Πώς λειτουργεί η διαδικασία της ζύμωσης

Η επιστήμη είναι παντού όταν είσαι στην κουζίνα. Απλώς σκεφτείτε ότι η ζύμη του ψωμιού σας απομακρύνεται με φυσαλίδες και διογκώνεται ενώ διογκώνεται. Ή μια μπύρα στα σκαριά.

Μπορεί να μην αναγνωρίζετε καν την επιστήμη, τόσο κοινές είναι οι διαδικασίες. Οι διαδικασίες που περιγράφονται παραπάνω περιλαμβάνουν και ζύμη και ζύμωση. Η λεγόμενη διαδικασία ζύμωσης είναι αρκετά κοινή στα τρόφιμα, γι' αυτό είναι καιρός για μια βαθιά κατάδυση.

Σε αυτήν την ανάρτηση θα συζητήσουμε τις αντιδράσεις ζύμωσης, τα προϊόντα που σχηματίζονται κατά τη ζύμωση και τι ακριβώς είναι η ζύμωση. Σε ξεχωριστές αναρτήσεις μπορείτε να μάθετε περισσότερα για δύο κοινές χρήσεις της μαγιάς και της ζύμωσης:μπύρα και ψωμί.

Ζύμωση, μαγιά;

Ας κάνουμε ένα βήμα πίσω πριν βουτήξουμε βαθιά στη διαδικασία ζύμωσης και στα προϊόντα. Γιατί να συζητήσουμε τη ζύμωση και τη μαγιά; Τι είναι η ζύμωση και η μαγιά;

Η μαγιά χρησιμοποιείται εδώ και χιλιετίες, παρόλο που μπορεί να μην γνωρίζαμε ότι έπαιζαν μαγιά. Οι ζύμες χρησιμοποιήθηκαν για την παρασκευή ψωμιού και την παρασκευή μπύρας. Οι ζύμες αποτελούν μέρος του βασιλείου των μυκήτων, καθώς είναι ένας συγκεκριμένος τύπος μύκητα:ένας μονοκύτταρος. Αποτελούνται δηλαδή από ένα μόνο κύτταρο. Μεγαλώνουν χωρίζοντας τον εαυτό τους στα δύο.

Στα τρόφιμα, οι ζύμες έχουν διάφορες λειτουργίες, για παράδειγμα:παραγωγή αιθανόλης στην παρασκευή μπύρας ή παραγωγή διοξειδίου του άνθρακα στην παρασκευή ψωμιού. Η πιο κοινή μαγιά που χρησιμοποιείται για αυτές τις διεργασίες είναι η λεγόμενη Saccharomyces cerevisiae .

Μια δευτερεύουσα σημείωση εδώ, η ζύμωση μπορεί επίσης να συμβεί χωρίς να υπάρχουν ζύμες. Ένα συνηθισμένο παράδειγμα είναι η ζύμωση με γαλακτικό οξύ (όπως συμβαίνει με το ξινολάχανο). Τα βακτήρια γαλακτικού οξέος προκαλούν ζύμωση σε αυτήν την περίπτωση.

Αναερόβια έναντι αερόβιας μετατροπής

Για να αναπτυχθούν και να επιβιώσουν οι ζύμες μπορούν να μετατρέψουν τους υδατάνθρακες (π.χ. γλυκόζη) σε ενέργεια, όπως και οι άνθρωποι. Αυτή η ενέργεια απαιτείται στη συνέχεια για να διατηρηθούν όλα τα είδη των διεργασιών στη μαγιά. Κάνουμε αυτή τη μετατροπή κυρίως με τη βοήθεια του οξυγόνου, γι' αυτό και αναπνέουμε. Ωστόσο, οι ζύμες μπορούν να το κάνουν αρκετά εντάξει τόσο με όσο και χωρίς οξυγόνο.

Όταν δεν υπάρχει οξυγόνο το περιβάλλον ονομάζεται «αναερόβιο», αν υπάρχει οξυγόνο ονομάζεται «αερόβιο». Έτσι, οι ζύμες μπορούν να μετατρέψουν τους υδατάνθρακες σε ενέργεια τόσο σε αναερόβιο όσο και σε αερόβιο περιβάλλον.

Ορισμός ζύμωσης

Όταν χρησιμοποιείται οξυγόνο για τη μετατροπή των υδατανθράκων σε ενέργεια, αυτό ονομάζεται «αναπνοή». Η ζύμωση από την άλλη πλευρά δεν είναι τίποτα περισσότερο από το αντίθετο:αυτή είναι η διαδικασία που συμβαίνει στη μαγιά όταν μετατρέπει τους υδατάνθρακες σε ενέργεια χωρίς τη χρήση οξυγόνου.

Το ενδιαφέρον με τις ζύμες που χρησιμοποιούνται για την παρασκευή μπύρας και ψωμιού είναι ότι μπορούν να κάνουν αυτή τη μετατροπή χωρίς οξυγόνο, παρόλο που υπάρχει οξυγόνο. Αυτό είναι ενδιαφέρον γιατί στην πραγματικότητα η αντίδραση που χρησιμοποιεί οξυγόνο είναι πολύ πιο ενεργειακά αποδοτική!

Τι συμβαίνει κατά τη διάρκεια της ζύμωσης;

Η ζύμωση δεν είναι τίποτα άλλο από μια χημική αντίδραση. Όλα ξεκινούν από τη γλυκόζη. Αυτή η γλυκόζη μπορεί να υπάρχει ήδη (π.χ. σάκχαρα), αλλά η μαγιά μπορεί επίσης να χρειαστεί να μετατρέψει έναν άλλο μεγαλύτερο υδατάνθρακα σε γλυκόζη.

Αυτό το μόριο γλυκόζης στη συνέχεια αντιδρά σε μια σειρά χημικών αντιδράσεων, απελευθερώνοντας τελικά αιθανόλη και διοξείδιο του άνθρακα! Το συνολικό (απλοποιημένο) σχήμα αντίδρασης έχει ως εξής:

C₆ H₁₂ O₆ → 2 Γ₂ H₅ OH + 2 CO₂

Μπορείτε να δείτε ότι 1 μόριο γλυκόζης (C₆ H₁₂ O₆ ) μετατρέπεται σε 2 αιθανόλη (C₂ H₅ ΟΗ) και 2 διοξείδιο του άνθρακα (CO₂ ) μόρια. Μπορείτε να δείτε ότι δεν απαιτείται οξυγόνο για να συμβεί η αντίδραση.

Πηγαίνετε πολύ γρήγορα; – Εάν δεν είστε εξοικειωμένοι με τους χημικούς τύπους, διαβάστε πρώτα την ανάρτησή μου για το θέμα ή ακολουθήστε την εβδομάδα 3 του μαθήματος βασικών επιστημών τροφίμων.

Ζύμωση – εξισώσεις χημικών αντιδράσεων

Στην πραγματικότητα, αυτή η αντίδραση δεν συμβαίνει σε ένα μόνο βήμα. Αντίθετα, μια σειρά αντιδράσεων οδηγεί σε αυτή τη συνολική εξίσωση. Υπάρχουν και άλλα μόρια που σχηματίζονται ενδιάμεσα. Αλλά, αυτά μετατρέπονται ξανά μέχρι να μείνουν μόνο αιθανόλη και διοξείδιο του άνθρακα. Ας συζητήσουμε αυτά τα μεμονωμένα βήματα.

Βήμα 1:Γλυκόλυση

Πρώτα από όλα η γλυκόζη (θυμηθείτε, ο μοριακός τύπος της γλυκόζης είναι:C₆ H₁₂ O₆ ) μετατρέπεται σε 2 μεμονωμένα μόρια πυροσταφυλικού (C₃ H₃ O₃ ).

Αναρωτιέστε τι απέγιναν εκείνα τα άτομα Η από τα οποία υπήρχαν 12 στη γλυκόζη και μόνο 2×3 στα μόρια πυροσταφυλικού; Αυτά δεν έχουν εξαφανιστεί, αλλά έχουν προχωρήσει σε μεγαλύτερα μόρια στο κύτταρο.

Η γλυκόλυση και πάλι είναι πιο περίπλοκη από ό,τι φαίνεται. Η μετατροπή αποτελείται από 10 διαδοχικά βήματα. Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης απελευθερώνεται ενέργεια, η οποία είναι η συνολική διαδικασία. Αυτή η ενέργεια συλλαμβάνεται και αποθηκεύεται από το κύτταρο για χρήση σε άλλες διαδικασίες.

Βήμα 2:Ζύμωση

Η διαδικασία της γλυκόζης δεν περιορίζεται μόνο στη ζύμωση. Μόλις σχηματιστεί το πυροσταφυλικό, μπορεί ακόμα να μετατραπεί με τη χρήση οξυγόνου (αυτό που ονομάζουμε αναπνοή) ή να ταξιδέψει μέσω διαφόρων άλλων οδών αντίδρασης. Εάν η μαγιά ζυμώνει, το πυροσταφυλικό θα περάσει στη διαδικασία ζύμωσης.

Αυτό το επόμενο βήμα είναι σχετικά απλό, αποτελείται μόνο από δύο βήματα, επομένως θα τα δείξουμε όλα εδώ

C₃ H₃ O₃ (πυρουβικό) → CH₃ COH (ακεταλδεΰδη) + CO₂

CH₃ COH (ακεταλδεΰδη) + NADH + H → C₂ H₅ OH (αιθανόλη) + NAD

Και τα δύο αυτά στάδια καταλύονται από ένζυμα. Μπορεί να έχετε συναντήσει ένζυμα στο παρελθόν σε αυτό το ιστολόγιο. Τα ένζυμα καταλύουν πολλές αντιδράσεις στα τρόφιμα, π.χ. το ρόδισμα του πέστο ή αυτό της μπανάνας. Και πάλι, απελευθερώνεται ενέργεια η οποία αποθηκεύεται στη διαδικασία.

Παρατηρήστε την ξαφνική εμφάνιση NADH και πρωτονίων (H); Το NADH είναι σημαντικές δομές στα κύτταρα που διευκολύνουν μια ολόκληρη σειρά αντιδράσεων, συμπεριλαμβανομένης αυτής.

Χρήση της ζύμωσης στην παραγωγή τροφίμων

Τώρα που καλύψαμε τα βασικά, μάθαμε ότι οι ζύμες μετατρέπουν τη γλυκόζη χωρίς καθόλου οξυγόνο (που είναι αυτό που ονομάζουμε ζύμωση) σε αιθανόλη και διοξείδιο του άνθρακα. Αλλά γιατί θέλουμε να συμβεί αυτό;

Ας μείνουμε πάλι στα δύο παραδείγματα από την αρχή:

• Μπύρα:φυσικά, θέλουμε να σχηματίζεται αλκοόλ (=αιθανόλη) κατά την παραγωγή μπύρας!
• Ψωμί:όλα οφείλονται στο διοξείδιο του άνθρακα, το διοξείδιο του άνθρακα είναι αέριο και αυτό είναι που ζυμώνει τα ψωμιά μας!

Έλεγχος διεργασιών ζύμωσης

Παρά τα πλεονεκτήματα, η ζύμωση είναι μια προκλητική διαδικασία αφού χρησιμοποιούμε έναν ζωντανό οργανισμό για να εκτελέσουμε τις χημικές αντιδράσεις. Όταν έχουμε να κάνουμε με έναν ζωντανό μικροοργανισμό, είναι σημαντικό οι συνθήκες να είναι όσο το δυνατόν ιδανικές για τη μαγιά. Οι ζύμες μπορεί να πεθάνουν ή να σταματήσουν τη ζύμωση εάν οι συνθήκες δεν είναι ιδανικές.

Επομένως, εάν θέλετε η ζύμωση να σταματήσει ή να συνεχιστεί, να επιβραδυνθεί ή να επιταχυνθεί, υπάρχουν πολλοί τρόποι να επηρεάσετε τη διαδικασία!

Επίδραση 1:Θερμοκρασία

Αυτή είναι ίσως μια από τις πιο σημαντικές μεταβλητές. Οι ζύμες θα πεθάνουν σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες (οι περισσότερες δεν επιβιώνουν σε θερμοκρασίες πάνω από 50°C). Επίσης, ο ρυθμός ανάπτυξής τους εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Εάν είναι πολύ χαμηλό, μετά βίας θα αναπτυχθούν, το ίδιο ανεβαίνει αν είναι πολύ ψηλά. Ωστόσο, η ιδανική θερμοκρασία (εύρος) διαφέρει ανά τύπο μαγιάς.

Επίδραση 2:Περιεκτικότητα σε αλκοόλ

Οι περισσότερες ζύμες μπορούν να χειριστούν μόνο μια ορισμένη μέγιστη περιεκτικότητα σε αλκοόλ. Εάν το περιεχόμενο υπερβεί αυτήν την τιμή, απλώς θα σταματήσει να αναπτύσσεται ή θα πεθάνει. Αυτός είναι ο λόγος που τα ποτά με υψηλή περιεκτικότητα σε αλκοόλ γενικά δεν παράγονται πλήρως μέσω ζύμωσης.

Επίδραση 3:Προμήθεια «φαγητού»

Με άλλα λόγια, η προσφορά τροφής, εάν δεν υπάρχει αρκετή τροφή για τη μαγιά, δεν θα μπορέσουν να αναπτυχθούν και να ευδοκιμήσουν. Αυτός είναι ένας λόγος που όταν εμφιαλώνετε σπιτική μπύρα προσθέτετε συχνά ένα επιπλέον σφηνάκι ζάχαρη στο μείγμα (μετά την 1η ζύμωση). Αυτό διασφαλίζει ότι οι ζύμες μπορούν να ζυμωθούν ξανά και να παράγουν αέρια που θα παραμείνουν στη φιάλη.

Δεν είναι μόνο η αντίδραση ζύμωσης

Δεδομένου ότι οι ζυμομύκητες είναι ζωντανοί οργανισμοί, δεν υπάρχει ποτέ μόνο μία αντίδραση που λαμβάνει χώρα. Κατά τη διάρκεια της ζύμωσης μπορούν να πραγματοποιηθούν πολλές άλλες διεργασίες που έχουν ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό γεύσεων, αρωμάτων κ.λπ. Είναι επίσης αυτό που κάνει την παρασκευή μπύρας και ψωμιού και όλες αυτές τις άλλες διαδικασίες τόσο ενδιαφέρουσες, όχι μόνο σε ένα εργοστάσιο αλλά και στο σπίτι!

Καλή τύχη με τις μελλοντικές σας προσπάθειες ζύμωσης.

Πηγές

Μερικές από τις πηγές που χρησιμοποίησα για τη συγγραφή αυτού του άρθρου:Lehninger Principles of Biochemistry, κεφάλαιο 14, 4η έκδοση. Merriam-Webster, Brittanica και Nature.com.