תסיסה כהלית

סכמה של תסיסה כוהלית Ethanol fermentation

תסיסת אתנול, הנקראת גם תסיסה אלכוהולית, היא תהליך ביולוגי הממיר סוכרים כמו גלוקוז, פרוקטוז וסוכרוז לאנרגיה תאית, ומייצר אתנול ופחמן דו-חמצני כתוצרי לוואי. מכיוון ששמרים מבצעים המרה זו בהיעדר חמצן, נחשבת התסיסה האלכוהולית לתהליך אנאירובי. תהליך זה מתרחש גם בכמה מיני דגים, כולל דגי זהב וקרפיונים. תהליך זה בדגים, בנוסף לתסיסת חומצת חלב, מספק אנרגיה כאשר ריכוז החמצן דל.

תסיסת אתנול היא הבסיס לתעשיית משקאות אלכוהוליים כגון בירה ויין, תעשיית הדלק על בסיס אתנול וגם להתפחת לחם. התסיסה בתעשיית המזון מתבצעת על ידי סטרטרים של תסיסה.

התהליך הכימי

בתסיסה כוהלית מולקולה אחת של סוכר הופכת לשתי מולקולות אתנול ושתי מולקולות פחמן דו-חמצני, כאשר התגובה הכוללת היא זו:

C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂

ניתן גם לכתוב ניסוח הכולל את המולקולות אוגרות האנרגיה (כדוגמת ATP) הנוצרות בתהליך:
C₆H₁₂O₆ + 2ADP + 2Pi + 2H⁺¹ → 2C₂H₅OH + 2H₂O + 2ATP + 2CO₂
ניתן לחלק את התהליך לשני שלבים עיקריים:

מגלוקוז לפירובט

תהליך תסיסת הגלוקוז מתחיל בעשרה שלבים אנזימטיים, המהווים את תהליך הגליקוליזה. ממולקולת גלוקוז אחת מתקבלות שתי מולקולות פירובט (^-CH₃COCOO):

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

ריאקציות הגליקוליזה משותפות לתסיסה הכהלית ולתסיסה ההומולקטית.

מפירובט לאתנול

כל אחת ממולקולות הפירובט הופכת לאתנול תוך יציאת מולקולת פחמן דו-חמצני:
CH₃COCOO^- + 2H⁺ + NADH → C₂H₅OH + 2NAD⁺ + CO₂

בתהליך זה קיימים שני שלבים ולכן שני אנזימים מזרזים אותו. הראשון, פירובאט דקרבוקסילאז אשר מזרז את היוצרות אצטאלדהיד והוא דורש מגנזיום ותיאמין ופירופוספט כקופקטורים. בשלב זה משתחרר פחמן דו-חמצני למערכת. האנזים השני הוא אלכוהול דהידרוגנאז והוא מזרז את יצירת האלכוהול תוך חמצון מולקולת NADH ל-⁺NAD .

סוכרוז הוא דו-סוכר המורכב מגלוקוז המקושר לפרוקטוז. בשלב הראשון של התסיסה האלכוהולית, האנזים אינוורטאז מבקע את הקשר הגליקוזידי בין מולקולות הגלוקוז והפרוקטוז.

$\mathrm{C}{\phantom{A}}_{12}\mathrm{H}{\phantom{A}}_{22}\mathrm{O}{\phantom{A}}_{11}+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\stackrel{\text{Invertase}}{\to }2\mathrm{C}{\phantom{A}}_6\mathrm{H}{\phantom{A}}_{12}\mathrm{O}{\phantom{A}}_6$

• 
  גלוקוז
• 
  פירובט
• 
  אצטאלדהיד
• 
  אתנול

C₆H₁₂O₆ + 2 ADP + 2 P_i + 2 NAD⁺ → 2 CH₃COCOO⁻ + 2 ATP + 2 NADH + 2 H₂O + 2 H (גלוקוזה)

כפי שמוצג על ידי משוואת התגובה, גליקוליזה גורמת להפחתה של שתי מולקולות של NAD ⁺ ל-NADH . שתי מולקולות ADP מומרות לשתי מולקולות ATP ושתי מולקולות מים באמצעות תהליך של זירחון.

התסיסה של סוכר לאתנול ו־CO₂ יכולה להיעשות גם על ידי חיידק גרם שלילי תבנית:אנג, אולם הנתיב שונה במקצת מכיוון שהיווצרות פירובאט אינה מתרחשת על ידי גליקוליזה אלא על ידי מסלול תבנית:אנג. מיקרואורגניזמים אחרים יכולים לייצר אתנול מסוכרים על ידי תסיסה, אך לרוב רק כתוצר לוואי.

התסיסה אינה דורשת חמצן. אם קיים חמצן, מינים מסוימים של שמרים (Kluyveromyces lactis או Kluyveromyces lipolytica) מחמצנים פירובט לחלוטין לפחמן- דו-חמצני ומים בתהליך הנקרא נשימה תאית. שמרים רבים כמו שמרי אפייה Saccharomyces cerevisiae או Schizosaccharomyces pombe בתנאים מסוימים, מתסיסים ואינם נושמים גם בנוכחות חמצן. שמרים אלו יפיקו אתנול גם בתנאים אירוביים, אם הם יקבלו את חומרי הגלם המתאימים לתסיסה. במהלך תסיסה קצב ייצור האתנול למיליגרם של חלבון התא הוא מקסימלי למשך תקופה קצרה בשלב המוקדם של התהליך ויורד בהדרגה ככל שהאתנול מצטבר. מחקרים מראים כי הסרת האתנול המצטבר ולא משחזרת מיד את פעילות התסיסה. הירידה בקצב חילוף החומרים נובעת משינויים פיזיולוגיים (כולל נזק אפשרי שנגרם על ידי האתנול ולא מנוכחות האתנול. נחקרו מספר גורמים פוטנציאליים לירידה בפעילות התסיסה. הכדאיות נותרה על או מעל 90%, ה-pH הפנימי נשאר כמעט נייטרלי, והפעילויות הספציפיות של האנזימים הגליקוליטים והאלכוהולוגניים נשארו גבוהות לאורך כל התסיסה.

חשיבות התסיסה לאתנול

שתי הריאקציות האחרונות בתהליך התסיסה הכהלית חשובות לקיום תהליך הגליקוליזה. הן מאזנות אותה מבחינת חמצון-חיזור. כלומר, בריאקציות אלה יש מחזור נשא האלקטרונים ¹⁺NAD ממצבו המחוזר NADH, שכן הוא חיוני לתהליך הגליקוליזה.

תהליכים נוספים

מבנה כימי של בוטן דיאול 2,3-Butanediol-2D-structure

התסיסה של סוכר לאתנול ו-₂ CO יכולה להיעשות גם על ידי החיידק הגרם שלילי זימומונס מוביליס תבנית:אנג,על ידי מסלול אנטנר-דודורוף תבנית:אנ אולם הנתיב שונה במקצת מכיוון שהיווצרות פירובאט אינה מתרחשת על ידי גליקוליזה אלא על ידי מיקרואורגניזמים אחרים היכולים לייצר אתנול מסוכרים על ידי תסיסה, אך לרוב רק כתוצר לוואי.

דוגמאות לכך:

1. תסיסה הטרולקטית שבה חיידקי לאוקונוסטוק Leuconostoc מייצרים לקטט + אתנול + CO₂
2. תסיסה מעורבת שבה החיידק Escherichia מייצר אתנול יחד עם לקטט, אצטט, סוקצינט, פורמאט, דו־תחמוצת הפחמן CO₂ ו-מימן H₂
3. תסיסה של 2,3 בוטנדיול תבנית:אנ על ידי חיידקי אנטרובקטר תבנית:אנ וקלבסילה תבנית:אנ המייצר אתנול, בוטנדיול, לקטט, פורמט,

pyruvate + NADH --> 2CO₂ + 2,3-butanediol.

שימושים בתעשיית המזון והמשקאות

התפחת בצק עם צימוקים

התסיסה הכוהלית היא האחראית לתפיחת הלחם ולהמצאות אלכוהול ביינות ובבירות.

תסיסת אתנול גורמת לתפיחת בצק להכנת הלחם. שמרי אפייה צורכים סוכרים בבצק ומייצרים אתנול ופחמן דו-חמצני. הפחמן הדו-חמצני יוצר בועות בבצק, מרחיב אותו למוצר דמוי ספוג. לאחר אפייה נותרים פחות מ-2% אתנול והדו-תחמוצת-הפחמן מוחלף באוויר.

אתנול במשקאות אלכוהוליים נוצר באמצעות תסיסת שמרים. קיים מגוון רחב של משקאות שמיוצרים בתהליך של תסיסה:

• יין, סיידר ופרי מיוצרים על ידי תסיסה דומה של סוכר טבעי מתפוחים ואגסים, בהתאמה; ויינות פירות אחרים מופקים מהתסיסה של הסוכרים בכל מיני פירות אחרים.
• תמד: מיוצר על ידי תסיסה של הסוכרים הטבעיים הקיימים בדבש .
• בירה מותססת מעמילני דגנים שפורקו לחד-סוכר על ידי האנזים עמילאז, הקיים בגרעיני דגנים שעברו תהליך של הנבטה. ניתן להוסיף לתערובת עמילן ממקורות אחרים, כגון תפוחי אדמה ודגנים לא מומלחים, העמילאז תפעל גם על עמילנים אלה. ישנן תרבויות שבהן נעשה שימוש בעמילאז המצוי ברוק של בני אדם הפתיאלין - תבנית:אנג
• עמילנים של גרגירי אורז שהומרו לסוכר על ידי עובש אספרגילוס אוריזה תבנית:אנ מפיקים יינות אורז (כולל סאקה).

בתעשיית היין מקובל לחשב את הערך "בומה" על ידי הידרומטר, המבטא את אחוז אלכוהול הסופי המשוער בתום התסיסה לפי אחוז הסוכר, כך שאחוז אלכוהול אחד שווה לכ-1.8 עד 1.6 גרם סוכר בליטר. בכל התהליכים, התסיסה חייבת להתבצע בכלי המאפשר יציאת פחמן-דו-חמצני אך מונע כניסת אוויר חיצוני, על מנת להפחית את הסיכון לזיהום עם חיידקים או עובשים לא רצויים ומכיוון שהצטברות של פחמן-דו-חמצני יוצרת סיכון שהכלי יקרע או יתפוצץ, ויגרום לפציעה או נזק לרכוש

שימושים לתעשיית הדלקים

חומרי הזנה לייצור דלק: תסיסת שמרים של מוצרי פחמימות שונים משמשת גם לייצור אתנול שמתווסף לבנזין. חומר ההזנה לייצור אתנול הדומיננטי באזורים חמים יותר הוא קנה סוכר. באזורים ממוזגים משתמשים בתירס או בסלק סוכר. בארצות הברית, חומר ההזנה העיקרי לייצור אתנול הוא תירס.תבנית:הערה כ-2.8 ליטרים של אתנול מיוצרים מבושל אחד של תירס (0.42 ליטר לקילוגרם). בעוד שחלק ניכר מהתירס הופך לאתנול, חלק מהתירס מניב גם תוצרי לוואי כמו DDGS- תבנית:אנג

(distillers dried grains with solubles) שיכולים לשמש כמזון לבעלי חיים. בוש של תירס מייצר כ-18 פאונד של DDGS (320 קילוגרם של DDGS לטון של תירס). למרות שרוב מפעלי התסיסה נבנו באזורים המייצרים תירס, סורגום Sorghum bicolor גם הוא חומר הזנה חשוב לייצור אתנול במדינות המישורים. דוחן פנינה בעל פוטנציאל רב כחומר הזנה של אתנול בדרום מזרח ארצות הברית והפוטנציאל של עדשת מים זעירה (Lemna minor) נחקר. בצרפת ובאיטליה הענבים הפכו לחומר הזנה לדלק אתנול על ידי זיקוק של עודפי יין . ניתן להשתמש גם במשקאות ממותקים בעודפים. ביפן הוצע להשתמש באורז המיוצר בדרך כלל לסאקה כמקור לאתנול.

ניתן להכין אתנול משמן מינרלי או מסוכרים או עמילנים. האחרונים הם הזולים ביותר. היבול העמילני עם תכולת האנרגיה הגבוהה ביותר לדונם הוא קסאווה, שגדל בארצות טרופיות. בתאילנד כבר הייתה תעשיית קסאווה גדולה בשנות ה-90, לשימוש כמזון לבהמות וכתערובת זולה לקמח חיטה. ניגריה וגאנה כבר מקימות מפעלי קסאווה לאתנול. ייצור אתנול מקסאווה כדאי כיום מבחינה כלכלית, כאשר מחירי הנפט הגולמי הם מעל 120 דולר ארצות הברית לחבית. לשם כך זנים חדשים של קסאווה נמצאים בתהליכי פיתוח. הקסאווה יכולה להניב בין 25 ל-40 טון לדונם (כאשר מבצעים השקיה ודשן),תבנית:הערה ומתוך טון של שורשי קסאווה ניתן לייצר כ-200 ליטר אתנול (קסאווה עם תכולת עמילן של 22%). ליטר אתנול מכיל כ-21.46תבנית:הערה MJ של אנרגיה. היעילות האנרגטית הכוללת של המרת קסאווה (שורש) לאתנול היא כ-32%. זנים חדשים של קסאווה, נכון להיום, הקסאווה יכולה להניב בין 25 ל-40 טון לדונם (עם השקיה ודשן),תבנית:הערה ומתוך טון של שורשי קסאווה ניתן לייצר כ-200 ליטר אתנול (בהנחה של קסאווה עם תכולת עמילן של 22%). ליטר אתנול מכיל כ-21.46תבנית:הערה MJ של אנרגיה. היעילות האנרגטית הכוללת של המרת קסאבה-שורש לאתנול היא כ-32%.

השמרים המשמשים לעיבוד קסאווה הם השמר Endomycopsis fibuligera המפריש אלפא עמילאזה בריכוזים גבוהים, לעיתים בתערובת סטארטר של תסיסה עם החיידק Zymomonas mobilis.

תוצרי לוואי של התסיסה

תסיסת אתנול מייצרת תוצרי לוואי שונים: אנרגיית חום, פחמן-דו-חמצני, מים, מתנול, דלקים, דשן ואלכוהול. השאריות המוצקות של הדגנים הבלתי-מותססים מתהליך התסיסה, שיכולים לשמש כמזון לבעלי חיים או בייצור ביוגז, מכונים כ-Distillers grains ונמכרים כחומר רטוב: WDG, Wet Distiller's grains או או חומר יבש: Dried

Distiller's Grains with Solubles DDGS.

מיקרואורגניזמים בתסיסת אתנול

שמרים

• Saccharomyces cerevisiae
• תבנית:אנג

חיידקים

• תבנית:אנג

ראו גם

• תסיסה
• גליקוליזה
• תסיסה הומולקטית
• אלכוהול מזוקק

תבנית:בקרת זהויות הוספת פסקה

ראו גם

• תסיסה
• גליקוליזה
• תסיסה הומולקטית
• אלכוהול מזוקק