فرایند تخمیر یکی از فناوری‌های باستانی فراوری مواد غذایی به شمار می‌آید. این فرایند روشی است که در آن تغییرات شیمیایی در یک بستر آلی از طریق عمل آنزیم‌های تولید شده به‌وسیله میکروارگانیسم‌ها اتفاق می‌افتد. به‌عنوان‌مثال قندها و نشاسته‌ها توسط آنزیم‌های مخمر به الکل تبدیل می‌شوند و پروتئین‌ها به اسیدهای آمینه و پپتیدها تبدیل می‌شوند.
با فرایند تخمیر بیشتر آشنا شوید
تخمیر که به انگلیسی fermentation نامیده می‌شود در بیوشیمی فرایندی است که توسط آنزیم‌ها کاتالیز می‌شود و انرژی تولید می‌کند. ترکیبات آلی در فرایند تخمیر به‌عنوان گیرنده و دهنده الکترون عمل می‌کنند. این فرایند می‌تواند در صورت عدم وجود اکسیژن رخ دهد و گاهی این اصطلاح برای مسیری در سلول‌ها تعریف می‌شود که مولکول‌های سوخت در آن به‌صورت بی‌هوازی تجزیه می‌شوند.
چگونه مخمر می‌تواند جو را تخمیر و به نوشیدنی تبدیل کند یا زمانی که عضلات بدن موقع ورزش سنگین دچار کمبود اکسیژن می‌شود چگونه مخمر به فعالیت خود ادامه می‌دهد. هر دو فرایند از طریق مسیرهای جایگزین تجزیه گلوکز اتفاق می‌افتد. زمانی این مسیرها فعال می‌شوند که تنفس سلولی نرمال از طریق اکسیژن غیرممکن است. این یعنی وقتی اکسیژن در اطراف سلول وجود ندارد تا در پایان زنجیره انتقال الکترون به‌عنوان پذیرنده عمل کند، مسیرهای جایگزین به کار می‌روند.
این مسیرهای تخمیری شامل گلیکولیز می‌باشد که در انتهای فرایند برخی واکنش‌های اضافی به آن افزوده شده است. واکنش‌های اضافی در مخمر موجب تولید الکل می‌شوند، درحالی‌که در ماهیچه‌های بدن اسیدلاکتیک ایجاد می‌کنند. فرایند تخمیر مسیری گسترده است؛ ولی تنها راه دریافت انرژی از سوخت‌ها به‌صورت بی‌هوازی (در صورت عدم اکسیژن) نیست، زیرا در بعضی سیستم‌های زنده سلول‌ها از یک مولکول غیرآلی به جز اکسیژن به‌عنوان مولکول گیرنده نهایی الکترون در زنجیره انتقال الکترونی بهره می‌برند. به این فرایند تنفس سلولی بی‌هوازی می‌گویند که در بعضی از باکتری‌ها و آرکی باکترها انجام می‌شود.
تنفس بی‌هوازی چیست
تنفس بی‌هوازی به تنفس هوازی در سلول شبیه است که در آن الکترون‌هایی که از مولکول سوختی به دست می‌آیند در طول زنجیره انتقال الکترون حرکت کرده و می‌توانند مولکول‌های ATP را سنتز کنند. برخی ارگانیسم‌ها از سولفات به‌عنوان پذیرنده نهایی الکترون استفاده می‌کنند. گروه دیگری از ارگانیسم‌ها از سولفور، نیترات یا یکی ازاین‌قبیل مولکول‌ها به‌عنوان پذیرنده نهایی الکترون در زنجیره انتقال مورداستفاده قرار می‌دهند.
نحوه خرید مواد شیمیایی و لوازم آزمایشگاهی
همواره تهیه مواد اولیه شیمیایی و لوازم آزمایشگاهی برای تولیدکننده امری طاقت‌فرسا است، زیرا این مواد نوع تقلبی فراوانی در بازار دارند و ضمانت کالا به تولیدکننده ارائه نمی‌شود؛ لذا متقاضی محترم باید تأمین‌کننده‌ای قابل‌اعتماد و باسابقه کاری که بتواند کالای باکیفیت و به‌روز را با ضمانت تحویل دهد، بیابد.
در همین راستا مجموعه تارا طب سعی نموده محصول موردنظر مشتریان خود را با بالاترین کیفیت، نازل‌ترین قیمت و سریع‌ترین زمان مکن در اختیارشان قرار دهد تا بتواند رضایت طی سالیان متوالی رضایت آن‌ها را جلب کند. شرکت تارا مدرن طب تجهیز بیش از ده سال سابقه فعالیت در زمینه واردات و تأمین مواد اولیه شیمیایی و لوازم و تجهیزات آزمایشگاهی دارد شما می‌توانید از طریق راه‌های ارتباطی موجود در سایت جهت استعلام قیمت، موجودی و خرید با مشاورین فروش ما در ارتباط باشید.
تخمیر چیست
قندها سوبسترهای مشترک مسیرهای مختلف فرایند تخمیر می‌باشند و نمونه‌های بارز محصولات تخمیر اسیدلاکتیک، اتانول و هیدروژن هستند. همچنین در طی تخمیر ترکیبات دیگری مانند استون و بوتیریک اسید تولید می‌شوند. در مسیر گلیکولیز، تخمیر و تنفس هوازی مشترک هستند. در تخمیر پیرواتی که در گلیکولیز به دست می‌آيد مسیر اکسیداسیون و چرخه کریس را ادامه نمی‌دهد و زنجیره انتقال الکترون نیز آغاز نمی‌شود. هنگامی که زنجیره انتقال الکترون عملکردی نداشته باشد، در طول گلیکولیز که مولکول‌های NADH تولید می‌شوند نمی‌توانند الکترون‌های را وارد زنجیره الکترونی کنند و بنابراین NAD+ ایجاد نمی‌شود.
بخش مهم تخمیر را گلیکولیز می‌نامند که در سلول‌های مخمر، ماهیچه‌ای، گیاهان و برخی باکتری‌ها مشترک است. در گلیکولیز قند شش کربنی گلوکز (glc) به دو مولکول اسید پیرویک (pyr) اکسید می‌شود و برای انجام فعالیت‌های سلولی مقدار کمی انرژی شیمیایی به شکل ATP تولید می‌شود. درصورتی‌که اکسیژن وجود نداشته باشد دو مسیر اصلی از قبیل تخمیر اتانول و تخمیر اسیدلاکتیک برای محصول نهایی وجود دارد.
تخمیر اتانول
به‌وسیله مخمر و برخی از انواع باکتری‌ها تخمیر اتانول صورت می‌گیرد که پیروات را به اتانول و دی‌اکسیدکربن تجزیه می‌کند. در این مرحله در اصل مخمر فرایند تخمیر را رقم می‌زند. NADH در تخمیر الکلی الکترون‌های خود را به پیروات منتقل کرده و اتانول تولید می‌شود. طی دو مرحله تبدیل پیروات به اتانول انجام می‌شود. در مرحله اول یک گروه کربوکسیل از پیروات جدا و به شکل دی‌اکسیدکربن آزاد می‌شود که طی آن یک مولکول 2 کربنی به نام استالدئید ایجاد می‌شود. مرحله دوم NADH الکترون‌های خود را به استالدئید منتقل کرده و اتانول و NAD+ به دست می‌آید. اتانول از طریق تخمیر الکلی که در مخمرها رخ می‌دهد تولید می‌شود. الکل در مقادیر زیاد برای مخمر سمی است. تحمل اتانول مخمر در حدود 5 تا 21 درصد است که بر حسب شرایط محیطی مختلف و گونه مخمر متفاوت می‌باشد.
تخمیر اسیدلاکتیک
در این نوع تخمیر، NADH الکترون‌های خود را مستقیم به پیروات منتقل می‌کند و در این میان لاکتات به‌عنوان محصول حد وسط ایجاد می‌شود. لاکتات شکل پروتون شده لاکتیک اسید است. در باکتری تولیدکننده ماست تخمیر اسیدلاکتیک رخ می‌دهد و همچنین در گلبول‌های قرمز این تخمیر اتفاق می‌افتد، زیرا این سلول فاقد میتوکندری بوده و نمی‌تواند تنفس سلولی انجام دهد. تخمیر اسیدلاکتیک در سلول‌های ماهیچه‌ای تنها زمانی صورت می‌گیرد که آن‌ها در کمبود شدید اکسیژن برای تنفس هوازی قرار بگیرند. معمولاً این اتفاق زمانی رخ می‌دهد که فرد ورزش‌های سنگین انجام دهد. در ابتدا تصور می‌شد دلیل درد و کوفتگی ناشی از ورزش، تجمع لاکتات در ماهیچه‌ها است؛ ولی تحقیقات اخیر ثابت کرده که این درست نیست.
اسیدلاکتیکی که در ماهیچه تولید می‌شود توسط جریان خون وارد کبد شده و در آنجا دوباره به پیروات تبدیل شده و وارد روند طبیعی تنفس سلولی می‌شود. تخمیر اسیدلاکتیک، پیروات را به اسیدلاکتیک تجزیه می‌کند. این نوع تخمیر در برخی از قارچ‌ها و باکتری‌ها دیده می‌شود. به‌عنوان‌مثال در تولید ماست، باکتری‌ها لاکتوز را به اسیدلاکتیک تبدیل می‌کنند و به ماست مزه ترش می‌بخشند. در انسان طی دوره‌های ورزش شدید امکان دارد تنفس سلولی، اکسیژن را در ماهیچه‌ها سریع‌تر از دریافت آن توسط سلول‌ها مصرف کند.
اصول تخمیر چیست
اصل اساسی تخمیر دریافت انرژی از کربوهیدرات‌ها در نبود اکسیژن است. ابتدا گلوکز تا حدی با گلیکولیز به پیروات اکسید می‌شود. پس از آن پیروات با بازسازی NAD+ به اسید یا الکل تبدیل می‌شود که می‌تواند در گلیکولیز برای تولید ATP بیشتر مشارکت کند. تخمیر تنها حدود 5 درصد انرژی حاصل از تنفس هوازی را به دست می‌آورد.
- تخمیر فرایندی بیوشیمیایی و بی‌هوازی است که جهت تولید انرژی از اکسیداسیون جزئی گلوکز یا سایر منابع کربن به کار می‌رود.
- اکسیداسیون سوبسترا منجر به تولید پیروات، ATP و NADH می‌شود.
- در غیاب گیرنده‌های الکترون خارجی، با بازسازی NAD+ پیروات کاهش می‌یابد.
- برای پیشرفت فرایند تخمیر این مرحله ضروری است و موجب تولید محصولات اتانول و اسیدهای آلی می‌شود.
- محصول اصلی تخمیر ATP است و به‌وسیله فسفوریلاسیون در سطح بستر تولید می‌شود.
- پس از آن NADH مجدد اکسید شده و در مرحله دوم تخمیر به +NAD برمی‌گردد که پیرووات را به محصول تخمیر از قبیل لاکتات و اتانول کاهش می‌دهد.
- به‌عنوان نمونه، در تخمیر گلوکز به‌وسیله استرپتوکوکوس لاکتیس، پیروات به لاکتیک اسید تبدیل می‌شود تا طی آن کوآنزیم‌های +NAD را اصلاح کند، بر همین اساس دو مولکول ATP تولید می‌شود.
- هنگامی که پیروات در مخمرهایی مانند ساکارومایسس به اتیل الکل (اتانول) تبدیل می‌شود، +NAD اصلاح می‌شود.
انواع تخمیر را بشناسید
- هموفرمنتاسیون اسیدلاکتیک
تخمیر همولاکتیک به‌وسیله باکتری‌های متعلق به جنس‌های لاکتوکوکوس، استرپتوکوکوس، انتروکوکوس، پدیوکوکوس و برخی از گونه‌های لاکتوباسیلوس صورت می‌گیرد. LAB هموفرمنتاتیو گلوکز را لاکتیک اسید تبدیل می‌کند. گونه‌های لاکتوکوکوس در کشت استارتر لبنیات مورداستفاده قرار می‌گیرد.
- هتروفرمنتاسیون اسید لاکتیک
باکتر‌ی‌هایی از جنس Leuconostoc، Oenococcus و Weissella و لاکتوباسیل‌های هتروفرمانتیو، فرایند تخمیر هترولاکتیک را انجام می‌دهند. LAB هتروفرمنتاتیو گلوکز را با اسیدلاکتیک، اسید استیک، اتانول و دی‌اکسیدکربن تخمیر می‌کند.
- تخمیر اسید پروپیونیک
چندین باکتری متعلق به جنس Propionibacterium و گونه Clostridium propionicum تخمیر اسید پروپیونیک را انجام می‌دهند. در طی این فرایند شکر و لاکتات می‌توانند به‌عنوان بستر اولیه به کار روند. هنگامی که شکر در دسترس باشد باکتری‌ها از مسیر EMP جهت تولید پیروات استفاده می‌کنند. پیروات به اگزالواستات کربوکسیله شده و پس از آن از طریق فومارات، مالات و سوکسینات به پرو پی و نات تبدیل می‌شود. از دیگر محصولات نهایی این فرایند می‌توان اسید استیک و دی‌اکسیدکربن را نام برد.
- تخمیر دی استیل و 2،3ـ بوتیل گلیکول
تخمیر بوتاندیول به‌وسیله جنس‌های Hafnia، Erwinia، Enterobacter، Klebsiella و serratia صورت می‌گیرد. واکنش‌هایی که باعث تولید این ماده می‌شود شامل یک مرحله دکربوکسیلاسیون مضاعف است.
- تخمیر الکلی
شناخته‌شده‌ترین فرایند تخمیر این نوع است که توسط مخمرها و بعضی قارچ‌ها و باکتری‌های دیگر انجام می‌شود. اولین مرحله این مسیر شامل پیروات است که به‌وسیله مخمر از مسیر EMP تشکیل می‌شود. تعادل ردوکس در این روش با بازسازی +NAD در طی احیای استالدئید به اتانول حاصل می‌شود.
- تخمیر اسید بوتیریک
این روش مشخصه چندین باکتری بی‌هوازی اجباری است که اغلب به جنس کلستریدیوم تعلق دارند. پیرووات با تولید CO2 و H2 به استیل‌کوآ اکسید شده که بخشی از استیل‌کوآ نیز با تولید ATP به اسید استیک تبدیل می‌شود. بعضی از باکتری‌ها مانند کلستریدیوم استوبوتیلیکوم محصولات خنثی بیشتر و اسیدهای کمتری تولید می‌کنند، بنابراین تخمیر استون بوتانول را انجام می‌دهند.
کاربردهای فرایند تخمیر
پزشکی
فرایند تخمیر در پزشکی برای تولید آنتی‌بیوتیک، انسولین، واکسن، اینترفرون و هورمون‌های رشد به کار می‌رود.
صنایع غذایی
این فرایند در تولید غذاهای تخمیری مانند شراب، پنیر، نان، آبجو و… استفاده می‌شود. همچنین در تولید پروتئین تک‌سلولی، نگهدارنده‌های زیستی، غذاهای کاربردی و مواد خنثی نیز به کار برده می‌شود.
سایر کاربردها
این روش برای مدیریت زباله مانند تولید سوخت‌های زیستی از قبیل بیواتانول، بیودیزل، بوتانول، بیوهیدروژن و… مورداستفاده قرار می‌گیرد. همچنین برای تولید بیوسورفکتانت، پلیمرها مانند تولید سلولز باکتریایی به کار می‌رود. تخمیر جهت توسعه فرایندهای زیست پالایی برای خاک و فاضلاب نیز استفاده می‌شود.
بی‌هوازی اختیاری و بی‌هوازی اجباری
اکثر باکتری‌ها و آرکی باکترها بی‌هوازی اختیاری هستند یعنی آن‌ها توانایی انتخاب تنفس هوازی و بی‌هوازی با توجه به میزان اکسیژن دارند. این سیستم به آن‌ها اجازه می‌دهد تا موقعی که اکسیژن در محیط هست ATP بیشتری از مولکول‌های گلوکز به‌دست آورند. به این دلیل که تنفس سلولی هوازی ATP بیشتری نسبت به بی‌هوازی ایجاد می‌کند، اما جهت زنده ماندن در شرایط کمبود اکسیژن کاربرد مسیرهای بی‌هوازی ضروری است.
گروه دیگر باکتری‌ها و آرکی باکترها بی‌هوازی اجباری هستند، این بدین معنی است که می‌توانند در محیط‌های فاقد اکسیژن رشد و زندگی کنند. اکسیژن برای این ارگانیسم‌ها سمی است و اگر در معرض آن قرار بگیرند امکان دارد از بین بروند. به‌عنوان‌مثال باکتری کلستریدیوم که عامل تولید سم بوتولیسم (سمی موجود در مواد غذایی) می‌باشد از نوع بی‌هوازی اجباری است. اخیراً بعضی از جانوران چندسلولی در اعماق رسوبات دریا شناسایی شده‌اند که توانایی زندگی در محیط بدون اکسیژن را دارند.
محدودیت‌های استفاده از فرایند تخمیر
- احتمال آلودگی
- محصول نهایی غیرمنتظره و نامطلوب
- تغییرات طبیعی طی زمان
- تولید در مقیاس پایین که به هزینه و انرژی بالا نیاز دارد
- محصول ناخالص که نیاز به درمان بیشتر دارد
- میکروب‌های نامطلوب رشد و تکثیر می‌شوند و میکروب‌های مطلوب از بین می‌روند
معایب فرایند تخمیر در صنایع شیمیایی
به دلیل کند بودن روند تخمیر مراحل تولید بیشتر طول می‌کشد و محصولی نهایی این روش دارای ناخالصی است؛ بنابراین باید طی یک فرایند دیگر خالص‌سازی شود. همین موجب می‌شود که هزینه بیشتری طی تولید محصول صرف شود. اگر به هر دلیلی میکروارگانیسم وارد دستگاه شود نتیجه پایانی اشتباه خواهد بود، زیرا حساسیت فرایندهای بی‌هوازی به تغییرات محیط خیلی زیاد است. به همین دلیل باید کارکنان فضای موردنظر را بدون اکسیژن حفظ کنند. در صنایع شیمیایی بهتر است که تخمیر در محیط مایع انجام شود، زیرا میکروارگانیسم‌ها برای واکنش‌دادن، رشد و غوطه‌ورشدن به آب نیاز دارند. بر همین اساس اگر تخمیر در محیط جامد انجام شود باید یک ماده غیرمحلول به‌عنوان تکیه‌گاه موجود باشد.
مزایای فرایند تخمیر در صنایع شیمیایی
خنثی نمودن مواد مضر مانند اسید فیتیک در غلات یکی از مزایای تخمیر است. همچنین تولید اسیدلاکتیک و کاربرد آن در صنایع غذایی موجب جذب بهتر ویتامین‌‌ها می‌شود. درصورتی‌که تخمیر جامد به‌جای مایع صورت گیرد، بهره‌وری افزایش پیدا می‌کند و همچنین محصولات آن پایدارتر خواهند بود. از نظر هزینه تنفس بی‌هوازی در بستر جامد ارزان‌تر و به‌صرفه‌تر است. در فرایندهای بی‌هوازی، بیومس یا مواد زائد کمتری تولید می‌شود.