้ามเนื้อ
การหมักประเภทนี้จะเปลี่ยนโมเลกุลของไพรูเวตสองโมเลกุลจากไกลโคไลซิสไปเป็นโมเลกุลกรดแลคติกสองโมเลกุลและสร้าง NAD ขึ้นใหม่+ ในกระบวนการดำเนินการตามวัฏจักรต่อไป ปฏิกิริยารีดอกซ์นี้ถูกเร่งโดยกรดแลคติกดีไฮโดรจีเนส
แบคทีเรียกรดแลคติกสามารถดำเนินการหมักโฮโมแล็กติก โดยที่กรดแลคติกเป็นผลิตภัณฑ์หลัก หรือ การหมักแบบเฮเทอโรแล็กติก โดยที่แลคเตทบางส่วนถูกเผาผลาญต่อไปเป็นเอทานอล คาร์บอนไดออกไซด์ และอื่นๆ ผลพลอยได้
•••ดัดแปลงจาก https://www.khanacademy.org/science/biology/cellular-respiration-and-fermentation/variations-on-cellular-respiration/a/fermentation-and-anaerobic-respiration
ความสำคัญและประโยชน์ของการหมัก
อุดมไปด้วย โปรไบโอติกอาหารหมักดองมีจุลินทรีย์ที่สามารถช่วยรักษาระบบลำไส้ให้แข็งแรง จึงสามารถดึงสารอาหารจากอาหารได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น มีประโยชน์ต่อสุขภาพของมนุษย์ในหลายวิธี
โปรไบโอติก เอนไซม์ และกรดแลคติกในอาหารหมักดองสามารถช่วยให้ร่างกายได้รับวิตามินและแร่ธาตุ การหมักจะเพิ่มวิตามิน B และ C และช่วยเพิ่มกรดโฟลิก ไรโบฟลาวิน ไนอาซิน วิตามินบี และไบโอติน ทำให้เข้าถึงการดูดซึมได้ง่ายขึ้น
การหมักยังสามารถทำให้กรดไฟติกเป็นกลาง ซึ่งเป็นสารในธัญพืช ถั่ว เมล็ดพืช และพืชตระกูลถั่วที่เป็นสาเหตุของการขาดแร่ธาตุ ไฟเตต ซึ่งเป็นกรดไฟติกในรูปแบบไอออไนซ์ ยังทำให้แป้ง โปรตีน และไขมันย่อยย่อยได้น้อยลง
จุลินทรีย์หรือโปรไบโอติกในอาหารหมักดองสามารถช่วยรักษาลำไส้ให้แข็งแรงในการผลิตยาปฏิชีวนะ ยาต้านไวรัส ยาต้านเชื้อรา และสารต้านเนื้องอก ตลอดจนสร้างสภาพแวดล้อมที่เป็นกรดซึ่งเชื้อโรคไม่เจริญเติบโต ใน.
การใช้การหมักทุกวัน
การหมักใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตเครื่องดื่มแอลกอฮอล์ เช่น ไวน์จากน้ำผลไม้และเบียร์จากธัญพืช มันฝรั่งที่อุดมไปด้วยแป้งสามารถหมักและกลั่นเพื่อทำจินและวอดก้าได้
การหมักยังใช้กันอย่างแพร่หลายใน การทำขนมปัง. เมื่อน้ำตาล ยีสต์ แป้ง และน้ำรวมกันเป็นแป้ง ยีสต์จะย่อยสลายน้ำตาลและปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ออกมา ซึ่งทำให้ขนมปังขึ้นฟู ขนมปังชนิดพิเศษเช่น sourdough ใช้ทั้งยีสต์และแลคโตบาซิลลัส การผสมผสานนี้ทำให้แป้งมีเนื้อสัมผัสที่ยืดหยุ่นและมีรสเปรี้ยวที่โดดเด่น
การหมักกรดแลคติกใช้เพื่อปรุงแต่งหรือถนอมผลิตภัณฑ์นมและผัก เช่น โยเกิร์ต กะหล่ำปลีดอง ของดอง และกิมจิ
การหมักกรดอะซิติกยังสามารถใช้เพื่อเปลี่ยนแป้งและน้ำตาลจากธัญพืชและผลไม้ให้เป็นน้ำส้มสายชูและเครื่องปรุงรสที่มีรสเปรี้ยว เช่น น้ำส้มสายชูแอปเปิ้ลไซเดอร์และคอมบูชา
การประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมหมัก
การหมักใช้ในอุตสาหกรรมเพื่อสร้าง เอทานอล เพื่อผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ เป็นทรัพยากรหมุนเวียนที่น่าสนใจเนื่องจากมีต้นกำเนิดจากวัตถุดิบรวมทั้งธัญพืชและพืชผล เช่น ข้าวโพด อ้อย หัวบีตน้ำตาล และมันสำปะหลัง นอกจากนี้ยังสามารถมาจากต้นไม้ หญ้า เศษซากพืชผลทางการเกษตรและป่าไม้
ในประเทศสหรัฐอเมริกา ซึ่งเป็นผู้ผลิตเชื้อเพลิงเอทานอลรายใหญ่ที่สุด วัตถุดิบหลักสำหรับเชื้อเพลิงเอทานอลคือข้าวโพดเนื่องจากมีความอุดมสมบูรณ์และราคาต่ำ สามารถผลิตเอทานอลได้ประมาณ 0.42 ลิตรจากข้าวโพดหนึ่งกิโลกรัม ผู้ผลิตรายใหญ่อันดับสองคือบราซิล และเชื้อเพลิงเอทานอลส่วนใหญ่มาจากอ้อย รถยนต์ส่วนใหญ่ในบราซิลใช้เอทานอลบริสุทธิ์หรือส่วนผสมของน้ำมันเบนซินและเอทานอล
การหมักยังสามารถผลิตก๊าซไฮโดรเจนได้ เช่น ใน คลอสทริเดียม พาสเจอร์ไรส์โดยที่กลูโคสจะเปลี่ยนเป็นบิวทิเรต อะซิเตต คาร์บอนไดออกไซด์ และก๊าซไฮโดรเจน ในการหมักอะซิโตน-บิวทานอล-เอทานอล คาร์โบไฮเดรตเช่นแป้งและกลูโคสจะถูกย่อยสลายโดยแบคทีเรียเพื่อผลิตอะซิโตน เอ็น-บิวทานอล และเอทานอล กระบวนการนี้ได้รับการพัฒนาโดย Chaim Weizmann เพื่อเป็นวิธีการหลักในการผลิตอะซิโตนในสงครามโลกครั้งที่ 1