تخمیر (تنفس بی هوازی) چیست؟ – واکنش های تخمیری چگونه اند؟

تخمیر پدیده ای متابولیکی می باشد که طی آن ترکیبات آلی بزرگتر به ترکیبات آلی کوچکتر، تجزیه ی ناقص شده و تولید انرژی می کنند، که در مخمرها، سلول های عضلانی و باکتری ها انجام می شود. در مواقعی که انجام تنفس هوازی برای سلول مقدور نباشد، مثلا زمانی که طی ورزش سنگین از عضلات، کار زیادی می کشیم سلول های عضلانی با کمبود اکسیژن مواجه شده و با انجام این عمل انرژی مورد نیاز برای ادامه ی کار خود را فراهم می کنند. این مبحث در کتب علوم پایه های چهارم، هشتم و نهم به طور مختصر آمده است. در این مقاله ی نشریه جهان شیمی فیزیک به تخمیر و انواع مختلف آن می پردازیم.

تخمیر یا تنفس بی هوازی چیست

در تنفس هوازی اکسیژن آخرین گیرنده ی الکترون در زنجیره ی انتقال الکترون می باشد، اما در تنفس بی هوازی به علت عدم وجود اکسیژن فرایند دیگری برای تجزیه ی گلوکز و تولید انرژی اتفاق می افتد. این مسیر همان فرایندی است که موجب تبدیل جو به نوشیدنی توسط مخمر می شود، و یا همان طور که پیش تر به آن اشاره کردیم انرژی مورد نیاز عضلات طی ورزش سنگین را تأمین می کند. فرایند تخمیر شامل گلیکولیز و چند واکنش دیگر است که پس از آن انجام می شود. در تنفس هوازی NADH و پیرووات حاصل از گلیکولیز برای تولید انرژی (ATP) استفاده می شوند. در فرایند تخمیر NADH و پیرووات به ⁺NAD و یک نوع ترکیب آلی تبدیل می شود که با توجه به نوع آن محصولات حاصل از فرایند متفاوت خواهند بود.

تخمیر موجب باز سازی NAD⁺ در تنفس بی هوازی، در فرایند تولید انرژی می شود. در نوع الکلی که در مخمر انجام می شود، ترکیب آلی به دست آمده، الکل و در نوع لاکتیکی که در ماهیچه ها انجام می شود، اسید لاکتیک می باشد. نوع الکلی و لاکتیکی تخمیر از مهمترین انواع آن هستند. باکتری ها نیز انواع مختلفی از این فرایند را انجام می دهند و در صورت عدم حضور اکسیژن، برای باز سازی NAD⁺ از مولکول های آلی متفاوتی به عنوان گیرنده ی الکترون در زنجیره انتقال الکترون استفاده می کنند.

انواع تخمیر

همان طور که بیان شد، تخمیر به معنای تجزیه و شکستن ترکیبات آلی با مولکول های بزرگتر به ترکیباتی با مولکول های ساده و کوچک، با عوامل تخمیری می باشد. این فرایند که  در آن انرژی و دی اکسید کربن تولید می شود، دارای دو نوع الکلی و اسید لاکتیکی وجود دارد.

تخمیر اسید لاکتیک

در این نوع از تخمیر، حدواسط لاکتات با انتقال الکترون های NADH به پیروات، تشکیل می شود که اسید لاکتیک دپروتونه شده می باشد. تخمیر اسید لاکتیک کاربرد زیادی در صنایع غذایی دارد و برای تولید ماست و پنیرهای مختلف استفاده می شود. چون گلبول های قرمز خون به دلیل نداشتن میتوکندری، قادر به انجام تنفس سلولی نمی باشند، این فرایند در آن انجام می شود.

در ماهیچه ها نیز به دلیل کمبود اکسیژن، این نوع از تنفس بی هوازی انجام می شود. اسید لاکتیک حاصل از ماهیچه ها با ورود به کبد از طریق جریان خون، پیروات را ایجاد و دوباره می تواند در تنفس سلولی شرکت کند. باکتری ها و قارچ ها می توانند این نوع از تخمیر را که در آن پیروات به اسید لاکتیک تبدیل می شود را انجام می دهند. تبدیل لاکتوز به اسیدلاکتیک در ماست توسط باکتری ها انجام می شود.

تخمیر الکلی یا اتانول

زمانی که باکتری ها و مخمرها پیروات حاصل از متابولیسم گلوکز را به اتانول و دی اکسید کربن تبدیل می کنند نوع الکلی اتفاق افتاده است. در تهیه نان (مخمر خمیر ترش) و ماء الشعیر این فرایند کاربرد دارد. با قرار دادن مخمرها در محیط کشت گلوکزی که اکسیژن کافی نیز در این محیط باشد، شاهد تقسیم شدن و جذب اکسیژن و آزاد کردن دی اکسید کربن در آن خواهیم بود. در این شرایط تنفس هوازی انجام شده است. اما وقتی این کار در محیط دربسته انجام شود، با اتمام اکسیژن محیط، فرایند تنفس بی هوازی با تولید الکل اتیلیک و دی اکسید کربن اتفاق می افتد.

مکانیسم این روش که با انتقال الکترون ها به پیروات و تبدیل آن به اتانول است شامل جدا شدن یک مولکول دی اکسید کربن از پیروات و ایجاد دو مولکول استالدهید و سپس انتقال الکترون ها از NADH به مولکول های استالدهید و تولید اتانول و NAD⁺ می باشد.

تنفس بی هوازی اجباری و اختیاری

این که کدام مسیر تنفسی (هوازی یا بی هوازی) توسط برخی از باکتری ها و آرکی باکتری ها برای تنفس انتخاب شود، اختیاری بوده و به این جانداران بی هوازی اختیاری می گویند. این جانداران وقتی اکسیژن به اندازه ی کافی موجود باشد، تنفس هوازی را به دلیل ایجاد مقدار انرژی بیشتر، انتخاب می کنند. در صورت کمبود اکسیژن تنفس بی هوازی را انتخاب می کنند. اما در برخی دیگر از باکتری ها و آرکی باکتری ها مانند باکتری کلستریدیوم، وجود اکسیژن در محیط زندگی آن ها به معنای نابودی و مرگ می باشد. این موجودات برای زنده ماندن حتما باید در محیط فاقد اکسیژن بوده و تنفس بی هوازی داشته باشند.

تخمیر و مواد غذایی

فرایند مذکور توسط مخمرها برای تبدیل قند ها به اسید ها، الکل یا گازها در شرایط بودن هوا انجام می شود. مزه ترش و اسید لاکتیکی که در ماست و خیارشور ایجاد می شود و همچنین در تهیه پنیر، سرکه، سس سویا، ترشی و بسیاری از مواد دیگر از فرایند تخمیر استفاده می شود. این کار توسط باکتری ها، مخمرها، کپک ها و قارچ ها انجام می شود. همچنین این فرایند یک راه مناسب نگهداری طولانی موادی مانند ترشی می باشد که اسید ایجاد شده، رشد میکروارگانیسم های مضر را متوقف می کند.

مواد غذایی ایجاد شده با این روش، غنی از پروتئین، اسیدهای چرب ضروری و اسیدهای آمینه ضروری می شوند و دارای مدت زمان پخت کوتاهی هستند و به این ترتیب می توان در استفاده از سوخت ها صرفه جویی کرد. با فرایند تنفس بی هوازی، مواد غذایی دارای عطر و طعم بهتری می شوند.

تخمیر و صنعت

در صنعت، فرایند تخمیر در بسیاری از فرایندهای میکروبیولوژیکی، در حضور هوا و با اکسیداسیون ناقص انجام می شود. اسید سیتریکی که توسط کپک های خاص از قند تهیه می شود و یا اسید استیکی که باکتری ها از الکل می سازند، جزء این دسته از فرایندها می باشند. اما در این روش ها از هوا استفاده می شود و نمی توان آن را تنفس بی هوازی دانست.

انرژی در تخمیر

در تنفس بی هوازی مولکول های غذایی مانند گلوکز بدون این که تمام انرژی آن آزاد شود شکسته و تجزیه می شود. با این فرایند، مسیر گلیکولیز که تولید دو مولکول ATP از یک مولکول گلوکز را در پی دارد، ادامه پیدا می کند. از فرایند تخمیر، انرژی تولید می شود اما نسبت آن به انرژی که از تنفس هوازی و با فسفوریلاسیون اکسیداتیو تولید می شود کمتر است. در تخمیر دو مولکول ATP و در تنفس هوازی ۳۶ مولکول ATP تولید می شود. تنفس بی هوازی در ماهیچه ها که با تولید اسید لاکتیک همراه است به مدت زمان کوتاه ۳۰ ثانیه تا ۲ دقیقه می تواند تولید انرژی کند.

مزایای مواد غذایی تخمیر شده

یکی از مزیت های تخمیر، بهبود هضم می باشد. هضم مواد غذایی که دچار تخمیر شده با افزایش میزان لاکتوباسیل ها که به موازات آن میزان ویتامین ها زیاد می شود، بهبود پیدا می کند. یکی از این مواد سویا می باشد که با این فرایند به اسیدهای آمینه تبدیل می شود که به راحتی هضم می شوند، در صورتی که قبل از آن پروتئین های سویا هضم پذیر و قابل تجزیه نبودند. همچنین لاکتوز موجود در شیر نیز می تواند با این فرایند به اسید لاکتیک تبدیل شود که به راحتی قابل هضم می باشد. عفونتی مهم به نام هلیکوباکترپیلوری که باعث بسیاری از بیماری های گوارشی می باشد، توسط غذاهای تخمیر شده نابود می شود. از مزایای دیگر مواد غذایی که دچار این فرایند شده اند، خاصیت ضد سرطانی آن ها می باشد. از جمله ی این مواد پروبیوتیک ها می باشد.

از فواید دیگر استفاده از مواد غذایی تخمیر شده مانند ماست های پروبیوتیک، کمک به درمان بیماری های کبدی (کبد چرب) که نتیجه استفاده زیاد از الکل است، می باشد. همچنین پروبیوتیک ها یبوست، درد شکم، نفخ را کم کرده و به بهبود وضعیت بیماران دچار التهاب روده  شده، کمک می کنند.

تخمیر یعنی چه علوم ششم

تخمیر یک فرآیند متابولیک است که در آن میکروارگانیسم هایی مانند مخمر و باکتری ها قندها را به الکل، گازها یا اسید تبدیل می کنند. درک فرآیند تخمیر و محصولات تخمیر برای تولید مواد غذایی، بیوتکنولوژی و صنایع سوخت زیستی ضروری است. محصولات غذایی را می توان با استفاده از فرآیند تخمیر نگهداری و ذخیره کرد که باعث افزایش ماندگاری غذا می شود. این فرآیند بی هوازی بدون اکسیژن اتفاق می افتد و با گلیکولیز شروع می شود و گلوکز را به پیروات تجزیه می کند. بسته به میکروارگانیسم و ​​شرایط، پیروات بیشتر از طریق مسیرهای مختلف متابولیزه می شود، مانند تخمیر اتانول (تولید الکل و CO2) یا تخمیر اسید لاکتیک (تولید اسید لاکتیک). تخمیر به طور گسترده ای در تولید مواد غذایی (نان، ماست، آبجو، شراب) و بیوتکنولوژی (سوخت های زیستی، داروسازی) استفاده می شود. همچنین نقش مهمی در نگهداری مواد غذایی و افزایش طعم دارد. در زیر لیستی از محصولات تخمیری مختلف آورده شده است:

• ماست: از تخمیر شیر با باکتری هایی مانند لاکتوباسیلوس و استرپتوکوک تهیه می شود.
• پنیر: از تخمیر شیر با استفاده از باکتری ها و کپک های مختلف تولید می شود و در نتیجه انواع پنیرها تولید می شود.
• نان: از مخمر تهیه می شود که قندها را تخمیر می کند و دی اکسید کربن تولید می کند و باعث بلند شدن خمیر می شود.
• آبجو: از تخمیر جو مالت دار و سایر غلات با مخمر و تولید الکل و دی اکسید کربن تولید می شود.
• شراب: از تخمیر انگور با مخمر، تبدیل قندها به الکل و دی اکسید کربن تهیه می شود.
• کیمچی: یک غذای تخمیر شده سبزیجات کره ای که با کلم و تربچه و با استفاده از باکتری لاکتوباسیلوس درست می شود.
• سس سویا: از تخمیر سویا با کپک هایی مانند Aspergillus oryzae و سپس با مخمر و باکتری های اسید لاکتیک تهیه می شود.