تعريف التخمر وأنواعه وأهميته
تعريف التخمر
التخمر هي عملية أيضية تحفزها الإنزيمات حيث تقوم الكائنات الحية بتحويل النشا أو السكر إلى كحول أو حمض، مما يطلق طاقة في ظروف لاهوائية، بهدف الحفاظ على الأطعمة صالحة للاستهلاك أو إضافة نكهة أو توفير فوائد صحية.
تم اكتشاف عملية التخمير لأول مرة في عام 1857م من قبل العالم لويس باستير.
يُعرف علم التخمير باسم zymology، والتخمير هي عملية كيميائية تتم في غياب الأكسجين (لا هوائية) وتمر بعدة مراحل.
يعتمد المبدأ الأساسي لعملية التخمير على الحصول على الطاقة من الكربوهيدرات في حالة عدم وجود الأكسجين
تحتاج الكائنات الحية الدقيقة إلى الطاقة التي تتحصل عليها من مواد عضوية تسمى أدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) .
لذلك، يتم في المرحلة الأولى من عملية التخمر تكوين حمض البروفيك عن طريق تحلل السكر، ويتم تجديد المعاون الإنزيمي في الخلايا الذي يشارك في تحلل السكر لإنتاج جزيئات ATP الصافية، وهي نفس عملية التنفس الخلوي.
في المرحلة الثانية من عملية التخمر، يتم تحويل حمض البروفيك إلى حمض اللاكتيك أو الإيثانول أو أي منتج آخر.
أنواع التخمر
يمكن تقسيم عملية التخمر إلى عدة مراحل عند وضع نتائج هذه العملية في الاعتبار
تخمر حمض اللاكتيك
هذه هي طريقة التخمير التي تستخدمها الحيوانات وبعض البكتيريا مثل تلك الموجودة في الزبادي .
تستخدم عملية التخمير هذه بشكل روتيني في خلايا الدم الحمراء في الثدييات والعضلات الهيكلية التي لا تحتوي على كمية كافية من الأكسجين لدعم التنفس الهوائي المستمر.
يتم في هذه العملية تحويل جزيء واحد من الجلوكوز إلى جزيئين من أحماض البيروفيك، ثم يتم تحويل جزيئين من أحماض البيروفيك إلى جزيئين من أحماض اللاكتيك.
تخمر الكحول
يتم استخدام تخمير الكحل باستخدام الإنزيمات لإنتاج الإيثانول والكحول، وهناك نوعان رئيسيان من التخمر الكحولي وتخمير الكحل هو النوع الثاني الأكثر استخداما
يتم تحفيز الحمض البيروفيك بواسطة إنزيم حشوي يسمى بيروفات ديكاربوكسيلاز بالإضافة إلى إنزيم بيروفوسفات الثيامين المستمد من فيتامين ب، ويؤدي هذا التفاعل إلى إزالة مجموعة الكربوكسيل من الحمض البيروفيك، مما يؤدي إلى إطلاق غاز ثاني أكسيد الكربون.
يتم تحفيز التفاعل الثاني بواسطة نازعة هيدروجين الكحول، حيث يتم أكسدة ثنائي نوكليوتيد الأدنين (المعاون الإنزيمي في اللايا) NADH إلى NAD واختزال الأسيتالديهايد إلى الإيثانول.
التخمر في البكتريا
تحدث طرق التخمير الأخرى في البكتيريا وبعض أنواع بدائيات النوى اللاهوائية بشكل اختياري، حيث يمكن لهذه الكائنات التبديل بين التنفس الهوائي والتخمير اعتماداً على توفر الأكسجين.
تستخدم بعض بدائيات النوى مثل كلوستريديا اللاهوائية فقط، أي أنها تعيش وتتنمو في غياب الأكسجين الجزيئي، حيث يعد الأكسجين سمًا لهذه الكائنات الدقيقة، حيث يقتلها عند التعرض له.
ينتج عن جميع أنواع تفاعلات التخمر غازات، باستثناء تخمر حمض اللاكتيك.
يتم الكشف عن تخمر بعض أنواع الكربوهيدرات عن طريق انبعاث غازات معينة، وهذا يساهم في تحديد أنواع البكتيريا في المختبر.
فوائد التخمير
تستخخدم الكثير من التطبيقات عملية التخمير، ولذلك تعد عملية التخمير من العمليات الأساسية في حياة البشر، ومن بين هذه التطبيقات:
- في إنتاج الزبادي (الألبان)
تعمل نوعان من البكتيريا على تخمير الحليب لإنتاج اللبن (الزبادي)، وهذه البكتيريا هي Streptococcus lactis و Lactobacillus bulgaricus أو Lactobacillus acidophilus.
تقوم البكتيريا بامتصاص اللاكتوز من الحليب وتكثيفه، وتنتج مواد كيميائية مثل حمض اللاكتيك والأسيتالديهيد التي تجعل الزبادي لذيذًا للغاية.
- أساسي في صناعة الخبز
عندما يتم إضافة كمية صغيرة من السكر والخميرة إلى عجينة الخبز، يتم تخمير السكر ويتكون غاز ثاني أكسيد الكربون، ويتولى إنزيم الخميرة هذه العملية.
يزيد ثاني أكسيد الكربون الذي يتكون من كثافة الخبز وقوامه، ويمكن إضافة أنواع مختلفة من البكتيريا إلى عملية التخمير لإضفاء النكهة المرغوبة على المنتجات الغذائية.
- يستخدم في إنتاج فيتامين سي
حمض الأسكوربيك أو فيتامين ج هو عنصر غذائي مهم جدًا للإنسان، ويتم إنتاج فيتامين سي بطريقة التخمير في خطوتين. يتم تحويل D-السوربيتول إلى L-سوربوز، ثم يتم تحويل L-سوربوز إلى حمض L-أسكوربيك (فيتامين ج).
تعمل البكتيريا الغلوكونيا Gluconobacter oxydans كوسيط في هذه العملية، وهذا هو السبب الذي يجعل التخمير ذو أهميةكبيرة في إنتاج فيتامين سي.
- يستخدم في إنتاج الوقود
ينتج التخمير بشكل رئيسي كحول الإيثيل أو الإيثانول، ويتم استخدام هذا الإيثانول في إنتاج البنزين الكحولي المعروف باسم Gasohol، وهو مزيج من البنزين والكحول.
يستخدم Gasohol كوقود للسيارات في الولايات المتحدة، ويساعد في تقليل تلوث الهواء.
يتم إنتاج الميثان عن طريق التخمير باستخدام بكتيريا ميثانية رزمية مثل Methonosarcina و Methanothrix، حيث تقوم هذه السلالات بتحويل الأسيتات أو الفورمات إلى ميثان.
- معالجة مياه الصرف الصحي
تلعب عملية التخمير دورًا مهمًا في معالجة مياه الصرف الصحي، حيث تقوم البكتيريا الهوائية في عملية الحمأة المنشطة بإذابة المواد العضوية في مياه الصرف، من خلال عملية التخمير.
- التطبيقات الطبية للتخمر
يستخدم التخمر لإنتاج عدة أنواع من العقاقير والمستحضرات الصيلانية الهامة، منها:
- الأنسولين
- هرمونات النمو
- المضادات الحيوية
- إنتاج اللقاحات
- إنتاج الانترفيرون
الفوائد الصحية للتخمر
توجد فوائد صحية عديدة لتناول المواد الغذائية التي تم صنعها بواسطة عملية التخمر، بما في ذلك:
- تكون غنية بالبروبوبيوتك
يمكن للبروبيوتيك أن يساعد في استعادة توازن البكتيريا النافعة في الأمعاء، مما يحسن صحة الجهاز الهضمي ويساعد في حل بعض المشاكل المرتبطة به.
- يجعل الطعام أسهل في الهضم
تساعد عملية التخمير على تفتيت العناصر الغذائية في الطعام ، مما يجعل هضمها أسهل من الطعام غير المختمر ، على سبيل المثال ، يتم تفتيت اللاكتوز ، وهو السكر الطبيعي الموجود في الحليب ، خلال عملية التخمير إلى سكريات أبسط مثل الجلوكوز والجالاكتوز
- تقوي جهاز المناعة
يحتوي الطعام المخمر على نسبة عالية من البروبيوتيك، ولذلك يساعد تناوله في تعزيز جهاز المناعة وتقليل خطر الإصابة بالأمراض مثل نزلات البرد.