Etanolikäyminen

Viinirypäleiden käyttämistä viinin valmistuksessa.

Etanolikäyminen eli alkoholikäyminen on solujen aineenvaihdunnan käymisreaktiosarja, jossa pyruvaatista eli palorypälehaposta muodostuu tiettyjen entsyymien katalysoimana etanolia ja hiilidioksidia. Pyruvaatti saadaan usein hajottamalla glukoosia glykolyysissä.[1] Soluissa käyminen tapahtuu usein solulimassa.[2]

Etanolikäymiseen pystyvät monet bakteerit ja hiivat kuten leivinhiiva. Myös jotkin kasvit pystyvät tähän,[1] kuten paperikoivu ja amerikanpunamänty.[3] Ihmisten solut eivät tuota etanolia, mutta suoliston mikrobit (bakteerit ja hiivat) tuottavat syödystä ravinnosta etanolia siten, että ihmisillä on uloshengitysilmassa[4] ja veressä etanolia mitättömiä määriä.[5] Vain harvinaisissa tapauksissa suolistomikrobit (yleensä hiivat kuten leivinhiiva) tuottavat etanolia niin paljon, että henkilö humaltuu syötyään hiilihydraattipitoista ruokaa.[6][7]

Etanolikäyminen tapahtuu usein vähähappisissa tai hapettomissa eli anaerobisissa olosuhteissa,[2] mutta ei aina: leivinhiiva käyttää ensisijaisesti etanolikäymistä happirikkaissakin oloissa, vaikka pystyy aerobiseen eli happea kuluttavaan soluhengitykseen.[8]

Biokemia

Glykolyysissä glukoosia hajotetaan pyruvaatiksi, jotka voivat solusta riippuen mennä etanolikäymiseen. Joistain muistakin sokereista voidaan muodostaa pyruvaattia.[2]

Etanolikäyminen on kaksivaiheinen reaktio. Sen 1. vaiheessa pyruvaatti dekarboksyloituu pyruvaattidekarboksylaasi-entsyymillä asetaldehydiksi ja hiilidioksidiksi (CO2). Entsyymin kofaktoreina ovat tiamiinipyrofosfaatti (TPP) ja magnesiumioni (Mg2+). 2. vaiheessa alkoholidehydrogenaasi pelkistää NADH:n avulla asetaldehydin etanoliksi. Reaktio on seuraavanlainen:[1]

Etanolikäymisessä pyrkimyksenä esim. hiivoilla ja muissa aerobiseen eli happea kuluttavaan soluhengitykseen kykenevillä eliöillä ei ole tuottaa ATP:hen sitoutunutta energiaa, vaan hapettaa glykolyysissä muodostunutta NADH:ta takaisin NAD+:ksi. Tällöin NAD+ ei lopu solusta ja NAD+:ta tarvitseva glykolyysi voi jatkua.[2]

Etanolikäymistä tarvitaan mm. hiivoissa NAD+:n uudelleen muodostumiseen.

Glykolyysissä saadaan 2 ATP:tä per glukoosi. Aerobisessa soluhengityksessä saadaan noin 32 ATP:tä per glukoosi. Etanolikäymisellä toimivan solun ATP:n tuotto on siis noin 16 kertaa tehottomampaa kuin aerobisella soluhengityksellä, sillä glykolyysin ja maitohappokäymisen nettoreaktio on:[2]

C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi → 2 C2H5OH + 2 CO2 + 2 ATP

Käyttötarkoitukset

Alkoholijuomat

Hiivojen, tyypillisesti leivinhiivan, etanolikäymistä käytetään alkoholijuomien etanolin tuottoon.[2] Jotkin hiivat tuottavat juomaa, jossa alkoholipitoisuus on yli 20 tilavuusprosenttia.[9] Usein käyminen kuitenkin loppuu, kun etanolia on käymisseoksessa 8–12 tilavuusprosenttia, sillä keskiverto leivinhiiva kuolee näissä pitoisuuksissa etanolin ja käymisseoksen happamoitumisen vuoksi. Sivutuotteina muodostuvat orgaaniset hapot happamoivat käymisseoksen. Suurempien etanolipitoisuuksien saavuttaminen vaatii tislausta.[10]

Juomien valmistuksessa muodostuu myös metanolia kasviperäisissä lähtöaineissa olevasta pektiinistä. Tätä hajottavat metanoliksi hiivojen ja muiden mikrobien tuottamat pektiiniesteraasit (EC 3.1.1.11). Tislaamattomissa juomissa metanolia on usein vain vähän. Lisäksi kaupassa myytäville juomille on mm. EU:ssa säädetty turvallisena pidettyjä ylärajoja. Erityisen suuren pektiinipitoisuuden omaavia lähtöaineita ja pektiiniesteraaseja runsaasti tuottavia mikrobeja käytettäessä itse tehdyn juoman metanolipitoisuus voi kuitenkin olla niin suuri, että siitä saa metanolimyrkytyksen. Juomien valmistuksessa muodostuu myös hyvin vähän muitakin aineita: mm. 1-butanolia, 2-butanolia, 1-propanolia, asetonia, etikkahappoa, etyylikarbamaattia ja etyyliasetaattia.[11]

Tietyt mikrobit lopettavat etanolikäymisen happirikkaissa oloissa ja alkavat sen sijaan tuottaa energiaa (ATP:tä) aerobisen eli happea kuluttavan soluhengityksen kautta. Leivinhiiva ei kuitenkaan kuulu näihin mikrobeihin. Se tuottaa energiaa ensisijaisesti etanolikäymisellä myös happirikkaissa oloissa.[8] Hapettomat olot voivat olla kuitenkin tärkeät juomien kypsytyksen ja varastoinnin aikana. Niissä voi kasvaa bakteereita, jotka tuottavat hapen läsnä ollessa etanolista juoman maun pilaavaa etikkahappoa.[12]

Muut

Etanolikäymistä käytetään leivonnassa taikinoiden kohottamiseen. Kohoamisen saa aikaan käymisessä muodostuva hiilidioksidi.[2] Leivontatuotteissa on paistamisen jälkeen etanolia usein alle 2 massaprosenttia, joka ei riitä humaltumiseen.[13]

Etanolikäymisen kautta valmistetaan myös polttoaineena käytettävää etanolia (katso bioetanoli).[14]

Katso myös

Lähteet

  1. ↑ a b c DL Nelson, MM Cox: Lehninger principles of biochemistry, s. 546–548. (5. painos) W.H. Freeman, 2008. ISBN 9780716771081 Teoksen verkkoversio.
  2. ↑ a b c d e f g LA Urry et al: Campbell biology, s. 179–181. (11. painos) Pearson Education, Inc., 2017. ISBN 9780134093413
  3. ↑ TW Kimmerer, TT Kozlowski: Ethylene, Ethane, Acetaldehyde, and Ethanol Production By Plants under Stress 1. Plant Physiology, huhtikuu 1982, 69. vsk, nro 4, s. 840–847. PubMed:16662306 ISSN 0032-0889 Artikkelin verkkoversio.
  4. ↑ C Turner, P Spanel, D Smith: A longitudinal study of ethanol and acetaldehyde in the exhaled breath of healthy volunteers using selected-ion flow-tube mass spectrometry. Rapid communications in mass spectrometry, 2006, 20. vsk, nro 1, s. 61–68. PubMed:16312013 doi:10.1002/rcm.2275 ISSN 0951-4198 Artikkelin verkkoversio.
  5. ↑ AR Ragab et al: Endogenous Ethanol Production Levels in Saudi Arabia Residents. Journal of Alcoholism & Drug Dependence, 2015, nro 03. doi:10.4172/2329-6488.1000211 Artikkelin verkkoversio.
  6. ↑ K Painter, KL Sticco: Auto-brewery Syndrome (Gut Fermentation). StatPearls Publishing, 2018. Teoksen verkkoversio.
  7. ↑ Barbara Cordell, Justin McCarthy: A Case Study of Gut Fermentation Syndrome (Auto-Brewery) with Saccharomyces cerevisiae as the Causative Organism. International Journal of Clinical Medicine, 2013, 4. vsk, nro 7, s. 309–312. doi:10.4236/ijcm.2013.47054 ISSN 2158-284X Artikkelin verkkoversio.
  8. ↑ a b JM Thomson et al: Resurrecting ancestral alcohol dehydrogenases from yeast. Nature genetics, kesäkuu 2005, 37. vsk, nro 6, s. 630–635. PubMed:15864308 doi:10.1038/ng1553 ISSN 1061-4036 Artikkelin verkkoversio.
  9. ↑ Luisa Alba-Lois, Ph.D. & Claudia Segal-Kischinevzky: Yeast Fermentation and the Making of Beer and Wine Luisa Alba-Lois, Ph.D. & Claudia Segal-Kischinevzky. Viitattu 20.3.2019.
  10. ↑ HH Schobert: Chemistry of fossil fuels and biofuels, s. 40, 50. Cambridge University Press, 2013. ISBN 9780521114004
  11. ↑ EI Ohimain: Methanol contamination in traditionally fermented alcoholic beverages: the microbial dimension. SpringerPlus, 20.9.2016, 5. vsk, nro 1. PubMed:27652180 doi:10.1186/s40064-016-3303-1 ISSN 2193-1801 Artikkelin verkkoversio.
  12. ↑ EJ Bartowsky, PA Henschke: Acetic acid bacteria spoilage of bottled red wine - a review. International Journal of Food Microbiology, 30.6.2008, 125. vsk, nro 1, s. 60–70. PubMed:18237809 doi:10.1016/j.ijfoodmicro.2007.10.016 ISSN 0168-1605 Artikkelin verkkoversio.
  13. ↑ BK Logan, S Distefano: Ethanol content of various foods and soft drinks and their potential for interference with a breath-alcohol test. Journal of Analytical Toxicology, toukokuu 1998, nro 3, s. 181–183. PubMed:9602932 ISSN 0146-4760 Artikkelin verkkoversio.
  14. ↑ A Kang, TS Lee: Converting Sugars to Biofuels: Ethanol and Beyond. Bioengineering, 27.10.2015, nro 4, s. 184–203. PubMed:28952477 doi:10.3390/bioengineering2040184 ISSN 2306-5354 Artikkelin verkkoversio.