تخمیر

• معرفی تخمیر
• اصول
• انواع
• کاربرد
• محدودیت

معرفی

تخمیر یکی از فناوری های باستانی فرآوری مواد غذایی است. تخمیر به عنوان فرآیندی تعریف می شود که در آن تغییرات شیمیایی در یک بستر آلی از طریق عمل آنزیم های تولید شده توسط میکروارگانیسم ها رخ می دهد.

به عنوان مثال، آنزیم های مخمر قندها و نشاسته ها را به الکل تبدیل می کنند، در حالی که پروتئین ها به پپتیدها/اسیدهای آمینه تبدیل می شوند.

fermentation در کمبود اکسیژن که ATP (انرژی) تولید می کند، صورت می گیرد. NADH و پیروات تولید شده در مرحله گلیکولیز را بسته به نوع تخمیر به NAD+ و مولکول های کوچک مختلف تبدیل می کند.

میکروارگانیسم های تخمیری عمدتاً L.A.B را شامل می شوند. مانند انتروکوک، استرپتوکوک، لوکونوستوک، لاکتوباسیلوس، و پدیوکوکوس و مخمرها و کپک‌هایی مانند Debaryomyces، Kluyveromyces، Saccharomyces، Geotrichium، Mucor، Penicillium و Rhizopus.

اصول تخمیر

اصل اصلی تخمیر دریافت انرژی از کربوهیدرات ها در غیاب اکسیژن است. گلوکز ابتدا تا حدی با گلیکولیز به پیروات اکسید می شود. سپس پیرووات همراه با بازسازی NAD+ به الکل یا اسید تبدیل می‌شود که می‌تواند در گلیکولیز برای تولید ATP بیشتر شرکت کند. fermentation تنها حدود 5 درصد انرژی حاصل از تنفس هوازی را به دست می آورد.

• تخمیر یک فرآیند بیوشیمیایی بی هوازی است که برای تولید انرژی از اکسیداسیون جزئی گلوکز یا سایر منابع کربن استفاده می شود.
• اکسیداسیون سوبسترا، که از طریق مسیرهای Embden-Meyerhoff (EMP) یا Entner-Doudoroff (ED) رخ می دهد، منجر به تولید پیروات، ATP و NAD (P) H می شود.
• در غیاب گیرنده‌های الکترون خارجی، پیروات با بازسازی NAD+(P) کاهش می‌یابد.
• این مرحله برای پیشرفت فرآیند تخمیر ضروری است و منجر به تولید محصولات (اتانول و اسیدهای آلی) می شود.
• ATP محصول اصلی تخمیر است و توسط فسفوریلاسیون در سطح بستر تولید می شود.
• سپس NADH دوباره اکسید می شود و در مرحله دوم تخمیر به NAD+ برمی گردد که پیرووات را به محصول تخمیر مانند اتانول و لاکتات کاهش می دهد.
• به عنوان مثال، در fermentation گلوکز توسط استرپتوکوکوس لاکتیس، پیروات به اسید لاکتیک تبدیل می شود تا کوآنزیم های NAD+ را اصلاح کند، بنابراین دو مولکول ATP تولید می شود.
• در مخمرهایی مانند ساکارومایسس، هنگامی که پیرووات به اتیل الکل (اتانول) تبدیل می شود، NAD+ اصلاح می شود.

انواع fermentation

1- هموفرمنتاسیون اسید لاکتیک

 Glucose → Lactic acid

تخمیر همولاکتیک توسط باکتری های متعلق به جنس های لاکتوکوکوس، انتروکوکوس، استرپتوکوکوس و پدیوکوکوس و برخی از گونه های جنس لاکتوباسیلوس انجام می شود. LAB هموفرمنتاتیو گلوکز را به اسید لاکتیک تخمیر می کند. گونه های لاکتوکوکوس در کشت استارتر لبنیات استفاده می شود.

2- هتروفرمنتاسیون اسید لاکتیک

Glucose → Lactic acid + Acetic acid + Ethyl alcohol + 2CO2 + H2O

تخمیر هترولاکتیک توسط باکتری‌هایی از جنس‌های Leuconostoc، Oenococcus و Weissella و توسط لاکتوباسیل‌های هتروفرمانتیو انجام می‌شود. LAB هتروفرمنتاتیو گلوکز را با اسید لاکتیک، اتانول/اسید استیک و دی اکسید کربن (CO2) به عنوان محصولات جانبی تخمیر می کند.

3- تخمیر اسید پروپیونیک

Glucose → Lactic acid + Propionic acid + Acetic acid + CO2 + H2O

تخمیر اسید پروپیونیک توسط چندین باکتری متعلق به جنس Propionibacterium و گونه Clostridium propionicum انجام می شود. در طی fermentation اسید پروپیونیک، هم شکر و هم لاکتات می توانند به عنوان بستر اولیه استفاده شوند. وقتی شکر در دسترس باشد، این باکتری ها از مسیر EMP برای تولید پیروات استفاده می کنند. پیروات به اگزالواستات کربوکسیله می شود و سپس از طریق مالات، فومارات و سوکسینات به پروپیونات تبدیل می شود. دیگر محصولات نهایی این فرایند پروپیونیک اسید استیک و CO2 هستند.

4- تخمیر دی استیل و 3،2-بوتیلن گلیکول

Diacetyl

↑

Citric acid→ Pyruvic acid + Acetylmethylcarbon

↓

2,3-Butylene glycol

تخمیر بوتاندیول توسط اعضای جنس های Enterobacter، Erwinia، Hafnia، Klebsiella و Serratia انجام می شود. واکنش هایی که منجر به تولید 3،2-بوتاندیول می شود شامل یک مرحله دکربوکسیلاسیون مضاعف است.

5- تخمیر الکلی

Glucose → Ethyl alcohol

تخمیر الکلی شناخته شده ترین فرآیند تخمیر است. توسط مخمرها و برخی قارچ ها و باکتری های دیگر انجام می شود. اولین مرحله از مسیر Alcoholic fermentation شامل پیروات است که توسط مخمر از طریق مسیر EMP تشکیل می شود، در حالی که در مورد Zymomonas (باکتری) از طریق مسیر ED به دست می آید. تعادل ردوکس تخمیر الکلی با بازسازی NAD+ در طی احیای استالدئید به اتانول به دست می آید.

6- تخمیر اسید بوتیریک

Glucose → Acetic acid + Butyric acid

تخمیر اسید بوتیریک مشخصه چندین باکتری بی هوازی اجباری است که عمدتاً به جنس کلستریدیوم تعلق دارند. پیرووات به نوبه خود با تولید CO2 و H2 به استیل-CoA اکسید می شود. بخشی از استیل کوآ با تولید ATP به اسید استیک تبدیل می شود. برخی از باکتری ها مانند کلستریدیوم استوبوتیلیکوم اسیدهای کمتر و محصولات خنثی بیشتری تولید می کنند، بنابراین تخمیر استون بوتانول را انجام می دهند.

کاربرد تخمیر

کاربرد در پزشکی

• تولید آنتی بیوتیک
• تولید انسولین
• تولید هورمون های رشد
• تولید واکسن
• تولید اینترفرون

کاربرد در صنایع غذایی

• تولید غذاهای تخمیری مانند پنیر، شراب، آبجو و نان تا محصولات با ارزش بالا
• نگهدارنده های زیستی درجه غذایی
• غذاهای کاربردی/مواد خنثی
• تولید پروتئین تک سلولی

سایر کاربردها

• همچنین برای مدیریت زباله مانند تولید سوخت های زیستی (بیودیزل، بیواتانول، بوتانول، بیوهیدروژن و غیره) استفاده می شود.
• همچنین برای تولید بیوسورفکتانت، تولید پلیمرها مانند تولید سلولز باکتریایی استفاده می شود.
• توسعه فرآیندهای زیست پالایی (شامل میکروب ها یا آنزیم های جدا شده از آنها) برای خاک و تصفیه فاضلاب.

محدودیت ها

• تولید در مقیاس پایین که نیاز به هزینه بالا و انرژی بالا دارد
• احتمال آلودگی
• تغییرات طبیعی در طول زمان
• محصول ناخالص است که نیاز به درمان بیشتری دارد
• محصول نهایی نامطلوب و غیرمنتظره
• میکروب های نامطلوب رشد می کنند و تکثیر می شوند و میکروب های مطلوب از بین می روند.

“کیمیا زیست گستر نوین” در راستای ارتقاء تولیدات و سطح علمی کشور مبادرت به واردات و توزیع مواد شیمیایی و مصرفی آزمایشگاهی کرده است. هدف مجموعه ما تأمين مواد و تجهيزات مورد نياز در بخش هاى مختلف آزمايشگاهى، تحقيقاتى، بيمارستانى، صنعتى و … مي باشد.