ما معنى التخمر؟

تعرف عملية التخمر (Fermentation) على أنّها عملية استقلابية تقوم فيها بعض أنواع الكائنات الحية الدقيقة طبيعيًا أو بتحفيز لينتج عنها تغيبر في طبيعة المواد الغذائية، سواء أطعمة أو مشروبات، لزيادة نكهتها أو للحفاظ عليها لفترات زمنية أطول أو لتحقيق فوائد صحية أو غيرها من الأسباب.

تقوم الكائنات الدقيقة بتكسير الكربوهيدرات (السكريات) مثل الغلوكوز للحصول على الطاقة اللازمة لها، فيتحول الغلوكوز (Glucose C6H12O6) إلى حمض البيروفيك (Pyruvic C3H4O3) عند وجود كمية كافية من الأكسجين وتسمى تلك العملية بالتنفس الهوائي، لكن عند عدم توفر كمية كافية من الأوكسجين، وهو ما يعرف بالتنفس اللاهوائي، يتحول الغلوكوز إلى حمض اللاكتيك (Lactic C3H6O3) وهو ما يحدث في عملية التخمر، أي أنّه بناءً على كمية الأوكسجين المتوفرة أثناء العملية يتحدد مصير وضع الطاقة الناتجة، إمّا حمض البيروفيك أو حمض اللاكتيك.

تتم عملية التخمر على مرحلتين رئيسيتين، هما:

للحصول على نتيجة تخمير مثالية يجب عليك اتباع بعض النصائح المساعدة في ذلك، مثل:

المواد المخمرة تكون غنية بكائنات دقيقة مفيدة لصحة الجسم تسمى البروبيوتيك (Probiotic)، التي تلعب دورًا رئيسيًّا في مساعدة الجهاز الهضمي لاستخراج جميع العناصر الغذائية من الطعام، كما أنّ لعملية التخمر العديد من الفوائد الأخرى، منها:

التخمر هو عملية كيميائية تحدث في غياب الأكسجين وتقوم بواسطتها الكائنات الحية بتكسير الكربوهيدرات. الناتج النهائي للتخمر يكون حمض اللاكتيك أو الكحول وثاني أكسيد الكربون.

يتحلل الجلوكوز في سلسلة من التفاعلات الكيميائية تنتج جزيئين من البيروفيت (Pyruvate) يحتوي كل منهما على ثلاثة ذرات كربون. مصير البيروفيت يتوقف على وجود الأكسجين، ففي وجود الأكسجين يتأكسد البيروفيت فيما يعرف بدورة حمض الستريك (Citric acid cycle) التي هي سلسلة من التفاعلات الكيميائية. وفي غياب الأكسجين يُختزل البيروفيت لينتج حمض اللاكتيك أو الكحول.

في العقدين السادس والسابع من القرن التاسع عشر كان الفرنسي لويس باستور (Louis Pasteur) أول من يدرس عملية التخمر. حاول باستور استخلاص الإنزيم المسؤول عن التخمر من فطر الخميرة لكنه لم ينجح في ذلك. سنة 1897 نجح الكيميائي الألماني إدوارد بوخنر (Eduard Buechner) من استخلاص سائل من الخميرة، وعند إضافة السائل لمحلول سكري نتج عن ذلك تخمر المحلول السكري. ينظر إلى تجربة بوخنر على أنها بداية علم الكيمياء الحيوية، ونال بوخنر جائزة نوبل في الكيمياء سنة 1907 بفضل اكتشافه هذا.

عملية التخمر تنتج في النهاية إما كحول وثاني أكسيد الكربون وإما حمض اللاكتيك. عملية التخمر التي تنتهي بإنتاج الكحول وثاني أكسيد الكربون تعرف بالتخمر الكحولي (Alcohol Fermentation)، وفيها تقوم الخميرة و البكتيريا بتحويل البيروفيت إلى كحول إيثيلي (إيثانول) وثاني أكسيد الكربون (CO2)، تبعًا للمعادلة:

(C6H12O6 (glucose) → 2 C2H5OH (ethanol) + 2 CO2 (carbon dioxide

يجري تحول البيروفيت إلى إيثانول في خطوتين: في الأولى تُزال مجموعة كربوكسيل (-COO) من البيروفيت وتخرج في صورة ثاني أكسيد الكربون، لينتج مركب من ذرتي كربون يعرف بالاسيتالدهيد. في الخطوة الثانية يحصل الاسيتالدهيد على إلكترون من مساعد الإنزيم NADH ليتحول إلى إيثانول. يستخدم التخمر الكحولي صناعيًا في إنتاج المشروبات الكحولية.

إذا كان ناتج عملية التخمر حمض اللاكتيك تسمى العملية تخمر حمض اللاكتيك (Lactic Acid Fermentation). في هذه العملية لا يتم إنتاج ثاني أكسيد الكربون أولًا إنما يحصل البيروفيت مباشرة على إلكترون من مساعد الإنزيم NADH ليتحول إلى حمض اللاكتيك.

ويحدث هذا النوع من التخمر في الزبادي حيث تحول الخميرة سكر اللاكتوز إلى حمض اللاكتيك. كما تقوم كرات الدم الحمراء هي الأخرى بعملية التنفس اللاهوائي الذي ينتج عنه حمض اللاكتيك، لأن كرات الدم الحمراء لا تحتوي على الميتوكوندريا اللازمة لإتمام عملية التنفس الهوائي من خلال سلسلة نقل الإلكترون.

أخيرًا يحدث التنفس اللاهوائي (تخمر حمض اللاكتيك) في العضلات عندما تنفذ كمية الأكسجين فتعجز العضلات عن الاستمرار في التنفس الهوائي، ما يدفعها إلى التنفس اللاهوائي. وبعد فترة من التنفس اللاهوائي في العضلات يتراكم حمض اللاكتيك مسببًا الشد العضلي.

وقد تنتهي عملية التخمر بإنتاج غازي الهيدروجين والميثان. فتولد البكتريا المولدة للميثان تفاعلات يجري فيها نقل إلكترون من مجموعة الكربوكسيل في الحمض الكربوكسيلي إلى مجموعة ميثيل في حمض الأسيتيك لإنتاج الميثان وثاني أكسيد الكربون. وينتج الهيدروجين أثناء عمليات تخمر عديدة، يحدث ذلك مثلًا بفعل البكتريا المعوية في الإنسان.