Fermentación

A fermentación é un proceso metabólico anaeróbico (non usa o osíxeno) de oxidación-redución de substancias orgánicas do que se extrae enerxía por medio de fosforilacións a nivel de substrato, usando como aceptores finais de electróns moléculas internas da célula, xeralmente compostos orgánicos. A diferenza da respiración, na fermentación non se usan aceptores externos como o osíxeno, nin funciona unha cadea de transporte electrónico ou a fosforilación oxidativa. Os coencimas necesarios para a fermentación reoxídanse nas reaccións finais da vía e non na cadea de transporte electrónico como na respiración. A fermentación ten lugar enteiramente no citosol.
Os substratos que se oxidan nas fermentacións, é dicir, que funcionan como doantes de electróns, son xeralmente carbohidratos, pero máis raramente tamén poden selo aminoácidos, ácidos orgánicos, alcohois ou bases nitroxenadas.
Os produtos finais das fermentacións son xeralmente substancias orgánicas relativamente pouco oxidadas como ácidos orgánicos ou alcohois (lactato, etanol. .. ), aínda que tamén se poden desprender gases como o CO2 ou H2.
Non se produce, por tanto, unha oxidación completa coma na respiración. Como os produtos finais da fermentación están pouco oxidados, conteñen aínda bastante enerxía química, pero considéranse residuos metabólicos, xa que non poden ser metabolizados en maior medida sen utilizar o osíxeno (ou outro aceptor externo moi oxidado), como lle pasa ao piruvato na respiración aerobia, que é completamente oxidado a CO2 e auga. Esa é a razón de que a produción de ATP nas fermentacións sexa moito menos eficiente ca na fosforilación oxidativa.
Nas fermentacións orixínase unha mestura de produtos finais, uns máis reducidos có substrato inicial e outros máis oxidados, pero como media manteñen un equilibrio redox co substrato.
A misión fundamental da fermentación é a obtención de ATP en condicións anaeróbicas por medio de fosforilacións a nivel de substrato. Só se obteñen pequenas cantidades de ATP, moitas veces só os 2 ATP producidos na glicólise. Non se utiliza a fosforilación oxidativa como na respiración.
Moitos organismos poden vivir en presenza ou en ausencia de osíxeno, cambiando de metabolismo. En presenza de osíxeno respiran (un proceso máis rendible enerxeticamente) e en ausencia, fermentan. Así, a glicosa convértese en piruvato por medio da glicólise e despois o piruvato en condicións aeróbicas entra nas mitocondrias e segue a respiración aerobia; pero en ausencia de osíxeno queda no citosol e fermenta. As células musculares humanas poden fermentar se debido a un exercicio moi intenso e rápido quedan sen suficiente osíxeno. Non obstante, hai casos de microorganismos que continúan facendo a fermentación en presenza de osíxeno (pero sen utilizalo), como fan os lévedos Saccharomyces cando dispoñen de moito azucre. Igual fan as bacterias do ácido láctico.
As fermentación utilizan a glicólise (vía de Embden-Meyerhof) para formar piruvato. Despois o piruvato será transformado nos produtos finais da fermentación, diferentes en cada tipo de fermentación. Por exemplo na fermentación homoláctica que fai o noso músculo en anaerobiose o produto final é o lactato.
A fermentación ten grande importancia na industria alimentaria para a produción de viño, cervexa, pan e lácteos, ou para a produción de alcohol.
Aínda que a fermentación é un proceso anaerobio e moitas veces se di que é unha "glicólise anaerobia", non se debe confundir coa respiración anaerobia que fan algunhas bacterias. A respiración anaerobia é similar á respiración aerobia, pero coa diferenza de que non usa o osíxeno como aceptor final de electróns da cadea de transporte electrónico, senón outra substancia distinta do osíxeno (un nitrato, por exemplo), e non ten absolutamente nada que ver cunha fermentación. A fermentación non é unha "respiración". Tipos de fermentacións
As fermentacións que comezan coa glicosa adoitan ter en común a vía da glicólise (pola ruta de Embden-Meyerhof), que dá lugar a piruvato. Os produtos finais orixinados polas transformacións posteriores do piruvato utilízanse para clasificar as fermentacións. Os principais tipos de fermentacións son:
Fermentación homoláctica
É o tipo máis simple de fermentación. O piruvato orixina como produto final o lactato nunha soa reacción catalizada pola lactato deshidroxenase. Durante esta reacción o encima reoxida o NADH a NAD+, que deste modo pode volver a intervir na glicólise (se non se recicla, a glicólise para). O encima engade H ao piruvato, que se transforma en lactato. Por tanto, o lactato está máis reducido có piruvato. A fermentación homoláctica é peculiar dentro das fermentacións porque non produce ningún gas como produto final.
Esta fermentación é típica dalgunhas bacterias, como as do ácido láctico, certos fungos e protozoos, e dáse nos tecidos animais que quedan en anaerobiose, como o músculo sometido a un exercicio intenso súbito ou tamén nos eritrocitos, que non teñen mitocondrias.
Na fermentación homoláctica as dúas moléculas de piruvato formadas a partir da glicosa orixinan lactato. A reacción global é: C6H12O6 (glicosa) → 2 CH3CHOHCOOH (ácido láctico).
Fermentación heteroláctica
Na fermentación heteroláctica, a partir da glicosa só se forma unha molécula de piruvato, que dá lugar ao lactato, mentres que por outra vía o resto do esqueleto carbonado da glicosa dá lugar a etanol e dióxido de carbono. Poden facela as bacterias do ácido láctico heterofermentativas pola vía da fosfocetolase.
A reacción global é: C6H12O6 (glicosa) → CH3CHOHCOOH (ácido láctico) + C2H5OH (etanol) + CO2
Fermentación alcohólica
Na fermentación alcohólica os produtos finais son etanol e dióxido de carbono. Primeiro, o piruvato dá lugar a acetaldehido perdendo o seu grupo carboxilo en forma de CO2, en reacción catalizada pola piruvato descarboxilase. Despois, a alcohol deshidroxenase transforma o piruvato en etanol con oxidación do NADH. Esta fermentación realízana os lévedos, algúns fungos e algúns tecidos vexetais e algunhas bacterias. É a fermentación usada para elaborar pan, viño, cervexa ou alcohol industrial.
A ecuación global é: C6H12O6 (glicosa) → 2 C2H5OH (etanol) + 2 CO2
Fermentación ácida-mixta
Producen unha mestura de ácidos e outras substancias como produtos finais. Hai varias variantes. É típica de bacterias como Escherichia, Salmonella, Shigella, Proteus, Yersinia e Vibrio. No caso de Escherichia coli a reacción global é:
2 glicosa + H2O → 2 lactato + acetato + etanol + 2 CO2 + H2
Outras orixinan ácido fórmico en vez dos gases.
Fermentación butanodiólica
Orixina os produtos da fermentación ácida-mixta e ademais un produto adicional característico, o 2, 3-butanodiol. Dáse nas bacterias Aerobacter, Serratia, Erwinia e certas especies de Bacillus e Aeromonas.
Fermentación butírica
Os produtos finais son os ácidos acético e butírico, CO2 e H2. Dáse en moitos Clostridium, que presentan moitas variantes nesta fermentación; algúns poden orixinar acetona ou alcohois.
Fermentación propiónica
Os produtos finais son principalmente ácido propiónico, ácido acético e CO2. É típica das bacterias do xénero Propionibacterium. As fermentacións na industria alimentaria
En moitas culturas as fermentacións proporcionaron importantes instrumentos para a transformación dos alimentos e mellorar a súa conservación. As fermentacións están na base da preparación de numerosos alimentos de orixe animal e vexetal.
Pan
Na panificación o fermento ou lévedo do xénero Saccharomyces fermenta os oligosacáridos que se separan do amidón da fariña (pola acción de certos encimas da masa) durante a fase de amasado e repouso da masa. Os produtos da fermentación alcohólica que ten lugar (etanol e díóxido de carbono) convértense en gas durante a fase de levedado e a cocción, formando os característicos oquiños da masa de pan.
Viño
O viño prodúcese a partir de solucións de azucres obtidas do zume de uva, que se deixan fermentar con lévedos Saccharomyces cerevisiae, que están presentes na pel da uva ou procedentes de cultivos seleccionados.
Segundo as condicións de fermentación, diferéncianse as cualidades organolépticas (cor, sabor, aroma. .. ) do viño, características que se enriquecen posteriormente durante as fases sucesivas de elaboración.
O lévedo en condicións anaerobias transforma 100 gramos de azucre en 51, 1 gramos de etanol cun rendemento en volume do 65. 5%. Isto é un rendemento teórico, porque en realidade unha parte do azucre dispoñible vai ser utilizada polo lévedo para multiplicarse; ademais durante a fermentación os lévedos do mosto producen substancias secundarias como glicerina, ácido acético ou ácido succínico, que contribúen a caracterizar o aroma do produto final. O rendemento real é de aproximadamente o 60% en volume.
Se o viño se contamina con bacterias ou lévedos aerobios, estas producirán ácidos que picarán o viño.
Cervexa
As cervexas elabóranse a partir de grans de cereal (cebada). Estes grans non conteñen azucre, senón amidón, polo que non se poden fermentar directamente como o viño. Primeiramente hai que converter ese amidón en azucres, para o cal se deixa que a cebada xermine (malteado), para que os encimas do cereal realicen a conversión do amidón en azucre á vez que transforman algunhas proteínas.
Despois férvese a mestura de malte con auga e obtense o mosto de cervexa, ao que se lle engade lúpulo e o lévedo Saccharomyces cerevisiae (hai varias variedades), que realizará unha fermentación alcohólica. Hai que controlar tamén a produción de escuma.
Queixo
Na fabricación de produtos lácteos non interveñen lévedos senón bacterias lácticas, que realizan a fermentación láctica dos azucres do leite, que orixina ácido láctico. Na fabricación do queixo o leite coagula polo ácido láctico ou pola adición de encimas (quimosina ou rennina do estómago das tenreiras). Fórmase a callada e despois hai que eliminarlle o soro e hai unha fase de maduración onde interveñen outra vez as bacterias lácticas, que lle dan ao quiexo o seu cheiro característico.
Na maduración dalgúns queixos interveñen bacterias do ácido propiónico, que, ao orixinaren na súa fermentación propiónica dióxido de carbono, dan lugar aos ollos característicos de certos queixos suízos (Emmental).
Iogur
Na elaboración do iogur interveñen as bacterias Lactobacillus bulgaricus e Streptococcus thermophilus, que fan a fermentación láctica dos azucres do leite (glicosa, lactosa) producindo ácido láctico. O ácido láctico acidifica o leite e coagula as proteínas (caseína), producindo un xel semisólido que é o iogur. Tamén se orixina algo de acetaldehido e outros produtos, que lle dan ao iogur o seu aroma. No iogur que comemos están incluídas ditas bacterias. Historia
O coñecemento de que os lévedos eran organismos vivos data de 1837-1838, ano en que apareceron tres publicacións asinadas por C. Cagniard de la Tour, T. Swann, e F. Kuetzing, cada un dos cales independentemente concluíu que os lévedos eran organismos vivos e que se reproducían por xemación. Quizais polo feito de que en Europa o viño, cervexa e pan eran alimentos básicos, a maioría dos estudos iniciais sobre a fermentación fixéronse con lévedos, que eran esenciais na súa elaboración. Pouco despois descubríronse as bacterias.
Louis Pasteur (1822–1895), durante as décadas de 1850 e 1860, demostrou que a fermentación era un proceso iniciado polos organismos vivos e non unhas reaccións químicas independentes deles. En 1857, Pasteur demostrou que a fermentación do ácido láctico era causada por organismos vivos. En 1860, demostrou que as bacterias causaban a acidificación do leite, un proceso que se supoñía antes que era puramente químico en vez de bioquímico, e os seus traballos de identificación de microorganismos como causantes da deterioración dos alimentos levárono a idear o proceso de pasteurización para a súa conservación. En 1877, en traballos para mellorar a industria francesa da destilación, Pasteur publicou o seu famoso traballo sobre a fermentación Etudes sur la Biere. Definiu a fermentación (algo incorrectamente) como "la vie sans l'air" (a vida sen aire), pero indicou correctamente que tipos específicos de microorganismos causan tipos específicos de fermentacións e produtos finais específicos.
Quedaba sen explicar aínda a natureza básica do proceso fermentativo, ou probar sen lugar a dúbidas que está causada polos microorganismos, que sempre parecían estar presentes. Moitos científicos, incluído Pasteur, intentaran sen éxito extraer dos lévedos os encimas da fermentación. Pero finalmente en 1897 o alemán Eduard Buchner, conseguiu extraer un zume dun cultivo de lévedos, e comprobou que este líquido sen organismos vivos podía fermentar unha solución de azucre, formándose dióxido de carbono e alcohol igual que o que facían os lévedos. Os "fermentos desorganizados", como se lles chamaba, comportábanse igual cós propios organismos completos. Desde entón, o termo encima empezou a aplicarse a todos os fermentos. Comprendíase por fin que a fermentación estaba causada por encimas que eran producidos polos microorganismos. En 1907, Buchner gañou o premio Nobel por estes traballos.
Os avances na microbioloxía e na tecnoloxía da fermentación foron continuos ata os nosos días. Por exemplo, a finais da década de 1970, descubriuse que se podía facer mutar aos microrganismos con métodos físicos e químicos para facer que as súas fermentacións tivesen maior rendemento, crecesen máis rápido, fosen menos tolerantes ao osíxeno, ou puidesen utilizar un medio máis concentrado. Desenvolveuse tamén a selección de estirpes e a hibridación, o que se utilizou nas máis modernas técnicas de fermentación na industria alimentaria.