La fermentación es un proceso químico mediante el cual los carbohidratos, como el almidón y la glucosa, se descomponen anaeróbicamente. La fermentación tiene muchos beneficios para la salud y se utiliza en la producción de bebidas alcohólicas, pan, yogur, chucrut, vinagre de sidra de manzana y kombucha. También se utiliza en la industria para generar etanol como fuente de biocombustible.
Una breve historia de la fermentación
A lo largo de la historia de la humanidad, diferentes culturas han producido bebidas fermentadas dejando granos y frutas en recipientes tapados, sin entender por qué funcionó la receta.
No fue hasta que Joseph Louis Gay-Lussac experimentó con un método para mantener el jugo de uva sin fermentar durante mucho tiempo que descubrió que la levadura era indispensable para la fermentación alcohólica. Sin embargo, fue Pasteur quien demostró que la levadura es responsable de la transformación de glucosa en etanol en bebidas fermentadas. También descubrió microorganismos que hacen que la leche se agria, lo que más tarde se descubrió que era la acción de las bacterias en la fermentación del ácido láctico.
Definición de fermentación
La fermentación es una proceso metabólico en el que la actividad de los microorganismos provoca un cambio deseable en un alimento o bebida. Por ejemplo, en la producción de bebidas alcohólicas o productos lácteos ácidos. En este proceso químico, moléculas como la glucosa se descomponen en condiciones anaeróbicas.
La palabra "fermentar" proviene de la palabra latina "fervere", que significa hervir. La ciencia de la fermentación se conoce como zimología, del griego "el funcionamiento de la fermentación", y es un estudio del proceso bioquímico de la fermentación y sus aplicaciones.
La fermentación ocurre bajo condiciones anaeróbicas (ausencia de oxígeno), con la acción de microorganismos (levaduras, bacterias y mohos) que extraen energía del proceso.
Algunas especies de levadura, como Saccharomyces cerevisiae, prefiere la fermentación a la respiración aeróbica, incluso cuando el oxígeno es abundante, siempre que exista un aporte adecuado de azúcar. La fermentación no se limita a la levadura, sino que también se puede realizar en los músculos, en los que los músculos catalizan la conversión de glucosa en lactato.
Vista bioquímica
Glucólisis, que es la vía metabólica que convierte la glucosa en piruvato, es el primer paso de la fermentación. Durante el proceso de glucólisis, una molécula de glucosa, un azúcar de seis carbonos, se descompone en dos moléculas de piruvato. Esta reacción exotérmica libera energía para la fosforilación de ADP a ATP y conversión de NAD + a NADH.
En presencia de oxígeno, el piruvato puede oxidarse a través del ciclo del ácido tricarboxílico, un proceso conocido como respiración aeróbica. Por el contrario, el piruvato puede reducirse a alcohol, ácido láctico u otros productos en ausencia de oxígeno, en el proceso de fermentación.
Tipos de fermentación
Existen muchos tipos de fermentación, que se distinguen principalmente por los productos finales. Dos de los tipos más importantes y utilizados son la fermentación alcohólica / etanol y la fermentación del ácido láctico.
Fermentación de etanol se utiliza en la elaboración de bebidas alcohólicas. Fermentación de ácido láctico se utiliza para condimentar o conservar lácteos y verduras. La fermentación del ácido láctico también se produce en las células musculares sometidas a una actividad intensa. En este caso, los músculos consumen energía (ATP) más rápido de lo que se puede suministrar oxígeno, lo que da como resultado un entorno anaeróbico y, por lo tanto, la acumulación de ácido láctico y el dolor muscular.
Existen otros tipos de fermentación como la fermentación con ácido acético, la fermentación con acetona-butanol-etanol y la fermentación con ácidos mixtos.
Fermentación de etanol
La fermentación del etanol se define como el proceso biológico que convierte el azúcar (glucosa, fructosa y sacarosa) en etanol, dióxido de carbono y energía.
Después del paso de glucólisis inicial que convierte una molécula de glucosa en dos moléculas de piruvato, el piruvato Las moléculas se descomponen aún más en dos moléculas de acetaldehído y dos de dióxido de carbono, un paso catalizado por piruvato. descarboxilasa. La alcohol deshidrogenasa luego facilita la conversión de las dos moléculas de acetaldehído en dos moléculas de etanol, utilizando la energía y el hidrógeno del NADH.
•••Modificado de https://www.khanacademy.org/science/biology/cellular-respiration-and-fermentation/variations-on-cellular-respiration/a/fermentation-and-anaerobic-respiration
Fermentación de ácido láctico
La fermentación del ácido láctico es otro tipo de fermentación y se describe como el proceso metabólico que transforma el azúcar en el metabolito lactato y energía. Es el único proceso de respiración que no produce un gas y ocurre en algunas bacterias (como lactobacilos) y células musculares.
Este tipo de fermentación convierte las dos moléculas de piruvato de la glucólisis en dos moléculas de ácido láctico y regenera el NAD.+ en el proceso, continuando el ciclo. Esta reacción redox es catalizada por la deshidrogenasa del ácido láctico.
Las bacterias del ácido láctico pueden realizar la fermentación homoláctica, donde el ácido láctico es el producto principal, o fermentación heteroláctica, donde algo de lactato se metaboliza en etanol, dióxido de carbono y otros subproductos.
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Importancia y beneficios de la fermentación
Rico en probióticos, los alimentos fermentados contienen microorganismos que pueden ayudar a mantener un sistema intestinal saludable, por lo que pueden extraer nutrientes de los alimentos de manera más eficiente. Son beneficiosos para la salud humana de varias formas.
Los probióticos, enzimas y ácido láctico en los alimentos fermentados pueden facilitar la ingesta de vitaminas y minerales por parte del cuerpo. La fermentación aumenta las vitaminas B y C y mejora el ácido fólico, la riboflavina, la niacina, la tiamina y la biotina, haciéndolas más accesibles para la absorción.
La fermentación también puede neutralizar el ácido fítico, una sustancia presente en los cereales, frutos secos, semillas y legumbres que provoca deficiencias minerales. Los fitatos, la forma ionizada del ácido fítico, también hacen que el almidón, las proteínas y las grasas sean menos digeribles.
Los microorganismos, o probióticos, en los alimentos fermentados pueden ayudar a mantener un intestino sano en la producción de antibióticos, agentes antivirales, antifúngicos y antitumorales, además de crear un ambiente ácido en el que los patógenos no prosperan en.
Usos diarios de la fermentación
La fermentación se usa ampliamente para la producción de bebidas alcohólicas, por ejemplo, vino a partir de jugos de frutas y cerveza a partir de granos. Las patatas, ricas en almidón, también se pueden fermentar y destilar para hacer ginebra y vodka.
La fermentación también se utiliza ampliamente en la elaboración del pan. Cuando el azúcar, la levadura, la harina y el agua se combinan para formar una masa, la levadura descompone el azúcar y emite dióxido de carbono, lo que hace que el pan suba. El pan de especialidad, como la masa madre, utiliza tanto levadura como lactobacilos. Esta combinación le da a la masa su textura elástica y su distintivo sabor agrio.
La fermentación del ácido láctico se utiliza para dar sabor o conservar productos lácteos y verduras, por ejemplo, yogur, chucrut, encurtidos y kimchi.
La fermentación con ácido acético también se puede utilizar para convertir almidones y azúcares de granos y frutas en vinagre y condimentos de sabor amargo, como vinagre de sidra de manzana y kombucha.
Aplicación industrial de la fermentación
La fermentación se utiliza en la industria para generar etanol para la producción de biocombustible. Es un recurso renovable atractivo porque se origina a partir de materias primas que incluyen granos y cultivos como maíz, caña de azúcar, remolacha azucarera y mandioca. También puede provenir de árboles, pastos, residuos agrícolas y forestales.
En los Estados Unidos, que es el mayor productor de combustible de etanol, la principal materia prima para el combustible de etanol es el maíz dada su abundancia y bajo precio. Se pueden producir aproximadamente 0,42 litros de etanol a partir de un kilogramo de maíz. El segundo mayor productor es Brasil y la mayor parte de su combustible de etanol proviene de la caña de azúcar. La mayoría de los automóviles en Brasil funcionan con etanol puro o una mezcla de gasolina y etanol.
La fermentación también es capaz de producir gas hidrógeno, por ejemplo en Clostridium pasteurianum, donde la glucosa se convierte en butirato, acetato, dióxido de carbono e hidrógeno gaseoso. En la fermentación de acetona-butanol-etanol, las bacterias descomponen los carbohidratos como el almidón y la glucosa para producir acetona, n-butanol y etanol. Este proceso fue desarrollado por Chaim Weizmann como método principal para fabricar acetona en la Primera Guerra Mundial.