Descripción: Fermentacion en el laboratorio de quimica organica de la piña
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Fermentacion lactica en Agroindusttria
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INTRODUCCIÓN:
OBJETIVOS:
Medir el grado de fermentación alcohólica a través de la producción de CO2. Demost stra rarr la impo import rtan anci cia a de la conc concen entr trac ació ión n de sust sustra rato to en la Demo fermentación alcohólica. Explicar que la glucólisis es la primera etapa de la vía de la fermentación la primera etapa de la respiración aeró!ica. Dar algunos e"emplos de microorganismos que reali#an la fermentación.
MARCO TEORICO: $a fermentación alcohólica es un proceso !iológico !iológico de de fermentación en fermentación en plena ausencia de aire %oxígeno & oxígeno & O2'( orig origin inado ado por por la acti activi vidad dad de algun algunos os micr microo oorg rgani anism smos os que que proces procesan an los hidr hidrat atos os de car! car!on ono o %por %por regl regla a gener general al a#)c a#)car ares es** como como por por e"em e"empl plo o la glucosa( la fructosa la fructosa(( la sacarosa( sacarosa( sirve sirve con cualquier cualquier sustancia sustancia que tenga tenga la forma forma empírica de la glucosa( es decir( que sea una +exosa.' para o!tener como productos finales* un alcohol en alcohol en forma de etanol %cua etanol %cua fórmula química es* C+,&C+2&O+'( O+'( dióxido de car!on car!ono o %CO2' en forma de gas unas molécu moléculas las de - de -/ / que consum consumen en los propio propios s microorganismos en su meta!olismo su meta!olismo celular celular energético anaeró!ico. El etanol resultante se emplea en la ela!oración de algunas !e!idas alcohólicas( alcohólicas( tales como el vino( vino( la cerve#a( la cerve#a( la sidra( sidra( el cava el cava(( etc. -unque en la actualidad se empie#a a sinteti#ar tam!ién etanol medi median ante te la ferm fermen enta taci ción ón a nive nivell indu indust stri rial al a gran gran esca escala la para para ser ser empl emplea eado do como !iocom!usti!le $a fermentación alcohólica tiene como finalidad !iológica proporcionar energía anaeró!ica a los microorganismos os microorganismos unicelulares %levaduras' levaduras' en ause ausenc ncia ia de oxígeno a part partir ir de la glucosa.
En
el
proceso
las
levaduras
o!tienen
energía
disociando
las moléculas las moléculas de de glucosa generan como desechos alcohol alcohol dióxido de car!ono CO 2. $as levaduras levaduras !acterias !acterias causantes de este fenómeno son microorgani microorganismos smos mu ha!ituales ha!ituales en
las frutas cereales
contri!ue uen
en
gran
medida
al sa!or de
los productos
fermentados%véase fermentados%véase Evaluación sensorial'. sensorial'. 0na de las principales características de estos microorganismos es que viven en am!ientes completamente carentes de oxígeno %O oxígeno %O2'(
m1xime durante la reacción química( por esta ra#ón se dice que la fermentación alcohólica es un proceso anaeró!ico.
UN POCO DE HISTORIA: $a humanidad emplea la fermentación alcohólica desde tiempos inmemoriales para la ela!oración de cerve#a %empleando cereales' del vino %empleando el fruto de la vid* la uva en forma de mosto' fundamentalmente. $os griegos atri!uían el descu!rimiento de la fermentación al dios Dionisio. -lgunos procesos similares como el de la destilación alcohólica a surgen en el ao 3345 de la mano de -rnau de 6ilanova. 7ue un elemento m1s a considerar en el desarrollo histórico de la alquimia durante la Edad Media. En el ao 389: se identificó el gas CO 2 resultante de la fermentación por el químico Mac ;ride en 3899 Cavendish lo descri!ió como* . En esta época se empe#ó a descu!rir( gracias o!servaciones científicas( que la fermentación alcohólica se producía tam!ién en su!stancias
los
aos 3?,5s los
químicos Ans
AaFo!
;er#elius Austus
von
$ie!ig desarrollaron una teoría mecanicista que explica la fermentación( teorías que esta!an en contraposición con las creencias de $ouis /asteur en el ao 3?48 que se fundamenta!a en la
esta su!stancia descu!ierta por +arden oung se denominó co#imasa( fue eventualmente
encontrada
como
una
me#cla
de
iones
fosfatados( difosfato
de
tiamida K-D N. Gin em!argo la caracteri#ación de la co#imasa no fue completada hasta el ao 3@,4. El !ioquímico Otto +einrich ar!urg en con"unción con +ans von Euler& Chelpin descu!ren
en
el
ao 3@2@ que
el cofactor nicotinamida
adenina
dinucleótido %K-D+' "uega un papel mu importante en el proceso interno de la fermentación.
En 3@,8( los
investigadores ErHin
Kegelein +ans
Aoachim
ulff comprue!an que mediante la cristali#ación de los su!productos de la fermentación la en#imaalcohol deshidrogenasa es protagonista en algunos su!&procesos reali#ando un papel importante. $os descu!rimientos posteriores a partir del periodo que va desde mediados del siglo hasta comien#os del siglo se centran exclusivamente en la me"ora de los procesos de fermentación alcohólica conciernen m1s a la optimi#ación del rendimiento industrial !ien sea mediante una !uena selección de cepas de levaduras( de una temperatura de funcionamiento óptima( de cómo reali#ar fermentación en un proceso continuo* !iorreactores.
CONSIDERACIONES GENERALES: $a fermentación alcohólica se puede considerar %desde una perspectiva humana' como un proceso !ioquímico para la o!tención de etanol( que por otras vías se ha o!tenido gracias a procedimientos químicos industriales( como por e"emplo mediante la reacción de oxidación de eteno. $a finalidad de la fermentación etílica %desde una perspectiva micro!iana' es la o!tención de energía para la supervivencia de los organismos unicelulares anaeró!icos. $as !e!idas alcohólicas se producen a partir de diferentes sustratos( dependiendo de la región geogr1fica sus rique#as. $as materias primas pueden ser a#)cares simples como los presentes en el "ugo de uva( o de alto peso molecular( como el almidón de los granos de ce!ada. Existen dos tipos de !e!idas alcohólicas( las que se o!tienen directamente por fermentación de los diferentes sustratos las destiladas( producidas por destilación del producto de fermentación. El proceso principal por el cual se transforma el mosto en vino es la fermentación alcohólica( la cual consiste en la transformación de a#)cares en alcohol etílico anhídrido car!ónico.
LEVADURAS: $as levaduras son cuerpos unicelulares %generalmente de forma esférica' de un tamao que ronda los 2 a : Pm que est1n presentes de forma natural en algunos productos como las frutas( cereales verduras. Gon lo que se denominan* organismos anaeró!icos facultativos( es decir que pueden desarrollar sus funciones !iológicas sin oxígeno. Ge puede decir que el @9> de la producción de etanol la llevan a ca!o hongos microscópicos( diferentes especies de levaduras( entre
las
que
se encuentran principalmente
Gaccharomces cerevisiae( Iluveromces fragilis( orulaspora Qmomonas mo!ilis. $os microorganismos responsa!les de la fermentación son de tres tipos* !acterias( mohos
levaduras. Cada uno de estos microorganismos posee una característica propia so!re la fermentación que son capaces de provocar. En algunos casos son capaces de proporcionar un sa!or característico al producto final %como en el caso de los vinos o cerve#as'. - veces estos microorganismos no act)an solos( sino que cooperan entre sí para la o!tención del proceso glo!al de fermentación.
-lgunos en#imas participan en la fermentación( como puede ser la diastasa o la invertasa.-unque la )nica responsa!le de convertir los hidratos de car!ono en etanol dióxido de car!ono es la #imasa. $a #imasa es la responsa!le final de dirigir la reacción !ioquímica que convierte la glucosa en etanol.$a idea de que una sustancia al!uminoide específica desarrollada en la célula de la levadura llega a producir la fermentación fue a expuesta en el ao 3?4? por Morit# rau!e como la teoría en#im1tica o fermentativa ( m1s tarde( ha sido defendida por 7elix +oppe&Geler hasta llegar al descu!rimiento de Eduard ;uchner que llegó a hacer la fermentación sin la intervención de células hongos de levadura.
IO!U"#ICA DE LA REACCI$N: io%&'mica (e la reacción (e fermentación: $a glucólisis es la primera etapa de la fermentación( lo mismo que en la respiración celular( al igual que ésta necesita de en#imas para su completo funcionamiento. - pesar de la comple"idad de los procesos !ioquímicos una forma esquem1tica de la reacción química de la fermentación alcohólica puede descri!irse como una glicólisis %en la denominada vía Em!den&Meerhof&/arnes' de tal forma que puede verse como participa inicialmente una molécula de hexosa*
C9+32O9 N 2 /i N 2 -D/ R 2 C+,&C+2O+ N 2 CO2 N 2 -/ N 24.4 Fcal
Ge puede ver que la fermentación alcohólica es desde el punto de vista energético una reacción exotérmica( se li!era una cierta cantidad de energía. $a fermentación alcohólica produce gran cantidad de CO2( que es la que provoca que el cava %al igual que el Champagne algunos vinos' tengan !ur!u"as. Este CO2 %denominado en la edad media como gas vinorum' pesa m1s que el aire( puede llegar a crear !olsas que despla#an el oxígeno de los recipientes donde se produce la fermentación. /or ello es necesario ventilar !ien los espacios dedicados a tal fin. En las !odegas de vino( por e"emplo( se suele ir con una vela encendida colocada a la altura de la cintura( para que en el caso de que la vela se apague( se pueda salir inmediatamente de la !odega.
0n c1lculo reali#ado so!re la reacción química muestra que el etanol resultante es casi un 43> del peso( los rendimientos o!tenidos en la industria alcan#an el 8>. Ge puede ver igualmente que la presencia de fósforo %en forma de fosfatos'( es importante para la evolución del proceso de fermentación.9 $a fermentación alcohólica se produce por regla general antes que la fermentación malol1ctica( aunque existen procesos de fermentación específicos en los que am!as fermentaciones tienen lugar al mismo tiempo. $a presencia de a#)cares asimila!les superiores a una concentración so!re los 5(39 gS$ produce invaria!lemente la formación de alcohol etílico en proceso de crecimiento de levadura %Gaccharomces cerevisiae' incluso en presencia de exceso de oxígeno %aeró!ico'( este es el denominado efecto Cra!tree( este efecto es tenido en cuenta a la hora de estudiar tratar de modificar la producción de etanol durante la fermentación.
Gi !ien el proceso completo %vía Em!den&Meerhof&/arnes' descrito simplificado anteriormente explica los productos resultantes de la fermentación etílica de una hexosa( ca!e destacar que el proceso se puede detallar en una glicólisis previa go!ernada por un con"unto de en#imas en la que se o!tiene 2 piruvato tal como se descri!e a continuación*
C9+32O9 R 2 C+,COCOOT N 2 +2O N 2+N $a reacción química se descri!e como la reducción de dos moléculas de Kicotinamida adenina dinucleótido %K-DN' de K-D+ %forma reducida del K-DN' con un !alance final de dos moléculas de -D/ que finalmente por la reacción general mostrada anteriormente se convierten en -/ %adenosín trifosfato'. Otros compuestos tra#ados en menores proporciones que se encuentran presentes tras la fermentación son* el 1cido succínico( el glicerol( el 1cido fum1rico.
alance ener)*tico: $a fermentación alcohólica es un proceso anaeró!ico exergónico %li!era energía' moléculas de -/ necesarias para el funcionamiento meta!ólico de las levaduras %seres unicelulares'. De!ido a las condiciones de ausencia de oxígeno durante el !ioproceso( la respiración celular de la cadena del -D/ en -/ queda completamente !loqueada( siendo la )nica fuente de energía para las levaduras la glicólisis de la glucosa con la formación de moléculas de -/ mediante la fosforilación a nivel de sustrato. El !alance a nivel molecular del proceso se puede decir que genera 2 moléculas de -/ por cada molécula de glucosa. Gi se compara este !alance con el de la respiración celular se ver1 que se generan ,? moléculas de -/. - pesar de ello parece ser suficiente energía para los organismos anaeró!icos. $a energía li!re de Bi!!s %entalpía li!re' de la reacción de fermentación etílica muestra un valor de UB de &2,:.9 FA mol&3 %en un entorno de acide# neutra p+ igual
a 8' este valor negativo de la energía li!re de Bi!!s indica que* desde el punto de vista termodin1mico la fermentación etílica es un proceso químico espont1nea.
+ER#ENTACI$N DEL VINO: $a fermentación del vino es de las m1s conocidas estudiadas por afectar a una industria mu extendida con gran solera. En el caso del vino las levaduras responsa!les de la vinificación son unos hongos microscópicos que se encuentran de forma natural en los holle"os de las uvas %generalmente en una capa en forma de polvo !lanco fino que recu!re la piel de las uvas % vitis vinifera l. ' que se denomina VpruinaV'. $os vinos de!en tener una cantidad de alcohol de!ido a la fermentación de al menos un @> en volumen. Con la excepción de los vinos verdes como puede ser el chacolí que pueden tener una graduación inferior. $a fermentación alcohólica del vino es mu antigua a en la ;i!lia se hacen numerosas referencias al proceso. $as especies de levaduras empleadas en la ela!oración del vino suelen ser por regla general las Gaccharomces cerevisiae aunque a veces tam!ién se emplean la G. !aanus la G. oviformis( aunque en muchas variedades de vides la IloecFera apiculata la MetschniFoHia pulcherrima son levaduras endógenas capaces de participar en las primeras fases de la fermentación. /ara frenar la aparición de !acterias indesea!les otros organismos limitantes de la fermentación se suele esterili#ar el mosto a veces con dióxido de a#ufre %GO2' antes del proceso. $a ela!oración del vino pasa por una fermentación alcohólica de la fruta de la vid en unos recipientes
%ho
en
día
ela!orados
en acero
inoxida!le'
en
lo
que
se
denomina fermentación tumultuosa de!ido a gran e!ullición que produce durante un periodo de 35 días aproximadamente %llegando hasta aproximadamente unas dos semanas'. ras esta fermentación WprincipalW en la industria del vino se suele hacer referencia
a
una fermentación
secundaria que
se
produce
en
otros contenedores empleados en el trasiego del vino "oven %tal como puede ser en las !otellas de vino'. $os vinos !lancos fermentan a temperaturas relativamente !a"as de 35X&34 YC los vinos tintos a temperaturas maores de 25X&,5 YC. - veces se interrumpe voluntariamente la fermentación etílica en el vino por diversas causas( una de las m1s ha!ituales es que haa alcan#ado la densidad alcohólica esta!lecida por la le. En otros casos por el contrario se activa de forma voluntaria el proceso de fermentado mediante la adición de materiales
a#ucarados( este fenómeno reci!e el nom!re de chaptali#ación est1 mu regulado en los países productores de vino.
USOS DE LA +ER#ENTACI$N: El empleo principal de los procesos de fermentación por parte del ser humano ha ido dirigido( desde mu antiguo( a la producción de etanol destinado a la ela!oración de !e!idas alcohólicas diversas. Esta situación cam!ió en el siglo a que desde la crisis del petróleo de los W85 los estudios e investigaciones acerca de posi!les com!usti!les alternativos han sido de gran interés para los go!iernos de todo mundo. Dentro de los estudios de !iotecnología se ha intentado emplear el etanol resultante de la fermentación alcohólica
de
los
desechos
agrícolas
%!iomasa:: '
en
la
o!tención
de !iocom!usti!les %!ioetanol' empleados en los motores de vehículos. Ge ha intentado centrar los estudios en los reactores de fermentación continua con la esperan#a de poder o!tener no sólo grandes cantidades de etanol( sino que se aumente la eficiencia de los mismos. $a investigación acerca de los su!stratos m1s adecuados( así como el empleo de levaduras de alto rendimiento es o!"eto de constante estudio. El etanol fue uno de las fuentes energéticas decom!usti!le que m1s demanda mundial genera a comien#os del siglo %con la excepción del petróleo'( en el ao 255: los Estados 0nidos produ"eron m1s de 32.4 Z 35@ litros de etanol lo que supone un 38> de incremento so!re el ao 255,. Ko o!stante la generación de CO2 durante el proceso pone en alarma acerca de su uso( de!ido a las consecuencias que puede traer para el cam!io clim1tico. $os usos del etanol en la industria son amplios van desde la ela!oración de productos cosméticos( productos de limpie#a( etc. Ge ha investigado la posi!ilidad de emplear la fermentación etílica en el tratamiento de los vertederos de !asura logrando de esta forma !iocom!usti!le( los estudios no han arro"ado aplicaciones concluentes. Ko o!stante el empleo de la fermentación alcohólica tiene un éxito potencial en el tratamiento de los residuos de la industria alimenticia. 0n proceso industrial mu investigado a comien#os del siglo es la fermentación en estado sólido empleada en la !iomedicación en la !iodegradación de productos de desecho( la transformación !iológica de residuos agroindustriales( en la producción de compuestos !ioactivos( de en#imas( de 1cidos org1nicos( !iopesticidas( !iocom!usti!les compuestos arom1ticos( entre otros.
E+ECTOS DE LA +ER#ENTACI$N ET"LICA * $os efectos de la fermentación etílica se derivan de los productos resultantes del proceso que son li!erados de una forma u otra al medio am!iente* el etanol el dióxido de car!ono. $os efectos de la fermentación depender1n de cómo se trate cada uno de estos su!productos.
0no
de
los
efectos
m1s
sorprendentes
se
encuentra
en
la contaminación etílica existente en algunos insectos que se alimentan de frutas del néctar de las flores( un e"emplo claro son las a!e"as %véase a!e"as elementos
tóxicos'. De la misma forma puede intoxicar a los p1"aros que se alimentan de algunas !aas maduras a parcialmente fermentadas. $a fermentación alcohólica en pequea escala se produce de la misma forma en las raíces de algunas plantas que son regadas de manera mu frecuente( la falta de aireación del terreno hace que las condiciones anaeró!icas que necesitan las levaduras act)en pudiendo envenenar el suelo mediante un aumento de la concentración de etanol lo que se traduce en una disminución de la capacidad de producción de las mismas. Otro aspecto importante es el efecto que produce en el cuerpo humano el consumo reiterado en los humanos de !e!idas alcohólicas procedentes de la fermentación etílica %véase efectos del alcohol en el cuerpo' a que el etanol es una potente droga psicoactiva con un nivel de efectos secundarios adem1s de la adicción que genera su consumo ha!itual. $os lugares donde se reali#a la fermentación de algunas !e!idas alcohólicas %generalmente sótanos' suelen ser peligrosos a que el dióxido de car!ono Wdespla#aW al oxígeno pudiendo causar asfixia a las personas que se encuentren en estos lugares.
COKC$0GOKEG*
Con la pr1ctica se puede notar que la fermentación alcohólica es la !ase de la vinificación( sin em!argo( su importancia no est1 )nicamente en la o!tención de etanol a partir de los a#)cares( sino que adem1s durante este proceso se van a formar una gran cantidad de productos secundarios que influen en la calidad tipicidad del vino.
am!ién notamos que esta fermentación sería completamente imposi!le sin un soluto como lo es la glucosa( o!viamente variaría demasiado sin la cantidad exacta de ésta.
Es necesario modificar las varia!les de forma en que nos demos cuenta que cam!io se genera al modificar cada una. -lgunos microorganismos que reali#an la fermentación alcohólica son* $evaduras %+ongos unicelulares eucariotas' como Gaccharomces cerevisiae.
