Pengertian Fermentasi alkohol dan prosesnya

Ragi dan beberapa bakteri memfermentasi gula, menghasilkan etil alkohol dan karbon dioksida (CO2), suatu proses yang disebut fermentasi alkohol.

Dalam fermentasi alkohol, dua molekul asam piruvat yang dihasilkan diubah menjadi etil alkohol (juga disebut etanol), dengan pelepasan dua molekul CO2 dan pembentukan dua molekul ATP.

Jenis fermentasi ini dilakukan oleh beberapa mikroorganisme, terutama yang disebut “jamur bir”, dari spesies Saccharomyces cerevisiae. Manusia menggunakan dua produk fermentasi ini: etil alkohol yang digunakan selama ribuan tahun dalam pembuatan minuman beralkohol (anggur, bir, cachaça, dll.), Dan karbon dioksida yang penting dalam pembuatan roti, salah satu makanan paling tradisional umat manusia. Baru-baru ini, jamur ini telah digunakan untuk produksi industri bahan bakar alkohol.

Jamur yang berfermentasi juga dapat bernafas secara aerob, jika terdapat oksigen di dalam perantara kehidupan. Akibatnya, glukosa yang digunakan oleh mereka berubah lebih dalam dan keseimbangan energinya lebih tinggi, 38 ATP, daripada 2 ATP yang diperoleh dalam fermentasi.

Pengertian

Fermentasi alkohol adalah proses biologis di mana gula seperti glukosa, fruktosa, dan sukrosa diubah menjadi energi seluler dengan menghasilkan etanol dan karbon dioksida sebagai limbah metabolisme. Karena proses ini dapat dilakukan tanpa adanya oksigen, maka proses ini dianggap sebagai proses anaerob.

Hampir semua organisme hidup dapat menggunakan glukosa untuk menghasilkan energi yang dibutuhkan untuk proses metabolisme mereka. Dalam proses ini, yang disebut glikolisis, glukosa dan beberapa gula lainnya diubah menjadi zat lain, melepaskan energi.

Yang menentukan zat apa yang akan diproduksi tergantung pada jenis mikroorganisme dan lingkungan tempat mereka hidup. Pabrik pembuatan bir dan ragi roti dan di semua organisme lain yang mempromosikan fermentasi alkohol, termasuk beberapa tanaman, memfermentasi glukosa dalam etanol dan CO2, sehingga dalam proses ini, seluruh massa glukosa terkandung dalam produk dan tidak ada yang lain yang digunakan. zat sebagai “bahan mentah” (seperti oksigen, nitrat, ion besi, dll.).

Proses glikolisis, yang biasa terjadi pada fermentasi, menghasilkan asam piruvat, yang dalam media seluler terionisasi dalam bentuk piruvat dan zat antara tereduksi, NADH.

Karena jumlah NADH terbatas dan diperlukan dalam bentuk teroksidasi (NAD +) dalam glikolisis dan, akibatnya, dalam kelanjutan proses produksi energi, NADH harus dioksidasi. Cara itu akan teroksidasi mencirikan jenis fermentasi, dan hampir selalu menggunakan produk sampingan lain dari glikolisis: piruvat atau turunannya.

Dalam fermentasi alkohol, piruvat mengalami dekarboksilasi (kehilangan atom karbon, dalam bentuk CO2), dengan aksi enzim (piruvat dekarboksilase, enzim yang membutuhkan Mg2 + untuk mengkatalisasi, juga memiliki koenzim, tiamin pirofosfat, bantuan dalam katalisis), membentuk aldehida asetat. Aldehida ini tereduksi, mengoksidasi NADH menjadi NAD + dan membentuk etanol, proses yang dimediasi oleh enzim alkohol dehidrogenase.

Peranan

CO2 yang dihasilkan dalam dekarboksilasi piruvat oleh ragi bertanggung jawab atas karakteristik karbonasi sampanye (anggur) dan bir, serta untuk pertumbuhan adonan roti dan kue.

Alkohol dehidrogenase hadir di banyak organisme yang memetabolisme alkohol, termasuk manusia. Di hati manusia, ia mengkatalisis oksidasi etanol, baik yang tertelan atau diproduksi oleh mikroorganisme usus, dengan reduksi NAD + menjadi NADH secara bersamaan.

Alkohol yang dihasilkan dari gigitan juga merupakan alat pertahanan terhadap mikroorganisme lain. Bahkan ragi itu sendiri tidak dapat bertahan dalam media dengan alkohol lebih dari 25% (sebagian besar galur alami berhenti menumbuhkan 12% etanol dalam larutan). Sifat menghilangkan mikroorganisme yang tidak diinginkan ini banyak digunakan di zaman kuno: di Eropa, banyak sumber air terkontaminasi, dan anggur dan bir kekurangan mikroorganisme patogen.

Etanol diproduksi dan CO2 dilepaskan selama proses tersebut. Pelepasan ini bertanggung jawab atas pertumbuhan adonan kue dan roti yang mengandung ragi (organisme pemfermentasi). Fermentasi juga bertanggung jawab atas pembuatan minuman beralkohol.

Proses

Rumus dasar fermentasi alkohol menunjukkan bahwa prosesnya dimulai dengan glukosa (gula) dan diakhiri dengan karbon dioksida dan etil alkohol. Untuk pemahaman yang lebih baik tentang prosesnya, ini dibagi menjadi serangkaian langkah.

Langkah-langkah Utama:

Proses fermentasi alkohol dapat dibagi menjadi dua bagian utama:

  • Bagian pertama melibatkan pemecahan glukosa menjadi 2 molekul piruvat dalam proses yang disebut glikolisis.
  • Bagian kedua disebut fermentasi dimana 2 molekul piruvat diubah menjadi 2 molekul karbondioksida dan 2 molekul etanol, atau dikenal sebagai alkohol.

Rumus kimia:

Fermentasi alkohol dapat direpresentasikan dengan rumus kimia sebagai berikut:

C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2

Reaksi fermentasi dan glikolisis terjadi di sitoplasma sel eukariotik.

Tujuan:

Tujuan utama fermentasi alkohol adalah untuk menghasilkan energi dalam bentuk ATP yang digunakan selama aktivitas seluler, dalam kondisi anaerobik. Namun, dari sudut ragi Anda, etanol dan karbon dioksida adalah produk limbah.

Molekul yang Terlibat

Berikut ini adalah molekul penting yang terlibat dalam proses fermentasi alkohol.

Piruvat:

Asam piruvat atau piruvat adalah asam karboksilat yang digunakan untuk membuat etanol. 2 molekul piruvat dibentuk dengan memecah satu molekul glukosa pada langkah pertama. Pembawa elektron seperti NADH juga terlibat dalam proses ini.

Pembawa Elektron:

Ini adalah molekul yang bertanggung jawab untuk menangkap elektron yang dilepaskan selama reaksi kimia.

NAD adalah pembawa elektron utama yang terlibat dalam reaksi ini. Ini menangkap elektron selama langkah pertama fermentasi (glikolisis) dan direduksi menjadi NADH. Bentuk tereduksi ini menyediakan elektron selama konversi piruvat menjadi etanol.

Reaksi

Berbagai reaksi yang terjadi selama fermentasi alkohol adalah sebagai berikut.

Glikolisis

Proses Glikolitik dapat diringkas dengan persamaan berikut:

C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ 2 CH3COCOO + 2 ATP + 2 NADH + 2 H2O + 2 H+

  • 2 CH3COCOO− (molekul piruvat)
  • 2 NADH (molekul akseptor)
  • 2 Pi (fosfat anorganik)

Produk keseluruhan dari reaksi ini adalah dua molekul piruvat, dua NADH dan dua molekul ATP. Molekul piruvat selanjutnya terproses tanpa adanya oksigen untuk membentuk etanol (alkohol).

Konversi Piruvat ke Etanol

Konversi ini terjadi dalam dua langkah:

  • Pada langkah pertama, gugus karboksil piruvat dikeluarkan dan dilepaskan dalam bentuk CO2. Produk dari reaksi ini adalah asetaldehida (molekul 2 karbon)
  • Pada langkah kedua, molekul asetaldehida direduksi. Satu molekul NADH melewatkan elektronnya menjadi asetaldehida, membentuk etanol. Molekul NAD diregenerasi selama proses ini.

Reaksi 1:

CH3COCOO+ H+ CH3CHO + CO2

Reaksi ini dikatalisis oleh (piruvat dekarboksilase)

Reaksi 2:

CH3CHO + NADH + H+ C2H5OH + NAD+

Reaksi ini dikatalisis oleh (alkohol dehidrogenase)

Kunci:

  • CH3CHO (asetaldehida)
  • CO2 (karbon dioksida)
  • C2H5OH = etanol (Alkohol)

Enzim

Dua enzim yang terlibat dalam fermentasi alkohol adalah sebagai berikut.

Dekarboksilase piruvat:

Ini adalah enzim yang mengkatalisis dekarboksilasi asam piruvat menjadi karbon dioksida dan asetaldehida. Enzim ini berperan penting selama proses fermentasi dalam kondisi anaerobik yang terjadi pada khamir (khususnya pada genus Saccharomyces) untuk menghasilkan etanol dengan cara fermentasi.

Alkohol dehidrogenase:

Enzim ini bertanggung jawab untuk mengubah asetaldehida menjadi etanol selama fermentasi alkohol. Selama proses fermentasi, enzim ini bekerja dengan arah sebaliknya.

Enzim yang sama bertanggung jawab untuk mengubah alkohol menjadi asetaldehida di hati kita, mengurangi NAD menjadi NADH selama metabolisme alkohol.

Latar belakang sejarah

Fermentasi alkohol, seperti dalam produksi bir atau produksi anggur, telah digunakan selama ribuan tahun, bahkan tanpa pengetahuan tentang proses biologis. Pada tahun 1815, ahli kimia Perancis Joseph Louis Gay-Lussac adalah orang pertama yang mengusulkan reaksi kimia mentah degradasi glukosa dalam etanol. Setelah itu, muncul beberapa penelitian tentang fermentasi. Selama tahun 1830-an, Jöns Jakob Berzwlius dan Justus Von Liebig mengembangkan teori yang menghubungkan zat tertentu dengan efek katalitik, dan Charles Cagniard-Latour, Theodor Schwann dan Friedrich Traugot Kützing, secara terpisah satu sama lain, menunjukkan bahwa makhluk hidup, yang disebut ragi , Bertanggung jawab untuk ini. Selain itu, pada tahun 1857, Louis Pasteur mendalilkan “teori fermentasi seumur hidup”, yang menyatakan bahwa fermentasi alkohol hanya mungkin dilakukan dengan sel hidup.

Postulat Pasteur dikukuhkan pada tanggal 11 Januari 1897 oleh Eduard Buchner, dengan publikasi demonstrasi fermentasi alkohol menggunakan ekstrak ragi bebas sel. Dia menggunakan zat yang disebut zymase, yang sekarang kita tahu adalah campuran dari enzim yang berbeda, yang bertanggung jawab untuk mengubah gula menjadi etanol dan menerima Hadiah Nobel di bidang kimia pada tahun 1907 “untuk penelitian biokimia dan penemuannya tentang fermentasi tanpa kehadiran sel hidup ”. Penelitian lebih lanjut oleh Arthur Harden dan William John Young mengarah pada penemuan senyawa terfosforilasi perantara: ester Harden-Young, sekarang dikenal sebagai fruktosa-1,6-bifosfat. Bersama-sama, Harden dan Hans Von Euler-Chelpin juga menerima Hadiah Nobel di bidang kimia pada tahun 1929 untuk “penelitian mereka tentang fermentasi gula dan partisipasi enzim dalam proses ini”.

Kemudian, selangkah demi selangkah, menjelaskan bagian-bagian dari reaksi dan menjelaskan skema proses fermentasi, Otto Warburg mengidentifikasi kofaktor nicotinamide adenine dinueleotide (NADH) sebagai elemen penting dalam keseluruhan proses. Pada tahun 1937 Erwin Negelein dan Hans Joachim Wulff mencapai kristalisasi enzim fermentasi, alkohol dehidrogenase.

Saat ini enzim dari spesies berbeda yang berpartisipasi dalam fermentasi telah diisolasi dan dikarakterisasi secara biokimia (pH optimal, suhu optimal, kecepatan reaksi, laju konversi). Analisis struktur kristalnya memberikan perspektif pertama dari struktur spasial molekulernya. Pengetahuan tentang mekanisme reaksinya diperoleh.

Singkatnya, oleh karena itu, perbandingan dapat dibuat antara jenis enzim. Menguraikan gen yang terkandung dalam struktur enzim ini akan memberi kita wawasan tentang asal usul evolusinya dan kemungkinan fungsi aslinya.

Mikroorganisme

Mikroba berikut ini berperan dalam fermentasi etanol:

  • Ragi
  • Schizosaccharomyces
  • Saccharomyces cerevisiae
  • Zymomonas mobilis (bakteri)

Ragi

Sel khamir dikategorikan sebagai fungi uniseluler yang memiliki diameter dalam kisaran mikrometer. Ukuran organisme ini sangat kecil dibandingkan dengan kebanyakan jamur. Mereka juga dapat bervariasi dalam ukuran dan bentuk.

Ragi digunakan dalam beberapa proses seperti pembuatan roti, anggur, dan fermentasi alkohol.

Dalam proses pembuatan roti, ragi melakukan fermentasi alkohol pada tepung dan membuat roti mengembang. Karbon dioksida yang dihasilkan selama proses ini menciptakan gelembung gas di dalam roti dan mengembang seperti busa. Setelah proses pemanggangan selesai, hanya tersisa 2% ethanol di dalam roti. Jadi, roti akan memiliki sedikit alkohol di dalamnya.

Minuman beralkohol mengandung sejumlah besar etanol yang dibuat dengan fermentasi alkohol yang dilakukan oleh ragi. Etanol juga beracun bagi ragi seperti halnya bagi manusia. Toleransi etanol ragi tergantung pada kondisi lingkungan serta strain ragi yang berbeda.

Bakteri

Dengan memanfaatkan proses fermentasi alkohol, bakteri dapat mengurai senyawa organik dalam lingkungan anaerob untuk mendapatkan energi. Proses fermentasi menghasilkan produk yang berbeda pada bakteri. Produk akhir tergantung pada jenis bakteri yang digunakan.

Sebagai contoh:

  • Salmonella dan Escherichia menghasilkan etanol, asam laktat, asam asetat.
  • Lactobacillus, Bacillus, dan Streptococcus menghasilkan asam laktat.

Louis Pasteur mempelajari bakteri fermentasi pada tahun 1860. Dia menunjukkan bahwa bakteri fermentasi dapat mencemari bir dan anggur selama proses pembuatan. Ia juga menunjukkan bahwa rasa anggur dan bir dapat diawetkan dengan memanaskannya yang akan membunuh bakteri. Proses pemanasan ini disebut pasteurisasi.

Proses pasteurisasi sekarang digunakan untuk membunuh bakteri yang ada dalam susu dan produk lainnya.

Manfaat fermentasi

Berikut ini adalah beberapa manfaat utama fermentasi bagi manusia.

  • Makanan fermentasi terdiri dari mikroorganisme dan probiotik bermanfaat yang membantu menjaga kesehatan usus dengan mengekstraksi nutrisi dari makanan.
  • Fermentasi juga membantu dalam menetralkan anti-nutrisi seperti asam fitat yang terdapat dalam kacang-kacangan, biji-bijian, polong-polongan, dan biji-bijian. Dapat menyebabkan kekurangan mineral dalam tubuh jika dibiarkan.
  • Fermentasi asam laktat oleh bakteri usus membantu mengubah amonia menjadi ion amonium. Ini menyelamatkan tubuh dari efek merusak amonia pada otak. Proses fermentasi ini memainkan peran kunci dalam mencegah ensefalopati hepatik.

Minuman beralkohol

Minuman beralkohol berikut ini dibuat dengan proses fermentasi alkohol di industri.

  • Anggur dihasilkan dari fermentasi gula alami yang ada dalam buah anggur.
  • Perry dan sari buah apel dihasilkan dari gula alami dalam buah pir dan apel melalui proses fermentasi serupa.
  • Eaux de vie dan brendi diproduksi dengan distilasi minuman fermentasi buah.
    Mead diproduksi oleh fermentasi gula alami yang ada dalam madu.
  • Wiski, vodka, dan bir dihasilkan melalui fermentasi pati biji-bijian yang telah diubah menjadi gula oleh enzim amilase.
  • Rums diproduksi dengan distilasi dan fermentasi molase produk tebu.

Dalam semua proses ini, fermentasi harus dilakukan di dalam wadah yang memungkinkan karbon dioksida keluar tetapi mencegah udara masuk. Ini akan membantu mengurangi risiko kontaminasi oleh bakteri atau jamur yang tidak diinginkan karena karbon dioksida menciptakan risiko pecahnya pembuluh darah.



Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *