تخمیر یا فرمانتاسیون

[helma.b 3,345]

تخمير پديده‌اي است ناشي از مجموعه فعاليت هاي زيستي که در آن ترکيبات آلي داراي مولکول هاي بزرگ به ترکيبات داراي مولکول هاي کوچک ‌تر و ساده‌ تر شکسته و تجزيه(کاتابوليسم) شده از فرآيند آن علاوه بر ايجاد ترکيبات آلي ساده ‌تر، دي ‌اکسيدکربن و انرژي نيز آزاد مي‌ گردد. با بيان ديگر تخمير تجزيه ناقص بعضي از متابوليت ‌ها(ترکيبات آلي) به ترکيبات ساده‌تر همراه با انرژي توسط عامل تخميري است. در گياهان تخمير بيولوژيکي تنها تخمير الکلي نبوده، ممکن است با کمي تخمير لاکتيک نيز همراه باشد، برخي از سازواره هاي حياتي(ميکروارگانيسم‌ها) مانند قارچ ‌هاي ميکروسکوپي نيز قادر به تخميرهايي مانند تخميرهاي سيتريک و اکساليک روي قندهاي شش کربني(هگزوزها) و تخمير استيک روي الکل اتيليک و غيره هستند. باکتري ها عامل انواع ديگري از تخمير در طبيعت هستند. تخمير بوتيريک سلولز لاشه برگ ‌ها و تجزيه آن ها که سبب افزايش ترکيبات آلي خاک مي ‌شود و هم چنين تخميرهاي تعفني مواد آلي توسط باکتري ها صورت مي ‌گيرد.

 

 

تخمير الکلي

پاستور اولين کسي است که نقش مخمرهاي الکلي را نشان داد. بهترين مثال مخمرها، مخمرهاي خميرترش يا مخمر نانوايي است. اگر اين مخمرها در محيط کشت گلوکز و در حضور اکسيژن کافي قرار گيرند، به شدت تقسيم شده، اکسيژن جذب کرده، دي ‌اکسيدکربن آزاد مي ‌سازند. بيشترين سرعت واکنش هاي ناشي از تنفس و شدت اکسيداسيون گلوکز اين مخمرها که از گروه آسکوميست هستند هنگامي است که تنفس هوازي دارند اگر اين مخمرها در داخل يک ظرف در بسته کشت داده شوند پس از مصرف اکسيژن محدود و معين داخل ظرف و آزاد ساختن گازکربنيک ديگر قادر به تنفس عادي نبوده، شروع به تخمير باقي مانده مواد مي‌ کنند. آغاز تخمير ايجاد اکسيد کربن همراه با اتانول است و بوي اتانول در اين هنگام وقوع عمل تخمير را در محيط کشت معلوم مي ‌کند.

C۶H۱۲O۶————>۲C۲H۵OH + ۲CO۲ :∆G = -۳۳ Kcal تخمير

C۶H۱۲O۶ + ۶O۲————>۶CO۲ + ۶H۲O :∆G = ۶۸۶ Kcal

 

تنفس تخمير هميشه با تشکيل الکل همراه نيست، در تخمير ترکيبات ديگري مانند گليسيرول نيز بوجود مي‌ آيند. پيدايش ترکيبات فرعي غير از الکل در پديده تخمير و حضور اين ترکيبات در محيط عمل از نظر ادامه تغيير اهميت فراوان دارد. رشد مخمرها در شرايط تخميري(تنفس بي ‌هوازي) بسيار کند است، در شرايط تخمير انرژي آزاد شده از مقدار معيني مواد قندي مانند يک گرم گلوکز محلول، درحدود ۲۱ بار کمتر از حالت تنفس عادي(هوازي است) انرژي حاصل از پديده تخمير بيشتر به صورت حرارت تلف مي ‌شود. محيط در حال تخمير نسبت به محيطي که در آن تنفس عادي صورت مي‌ گيرد بسيار گرم‌تر است.تخمير الکلي تحت اثر مجموعه در همي‌ از آنزيم ‌هاي درون سلولي به نام (زيماز) صورت مي ‌گيرد. مجموعه آنزيمي هنگامي که مخمرهاي آن زنده باشند بيشترين اثر تخميري را دارند. بازده تخميري آنزيم ‌ها در خارج از سلول بسيار ضعيف ‌تر از آنزيم ‌هاي داخل سلول زنده است. بين اثر طبيعي آنزيم‌ها، نيروي زيستي و ساختار سلولي مخمرها بستگي‌ هايي وجود دارد و به اصطلاح تخمير پديده‌اي درون سلولي است و آنزيم ‌هاي استخراج شده از مخمرها در خارج از سلول بخش مهمي از قدرت تخميري خود را از دست مي ‌دهند.

 

تخمير واقعي يا حقيقي

هنگامي در ذخاير قندي يک بافت پيش مي ‌آيد که در شرايط عادي از هوا قرار داشته، در آن تنفس بي هوازي پيش آيد. اگر بخشي از يک بافت ذخيره‌اي داراي مواد قندي، مانند قطعاتي از غده چغندر بخش از ميان بر ميوه ‌هاي آبدار و شيرين مثل انگور را داخل يک ظرف در بسته با مانومتر قرار دهيم، در بافت ‌هاي قطعات مزبور ابتدا تنفس عادي با جذب اکسيژن و دفع دي‌اکسيدکربن صورت مي ‌گيرد.از آن جا که اکسيدکربن حاصل از تنفس عادي بعدا در داخل شيره واکوئلي سلول هاي بافت حل مي ‌شود، فشار داخلي ظرف با جذب اکسيژن موجود به تدريج کم مي ‌شود وقتي اکسيژن درون ظرف تمام شده به ناچار شرايط بي‌ هوازي(تخمير) پيش آمده، با ازدياد تدريجي اکسيدکربن و الکل در ظرف، بالا رفتن فشار داخلي آن شروع مي ‌شود. تخمير به ‌وسيله خود بافت ها و بدون حضور ميکروارگانيسم‌ ها و مخمرها صورت گرفت. اين تخمير که در کليه بافت هاي گياهي، ميوه‌ هاي سبز مانده در تاريکي و حتي در جلبک ‌ها و قارچ‌ ها نيز کم و بيش ديده مي‌ شود تخمير درون بافتي و عاري از مخمر مي ‌گويند.تخمير درون بافتي در بسياري از دانه‌هاي جوان مانند نخود که پوسته آن نسبت به اکسيژن تا اندازه‌اي قابل نفوذ است و هم چنين در بيشتر ميوه‌ هاي آبدار که اکسيژن در بافت هاي داخلي آن ها معمولاً کم است امري عمومي است. بويژه اگر مقدار زيادي ميوه در يک جا انبار شود، موجبات و شرايط تخمير در آن ها کاملاً فراهم مي ‌شود. با توجه به مطالب فوق و تخمير درون بافتي، بايد آن را پديده‌اي عمومي در گياهان دانست و توجه به اين امر که آنزيم ‌هاي تشکيل دهنده زيماز منشا گياهي دارند، تخمير را بايد امري طبيعي در گياهان به شمار آورد. پديده تخمر درون ‌بافتي با مرگ ياخته ‌هاي بافت مورد تخمير معمولاً ارتباط ندارد، اگر بافت هاي در حال تخمير در هواي آزاد قرار داده شوند، تخمير دروني آن ها متوقف شده تنفس عادي مجدداً آغاز مي‌ شود. تخمير در گياهان فقط از نوع الکلي نيست همراه با ايجاد الکل ترکيبات ديگري مانند جوهر ليمو (اسيد سيتريک)، اسيد ماليک، اسيد اکساليک و اسيد تارتاريک نيز کم و بيش بوجود مي ‌آيند.

 

شدت تخمير و اندازه گيري آن

شدت تخمير را با قرار دادن اندام داراي ذخيره قندي مانند دانه‌ ها، غده‌ ها و يا ميوه ها در يک محيط فاقد اکسيژن و داراي ازت مي‌ توان به دقت اندازه گرفت و براي اين سنجش از روش اندازه گيري دي‌اکسيدکربن آزاد شده نيز مي ‌توان استفاده کرد. ولي چون واکنش هاي ديگر هم ‌زمان با تخمير مي ‌توانند CO۲ متصاعد کنند اين روش ممکن است دقيق نباشد. بنابراين اندازه گيري مقدار الکل توليد شده از تخمير معمولاً بهتر مي‌ تواند معرف و تعيين کننده شدت تخمير باشد. مقدار الکل حاصل از تخمير در واحد زمان در يک ترکيب قندي تقريباً معادل همان نسبتي است که از اندازه گيري شدت تنفس به دست مي ‌آيد.

 

ساز و کار تخمير

ساز و کار تخمير الکلي تقريباً مشابه ساز و کار(مکانيسم) تنفس عادي است و در بيشتر پيامدهاي واکنشي، همانند هم هستند. براي مطالعه مکانيسم تخمير، به واکنش هاي تخمير الکلي مي ‌پردازيم. تخمير الکلي فقط روي گلوسيدها صورت گرفته، خود شامل دو مرحله است:

– مرحله اول انتهاي پيامدهاي واکنشي که حالت زنجيره‌اي دارند، همان مسير EMP يا گليکوليز است که به تشکيل اسيد پيروويک ختم مي ‌شود.

– مرحله دوم با تجزيه اسيد پيروويک که خود سرآغاز پيامدهاي واکنشي جداگانه‌اي است که به هيچ وجه ادامه يا بخشي از مسير گليکوليز نيست شروع مي ‌شود. اسيد پيروويک با آن که در آخر مسير گليکوليز و پايان تمام پيامدهاي زنجيره‌اي آن مانند هگزوزها، تري اوزها و همه اوزهاي شکسته و تخريب يافته قرار دارد خود از گلوسيدها به شمار نمي ‌آيد. شروع تخمير الکلي از راه گليکوليز با استالوئيد است. استالوئيد را مي ‌توان به ‌وسيله سولفيت سديم از عصاره ‌هاي تخميري به صورت بي ‌سولفيت جدا و استخراج نمود. در تخمير الکلي به ازاي مصرف هر مول گلوکز دو مول NADPH۲ دو مول ATP و دو مول اسيد پيروويک حاصل مي ‌شود.در دومين مرحله تخمير که تبديل اسيدپيروويک به الکل اتيليک است N ADH۲ حاصل از مسير گليکوليز مصرف و تبديل شده، از تمام واکنش ها فقط دومول ATP که حاصل از فسفريلاسيون ‌هاي وابسته به متابوليت هاي اين مرحله است باقي خواهد ماند واکنش کلي تبديل گلوکز به الکل اتيليک بطور خلاصه عبارت است از: C۶H۱۲O۶۲CH۳CH۲OH+۲CO۲ + ۲ATP بازده نظري تخمير در حدود ۴۴% و کمي بيش از بازده تنفس است. تجزيه گلوکز در واکنش هاي تخميري ناقص بوده از آن فقط ۲ مول ATP حاصل مي‌ شود. در فرآيندهاي تنفس تجزيه گلوکز بطور کامل صورت گرفته، ۳۶ مول ATP از آن نتيجه مي‌ شود.