Fermentación para niños
La fermentación es un proceso natural donde los seres vivos pequeños, como las levaduras y algunas bacterias, transforman sustancias orgánicas sin necesidad de oxígeno. Es como una forma de obtener energía de los alimentos de manera incompleta, y el resultado final es otro compuesto orgánico. La ciencia que estudia este proceso se llama cimología.
El famoso científico Louis Pasteur descubrió la fermentación y la describió como "la vida sin aire". Las levaduras son muy conocidas por realizar este proceso, pero también lo hacen algunos animales, protistas y otros organismos muy pequeños.
La fermentación ocurre en ausencia de oxígeno. Esto significa que, a diferencia de cuando respiramos, el oxígeno no es el que recibe los electrones al final del proceso. En su lugar, una sustancia orgánica se encarga de esa tarea. Este proceso es menos eficiente para obtener energía que la respiración con oxígeno. Por ejemplo, de una molécula de glucosa, la fermentación solo produce dos moléculas de energía (ATP), mientras que la respiración con oxígeno puede producir hasta 38.
En los seres vivos, la fermentación es un proceso que no utiliza las mitocondrias (que son como las "centrales de energía" de las células) ni la cadena respiratoria. Es común en algunos microorganismos, como ciertas bacterias y levaduras. También ocurre en la mayoría de las células de los animales, incluyendo a los humanos, excepto en las neuronas. Por ejemplo, nuestros eritrocitos (glóbulos rojos) no tienen mitocondrias y deben fermentar. Además, el tejido muscular de los animales puede realizar un tipo de fermentación cuando no recibe suficiente oxígeno durante un esfuerzo intenso.
En la industria, la fermentación también puede ocurrir con oxígeno, pero sigue siendo una transformación incompleta, como la producción de ácido acético a partir de un compuesto orgánico.
Contenido
¿Qué es la fermentación a nivel químico?
La fermentación es un proceso del metabolismo que convierte azúcares en ácidos, gases o ciertos compuestos orgánicos para obtener energía química. Es una forma de degradar parcialmente una sustancia y solo permite una producción limitada de energía. Ocurre en levaduras y bacterias, y también en las células musculares cuando no hay suficiente oxígeno.
En el siglo XIX, el estudio de la fermentación ayudó a descubrir las enzimas, que son proteínas que aceleran las reacciones químicas. Louis Pasteur pensó que los "fermentos" eran los responsables de la fermentación en la levadura.
La fermentación es un modo de obtener energía que usa pequeñas moléculas dentro de la célula para transferir electrones, en lugar de una cadena respiratoria. La energía (ATP) se produce más rápido por fermentación que por otros métodos, porque ocurre en el mismo lugar donde se necesita la energía.
La primera parte de todos los tipos de fermentación es la glucólisis, que transforma la glucosa en piruvato. En este paso, se producen dos moléculas de energía (ATP). El ATP se usa para actividades celulares como construir nuevas sustancias, transportar cosas a través de las membranas y el movimiento de las células.
Además, se produce una molécula llamada NADH que debe ser transformada de nuevo para que el proceso continúe. La fermentación se encarga de esto, pasando los electrones del NADH a otra molécula que luego se elimina de la célula. Por ejemplo, en la fermentación láctica, el piruvato es el que recibe los electrones y se convierte en lactato. Esto sucede en los músculos cuando hacemos ejercicio muy intenso y no llega suficiente oxígeno.
Origen de la palabra "fermentación"
La palabra "fermento" viene del verbo en latín fervere, que significa "hervir". Se cree que se usó por primera vez a finales del siglo XIV en la alquimia, pero con un significado más amplio. No se usó en el sentido científico moderno hasta alrededor del año 1600.
¿Para qué se usa la fermentación?
La fermentación se ha usado desde hace mucho tiempo. Es un fenómeno natural que ocurre cuando la materia orgánica se descompone. Los humanos lo observaron al ver cómo las frutas se transformaban solas.
El uso consciente de la fermentación por los humanos se remonta al Paleolítico para conservar alimentos y al Neolítico para producir ciertas bebidas. Hay registros de su uso desde hace miles de años en lugares como China, India, Georgia, Egipto, Babilonia, México y Sudán.
La fermentación también se ha usado para:
- Hacer que algunas plantas silvestres o cultivadas sean seguras para comer (como la yuca o el chucrut).
- Aumentar la cantidad de minerales disponibles en los alimentos (como en la elaboración del pan).
- Producir productos lácteos como el queso y el yogur, donde la fermentación ayuda a eliminar la lactosa de la leche, que algunas personas no toleran bien.
Gracias a la fermentación, las personas del Neolítico pudieron adaptarse a los nuevos alimentos que surgieron con la agricultura y la ganadería, como los cereales, las legumbres y los productos lácteos.
A principios del siglo XXI, existen más de 5000 alimentos fermentados en el mundo, incluyendo bebidas, productos lácteos, productos cárnicos (como el salchichón) y vegetales (como el chucrut).
¿Cómo se entendió científicamente la fermentación?
En 1837, varios científicos como Charles Cagniard de la Tour, Theodor Schwann y Friedrich Traugott Kützing publicaron estudios que mostraban que la levadura era un organismo vivo que se reproducía. Schwann hirvió jugo de uva para eliminar la levadura y vio que no había fermentación hasta que se añadía nueva levadura. Sin embargo, muchos químicos de la época pensaban que la fermentación era solo una reacción química y no creían que los organismos vivos estuvieran involucrados.
El gran avance llegó con Louis Pasteur (1822-1895) en las décadas de 1850 y 1860. Él repitió los experimentos de Schwann y demostró que la fermentación era causada por organismos vivos. En 1857, Pasteur mostró que la fermentación láctica era causada por seres vivos. En 1860, explicó cómo las bacterias causaban que la leche se agriara, algo que antes se creía que era solo un cambio químico. Su trabajo sobre el papel de los microorganismos en el deterioro de los alimentos llevó al proceso de pasteurización.
En 1877, Pasteur publicó su famoso artículo sobre la fermentación, donde, aunque definió la fermentación (incorrectamente) como "Vida sin aire", sí mostró correctamente cómo tipos específicos de microorganismos causaban tipos de fermentaciones y productos finales específicos.
Aunque se demostró que la fermentación era el resultado de la acción de microorganismos vivos, aún no se entendía la naturaleza básica del proceso. Muchos científicos, incluido Pasteur, intentaron sin éxito extraer la enzima de fermentación de la levadura.
El éxito llegó en 1897 cuando el químico alemán Eduard Buchner molió levadura, extrajo un líquido y descubrió que ese líquido "muerto" podía fermentar una solución de azúcar, produciendo dióxido de carbono y un compuesto orgánico, igual que lo hacían las levaduras vivas.
Los resultados de Buchner marcaron el nacimiento de la bioquímica. Se entendió entonces que la fermentación era causada por enzimas producidas por los microorganismos. En 1907, Buchner ganó el Premio Nobel de Química por su trabajo.
Desde entonces, los avances en el estudio de los microorganismos y la tecnología de fermentación han continuado. Por ejemplo, en la década de 1930, se descubrió que los microorganismos podían ser modificados para que produjeran más, crecieran más rápido o toleraran diferentes condiciones.
Tipos de fermentación
Existen varios tipos de fermentación. La más sencilla distingue entre la fermentación natural, que ocurre cuando los microorganismos y las sustancias orgánicas interactúan por sí solos, y la artificial, que es cuando los humanos crean las condiciones para que ocurra.
También se clasifican según los productos que se obtienen. Las más conocidas, que parten de una molécula llamada piruvato, son:
- La fermentación que produce un tipo de compuesto orgánico (como el que se encuentra en ciertas bebidas).
- La fermentación láctica.
- La fermentación butírica.
- La fermentación acética.
Otros tipos de fermentación incluyen:
- Fermentación butanodiólica: una variación de la fermentación láctica, realizada por bacterias que liberan dióxido de carbono y producen un compuesto incoloro y viscoso.
- Fermentación productora de caproato.
- Fermentación hidrogénica.
- Fermentación kójica.
- Fermentación maloláctica.
- Fermentación propiónica.
También pueden ser procesos complejos o combinados, como:
- Fermentación ABE (aceto-butílica-etílica).
- Fermentación ácido mixta, que afecta principalmente a las bacterias del tubo digestivo.
- Fermentación de gas de síntesis.
Descripción de algunos tipos de fermentación
Fermentación que produce un tipo de compuesto orgánico
Este tipo de fermentación es realizada por las levaduras y convierte azúcares como la glucosa y la fructosa en un compuesto orgánico llamado etanol (CH3CH2OH) y dióxido de carbono (CO2), liberando una pequeña cantidad de energía (ATP).
Durante este proceso, el piruvato (que viene de la glucólisis) primero se transforma en acetaldehído liberando dióxido de carbono. Luego, el acetaldehído se convierte en etanol.
Fermentación láctica
La fermentación láctica es un proceso realizado por ciertas bacterias y algunas células animales. Convierte azúcares como la glucosa en lactato (CH3CHOHCOO–), produciendo una pequeña cantidad de energía (ATP).
Durante la formación del lactato, el piruvato (que viene de la glucólisis) se transforma en lactato.
Para comparar, cuando hay oxígeno, la respiración produce mucha más energía (hasta 38 moléculas de ATP) de una molécula de glucosa, lo que es mucho más que la fermentación. La fermentación fue importante en la evolución cuando había mucho azúcar y poco oxígeno en la Tierra. Cuando el oxígeno se hizo abundante, la respiración se volvió más común.
Fermentación maloláctica
Este tipo de fermentación es realizada por bacterias y ayuda a estabilizar ciertos productos. Transforma el ácido málico en ácido láctico.
Fermentación acética o acetificación
¿Cómo funciona la fermentación acética?
La "fermentación acética" (aunque no es una fermentación en el sentido estricto porque requiere oxígeno) es una reacción donde bacterias acéticas transforman azúcares, ciertos compuestos orgánicos o aldehídos en ácido acético.
La reacción química para la transformación de un compuesto orgánico es: CH3CH2OH + O2 → CH3COOH + H2O + energía
Proceso de transformación
En una solución que contiene un compuesto orgánico (como ciertas bebidas), la fermentación acética, producida por bacterias acéticas, contribuye a la acidez. Esto ocurre especialmente en productos que ya han pasado por una fermentación previa y aún tienen azúcares, como el vino, la cerveza, el sake o la sidra.
Cuando la acidez es muy alta, las bacterias acéticas (como Acetobacter aceti o Gluconobacter oxydans) forman una capa llamada "madre del vinagre". Estas bacterias también pueden producir sustancias que hacen que el medio se vuelva viscoso.
Si el nivel de ácido acético es muy alto, la solución puede sufrir cambios que producen otro compuesto llamado acetato de etilo.
Dado que las bacterias acéticas necesitan oxígeno, este proceso no es una fermentación en el sentido más estricto, ya que su respiración celular utiliza una cadena respiratoria.
Funciones biológicas
Fermentación que produce un tipo de compuesto orgánico
Este tipo de fermentación es realizada por muchos organismos vivos (bacterias, levaduras) de forma constante o en ocasiones, en ambientes sin oxígeno. La capacidad de ciertas levaduras para transformar el azúcar en un compuesto orgánico se utiliza para elaborar ciertas bebidas y para la fabricación del pan. La temperatura ideal para este proceso es entre 35°C y 40°C.
Ciertas bebidas se obtienen por la fermentación natural de soluciones azucaradas (mostos). Es una reacción química natural (bioquímica) que ocurre gracias a microorganismos (bacterias, mohos, hongos) y levaduras. Estas, con la ayuda de una enzima llamada zimasa, descomponen los jugos de frutas naturales en un compuesto orgánico y burbujas de dióxido de carbono.
Las levaduras están presentes de forma natural en la superficie de las frutas o se añaden a los jugos de frutas que se van a fermentar. Para iniciar el proceso, solo hay que dejar la fruta en contacto con el aire y triturar sus membranas (como la piel). Las levaduras que están en el aire son suficientes para que la transformación de la fruta ocurra en pocos días.
También se pueden añadir levaduras para acelerar este proceso natural, como la levadura de panadería. Manteniendo la temperatura alrededor de los 37°C, la fermentación puede ocurrir en aproximadamente una hora.
Este fenómeno ha sido estudiado científicamente por químicos como Jean-Antoine Chaptal, Louis Joseph Gay-Lussac, Louis Pasteur y Eduard Buchner, quienes demostraron la naturaleza enzimática de la transformación del azúcar en el compuesto orgánico.
Fermentación láctica
Fermentación de la lactosa
La fermentación láctica es muy utilizada en la fabricación de quesos. Los yogures se obtienen a partir de leche hervida, luego enfriada y a la que se le añaden bacterias específicas, como L. Bulgaricus. Después se incuba según el proceso de fermentación y el producto deseado.
Fermentación del repollo para hacer chucrut
La fabricación del chucrut se realiza por fermentación láctica en presencia de sal. El proceso se detiene cuando el contenido de ácido láctico alcanza aproximadamente el 1.5%.
Ensilaje (agricultura)
La fermentación láctica es útil en el ensilaje de productos agrícolas, porque la acidez que produce impide el crecimiento de otros microorganismos que podrían descomponer los productos.
Fermentación por la flora intestinal
La presencia de microorganismos que realizan fermentación láctica en la flora intestinal es muy beneficiosa para el buen funcionamiento del intestino.
Contracción muscular y fermentación láctica
Durante los procesos que ocurren en los músculos sin oxígeno, el glucógeno (una forma de almacenar glucosa) libera glucosa. Esta glucosa entra en la glucólisis y forma piruvato. Luego, el piruvato se convierte en ácido láctico. La fermentación láctica puede ocurrir cuando las células musculares no tienen suficiente oxígeno. Los músculos necesitan mucha energía durante la actividad física y consumen mucho azúcar y oxígeno. Si el oxígeno no es suficiente, ya sea por un esfuerzo corto e intenso o porque ya se alcanzó el máximo de oxígeno, las células musculares realizan la fermentación láctica para producir energía.
El aumento de la cantidad de lactato en las células musculares es una de las razones de la fatiga después de una actividad intensa. Estos iones lactato cambian el pH dentro de la célula y afectan el funcionamiento de las enzimas, lo que impide que la célula funcione correctamente.
Sin embargo, investigaciones recientes sugieren que el aumento de iones K+ podría ser la causa principal de la fatiga, mientras que el exceso de lactato podría incluso mejorar el rendimiento muscular. El exceso de lactato es "reciclado" en piruvato por las células del hígado.
Fermentación acética en la producción de vinagre
Algunas especies de bacterias acéticas forman colonias que participan en la producción de vinagre a partir de soluciones que contienen un compuesto orgánico. Estas bacterias se organizan en una biopelícula llamada madre del vinagre, en presencia de aire.
También, colonias de bacterias acéticas que toleran bien el compuesto orgánico y el ácido acético participan en la transformación de soluciones que contienen el compuesto orgánico, como las que resultan de la fermentación de mostos: melaza para vinagre de caña, mosto de uva para vinagre de vino, malta para vinagre de cerveza, mosto de manzanas para vinagre de sidra, etc.
Las especies de bacterias acéticas que participan en la producción de vinagre de vino son principalmente: Acetobacter aceti, Gluconobacter oxydans, Acetobacter orleanensis, Acetobacter œni y Gluconoacetobacter europaeus, que son las que mejor toleran el compuesto orgánico y el ácido acético. Una colonia de esta última puede formar una biopelícula en 24 horas. En 48 horas, una sola bacteria puede producir su propio peso en ácido acético, siempre que tenga mucho oxígeno. El cultivo controlado de estas bacterias permite acelerar el proceso de producción de vinagre, que antes tardaba al menos tres semanas.
Gluconoacetobacter kombuchae, Acetobacter aceti, Gluconobacter oxydans y Gluconoacetobacter xylinum pueden crecer en simbiosis con ciertas levaduras en algunas bebidas similares al vinagre, especialmente en la kombucha, que es una bebida ácida que ha pasado por una fermentación acética.
Acetobacter pomorum participa principalmente en la elaboración de vinagres de sidra y perada. Acetobacter lambici en el vinagre de cerveza, y Acetobacter papayae en los vinagres de frutas tropicales cuyo mosto ha pasado por una fermentación, como el vinagre de piña, plátano, maracuyá, guanábana, papaya o mango.
Procesos de fermentación en la vida diaria
Elaboración de productos de uva
En la elaboración de productos de uva, las levaduras que se encuentran naturalmente en la fruta, o que se añaden, transforman el azúcar presente en las uvas en un compuesto orgánico después del prensado (para productos blancos y rosados) o durante la fermentación (para productos tintos).
En la ciencia de la elaboración de productos de uva, los principales objetivos de la fermentación del mosto de uva son:
- Asegurar que los azúcares se transformen de forma completa y rápida.
- Evitar la producción de acidez no deseada durante la fermentación.
- Evitar la producción de compuestos con olores desagradables.
- Lograr el sabor y aroma deseados.
Estos pasos se pueden mejorar añadiendo una levadura seleccionada por sus características de fermentación.
Para que la fermentación de un mosto de uva se realice correctamente, es importante controlar los factores que afectan la vida y supervivencia de las levaduras.
Fermentación de la cebada
La fermentación es una de las etapas en la elaboración de la cerveza. En este paso, se añade levadura al mosto para que convierta los azúcares presentes en un compuesto orgánico y dióxido de carbono. Hay cuatro tipos de fermentación en la elaboración de cerveza: baja, alta, espontánea y mixta.
Maduración de la carne de caza
La maduración de la carne de venado se debe a la fermentación bacteriana de su contenido intestinal. Las enzimas de las bacterias descomponen los músculos y tendones, que son muy fuertes en los animales salvajes.
Metanización
En el tratamiento de residuos orgánicos y la producción de energía renovable, la metanización (también llamada digestión anaeróbica) permite transformar la materia orgánica (como residuos de alimentos o estiércol) en biogás. Este proceso tiene cuatro fases principales:
- hidrólisis: los azúcares, proteínas o grasas grandes se rompen en partes más pequeñas.
- acidogénesis: esas partes pequeñas se transforman en ácidos grasos.
- acetogénesis: se produce el acetato.
- metanogénesis: se produce metano y dióxido de carbono.
Aplicaciones de la fermentación
El principal beneficio industrial de la fermentación es la transformación de mosto en ciertos productos de uva, de la cebada en cerveza, y de los carbohidratos en dióxido de carbono para hacer pan. Otros usos de la fermentación incluyen la producción de suplementos como la cianocobalamina.
Según Steinkraus (1995), la fermentación de los alimentos tiene 5 propósitos generales:
- Enriquecer la dieta desarrollando una variedad de sabores, aromas y texturas en los alimentos.
- Conservar grandes cantidades de alimentos mediante la producción de ácido láctico, ciertos compuestos orgánicos, ácido acético y fermentaciones alcalinas.
- Enriquecer los alimentos con proteínas, aminoácidos, ácidos grasos esenciales y vitaminas.
- Eliminar sustancias no deseadas durante el proceso de fermentación de alimentos.
- Disminuir los tiempos de cocción y la necesidad de combustible.
La fermentación tiene usos únicos para los alimentos. Puede producir nutrientes importantes o eliminar sustancias que impiden la absorción de nutrientes. Los alimentos pueden conservarse por fermentación, ya que la fermentación utiliza la energía de los alimentos y puede crear condiciones que no son adecuadas para organismos no deseados. Por ejemplo, el ácido producido por las bacterias dominantes inhibe el crecimiento de otros microorganismos. También, al fermentar la leche se obtienen el yogur y el kéfir.
Dependiendo del tipo de fermentación, algunos subproductos pueden no ser adecuados para el consumo. En la alquimia, la fermentación a menudo se refería a la descomposición o el cambio natural de una sustancia.
Véase también
En inglés: Fermentation Facts for Kids
- Alimento fermentado
