تخمیر چیست | مقاله جامع و کامل

تخمیر به معنای جوشیدن یا خروشیدن (Bubbling) است که معادل واژه «Fermentation» می‌باشد و به علت ایجاد گاز CO₂ و منظره کف آلود و در حال جوشش در تخمیر به این نام خوانده می‌شود. در این فرایند مواد نشاسته‌ای الکل ایجاد می‌شود، اما سالیان طولانی تبدیل قند به الکل را یک واکنش شیمیایی در نظر می‌گرفتند.

در سال 1876 پاستور برای اولین بار متوجه شد که عامل این تغییر میکروارگانیسم‌ها هستند ولی پاستور تخمیر را یک فرآیند بی‌هوازی توصیف نمود. بدین ترتیب ماهیت تخمیر الکلی به عنوان فرآیند زیستی روشن گردید و مشخص شد که تبدیل قند به الکل توسط موجودات میکروسکوپی انجام می‌گیرد و آلودگی مایع قابل تخمیر به میکروب‌های دیگر، سرنوشت تولید الکل را تغییر داده و موجب فساد آن می‌شود.

Hansen در سال 1896 از کشت مخمر برای تولید الکل در کارخانه کارلزبرگ در کپنهارگ استفاده کرد و در سال 1897 بوخنر نشان داد که عصاره فاقد سلول مخمر می‌تواند قند سوکروز را به اتانول تبدیل کند و بدین ترتیب بوخنر نقش آنزیم‌ها را در چگونگی فعالیت میکروارگانیسم‌ها اثبات نمود. چند سال بعد تاکامین دانشمند ژاپنی تولید دیاستاز (مجموعه مواد شیمیایی تجزیه کننده) را از کشت قارچ آسپرژیلوس اریزیه بر روی سبوس گندم و خیسانده برنج به راه انداخت.

مفهوم تخمیر

در حال حاضر تخمیر مفهوم گسترده‌ای پیدا کرده و در مورد فعالیت متابولیکی میکروارگانیسم‌ها (چه هوازی و چه بی‌هوازی) به کار برده می‌شود. در میکروارگانیسم‌های تخمیری، دهنده و گیرنده هیدروژن یک ماده آلی است. در مفهوم جدید تخمیر را یک نوع Bioconversion (تبدیل یک ماده آلی به ماده آلی دیگر) می‌دانند و آن را یک واکنش اکسیداسیون احیای ساده محسوب می‌کنند.

ارگانیسم‌های صنعتی عموماً از محیط‌هایی مانند آب، خاک و هوا جدا می‌شوند. پس از جداسازی و تهیه کشت خالص، از محفظه‌های بزرگ حاوی محیط کشتی به نام بیوراکتور یا فرمانتور برای تولید میکروارگانیسم‌های صنعتی استفاده می‌شود. طراحی و استریلزاسیون فرمانتورهای مورد استفاده بر اساس نوع تخمیر و محصول ایجادی متفاوت است. همچنین روش‌ها و ابزار مورد نیاز برای تشخیص (Detection) و سنجش (Assay) محصولات شیمیایی حاصل از فعالیت میکروب‌ها نیز از جنبه‌های دیگر میکروب شناسی صنعتی محسوب می‌شود.

در فرآیندهای تخمیری تنظیم منبع غذایی یا مواد اولیه مورد استفاده اهمیت عمده‌ای دارد. در صورتی که منبع اولیه غذایی و میزان تلقیح میکروارگانیسم کم باشد، میکروارگانیسم فرصت انتخاب راه متابولیکی دیگری را پیدا می‌کند. مثلاً اگر مخمر ساکارومیسس سروزیه را در غلظت قندی 4% کشت دهیم، فقط توده سلولی Mass Product را خواهیم داشت. در صورتی که اگر در غلظت قندی 10% کشت دهیم، علاوه‌بر توده سلولی میکروارگانیسم از راه متابولیکی امبدن – میرهوف، تخمیر الکلی را انجام داده و الکل ایجاد می‌نماید.

راه‌های مختلف تخمیر

در یک فرآیند تولید میکروبی با توجه به این که محصول متابولیت اولیه یا ثانویه باشد، روش‌های مختلفی برای تخمیر به کار گرفته می‌شود که در قسمت زیر به آن‌ها اشاره کرده‌ایم.

• بسته یا ناپیوسته
• باز
• تثبیت سلولی
• در بستر جامد

یکی از نکات ضروری در انجام فرآیند تخمیر، استریل کردن است. باید محیط کشت و هوای ورودی به داخل فرمانتور استریل باشد. همه تجهیزات قبل از استفاده با آب گرم تمیز می‌شوند و در مرحله بعد با استفاده از جریان بخار عمل استریل کردن انجام می‌گیرد. برای موفقیت‌آمیز بودن عمل استریل کردن باید بخار به تمامی قسمت‌ها برسد.

به این منظور فرمانتور باید کاملاً از هوا تخلیه شود تا بخار قادر به نفوذ به همه قسمت‌های درون آن باشد. این امر مستلزم طراحی‌های خاصی به ویژه در محل اتصالات فرمانتور است. به علاوه تمام سطح فرمانتور باید کاملاً صاف باشد و محل جوش خوردگی‌ها پوشش داده شود. سطوح ناصاف هرچند بسیار جزئی باعث ایجاد محلی برای اجتماع میکروارگانیسم‌های آلوده کننده فرمانتور می‌شود. هوای ورودی به درون فرمانتور نیز با عبور از فیلتر استریل می‌گردد.

فاکتورهای مهم در طراحی فرآیندهای تخمیری

خصائص فیزیولوژیک میکروارگانیسم‌ها یا در حقیقت راه متابولیکی که میکروارگانیسم‌ها انتخاب می‌نمایند، تعیین کننده نحوه تخمیر یا تولید یک محصول است. هر فرآیند تخمیری با یک فرمانتور استریل حاوی محیط کشت استریل آغاز می‌شود. به این فرمانتور باید میکروارگانیسم مورد نظر تلقیح شود. به طور کلی حجم تلقیح اولیه نباید از 1 تا 10 درصد حجم کل محیط کشت کمتر باشد.

در صورتی که حجم تلقیح اولیه کمتر از این مقدار باشد ممکن است باعث طولانی شدن فاز تأخیری و در نتیجه طولانی شدن مدت زمان لازم برای تخمیر شود. در مورد فرمانتورهای کوچک با ظرفیت 10 تا 20 لیتر، از محیط کشت تهیه شده در یک ارلن مایر می‌توان به عنوان مایه تلقیح استفاده نمود ولی اگر حجم فرمانتور از این حد بیشتر باشد، باید مایه تلقیح را قبلاً در یک فرمانتور کوچکتر تهیه نمود.

فرآیندهای پس از تخمیر (Downstream Processing)

وقتی که تخمیر کامل شد، مرحله ضروری بعدی بازیابی فرآورده مورد نظر است. این مرحله دست کم شامل جداسازی سلول‌ها از محیط کشت و خالص سازی متابولیت‌ها با شکستن سلول‌ها یا بدون شکستن آن‌ها می‌باشد. بعضی از سلول‌ها پس از پایان تخمیر به سرعت ته‌نشین می‌شوند. این عمل را می‌توان با افزودن مواد فلوکوله کننده تسریع نمود. بسیاری از مواد فلوکوله کننده پلی الکترولیت‌هایی هستند که باعث خنثی سازی بار الکتریکی سطح سلول‌ها می‌شوند. سلول‌ها به واسطه همین بار الکتریکی و نیروی الکترواستاتیکی است که در محلول به حالت معلق باقی می‌مانند.

راه متابولیکی تخمیر الکلی (امبدن – میرهوف)

پدیده تخمیر الکلی

اساس پدیده تخمیر الکلی، مبتنی بر تأثیر آنزیم‌های تراوا از پیکر مخمرهای گروه Saccharomyces و تبدیل قند به الکل و گاز کربنیک است. اولین بار لاوازیه رابطه زیر را بیان کرد.

C₆H₁₂O₆ ➜ 2C₂H₅OH + 2CO₂

هرچند رابطه بالا اساس تخمیر را بیان می‌کند ولی این فرمول ساده را نمی‌توان برای انجام این تبدیل مهم شیمیایی فرمول کاملی دانست. مطالعات پاستور نشان داد که تخمیر به سادگی که لاوازیه پنداشته بود نمی‌باشد. لویی پاستور به این نتیجه رسید که در تخمیر مواد اضافی دیگری مثل اسید استیک و اسید لاکتیک نیز می‌توانند ایجاد شوند.

پاستور ثابت کرد که فرآیند تخمیر بیولوژیک است و به دلیل فعالیت میکروارگانیسم‌ها می‌باشد. پاستور به غلط اعتقاد داشت که برای انجام تخمیر حیات میکروارگانیسم‌ها ضروری می‌باشد، ولی یک محقق آلمانی از پیکر مخمرها ماده‌ای استخراج کرد که با اضافه کردن آن به آب انگوری که عاری از مخمر زنده بود، عمل تخمیر انجام شد. این دانشمند نام این ماده را Zymase گذاشت و به فرضیه زیماس معروف گشت که در اصل مخلوطی از آنزیم‌های مختلف است.

میکروارگانیسم‌های مؤثر

میکروارگانیسم‌های مؤثر در تخمیر الکلی متعدد می‌باشند که یکی از مهم‌ترین آن‌ها مخمر Saccharomyces Cervisiae است. گونه‌های دیگری از مخمرها هم وجود دارند که تخمیر الکلی را انجام می‌دهند مثل Saccharomyces Carlsbergenis ، Saccharomyces Ellipsoideus ،Saccharomyces Fermenti و Saccharomyces Oviformis. اما از همه این‌ها مهم‌تر Saccharomyces Cervisiae است، چون تولید مثل این مخمر سریع و بازده تخمیر الکلی آن هم بالاست. یکی از مهم‌ترین اهداف در تخمیر الکلی، تبدیل ضایعات کشاورزی و تولید الکل برای جایگزین شدن آن با نفت می‌باشد.

تاریخچه استفاده از الکل در کشورهای مختلف

هند از اولین کشورهایی است که قبل از سال 1973 از الکل به عنوان منبع سوخت استفاده کرد و پس از هند کشورهایی مثل برزیل نیز صنعت تخمیر الکلی را افزایش دادند. در برزیل بیش از 500 مرکز صنعت تخمیر الکل وجود دارد. در سال 1980 برزیل 20 درصد سوخت وسایل نقلیه‌اش مثل سوخت ماشین را از الکل تأمین نمود.

بزرگترین تولیدکننده الکل در دنیا آمریکا می‌باشد که در سال بیش از 980 هزار تن الکل تولید می‌کند که بیشتر آن‌ها به مصارف صنعتی و شیمیایی می‌رسد. در برخی از کشورها الکل را با بنزین مخلوط کرده‌اند و سوخت جدیدی را از این مخلوط به دست آورده‌اند که در اصل مخلوط 9 به 1 بنزین به علاوه الکل است که نام آن را Gasohol گذاشته‌اند.

آنزیم‌های تولید شده توسط مخمرها

یکی از مهم‌ترین آنزیم‌هایی که مخمرها تولید می‌کنند Sucrase است که قند Sucros را به گلوکز و فروکتوز تبدیل می‌کند (Invertase). مخمرها در هنگام تخمیر مواد ثانویه دیگری هم مثل گلیسیرین، اسید سوکسینیک، الکل آمیلیک و CO₂ تولید می‌کنند که نوع این مواد ثانویه به شرایط هوازی و بی‌هوازی بودن محیط، غلظت مواد قندی، نوع مخمر، PH محیط، وجود املاح و حتی مواد ازته بستگی دارد.

گذشته از این ممکن است میکروارگانیسم‌های دیگری هم در محیط وجود داشته باشند که قند و الکل را به مواد ثانویه دیگری تبدیل می‌کنند. مخمرها حرارت پایین را به خوبی تحمل می‌کنند. بهترین درجه حرارت برای مخمرها 25 تا 35 درجه سانتیگراد است ولی حرارت‌های بالاتر باعث کاهش قدرت مخمرها و افزایش محصولات ثانویه می‌شود. در حرارت 37 درجه سانتی گراد فعالیت مخمرها متوقف می‌شود و در حرارت 70 درجه سانتیگراد پس از مدتی مخمرها از بین می‌روند.

نشاسته به ندرت به وسیله مخمرها به عنوان یک سوبسترا مورد استفاده قرار می‌گیرد. تنها جنس Saccharomyces که توانایی استفاده از نشاسته را دارد S.diastticus می‌باشد. همچنین بعضی از مخمرها توانایی استفاده از آب پنیر را به عنوان سوبسترا دارند، چون توانایی استفاده از قند لاکتوز جهت تخمیر الکل را دارا می‌باشند.

در بعضی از کشورهای گرمسیری مثل آفریقا و برخی کشورهای آمریکای جنوبی از باکتری‌ها برای تهیه الکل استفاده می‌کنند. باکتری‌های متعلق به جنس Zymomonas که جزء باکتری‌های گرم منفی هستند توانایی تخمیر الکل را دارند. گونه معروف این جنس Z.mobilis می‌باشد. از مزایای عمده این باکتری‌ها این است که گلوکز را سریعاً مصرف می‌کنند و قادر هستند به ازاء هر مول گلوکز بیش از یک و نیم مول الکل تولید کنند. این باکتری‌ها به طور کلی در شرایط بی‌هوازی رشد می‌کنند ولی راندمان تولید الکل این باکتری‌ها خیلی پایین است.

رشد مخمرها

مخمرها معمولاً زمانی که در شرایط هوازی قرار می‌گیرند، شروع به تکثیر سریع می‌کنند ولی زمانی که در شرایط بی هوازی قرار می‌گیرند تخمیر الکلی را انجام می‌دهند. پس برای انجام تخمیر در ابتدا هوادهی انجام می‌شود و این عمل باعث می‌شود که مخمرها رشد سریع‌تر و بیشتری داشته باشند. زمانی که رشد مخمرها به حد قابل قبولی رسید، آنها را تحت شرایط بی هوازی قرار می‌دهند و این عمل باعث می‌شود که مخمرها از راه متابولیکی Embden – Meyerhof الکل تولید کنند.

مخمرها قند (گلوکز) را از این راه بیوشیمیایی مصرف و تجزیه می‌کنند و از هر مول گلوکز دو مول پیروات تولید می‌نمایند. اما برخلاف متابولیسم هوازی، پیروات به Acetyl.coA مبدل نمی‌شود بلکه در اثر دکربوکسیلاسیون، استالدئید تشکیل می‌شود. آنزیمی که این واکنش را کاتالیز می‌کند، پیروات دکربوکسیلاز نام دارد.

از نظر بازده در طی این راه بیوشیمیایی به ازاء هر مولکول گلوکز دو مولکول ATP تولید می‌شود که طبیعی است این مقدار ATP (انرژی) نمی‌تواند تأمین کننده نیاز انرژیتیکی این مخمرها باشد و این مقدار انرژی خیلی کمتر از متابولیسم هوازی است. پس در پاسخ به این اختلاف و کمبود انرژی وقتی که مخمرها از شرایط هوازی به شرایط بی هوازی منتقل می‌شوند میزان مصرف گلوکز (قند) 75 درصد افزایش پیدا می‌کند.

به این ترتیب با مصرف بیشتر قند جبران انرژی کم حاصل از تخمیر انجام می‌شود. بر عکس وقتی مخمرها از شرایط بی‌هوازی وارد شرایط هوازی می‌شوند، تجزیه گلوکز کاهش می‌یابد و باعث توقف تخمیر الکلی می‌شود که اصطلاحاً به این پدیده اثر پاستور (Pasteur Effect) می‌گویند.

مواد اولیه جهت تولید الکل

مهم‌ترین قندهایی که برای تخمیر توسط مخمرها مورد استفاده قرار می گیرند، قندهای شش کربنه (هگزوزها) هستند مثل گلوکز که در میوه‌ها و عسل وجود دارد. انگور حدود 20 تا 30 درصد قند گلوکز و فروکتوز دارد، به همین دلیل برای تخمیر الکلی مناسب است. از جمله موارد دیگر سیب، خرمالو و خرما است که در این میوه‌ها علاوه بر گلوکز و فروکتوز قند Sucrase نیز وجود دارد که همگی برای تخمیر الکلی مناسب می‌باشند.

اما یکی از مهم‌ترین سوبستراها و مواد اولیه مصرفی که برای تخمیر الکلی مورد استفاده قرار می‌گیرد ملاس چغندر قند (Beet Molasses) است. در ملاس حدود 45 تا 55 درصد Sucrase وجود دارد که مخمر با استفاده از آنزیم Sucrase Invertas آن را به گلوکز و فروکتوز تبدیل می‌کند. همچنین برای تخمیر الکلی می‌توان از مواد نشاسته‌ای مثل ذرت و سیب‌زمینی که در طبیعت به وفور یافت می‌شوند نیز استفاده کرد.

گردآورنده : احسان اندیشمند (مدیر فنی شرکت تولیدی زکریا جهرم)