Phản ứng lên men rượu từ glucose (C6H12O6) tạo ra ethanol (C2H5OH) và carbon dioxide (CO2) là một quá trình sinh hóa quan trọng. Bài viết này sẽ đi sâu vào phản ứng này, cung cấp kiến thức mở rộng về glucose và các ứng dụng thực tế của quá trình lên men.
Phương Trình Phản Ứng Lên Men Glucose
Phản ứng Lên Men Glucose được biểu diễn như sau:
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2
Điều kiện phản ứng:
- Enzyme: Phản ứng cần xúc tác enzyme từ vi sinh vật (ví dụ: nấm men).
- Nhiệt độ: Thường diễn ra ở nhiệt độ 30-35°C.
- Môi trường kỵ khí: Quá trình lên men xảy ra trong điều kiện thiếu oxy.
Glucose: Cấu Trúc, Tính Chất và Vai Trò
Tính Chất Vật Lý
Glucose là một chất rắn, tinh thể không màu, tan tốt trong nước và có vị ngọt, tuy nhiên độ ngọt không bằng đường mía (sucrose).
Trạng Thái Tự Nhiên
Glucose có mặt trong nhiều bộ phận của thực vật như lá, hoa, rễ, đặc biệt nhiều trong quả chín (đường nho). Mật ong chứa khoảng 30% glucose. Glucose cũng tồn tại trong cơ thể người và động vật, với nồng độ ổn định trong máu (khoảng 0,1%).
Cấu Tạo Phân Tử
Công thức phân tử của glucose là C6H12O6. Cấu trúc mạch hở của glucose chứa một nhóm aldehyde (CHO) và năm nhóm hydroxyl (OH):
CH2OH–CHOH–CHOH–CHOH–CHOH–CH=O (hoặc CH2OH[CHOH]4CHO)
Trong thực tế, glucose tồn tại chủ yếu ở dạng mạch vòng α và β.
Tính Chất Hóa Học
Glucose thể hiện tính chất của cả aldehyde đơn chức và alcohol đa chức (polyol).
Tính chất của alcohol đa chức:
-
Tác dụng với Cu(OH)2: Tạo dung dịch phức đồng màu xanh lam, chứng minh sự tồn tại của nhiều nhóm OH kề nhau.
2C6H12O6 + Cu(OH)2 → (C6H11O6)2Cu + 2H2O (phức đồng – glucose)
-
Phản ứng tạo ester: Glucose phản ứng với anhydride acetic tạo ester chứa 5 gốc acetic acid.
CH2OH(CHOH)4CHO + 5(CH3CO)2O → CH3COOCH2(CHOOCCH3)4CHO + 5CH3COOH
Tính chất của aldehyde:
-
Oxi hóa bằng dung dịch AgNO3/NH3 (phản ứng tráng bạc): Tạo muối amoni gluconate và bạc kim loại.
HOCH2[CHOH]4CHO + 2AgNO3 + 3NH3 + H2O → HOCH2[CHOH]4COONH4 + 2Ag↓ + 2NH4NO3
-
Oxi hóa bằng Cu(OH)2: Tạo muối natri gluconate, đồng(I) oxit (kết tủa đỏ gạch) và nước.
CH2OH[CHOH]4CHO + 2Cu(OH)2 + NaOH → CH2OH[CHOH]4COONa + Cu2O↓ + 3H2O
-
Làm mất màu dung dịch brom:
CH2OH[CHOH]4CHO + Br2 + H2O → CH2OH[CHOH]4COOH + 2HBr
-
Khử bằng hydro: Tạo sorbitol (polyol).
CH2OH[CHOH]4CHO + H2 → CH2OH[CHOH]4CH2OH (Sorbitol)
-
Phản ứng lên men: Tạo ethyl alcohol và khí carbonic.
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2
Điều Chế và Ứng Dụng của Glucose
Điều chế:
Trong công nghiệp, glucose được sản xuất bằng cách thủy phân tinh bột (xúc tác HCl loãng hoặc enzyme) hoặc cellulose (từ vỏ bào, mùn cưa, xúc tác HCl đặc).
(C6H10O5)n + nH2O → nC6H12O6
Ứng dụng:
- Y tế: Dùng làm chất dinh dưỡng, thuốc tăng lực cho người già, trẻ em và người bệnh.
- Công nghiệp: Sản xuất ethyl alcohol, tráng gương, tráng ruột phích.
Bài Tập Vận Dụng
Câu 1: Lên men 300 gam glucose thu được 92 gam ethyl alcohol. Hiệu suất quá trình lên men là bao nhiêu?
Giải:
- Phương trình: C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2
- Theo lý thuyết: 180 gam glucose tạo ra 92 gam ethanol.
- 300 gam glucose tạo ra (300/180) * 92 = 153.33 gam ethanol.
- Hiệu suất = (92/153.33) * 100% = 60%
Câu 2: Lên men glucose, CO2 sinh ra hấp thụ hết vào dung dịch Ca(OH)2 dư tạo ra 50 gam kết tủa. Hiệu suất lên men là 80%. Khối lượng glucose cần dùng là bao nhiêu?
Giải:
- nCaCO3 = 50/100 = 0.5 mol
- nCO2 = nCaCO3 = 0.5 mol
- nGlucose (lý thuyết) = 0.5/2 = 0.25 mol
- mGlucose (lý thuyết) = 0.25 * 180 = 45 gam
- mGlucose (thực tế) = 45 / 0.8 = 56.25 gam
Tối Ưu Hóa Quá Trình Lên Men Glucose
Để tối ưu hóa quá trình lên men glucose, cần chú ý các yếu tố sau:
- Chủng vi sinh vật: Lựa chọn chủng nấm men hoặc vi khuẩn có khả năng lên men cao và chịu được nồng độ cồn.
- Điều kiện nuôi cấy: Đảm bảo nhiệt độ, pH, và dinh dưỡng phù hợp cho sự phát triển của vi sinh vật.
- Nồng độ glucose: Điều chỉnh nồng độ glucose ban đầu để tránh ức chế quá trình lên men.
- Loại bỏ sản phẩm phụ: Loại bỏ các chất ức chế quá trình lên men như acid acetic.
- Khuấy trộn: Đảm bảo sự đồng nhất của môi trường và loại bỏ CO2 hòa tan.
Kết Luận
Lên men glucose là một quá trình quan trọng với nhiều ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và năng lượng. Hiểu rõ về cơ chế, điều kiện và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này giúp chúng ta tối ưu hóa hiệu quả và mở rộng các ứng dụng tiềm năng.
