આથવણ (fermentation) : અજારક અથવા અવાયુક (anerobic) ઉપચયન (oxidation)અપચયન (reduction) પ્રક્રિયાઓ. સજીવોના શ્વસન સાથે સંકળાયેલી આ પ્રક્રિયાઓ, કાર્બોહાઇડ્રેટના વિઘટનથી શરીરની જાળવણી તથા વૃદ્ધિ માટે આવશ્યક કાર્ય-ઊર્જા (working energy) પૂરી પાડે છે.
આથવણની પ્રક્રિયા દસેક હજાર વર્ષોથી જાણીતી છે. દ્રાક્ષ અને અન્ય શર્કરાયુક્ત પદાર્થોમાંથી મદ્યયુક્ત પીણાં (alcoholic drinks), સરકો (vinegar) વગેરે બનાવવાની આથવણ પદ્ધતિ પ્રાચીન સમયથી જાણીતી હતી. આ ઉપરાંત દૂધમાંથી દહીં અને લોટમાંથી બ્રેડ બનાવવાની ક્રિયાઓ પણ આથવણ ઉપર આધાર રાખે છે. આથવણની ક્રિયાનો વૈજ્ઞાનિક અભ્યાસ છેલ્લાં બસો વર્ષમાં જ થયો છે તેમ કહી શકાય. 1800ના અરસામાં યીસ્ટ અને આથવણ વચ્ચેનો સંબંધ જાણીતો હતો, પણ યીસ્ટના કાર્ય વિશે કોઈ માહિતી ઉપલબ્ધ ન હતી. 1837માં કેગ્નિયાર્ડ દ લ તૂરે જણાવ્યું કે યીસ્ટ જીવંત પદાર્થ છે, જેના વડે આથવણ શક્ય બને છે. લીબિગ અને વ્હોલરે આથવણને જૈવિકને બદલે રાસાયણિક ક્રિયા હોવા અંગેનો વિચાર રજૂ કર્યો. લૂઈ પાશ્ચરે (1857) સમજાવ્યું કે આથવણ રાસાયણિક ઉપચયનનું દેહધાર્મિક પ્રતિરૂપ (physiological counterpart) છે, જેમાં અમુક સજીવો હવા વગર જીવીને વૃદ્ધિ પામી શકે છે. બુકનરે સૌપ્રથમ સાબિત કર્યું કે જીવંત કોષમાંથી નિષ્કર્ષિત કોષરહિત પદાર્થો (ઉત્સેચકો, enzymes) આથવણની ક્રિયા કરી શકે છે (1897). ઉત્સેચકોને જૈવિક ઉદ્દીપકો પણ કહે છે. આથવણમાં જે પદાર્થ રૂપાંતર પામે છે તેને પ્રક્રિયાર્થી અથવા અવસ્તર (substrate) કહે છે. શર્કરાયુક્ત પદાર્થોના આલ્કોહૉલમાં યીસ્ટ મારફત થતા આથવણમાં કાર્બન ડાયૉક્સાઇડ ઉત્પન્ન થતો હોઈ દ્રાવણ ઊકળતું હોય તેમ લાગે છે. આથી આ ક્રિયાનું નામ ‘ઊકળવું-fervere’ ઉપરથી fermentation પ્રયોજાયું છે.
આથવણમાંની અગત્યની પ્રક્રિયાઓ નીચે પ્રમાણે છે :
એમ્બ્ડેન મેયરહોફ ગ્લાયકોલિસિસ પથ : સજીવોમાં ગ્લુકોઝના વિઘટનની શરૂઆતમાં થતી કેટલીક પ્રક્રિયાઓ એમ્બ્ડેન મેયરહોફ ગ્લાયકોલિસિસ પથ તરીકે ઓળખાય છે. આ પથમાં ગ્લુકોઝનું વિઘટન પાયરૂવિક ઍસિડના બે અણુઓમાં થાય છે (જુઓ ચયાપચય). આ પ્રક્રિયાની શરૂઆતમાં કાઇનેઝ તેમજ આઇસોમરેઝ ઉત્સેચકોની અસર હેઠળ ગ્લુકોઝ(1)નું નીચે દર્શાવ્યા પ્રમાણે ફ્રુકટોઝ-1, 6- ડાયફોસ્ફેટ(2)માં રૂપાંતર થાય છે.
જ્યાં P = H3PO2
આ 6-કાર્બનયુક્ત ડાયફોસ્ફેટ શર્કરાનું વિઘટન ત્રણ કાર્બનયુક્ત ગ્લિસરાલ્ડિહાઇડ ફોસ્ફેટ(3)ના બે અણુઓમાં થાય છે. જેના
ઉપર કેટલીક પ્રક્રિયાઓ થતાં તેનું રૂપાંતર પાયરૂવિક ઍસિડ (4)માં થાય છે.
સામાન્યપણે ઑક્સિજનની હાજરીમાં પાયરુવિક ઍસિડનું સંપૂર્ણ વિઘટન થતાં અંતે પાણી અને કાર્બનડાયૉક્સાઇડ પેદા થાય છે.
પરંતુ માધ્યમમાં ઑક્સિજન અથવા તેની ઉપચયન-અપચયન પ્રક્રિયા સાથે સંકળાયેલા ઉત્સેચકોના અભાવમાં પાયરૂવિક ઍસિડ પર આથવણની પ્રક્રિયા શક્ય બને છે.
1. આલ્કોહૉલિક આથવણ : કેટલાક બૅક્ટેરિયા તેમજ યીસ્ટની હાજરીમાં આથવણથી આલ્કોહૉલનું નિર્માણ થાય છે.
2. લૅક્ટિક ઍસિડ આથવણ : લૅક્ટોબેસિલસ, કેટલાંક અન્ય બેક્ટેરિયા તેમજ કંકાલ (skeletal) સ્નાયુઓ પાયરૂવિક ઍસિડનું પરિવર્તન લૅક્ટિક ઍસિડમાં કરે છે.
- પ્રોપિયોનિક એસિડ આથવણ : આ પ્રક્રિયા લૅક્ટોબેસિલસ અને કેટલાક અન્ય બૅક્ટેરિયામાં જોવા મળે છે. આ એક જટિલ પ્રક્રિયા છે.
આ પ્રક્રિયામાં ઓક્ઝલ એસિટિક ઍસિડમાંથી ‘4H’ મેળવવામાં આવે છે.
4. ફૉર્મિક ઍસિડ તેમજ ઍસેટિક ઍસિડનું નિર્માણ : એન્ટેસિક બૅક્ટેરિયામાં પાયરૂવિક ઍસિડના વિઘટનથી ફૉર્મિક અને એસેટિક ઍસિડ પેદા થાય છે.
5. બ્યૂટેનૉલ આથવણ : કેટલાક બૅક્ટેરિયામાં પાયરૂવિક ઍસિડમાંથી નીચેનાં કાર્બનિક સંયોજનો બને છે.
આથવણની જેમ સડવાની (putrefaction) ક્રિયા અવાયુક પ્રક્રિયા છે. આથવણમાં કાર્બોહાઇડ્રેટ્સનું વિઘટન થતાં સામાન્ય રીતે મધુર વાસ અને સ્વાદયુક્ત પદાર્થો મળે છે, જ્યારે સડવાની ક્રિયામાં પ્રોટીનનું વિઘટન થતાં દુર્ગંધયુક્ત પદાર્થો મળે છે.
આથવણની ક્રિયા ઘણી વરણાત્મક (selective) છે. કોઈ એક પદાર્થ મેળવવા માટે ચોક્કસ પ્રકારના જીવાણુઓ (specific micro-organisms) જરૂરી હોય છે. વળી કાર્બોહાઇડ્રેટ્સ ઉપરાંત ખાદ્ય તરીકે એમોનિયમ ફૉસ્ફેટ ક્ષારો અને વિશિષ્ટ પ્રકારના વિકાસપ્રેરકો (growth promotors) જરૂરી બને છે. વળી આથવણક્રિયામાં pH અને તાપમાન પણ અગત્યનાં છે.
આથવણ ઔદ્યોગિક દૃષ્ટિએ ઘણું અગત્યનું છે. ઇથેનૉલ, મદ્યયુક્ત પીણાં, બ્રેડ, ચીઝ, લૅક્ટિક ઍસિડ, સાઇટ્રિક ઍસિડ, સરકો (vinegar), એસેટોન, એસેટિક ઍસિડ, બ્યૂટેનૉલ, પેનિસિલિન, સ્ટ્રેપ્ટો-માયસિન, ક્લૉરઍમ્ફેનિકોલ, ઇરિથ્રોમાયસિન, વિટામિન B12 વગેરે આથવણથી મોટા પ્રમાણમાં મેળવવામાં આવે છે.
જગદીશ જ. ત્રિવેદી
મંજુલા પ્રકાશ મંડન
અરવિંદ જટાશંકર જોશી