Реакція бродіння глюкози. Види, значення та продукт бродіння
Відео: № 136. Органічна хімія. Тема 21. Вуглеводи. Частина 10. Глюкоза
Бродіння глюкози - одна з основних реакцій, за допомогою якої можливо приготування спиртних напоїв. Вона може здійснюватися різними шляхами, в кожному з яких утворюються індивідуальні продукти. Цей процес відіграє ключову роль у багатьох галузях нашого життя, починаючи з кулінарії та приготування винно-горілчаних виробів і закінчуючи реакціями, що протікають в нашому організмі.
Історія
Процесом бродіння глюкози і інших цукрів користувалися ще стародавні люди. Вони їли трохи подбродівшую їжу. Така їжа була безпечніше, так як містила спирт, в середовищі якого гинули багато шкідливих бактерій. У Стародавньому Єгипті і Вавилоні люди вже вміли зброджувати багато сахаросодержащие напої та молоко. Коли людям в кінці 18 століття вдалося краще вивчити цей процес, його види та можливості поліпшення, дуже сильно якісно зросли такі галузі промисловості, як квасо-, пивоваріння та винно-горілчана.
види бродіння
Як не дивно, але цей процес буває різним. І розрізняють види бродіння глюкози по кінцевим продуктам. Таким чином, існує молочнокисле, спиртове, лимоннокисле, ацетонове, маслянокислое і ще кілька інших. Поговоримо трохи про кожен вид окремо. Молочнокисле бродіння глюкози - основний процес при приготуванні такої продукції, як кисле молоко, сметана, кефір, сир. Воно також використовується для консервації овочів і виконує ключову функцію в нашому організмі: в умовах нестачі кисню глюкоза перетворюється в кінцевий продукт - молочну кислоту, яка обумовлює болю в м`язах в момент тренування і трохи після неї.
Відео: № 135. Органічна хімія. Тема 21. Вуглеводи. Частина 9. Глюкозиди і види бродіння моносахаридів
спиртове бродіння відрізняється тим, що в якості кінцевого продукту утворюється етиловий спирт. Воно відбувається за допомогою мікроорганізмів - дріжджів. І грає ключову роль в кулінарії, так як крім основного продукту при спиртовому бродінні глюкози виділяється вуглекислий газ (цим і пояснюється пишність дріжджового тіста).
Лимоннокисле бродіння відбувається, як неважко здогадатися, з утворенням лимонної кислоти. Відбувається воно під дією певного виду грибів і є частиною циклу Кребса, який забезпечує дихання всіх клітин нашого організму.
Ацетоно-бутилове бродіння дуже схоже з маслянокислим. В результаті нього утворюються масляна кислота, бутиловий і етиловий спирти, ацетон і вуглекислий газ. При маслянокислом бродінні утворюється лише відповідна назвою кислота і вуглекислий газ.
Зараз ми розглянемо всі типи докладніше, а почнемо з самого основного - спиртового бродіння глюкози. Будуть детально розібрані всі реакції і нюанси їх протікання.
спиртове бродіння
Розповімо трохи більше про бродіння глюкози, рівняння якого: З6Н12Про6 = 2С2Н5ВІН + 2CO2. Що можна дізнатися з цієї реакції? Ми маємо два продукти: етиловий спирт і вуглекислий газ. За рахунок останнього ми і спостерігаємо взбуханіе дріжджового тіста. А за рахунок першого маємо можливість отримати незабутній смак вина і винних напоїв. Але насправді це лише спрощене рівняння. Повна реакція бродіння глюкози складніше, тому давайте розберемо це трохи глибше.
Існує такий процес, як гліколіз. Буквально його назва перекладається як "розщеплення цукру". Він відбувається в організмі, і його побічним продуктом є пировиноградная кислота, а основним - аденозінотріфосфорная кислота (АТФ), яка утворюється в ході цієї реакції з іншого з`єднання. Можна сказати, що АТФ є переносником енергії в організмі, і фактично гліколіз служить для забезпечення нашого тіла енергією.
Ми не дарма торкнулися цього процесу. Насправді бродіння дуже схоже з гликолизом, так як перша стадія у них абсолютно однакова. Можна навіть сказати, що реакція спиртового бродіння глюкози є продовженням гліколізу. Утворився в ході останнього піруват (іон піровиноградної кислоти) перетворюється в ацетальдегід (CH3-C (O) H) з виділенням в якості побічного продукту вуглекислого газу. Після цього отриманий продукт відновлюється коферментом NADH, що містяться в бактеріях. Відновлення призводить до утворення етилового спирту.
Таким чином, реакція бродіння глюкози до етилового спирту виглядає так:
1) C6H12O6 = 2 З3H4O3 + 4 H+
2) C3H4O3 = CH3-COH + CO2
3) СН3-COH + NADH + H+ = C2H5OH + NAD+
NADH служить каталізатором реакції, а іон NAD+ відіграє ключову роль на ранній стадії гліколізу, і, утворюючись в кінці спиртового бродіння, повертається в процес.
Перейдемо до наступного різновиду досліджуваного типу реакцій.
Молочнокисле бродіння глюкози
Від спиртового цей вид відрізняється тим, що відбувається не під впливом дріжджів, а за допомогою молочнокислих бактерій. Тому ми маємо абсолютно різні продукти. Молочнокисле бродіння також відбувається в наших м`язах при високих навантаженнях і нестачі кисню.
Розрізняють два види цього процесу. Перший - гомоферментативное бродіння. Якщо ви хоч раз чули приставку "гомо", То напевно розумієте, що вона означає. Гомоферментативное бродіння - це процес за участю одного ферменту. На першій стадії відбувається гліколіз і утворюється піровіоградная кислота. Потім отриманий піруват (в розчині ця кислота може існувати тільки у вигляді іонів) піддається гидрированию за допомогою NADH+H і лактатдегідрогенази. В результаті продуктом відновлення є молочна кислота, яка становить близько 90% від усіх одержані в ході реакції продуктів. Це з`єднання, однак, теж може утворюватися у вигляді двох різних ізомерів: D і L. Ці типи відрізняються тим, що є дзеркальними відображеннями один одного і, внаслідок цього, по-різному впливають на наш організм. Те, який ізомер буде утворюватися в більшій мірі, визначає будову лактатдегідрогенази.
Перейдемо до другого типу молочнокислого бродіння - гетероферментативних. У цьому процесі беруть участь кілька ферментів, і він йде по більш складному шляху. Через це в ході реакції утворюється більше різних продуктів: крім молочної кислоти, ми можемо знайти там оцтову кислоту і етиловий спирт.
Ось ми і розглянули молочнокисле бродіння. Це процес, завдяки якому ми можемо насолоджуватися смаком сиру, кислого молока, ряжанки та кефіру. Підіб`ємо підсумки і запишемо в загальному вигляді реакцію молочнокислого бродіння глюкози: C6H12O6 = 2 C3H6O3 . Звичайно, це спрощена схема процесу гомоферментативного бродіння, так як навіть схема гетероферментативних процесу буде дуже складною. Хіміки досі вивчають молочне бродіння глюкози і з`ясовують повні його механізми, тому нам ще є куди прагнути.
лимоннокисле бродіння
Реакції цього виду бродіння відбуваються, як і при спиртовому, під дією грибів певного штаму. Повний механізм цієї реакції ще не до кінця вивчений, і ми можемо покладатися тільки на деякі спрощення. Однак є припущення, що початкова стадія процесу є гліколіз. Потім пировиноградная кислота перетворюється по черзі в різні кислоти і доходить до лимонної. Внаслідок такого механізму в реакційній середовищі накопичуються інші кислоти - продукти неповного окислення глюкози.
Цей процес відбувається під впливом кисню, і в загальному вигляді його можна записати таким рівнянням: 2С6Н12O6 +3О2 = 2С6Н8Про7 + 4Н2О. До того як цей вид бродіння відкрили, люди добували лимонну кислоту виключно вичавкою плодів відповідного дерева. Однак в лимоні цієї кислоти не більше 15%, тому цей спосіб виявився недоцільний, і після відкриття цієї реакції всю кислоту почали отримувати методом бродіння.
маслянокислое бродіння
Перейдемо до наступного типу. Цей вид бродіння відбувається під дією маслянокисле бактерій. Вони широко поширені, а процес, який вони викликають, грає ключову роль в біологічно важливих циклах. За допомогою цих бактерій і відбувається розкладання мертвих організмів. Масляна кислота, що утворюється в ході реакцій, приваблює своїм запахом падальщиков.
Відео: № 139. Органічна хімія. Тема 21. Вуглеводи. Частина 13. Інверсія сахарози
Цей вид бродіння використовується в промисловості. Як неважко здогадатися, їм отримують масляну кислоту. Її складні ефіри широко використовуються в парфумерії і мають приємний запах, на відміну від неї самої. Однак не завжди маслянокислое бродіння приносить користь. Воно може викликати псування овочів, консервів, молока та інших продуктів. Але це може статися, якщо тільки в продукт потрапили маслянокислі бактерії.
Розберемо механізм маслянокислого бродіння глюкози. Реакція його виглядає так: C6H12O6 CH3CH2CH2COOH + 2CO2&uarr- + 2H2. В результаті також утворюється енергія, яка забезпечує життєдіяльність маслянокисле бактерій.
Ацетоно-бутилове бродіння
Цей тип дуже схожий з маслянокислим. Бродити таким способом може не тільки глюкоза, але і гліцерин, і піровиноградна кислота. Цей процес можна розділити на дві стадії: перша (іноді її називають кислотної) являє собою фактично маслянокислое бродіння. Однак крім масляної, виділяється ще й оцтова кислота. В результаті бродіння глюкози таким способом ми отримуємо продукти, які йдуть у другу стадію (Ацетонобутилове). Так як весь цей процес відбувається також під дією бактерій, то при підкисленні середовища (підвищення концентрації кислот) відбувається виділення спеціальних ферментів бактеріями. Вони індукують реакцію перетворення продуктів бродіння глюкози в н-бутанол (бутиловий спирт) і ацетон. Крім цього, може утворюватися декілька етанолу.
Інші види бродіння
Крім перерахованих п`яти видів цього процесу, існують ще кілька. Наприклад, це уксуснокислое бродіння. Воно теж відбувається під дією багатьох бактерій. Цей вид бродіння може використовуватися в корисних цілях при маринуванні. Він оберігає їжу від хвороботворних і небезпечних бактерій. Ще розрізняють лужну або метанове бродіння. На відміну від попередніх типів, цей вид бродіння може здійснюватися для більшості органічних сполук. В результаті великої кількості складних реакцій, органічні речовини розщеплюються на метан, водень і вуглекислий газ.
Відео: № 128. Органічна хімія. Тема 21. Вуглеводи. Частина 2. Класифікація вуглеводів
біологічна роль
Бродіння - найдавніший спосіб добування енергії живими організмами. Одні істоти виробляють органічні речовини, попутно отримуючи енергію, а інші руйнують ці речовини, теж отримуючи при цьому енергію. На цьому побудована вся наша життя. І в кожному з нас бродіння в тому чи іншому вигляді протікає. Як ми вже говорили вище, молочнокисле бродіння відбувається в м`язах при інтенсивному тренуванні.
Що ще почитати?
Якщо вас зацікавила біохімія цього дуже цікавого процесу, варто почати зі шкільних підручників з хімії та біології. У багатьох вузівських підручниках викладено настільки детальний матеріал, що після їх прочитання ви зможете стати просто експертом в цій галузі.
висновок
Ось ми і підійшли до кінця. Розібрали всі види бродіння глюкози і загальні принципи протікання цих процесів, які відіграють дуже важливу роль як у функціонуванні живих організмів, так і в нашій промисловості. Цілком можливо, що в майбутньому ми відкриємо ще кілька видів цього древнього процесу і навчимося використовувати їх на користь собі, як зробили з уже відомими нам.
