Fermentación alcohólica para niños
La fermentación es un proceso biológico fascinante que ocurre sin la presencia de oxígeno. Es llevada a cabo por pequeños seres vivos llamados microorganismos, como las levaduras y algunas bacterias. Estos microorganismos transforman los hidratos de carbono (como los azúcares) en otras sustancias. En el caso de la fermentación que produce un tipo de sustancia llamada etanol, también se libera dióxido de carbono (un gas) y energía que los microorganismos usan para vivir.
El etanol que se produce se usa para fabricar algunas bebidas y también como biocombustible a gran escala. El objetivo principal de este proceso para las levaduras es obtener energía cuando no hay oxígeno disponible. Al hacerlo, las levaduras descomponen las moléculas de azúcar y liberan etanol y dióxido de carbono. Estos microorganismos son comunes en frutas y cereales, y son clave para el sabor de muchos alimentos fermentados.
Contenido
Historia de la fermentación
La humanidad ha usado la fermentación desde hace mucho tiempo para preparar alimentos y bebidas. Por ejemplo, se usaba para hacer bebidas a partir de cereales y del mosto de la uva. Los antiguos griegos incluso tenían un dios, Dionisio, al que atribuían el descubrimiento de la fermentación. Procesos similares, como la destilación, surgieron alrededor del año 1150.
En 1764, el químico MacBride identificó el gas dióxido de carbono que se produce durante la fermentación. Poco después, en 1766, Cavendish lo describió y calculó cuánto dióxido de carbono se generaba a partir del azúcar. Más tarde, en 1789, Antoine Lavoisier hizo experimentos para entender las cantidades de los elementos (carbono, oxígeno e hidrógeno) que participan en la fermentación.
En 1815, el investigador francés Joseph Louis Gay-Lussac fue el primero en describir la reacción de fermentación que produce etanol a partir de glucosa. Sin embargo, los detalles de cómo funcionaba este proceso eran aún desconocidos. Durante el siglo XIX, hubo un gran debate científico para entender la fermentación. En la década de 1830, químicos como Jöns Jakob Berzelius y Justus von Liebig propusieron teorías sobre cómo ocurría. Más tarde, en 1857, Louis Pasteur demostró que la fermentación era un proceso que ocurría sin oxígeno.
En 1818, y luego en 1837, varios científicos descubrieron que las levaduras eran las responsables de la fermentación. Pero fue Eduard Buchner quien, en 1897, descubrió que una enzima llamada zimasa era la encargada final de este proceso. Por este descubrimiento, Buchner recibió el Premio Nobel de Química. Este hallazgo impulsó a otros científicos, como Harden y Young, quienes en 1904 demostraron que la zimasa necesitaba otras sustancias para funcionar, a las que llamaron cozimasa.
Los descubrimientos desde mediados del siglo XX hasta principios del siglo XXI se han centrado en mejorar los procesos de fermentación para hacerlos más eficientes a nivel industrial.
¿Cómo funciona la fermentación?
La fermentación se puede ver como un proceso bioquímico para obtener etanol. Desde el punto de vista de los microorganismos, su objetivo es conseguir energía para sobrevivir en ambientes sin oxígeno.
Las materias primas para la fermentación pueden ser azúcares simples, como los del jugo de uva, o sustancias más complejas, como el almidón de los granos de cebada.
El proceso principal para transformar el mosto de uva en vino es la fermentación. Aquí, los azúcares se convierten en etanol y dióxido de carbono. Además de producir etanol, durante la fermentación se forman muchos otros productos que influyen en el sabor y las características del producto final.
Las levaduras: Pequeños trabajadores
Las levaduras son hongos unicelulares muy pequeños, de forma esférica, que miden entre 2 y 4 micrómetros. Se encuentran de forma natural en frutas, cereales y verduras. Son organismos que pueden vivir sin oxígeno. Aproximadamente el 96% del etanol se produce gracias a diferentes tipos de levaduras, siendo la más común la Saccharomyces cerevisiae.
Las levaduras y las bacterias son los microorganismos que causan la fermentación. Cada uno tiene características especiales que influyen en el proceso y en el sabor del producto final. A veces, estos microorganismos trabajan juntos. Se ha descubierto que, en algunos casos, es mejor mantener quietas a las levaduras para que trabajen de manera más eficiente sobre los azúcares.
Algunas bacterias, como la Zymomonas mobilis, son muy eficientes en la fermentación. Sin embargo, no se usan para hacer algunas bebidas porque pueden dar sabores y olores desagradables. Pero son muy resistentes a altas concentraciones de etanol, lo que las hace útiles para producir etanol para otros usos, como los biocombustibles.
Cuando hay mucho azúcar, la alta concentración puede dificultar que las levaduras realicen la fermentación. Aunque hay diferentes tipos de levaduras con distintas tolerancias, el límite suele ser alrededor del 14% de etanol para las levaduras del vino. Los azúcares más comunes en la fermentación son la dextrosa, maltosa, sacarosa y lactosa.
Varias enzimas participan en la fermentación, pero la zimasa es la única responsable de transformar los hidratos de carbono en etanol y dióxido de carbono.
La química de la fermentación
La primera etapa de la fermentación es la glucólisis, que también ocurre en la respiración celular. Esta etapa necesita enzimas para funcionar. De forma sencilla, la reacción química de la fermentación se puede describir así:
C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP + 2 NADH + 2H+ → 2 CH3-CH2OH + 2 CO2 + 2 ATP + 2 NAD
Esta reacción libera energía, lo que significa que es un proceso exotérmico. La fermentación produce mucho CO2, que es lo que causa las burbujas en algunas bebidas. Este CO2 es más pesado que el aire y puede acumularse en lugares cerrados, desplazando el oxígeno. Por eso, es importante ventilar bien los espacios donde se produce la fermentación.
A medida que el etanol aumenta su concentración durante la fermentación, puede volverse tóxico para las levaduras. Cuando la concentración de etanol alcanza aproximadamente un 12% en volumen, las levaduras tienden a morir. Esta es una de las razones por las que las bebidas no destiladas no suelen superar el 20% de concentración de etanol.
Energía de la fermentación
La fermentación es un proceso que libera energía (exergónico) y produce moléculas de ATP, que son esenciales para el funcionamiento de las levaduras. Como no hay oxígeno, la respiración celular se bloquea, y la glucólisis se convierte en la única fuente de energía para las levaduras. Por cada molécula de glucosa, se generan 2 moléculas de ATP. Aunque esto es mucho menos que las 38 moléculas de ATP que se producen en la respiración celular, es suficiente para los organismos que viven sin oxígeno.
Factores que afectan la fermentación
Varios factores pueden limitar el proceso de fermentación, especialmente en la industria:
- Concentración de etanol: Las levaduras tienen un límite de tolerancia al etanol que producen. Algunas, como Saccharomyces cerevisiae, pueden soportar hasta un 20% de concentración.
- Acidez del sustrato (pH): El nivel de acidez o alcalinidad (pH) afecta a las levaduras. Generalmente, funcionan mejor en un rango de pH entre 3.5 y 5.5.
- Concentración de azúcares: Tanto una concentración muy alta como muy baja de azúcares puede afectar la actividad de las bacterias.
- Contacto con el aire: Incluso una pequeña cantidad de oxígeno puede detener el proceso de fermentación. Por eso, los recipientes de fermentación se cierran herméticamente.
- Temperatura: La fermentación libera calor, y las levaduras funcionan mejor dentro de ciertos rangos de temperatura. Si la temperatura es demasiado alta (cerca o superior a 55°C por 5 minutos), las levaduras mueren. La mayoría trabajan bien a 20°C.
- Crecimiento de las levaduras: Durante la fermentación, el número de levaduras aumenta, lo que también influye en el proceso.
Tipos de fermentación en la ciencia moderna
Fermentación industrial
La fermentación industrial busca aumentar la eficiencia del proceso para obtener mayores cantidades de etanol. Hoy en día, la producción industrial de algunas bebidas se realiza en ambientes controlados para satisfacer la demanda del mercado. Se investiga mucho para mejorar los biorreactores y seleccionar las mejores cepas de levaduras. Los métodos de fermentación continua, que permiten una producción constante, se empezaron a patentar en los años 50.
La fermentación industrial se lleva a cabo en grandes recipientes llamados fermentadores o biorreactores. Estos contenedores son herméticos y permiten la salida del dióxido de carbono. Durante el proceso, los microorganismos aumentan en número y el medio cambia sus propiedades químicas.
Fermentaciones naturales
La fermentación puede ocurrir de forma espontánea en la naturaleza si hay azúcares y poco oxígeno. Por ejemplo, algunas frutas maduras, como el melón o los cocos, pueden fermentar naturalmente y desarrollar un olor a etanol. A veces, los insectos que se alimentan de estas frutas maduras pueden verse afectados por el etanol producido.
Fermentaciones específicas
Los humanos han manipulado la fermentación para obtener etanol en ciertas bebidas. Para ello, se usan principalmente los azúcares de las frutas, los cereales y la leche. La producción de estas bebidas suele ser local, dependiendo de los ingredientes disponibles en cada región.
Fermentación del vino
La fermentación del vino es una de las más conocidas. Las levaduras responsables se encuentran de forma natural en la piel de las uvas. Los vinos deben tener una cantidad mínima de etanol, generalmente un 9% en volumen.
La elaboración del vino implica una fermentación principal en grandes recipientes, que dura aproximadamente de 10 días a dos semanas. Después, puede haber una fermentación secundaria en otros recipientes. Los vinos blancos fermentan a temperaturas más bajas (10°-15°C) que los vinos tintos (20°-30°C). A veces, la fermentación se detiene o se activa intencionalmente.
Fermentación de la cerveza
La cerveza se produce por la fermentación de una mezcla de cereales (como cebada, centeno o trigo) y agua. Las levaduras usadas en la cerveza trabajan con la maltosa y se eligen según el tipo de cerveza deseado. Por ejemplo, Saccharomyces cerevisiae se usa para cervezas tipo ale, y Saccharomyces carlsbergensis para cervezas tipo lager. El proceso de fermentación en las cubas de cerveza dura entre 5 y 9 días.
La industria cervecera ha seleccionado levaduras durante siglos para adaptarlas a la producción de cerveza. También se añade lúpulo para dar sabor, aroma y controlar las reacciones. La fermentación de la cerveza se produce en un medio ácido y se regula controlando la temperatura.
Existen dos tipos principales de fermentación en la cerveza, según dónde actúen las levaduras en el recipiente:
- Baja fermentación: Las levaduras se hunden en la parte inferior del recipiente y fermentan a temperaturas bajas (4–9°C).
- Alta fermentación: Las levaduras flotan en la parte superior y fermentan a temperaturas más altas (15–20°C).
Fermentación del arroz
En los países asiáticos, el arroz se usa para hacer bebidas fermentadas como el sake en Japón. Los microorganismos principales son el Aspergillus oryzae y varias levaduras. La fermentación dura entre 30 y 40 días. El sake tiene un sabor característico debido a varios componentes que se forman durante la fermentación.
Existen muchas otras bebidas fermentadas de arroz en diferentes culturas, como el binburán en Filipinas o el pachwai en la India.
Fermentación de la leche
La leche puede sufrir una fermentación que produce algunas bebidas. El proceso es alimentado por la lactosa (azúcar natural de la leche) y por enzimas de levaduras específicas. Un ejemplo es el koumiss, popular en países de Asia Central, que se elabora añadiendo azúcar a la leche y tiene un bajo contenido de etanol. Otra bebida es el kéfir, popular en el Cáucaso, que también contiene una pequeña cantidad de etanol.
Otras fermentaciones
Muchos alimentos fermentados contienen pequeñas cantidades de etanol debido a la fermentación. Cada cultura tiene sus propias bebidas fermentadas, a menudo usando frutas o verduras locales. Algunos ejemplos son la hidromiel (hecha con agua y miel), el tej etíope, el pulque de México (del zumo de agave), la chicha (de maíz), y la sidra (de manzana).
Fermentación casera
Algunas personas realizan fermentación casera para obtener etanol. El equipo básico incluye:
- Fermentador: Un recipiente grande (generalmente de plástico) donde se mezcla agua con azúcar o jugo de fruta. Debe tener una boca ancha para liberar el dióxido de carbono y facilitar la limpieza.
- Tapa con cierre: Una tapa que sella el fermentador, con un agujero para un dispositivo especial.
- Airlock: Un dispositivo que permite que el dióxido de carbono salga del fermentador, pero evita que el aire entre. Esto es importante para que el proceso no se contamine.
Se pueden comprar kits con levaduras deshidratadas. La fermentación suele comenzar unas 10 horas después de preparar la mezcla y dura entre dos y cuatro días.
Usos de la fermentación
El uso principal de la fermentación por el ser humano ha sido la producción de etanol para diversas bebidas. Sin embargo, desde la crisis del petróleo de los años 70, ha crecido el interés en usar el etanol de la fermentación de desechos agrícolas (biomasa) como biocombustible (bioetanol) para vehículos. Se investiga constantemente para mejorar la eficiencia de estos procesos.
El etanol también tiene muchos usos en la industria, como en la elaboración de productos cosméticos y de limpieza. Se ha explorado su uso en el tratamiento de residuos para producir biocombustible, y tiene un gran potencial en el tratamiento de residuos de la industria alimenticia.
Efectos de la fermentación
Los efectos de la fermentación se relacionan con los productos que se liberan: el etanol y el dióxido de carbono. Un efecto curioso es la presencia de etanol en algunos insectos que se alimentan de frutas o néctar fermentado, como las abejas. También puede afectar a los pájaros que comen bayas maduras. En las raíces de algunas plantas, la falta de aireación en el suelo puede causar fermentación, lo que aumenta la concentración de etanol y puede afectar el crecimiento de las plantas.
Los lugares donde se fermentan algunas bebidas (como los sótanos) pueden ser peligrosos porque el dióxido de carbono, al ser más pesado que el aire, puede acumularse y desplazar el oxígeno, causando asfixia a las personas.
Véase también
En inglés: Ethanol fermentation Facts for Kids
