การหมักแลคติก: กระบวนการและตัวอย่างทีละขั้นตอน - ชีววิทยา - 2026

การหมักแลคติกหรือที่เรียกว่าการหมักกรดแลคติกเป็นกระบวนการสังเคราะห์ ATP ในกรณีที่ไม่มีออกซิเจนซึ่งทำหน้าที่ของจุลินทรีย์บางชนิดรวมทั้งแบคทีเรียชนิดหนึ่งที่เรียกว่า "แบคทีเรียกรดแลคติก" ซึ่งจะจบลงด้วยการขับกรดออก แลคติก

มันถือเป็น "การหายใจ" แบบไม่ใช้ออกซิเจนและยังดำเนินการโดยเซลล์กล้ามเนื้อบางส่วนในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมเมื่อทำงานหนักและด้วยความเร็วสูงมากกว่าความสามารถในการขนส่งออกซิเจนของระบบปอดและหลอดเลือดหัวใจ

โครงการหมักแลคติก (ที่มา: Sjantoni / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) ผ่าน Wikimedia Commons และแก้ไขโดย Raquel Parada Puig)

คำว่า "การหมัก" โดยทั่วไปหมายถึงการได้รับพลังงาน (ในรูปของ ATP) ในกรณีที่ไม่มีออกซิเจนนั่นคือในแบบไม่ใช้ออกซิเจนและการหมักแลคติกหมายถึงการสังเคราะห์ ATP และการขับกรดออก กรดแลคติคในแบบไม่ใช้ออกซิเจนเป็นผลิตภัณฑ์ของการเผาผลาญกลูโคส

สมการของการสร้างกรดแลคติกจากกลูโคส.

แบคทีเรียกรดแลคติก

มนุษย์ใช้ประโยชน์จากการหมักแลคติกในการผลิตและการถนอมอาหารมาเป็นเวลานานและไม่ต้องสงสัยเลยว่าแบคทีเรียกรดแลคติกเป็นเสาหลักสำหรับจุดประสงค์นี้

สิ่งเหล่านี้อยู่ในกลุ่มแบคทีเรียที่แตกต่างกันซึ่งโดยปกติจะมีรูปร่างของ cocci และ bacilli พวกมันเป็นแบคทีเรียแกรมบวกที่ไม่สร้างคาตาเลสไม่สร้างสปอร์ไม่สามารถเคลื่อนที่ได้และไม่ใช้ออกซิเจนสามารถสังเคราะห์กรดแลคติกจากไพรูเวตที่เกิดจากวิถีไกลโคไลติก

พวกมันอยู่ในสกุลที่แตกต่างกัน ได้แก่ Pediococcus, Leuconostoc, Oenococcus และ Lactobacillus ซึ่งมีสายพันธุ์ homofermentative และ heterofermentative

Homofermentative lactic acid bacteria ผลิตสำหรับทุกโมเลกุลของน้ำตาลกลูโคสที่พวกเขาบริโภคคือโมเลกุลของกรดแลคติกสองโมเลกุล ในทางกลับกันแบคทีเรียกรดแลคติกที่แตกต่างกันผลิตกรดแลคติกหนึ่งโมเลกุลและก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์หรือเอทานอลอีกหนึ่งโมเลกุล

กระบวนการหมักแลคติก (ทีละขั้นตอน)

การหมักกรดแลคติกเริ่มต้นด้วยเซลล์ (แบคทีเรียหรือกล้ามเนื้อ) บริโภคน้ำตาลกลูโคสหรือน้ำตาลหรือคาร์โบไฮเดรตที่เกี่ยวข้อง "การบริโภค" นี้เกิดขึ้นผ่านไกลโคไลซิส

- วิถีไกลโคไลติก

การลงทุน ATP

ในขั้นต้นจะมีการลงทุน 2 ATP สำหรับแต่ละโมเลกุลของน้ำตาลกลูโคสที่บริโภคเนื่องจากมันถูกฟอสโฟรีเลสโดยเอนไซม์เฮกโซไคเนสเพื่อให้ได้กลูโคส 6 - ฟอสเฟตซึ่งถูกไอโซเมอร์เป็นฟรุกโตส 6 - ฟอสเฟต (เอนไซม์ไอโซเมอเรสกลูโคส 6 - พี) และถูกฟอสโฟรีเลตกลับไปเป็นฟรุกโตส 1 , 6-bisphosphate (เอนไซม์ phosphofructokinase).

ต่อมาฟรุกโตส 1,6-bisphosphate ถูก "ตัด" ออกครึ่งหนึ่งเพื่อปล่อยฟอสเฟตไตรโอส 2 ตัวที่เรียกว่าไกลเซอราลดีไฮด์ 3 - ฟอสเฟตและไดไฮดรอกซีอะซิโตนฟอสเฟตซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์อัลโดเลส

น้ำตาล 3-carbon phosphorylated ทั้งสองนี้สามารถแปลงสภาพซึ่งกันและกันได้โดยเอนไซม์ไตรโอสฟอสเฟตไอโซเมอเรสดังนั้นจึงถือว่าโมเลกุลกลูโคสแต่ละโมเลกุลที่บริโภคจะถูกเปลี่ยนเป็นโมเลกุลของไกลเซอราลดีไฮด์ 3 - ฟอสเฟต 2 โมเลกุลที่ฟอสโฟรีเลชันเป็น 1,3-bisphosphoglycerate

ปฏิกิริยาข้างต้นถูกเร่งโดยเอนไซม์ที่เรียกว่า glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) ซึ่งต้องมี "กำลังลด" ของปัจจัยร่วม NAD + โดยที่มันไม่สามารถทำงานได้

การผลิต ATP

ณ จุดนี้ในเส้นทางนี้มีการใช้ 2 ATP สำหรับแต่ละโมเลกุลของน้ำตาลกลูโคส แต่โมเลกุลทั้งสองนี้ถูก "แทนที่" โดยปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์ฟอสโฟกไลซิเรตไคเนสซึ่งแต่ละ 1,3-bisphosphoglycerate จะถูกเปลี่ยนเป็น 3-phosphoglycerate และ 2ATP ถูกสังเคราะห์

3-phosphoglycerate แต่ละตัวจะถูกเปลี่ยนเป็น 2-phosphoglycerate โดยการกลายพันธุ์ของเอนไซม์ phosphoglycerate และในทางกลับกันจะทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นสำหรับเอนไซม์ enolase ซึ่งจะคายน้ำและเปลี่ยนเป็น phosphoenolpyruvate

ด้วยโมเลกุลกลูโคสแต่ละโมเลกุลที่ใช้ไปจะมีการผลิตโมเลกุลไพรูเวต 2 โมเลกุลและโมเลกุลของเอทีพี 2 โมเลกุลเนื่องจากฟอสโฟอีนอลไพรูเวตเป็นสารตั้งต้นสำหรับเอนไซม์ไพรูเวตไคเนสซึ่งกระตุ้นการถ่ายโอนกลุ่มฟอสโฟรีลจากฟอสโฟอีนอลไพรูเวตไปยังโมเลกุลของ ADP ทำให้เกิด ATP .

- การหมักแลคติกและการสร้าง NAD + ใหม่

Pyruvate ซึ่งเป็นโมเลกุล 3 คาร์บอนจะถูกเปลี่ยนเป็นกรดแลคติกซึ่งเป็นโมเลกุลของคาร์บอนอีก 3 โมเลกุลผ่านปฏิกิริยารีดักชันที่ใช้ NADH หนึ่งโมเลกุลต่อโมเลกุลของไพรูเวตแต่ละโมเลกุลโดยจะสร้าง NAD + "กลับด้าน" ในปฏิกิริยาไกลโคไลติก เร่งปฏิกิริยาโดย GAPDH

การเปลี่ยนโมเลกุล NAD + ที่ใช้ไม่ได้นำไปสู่การผลิตโมเลกุล ATP เพิ่มเติม แต่ช่วยให้วัฏจักรไกลโคไลติกทำซ้ำได้ (ตราบเท่าที่มีคาร์โบไฮเดรตอยู่) และมีการผลิต ATP 2 หน่วยสำหรับน้ำตาลกลูโคสที่บริโภคเข้าไป

ปฏิกิริยาจะถูกเร่งโดยเอนไซม์ที่เรียกว่าแลคเตทดีไฮโดรจีเนสและมีลักษณะดังนี้:

2C3H3O3 (ไพรูเวต) + 2 NADH → 2C3H6O3 (กรดแลคติก) + 2 NAD +

ตัวอย่างกระบวนการที่เกิดการหมักแลคติก

- ในเซลล์กล้ามเนื้อ

การหมักกรดแลคติกในเซลล์กล้ามเนื้อเป็นเรื่องปกติหลังจากออกกำลังกายหลังจากไม่ได้ใช้งานเป็นเวลาหลายวัน สิ่งนี้เห็นได้ชัดเนื่องจากความเหนื่อยล้าของกล้ามเนื้อและความเจ็บปวดที่เกิดจากนักกีฬาเกี่ยวข้องกับการมีกรดแลคติกในเซลล์

ภาพโดย 5132824 ที่ www.pixabay.com

เมื่อเซลล์กล้ามเนื้อออกกำลังกายและที่เก็บออกซิเจนหมดลง (ระบบหัวใจและหลอดเลือดและระบบทางเดินหายใจไม่สามารถรับมือกับการขนส่งออกซิเจนที่จำเป็นได้) พวกมันจะเริ่มหมัก (หายใจโดยไม่ใช้ออกซิเจน) ปล่อยกรดแลคติกที่สามารถสะสมได้

- ผลิตภัณฑ์อาหาร

การหมักกรดแลคติกโดยแบคทีเรียและเชื้อราต่างสายพันธุ์ถูกใช้โดยมนุษย์ทั่วโลกในการผลิตอาหารประเภทต่างๆ

การเผาผลาญอาหารที่มีลักษณะเฉพาะของจุลินทรีย์ที่แตกต่างกันเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการเก็บรักษาทางเศรษฐกิจและการผลิตอาหารจำนวนมากเนื่องจาก pH ของกรดโดยทั่วไปจะยับยั้งการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์อื่น ๆ ที่อาจเป็นอันตรายหรือก่อโรค

อาหารเหล่านี้ ได้แก่ โยเกิร์ตกะหล่ำปลีดอง (กะหล่ำปลีหมัก) ผักดองมะกอกผักดองต่างๆชีสและนมหมักประเภทต่างๆน้ำคีเฟอร์เนื้อสัตว์หมักและธัญพืชบางชนิดเป็นต้น

โยเกิร์ต

โยเกิร์ตเป็นผลิตภัณฑ์หมักที่ได้จากนมและผลิตขึ้นจากการหมักของเหลวจากสัตว์โดยแบคทีเรียกรดแลคติกชนิดหนึ่งโดยทั่วไปคือ Lactobacillus bulgaricus หรือ Lactobacillus acidophilus

โยเกิร์ต (ภาพโดย kamila211 ที่ www.pixabay.com)

จุลินทรีย์เหล่านี้จะเปลี่ยนน้ำตาลที่มีอยู่ในนม (รวมทั้งแลคโตส) เป็นกรดแลคติกดังนั้น pH จึงลดลง (กลายเป็นกรด) ในของเหลวนี้ทำให้รสชาติและเนื้อสัมผัสเปลี่ยนไป เนื้อโยเกิร์ตประเภทต่างๆที่แน่นกว่าหรือเหลวขึ้นอยู่กับสองสิ่ง:

1. จากการผลิตเอ็กโซโพลีแซ็กคาไรด์ร่วมกันโดยแบคทีเรียที่หมักซึ่งทำหน้าที่เป็นสารเพิ่มความหนา
2. จากการแข็งตัวที่เป็นผลมาจากการทำให้เป็นกลางของประจุลบต่อโปรตีนนมซึ่งเป็นผลของการเปลี่ยนแปลง pH ที่เกิดจากการผลิตกรดแลคติกซึ่งทำให้พวกมันไม่ละลายน้ำอย่างสมบูรณ์

ผักหมัก

ในกลุ่มนี้เราสามารถหาผลิตภัณฑ์เช่นมะกอกที่เก็บรักษาไว้ในน้ำเกลือ นอกจากนี้ยังมีการเตรียมกะหล่ำปลีเช่นกะหล่ำปลีดองหรือกิมจิของเกาหลีเช่นเดียวกับเกอคินดองและจาลาปิโนเม็กซิกัน

เนื้อสัตว์หมัก

ไส้กรอกเช่น chorizo, fuet, salami และ sopressatta รวมอยู่ในหมวดหมู่นี้ ผลิตภัณฑ์ที่โดดเด่นด้วยรสชาติเฉพาะนอกเหนือจากความสามารถในการเก็บรักษาที่สูง

ปลาร้าและหอย

รวมถึงปลาและหอยชนิดต่าง ๆ ที่มักจะหมักผสมกับพาสต้าหรือข้าวเช่นเดียวกับปลาราในประเทศไทย

พืชตระกูลถั่วหมัก

การหมักแลคติกที่ใช้กับพืชตระกูลถั่วถือเป็นแนวทางปฏิบัติในบางประเทศในเอเชีย ตัวอย่างเช่นมิโซะเป็นแป้งที่ทำจากถั่วเหลืองหมัก

เมล็ดหมัก

ในอาหารแอฟริกันแบบดั้งเดิมมีผลิตภัณฑ์มากมายที่ทำจากเมล็ดหมักเช่นซัมบาลาหรือเคนเค ผลิตภัณฑ์เหล่านี้รวมถึงเครื่องปรุงรสและแม้แต่โยเกิร์ตที่ทำจากธัญพืช

อ้างอิง

1. Beijerinck, MW, เรื่องการหมักกรดแลคติกในนม, ใน: KNAW, Proceedings, 10 I, 1907, Amsterdam, 1907, pp. 17-34
2. Munoz, R. , Moreno-Arribas, M. , & de las Rivas, B. (2011). แบคทีเรียกรดแลคติก. จุลชีววิทยาไวน์โมเลกุล, 1st ed .; Carrascosa, AV, Muñoz, R. , González, R. , Eds, 191-226
3. สภาวิจัยแห่งชาติ. (1992) การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีชีวภาพในอาหารหมักแบบดั้งเดิม สำนักพิมพ์แห่งชาติ
4. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008) หลักการทางชีวเคมีของ Lehninger Macmillan
5. Soult, A. (2019). เคมี LibreTexts สืบค้นเมื่อ 24 เมษายน 2020 จาก chem.libretexts.org
6. Widyastuti, Yantyati & Rohmatussolihat, Rohmatussolihat & Febrisiantosa, Andi (2014) บทบาทของแบคทีเรียกรดแลคติกในการหมักนม. วิทยาศาสตร์การอาหารและโภชนาการ. 05. 435-442. 10.4236 / fns.2014.54051.