تخمیر( Fermentation )
کلمه تخمیر از کلمه لاتین “fervere” گرفته شده، و به‌معنایِ جوشیدن می‌باشد. به‌طور کلی، تخمیر یا Fermentation یک فرایند متابولیکی است که در آن به کمک آنزیم‌ها، تغییراتی در مواد آلی ایجاد می‌شود. در بیوشیمی تخمیر را فرایند استخراج انرژی از کربوهیدرات‌ها بدون حضور اکسیژن تعریف می‌کنیم. انسان از سال‌های بسیار دور از تخمیر برای تغییر مواد غذایی و تولید مواد مفید استفاده می‌کرده است.
تاریخچه:
تاریخ تخمیر به 10000 سال قبل از میلاد مسیح برمی‌گردد؛ زمانی که اولین تمدن بشری در منطقه‌ای به نام هلال حاصلخیز (خاورمیانه امروزی) ظهور کرد. از دوران باستان، تخمیر بیشتر به‌عنوان ابزاری برای نگهداری مواد غذایی مورد استفاده قرار گرفت.
با شروع حدود 5000 سال قبل از میلاد، سومری‌ها و مصری‌ها غذاهای زیادی را با استفاده از تخمیر تولید کردند؛ مثل نان، شراب و آبجو، ولی آن‌ها دانشی برای توضیح دقیق نحوه تولید آن محصولات و همچنین دلیل وقوع تخمیر نداشتند. بنابراین، معمولاً تخمیر را معجزه‌ای از خدایان‌شان می‌دانستند.
لویی پاستور، شیمیدان فرانسوی، به‌عنوان اولین «مخمرشناس» (Zymologist) شناخته شده است و در سال ۱۸۵۷ ارتباط بین مخمر و فرایندهای تخمیری را شرح داد. او تخمیر به‌دلیل رشد میکروارگانیسم‌ها را به اثبات رساند و همچنین توانست ارتباط بین رشد میکروارگانیسم‌ها، با نظریه تولید خود به خودی را رد کند.
در قرن نوزدهم نیز لویی پاستور از اصطلاح تخمیر برای توصیف تغییرات ایجادشده در رشد مخمرها و باکتریها و دیگر میکروارگانیسم‌ها در شرایط نبود اکسیژن(O2) استفاده کرد و پی برد که اتانول و دی‌اکسید کربن، در واقع تنها محصولات فرایند تخمیری نیستند و آن را با نام تنفس بدون هوا معرفی نمود (اثر پاستور).
شیمیدان آلمانی «ادوارد بوچنر» (Eduard Buchner)، برنده جایز نوبل سال ۱۹۰۷، پی برد که عصاره مخمر بدون حضور سلول‌های زنده قارچ، می‌توانند تخمیر بی‌هوازی قند به الکل را انجام دهند. در واقع تخمیر توسط ترشحاتی از مخمرها انجام می‌شود که آن‌ها را (Zymase) نام‌گذاری کرد. این آزمایش شامل یک عصاره بدون سلول از مخمر است که در محیط فاقد اکسیژن، قندها را تخمیر می‌کند.
در دهه 1920 دانشمندان کشف كردند كه در صورت نبود یا کمبودO2 ، می‌توان لاکتات را از سلول‌های عضله، که از گلوكز تشکیل شده‌اند، استخراج کرد. همین‌طور پی‌بردند که ترکیبات واسطه‌ای که در تخمیر جو ایجاد می‌شود، توسط سلول‌های ماهیچه‌ای نیز تولید می‌شوند و درواقع نشان دادند که واکنش‌های تخمیر، جز عملکرد مخمر نیست، بلکه در بسیاری از مسیرهای دیگر مصرف گلوکز نیز رخ خواهد داد.
آیا اطلاع دارید چگونه مردم باستان از تخمیر برای نگهداری غذا استفاده می‌کردند؟
امروزه پی بردیم که این امر به‌دلیل تولید اسید لاکتیک که از رشد سایر میکروارگانیسم‌ها و از پوسیدگی باکتری‌های ناخواسته در غذا جلوگیری می‌کند، امکان‌پذیر است.
انواع تخمیر و مسیر انجام آن
تخمیر (Fermentation) فرایندی است که توسط آنزیم‌ها کاتالیز شده و باعث تولید انرژی می‌شود. در این فرایند، ترکیبات آلی به‌عنوان گیرنده و دهنده الکترون عمل می‌کنند. همچنین تخمیر می‌تواند در صورت نبود O2 نیز بدهد.
تخمیر به دو نوع اصلیِ تخمیر اسید لاکتیک و تخمیر الکلی تقسیم می‌شود و ما از هر دو نوع در زندگی استفاده می‌کنیم.
تخمیر اسید لاکتیک:
باکتری‌هایی به نام لاکتوباسیلوس، رایج‌ترین گونه‌های مورد استفاده در صنایع برای تخمیر اسید لاکتیک هستند.
تخمیر اتانول:
تخمیر اتانول که توسط مخمر و برخی از انواع باکتریها انجام می‌شود، پیروات را به اتانول و دی‌اکسید کربن تجزیه کرده و در اصل مخمر در اینجا باعث فرآیند تخمیر می‌شود. در تخمیر الکلی NADH الکترون‌های خود را به پیروات منتقل کرده و از این طریق باعث تولید اتانول خواهد شد.
تبدیل پیروات به اتانول در دو مرحله انجام می‌شود:
در مرحله اول یک گروه کربوکسیل از پیروات جدا شده و به شکل دی‌اکسید کربن آزاد می‌شود که در این حالت باعث ایجاد یک مولکول دو کربنی به نام استالدهید می‌شود.
در مرحله دوم، NADH الکترون‌های خود را به استالدهید انتقال می‌دهد که باعث تولید اتانول و +NAD می‌شود.
شایع‌ترین میکروارگانیسم مورد استفاده در صنایع برای تخمیر الکلی، مخمر ساکارومایسس سرویزیه است. در واقع مخمر ساکارومایسس سرویزیه، مهم‌ترین مخمر صنعتی برای تولید محصولات بیوشیمیایی، پروتئین‌های نوترکیب و پروتئین‌های تک‌یاخته است.
یک واقعیت عجیب در مورد تخمیر الکلی وجود دارد و آن این است که تولید گاز CO2 در طی تخمیر الکلی، چیزی است که نام این فرآیند را به خود اختصاص داده است. حباب‌های CO2 تولیدشده در طول فرآیند تخمیر، باعث می‌شود مایع در حال جوشیدن به نظر برسد.
تخمیر، اولین استفاده انسان از بیوتکنولوژی
استفاده از تخمیر، یکی از عوامل اصلی توسعه بشریت است. در واقع می‌توان آن را اولین استفاده از بیوتکنولوژی[2] دانست. تخمیر به ما نشان می‌دهد که میکروارگانیسم‌ها می‌توانند منبع بیوتکنولوژیکی بزرگی باشند.
از زمانی که فناوری تخمیر برای اولین بار توسعه یافت، این فناوری به‌طور قابل توجهی پیشرفت کرد و برای زنجیره غذایی جهان بسیار مهم جلوه کرد. امروزه تخمیر برای بسیاری از صنایع حمایت‌کننده از جامعه بشری، ضروری است؛ درست مانند 10000 سال قبل از میلاد! جمعیت رو به رشد جهان، تقاضای زیادی برای غذا ایجاد کرده و همین باعث شده است که از تخمیر در مقیاس بسیار بزرگ‌تری برای برآورده کردن نیازهای غذایی جدید استفاده شود.
طبق گفته دانشمند Steinkraus در سال 1995، تخمیر غذا پنج هدف اصلی دارد:
۱. غنی‌سازی رژیم غذایی از طریق ایجاد تنوع طعم، عطر و بافت در بسترهای غذایی
۲. حفظ مقادیر قابل توجهی از غذا از طریق اسید لاکتیک، الکل، اسید استیک و تخمیر قلیایی
۳. غنی‌سازی بیولوژیکی بسترهای غذایی با استفاده از پروتئین، اسیدهای آمینه ضروری، اسیدهای چرب ضروری و ویتامین‌ها
۴. سمزدایی در طی فرآیند تخمیر مواد غذایی
۵. کاهش زمان پخت و نیاز به سوخت
غذا را می‌توان با تخمیر حفظ کرد، زیرا تخمیر انرژی غذا را مصرف می‌کند و می‌تواند شرایط را برای میکروارگانیسم‌های نامطلوب نامناسب کند. همچنین می‌تواند مواد مغذی مهمی تولید، یا مواد غیرمغذی را حذف کند. به‌عنوان مثال، در ترشی اسید تولیدشده توسط باکتری‌های غالب از رشد سایر میکروارگانیسم‌ها جلوگیری می‌کند.
کاربردهای تخمیر در بیوتکنولوژیکی
به لطف فرآیند بیوتکنولوژیکی خیلی قدیمی، می‌توان نان کرکی یا ماست خوشمزه خورد. کاربردهای زیادی در رابطه با مواد غذایی برای تخمیر وجود دارد. حتما در مورد کفیر شنیده‌اید که یک محصول لبنی است و از تخمیر شیر به دست می‌آید. این کار با استفاده از انواع خاصی از میکروارگانیسم‌ها انجام می‌شود که یک محصول خامه‌ای شبیه به ماست تولید می‌کند. تخمیر سبزیجات، مانند کلم موجود در کلم ترش و کیمچی، رایج است و می‌تواند طعم‌های جدید، شگفت‌انگیز و خوشمزه‌ای ایجاد کند. همچنین تولید پنیر، که خیلی از مردم آن را دوست دارند، شامل تخمیر به‌عنوان یک مرحله اساسی و مهم است.
سه دلیل مهم بودن تخمیر برای تولید غذا، جنبه‌های دگرگون‌کننده، نگرانی‌های سلامتی و خوشایند کردن جوانه‌های چشایی ما می‌باشد. منظور ما از جنبه‌های دگرگون‌کننده، تغییر چیزی مثل آرد به محصولی است که مردم به آن نیاز دارند، مانند نان. اگر نانوایی بدون استفاده از مخمر نان درست کند، محصول به جای اینکه نان پف دار باشد، قوام سنگین و سختی خواهد داشت. همچنین گاز CO2 تولیدشده توسط تخمیر برای بافت و طعم نان اساسی و مهم است.
آیا تا به حال فکر کرده‌اید که برخی از میکروارگانیسم‌ها می‌توانند انسان را سالم‌تر کنند؟
خب، پروبیوتیک‌ها محصولاتی هستند که قادر به انجام این کار هستند.پروبیوتیک‌ها میکروارگانیسم‌هایی هستند که باعث بهبود درسلامتی و سلامت روده می‌شوند. با تخمیر غذا در روده، این باکتریها می‌توانند رشد کرده و رشد پاتوژن را مهار کنند و در نتیجه فرد دستگاه گوارش سالم‌تری داشته باشد.
تخمیر علاوه‌بر کاربرد در فرآوری مواد غذایی، کاربردهای بیوتکنولوژیکی زیاد دیگری نیز دارد. دانشمندان از تخمیر برای تولید برخی از داروهایی که در زمان بیماری مصرف می‌شود، استفاده می‌کنند، مثل داروهایی که می‌توانند باکتریها و ویروس‌های مضر را از بین ببرند یا از رشد آن‌ها جلوگیری کنند (آنتی‌بیوتیک‌ها و داروهای ضدویروسی). به‌عنوان مثال در طول فرآیند تخمیر، قارچ‌های جنس پنی‌سیلیوم، یکی از اولین آنتی‌بیوتیک‌های کشف‌شده، یعنی پنی‌سیلین را تولید کردند که جان هزاران نفر را نجات داده است.
آیا تا به حال تصور می کردید که از میکروب‌ها برای تولید سوخت استفاده شود؟
هنگامی که مردم اتانول را در اتومبیل خود قرار می‌دهند، از یک مزیت دیگر تخمیر میکروبی بهره می‌برند. (برای مطالعه بیشتر به مقاله سوخت زیستی موجود در سایت مراجعه شود). سوخت اتانول یک سوخت زیستی است که جایگزینی برای بنزین هست که به‌عنوان یک منبع تجدیدپذیر انرژی در نظر گرفته می‌شود. در واقع می‌توان آن را به‌سرعت و بدون نیاز به حفاری نفت به‌عنوان منبع آن پر کرد.
اتانول از چه چیزی ساخته شده است؟
اتانول را می‌توان از طیف وسیعی از گیاهان مانند ذرت، نیشکر یا چغندرقند تهیه کرد. این گیاهان حاوی قندهایی هستند که می‌توانند توسط برخی از مخمرها و باکتریها برای تأمین انرژی مورد استفاده قرار گیرند. هنگامی که میکروارگانیسم‌ها قندها را تحت سطوح کم‌اکسیژن تجزیه می‌کنند، این قندها از طریق تخمیر به اتانول تبدیل می‌شوند. در واقع همون تخمیری که بالا در موردش بحث کردیم.
نویسنده: پانته‌آ سهیلی دوست
