Phản ứng lên men rượu, hay quá trình glucozơ chuyển hóa thành etanol, là một trong những ứng dụng quan trọng nhất của hóa học trong công nghiệp thực phẩm và năng lượng. Bài viết này sẽ đi sâu vào cơ chế, điều kiện và ứng dụng của quá trình này, cùng với các bài tập vận dụng để hiểu rõ hơn về nó.
Phương Trình Phản Ứng Lên Men Glucozơ
Phương trình hóa học tổng quát của quá trình lên men glucozơ như sau:
C6H12O6 →enzim,30−35oC 2C2H5OH + 2CO2↑
Phản ứng này còn được gọi là phản ứng lên men rượu, trong đó glucozơ (đường) chuyển hóa thành etanol (cồn) và khí cacbonic (CO2).
Điều Kiện Cần Thiết Cho Phản Ứng Lên Men Glucozơ:
- Xúc tác enzyme: Các enzyme đặc hiệu từ vi sinh vật (ví dụ: nấm men) đóng vai trò xúc tác.
- Nhiệt độ: Thường ở khoảng 30 – 35oC, là điều kiện tối ưu cho hoạt động của enzyme.
- Môi trường kỵ khí: Quá trình lên men xảy ra trong điều kiện không có oxy.
Glucozơ: Tổng Quan Về Cấu Trúc và Tính Chất
Để hiểu rõ hơn về quá trình lên men, chúng ta cần nắm vững kiến thức về glucozơ.
Tính Chất Vật Lý và Trạng Thái Tự Nhiên
- Glucozơ là chất rắn, tinh thể không màu, dễ tan trong nước, vị ngọt nhưng không ngọt bằng đường mía.
- Glucozơ có mặt trong hầu hết các bộ phận của cây, đặc biệt nhiều trong quả nho chín (đường nho) và mật ong (khoảng 30%).
- Trong cơ thể người và động vật, glucozơ tồn tại trong máu với một lượng nhỏ (khoảng 0,1%).
Cấu Tạo Phân Tử
Công thức phân tử của glucozơ là C6H12O6. Cấu trúc của glucozơ được xác định thông qua các phản ứng hóa học đặc trưng. Phân tử glucozơ chứa một nhóm aldehyde (CHO) và năm nhóm hydroxyl (OH) liền kề.
Công thức cấu tạo dạng mạch hở: CH2OH–CHOH–CHOH–CHOH–CHOH–CH=O (hoặc viết gọn là: CH2OH[CHOH]4CHO).
Trong thực tế, glucozơ tồn tại chủ yếu ở hai dạng mạch vòng là α – glucose và β – glucose.
Tính Chất Hóa Học
Glucozơ thể hiện tính chất của cả aldehyde đơn chức và ancol đa chức (polyancol).
Tính Chất Của Ancol Đa Chức
- Tác dụng với Cu(OH)2: Tạo dung dịch phức đồng-glucozơ màu xanh lam, chứng minh có nhiều nhóm OH kề nhau.
- Phản ứng tạo ester: Tạo ester chứa 5 gốc acetic acid khi tác dụng với anhiđrit axetic, chứng minh có 5 nhóm OH trong phân tử.
Tính Chất Của Aldehyde
- Oxi hóa bằng dung dịch AgNO3/NH3 (phản ứng tráng bạc): Tạo muối amoni gluconat và bạc kim loại.
- Oxi hóa bằng Cu(OH)2: Tạo muối natri gluconat và đồng(I) oxit (kết tủa đỏ gạch).
- Khử bằng hiđro: Tạo sobitol (một polyancol).
Ứng Dụng Thực Tế Của Phản Ứng Lên Men Glucozơ
- Sản xuất ethanol: Ethanol (cồn) được sử dụng rộng rãi làm nhiên liệu sinh học, dung môi công nghiệp và nguyên liệu cho nhiều ngành công nghiệp khác.
- Sản xuất thực phẩm và đồ uống: Quá trình lên men glucozơ được ứng dụng trong sản xuất bia, rượu vang, và các sản phẩm lên men khác.
Điều Chế Glucozơ
- Trong công nghiệp: Thủy phân tinh bột (từ ngô, khoai, sắn) hoặc cellulose (từ gỗ, rơm rạ) bằng axit hoặc enzyme.
(C6H10O5)n + nH2O →to,H+ nC6H12O6
Bài Tập Vận Dụng
Câu 1: Lên men 360 gam glucozơ thu được V lít CO2 (đktc). Tính V, biết hiệu suất phản ứng là 80%.
Câu 2: Một mẫu mật ong chứa 30% glucozơ. Tính khối lượng etanol thu được khi lên men hoàn toàn 1 kg mật ong, giả sử hiệu suất phản ứng là 90%.
Câu 3: Cho sơ đồ phản ứng: Tinh bột → Glucozơ → Etanol. Tính khối lượng tinh bột cần dùng để sản xuất 10 lít etanol 46°, biết khối lượng riêng của etanol là 0,8 g/ml và hiệu suất của cả quá trình là 72%.
Quá trình Glucozơ Lên Men là một phản ứng quan trọng với nhiều ứng dụng trong đời sống và công nghiệp. Hiểu rõ cơ chế, điều kiện và ứng dụng của quá trình này giúp chúng ta tận dụng hiệu quả nguồn nguyên liệu tự nhiên và phát triển các sản phẩm có giá trị.
