Teoría de la fermentación

Louis Pasteur, Archivos Photographiques

En bioquímica, la teoría de la fermentación se refiere al estudio histórico de modelos de procesos de fermentación natural, especialmente la fermentación alcohólica y láctica. Los contribuyentes notables a la teoría incluyen a Justus Von Liebig y Louis Pasteur, el último de los cuales desarrolló una base puramente microbiana para el proceso de fermentación basada en sus experimentos. El trabajo de Pasteur sobre la fermentación más tarde condujo a su desarrollo de la teoría de los gérmenes de la enfermedad, que puso fin al concepto de generación espontánea. Aunque el proceso de fermentación se había utilizado ampliamente a lo largo de la historia antes del origen de las teorías prevalecientes de Pasteur, los procesos biológicos y químicos subyacentes no se entendían por completo. En la actualidad, la fermentación se utiliza en la producción de diversas bebidas alcohólicas, alimentos y medicamentos.

Resumen de la fermentación

Proceso de fermentación

La fermentación es el proceso metabólico anaeróbico que convierte el azúcar en ácidos, gases o alcoholes en entornos privados de oxígeno. La levadura y muchos otros microbios suelen utilizar la fermentación para llevar a cabo la respiración anaeróbica necesaria para sobrevivir. Incluso el cuerpo humano lleva a cabo procesos de fermentación de vez en cuando, como durante las carreras de larga distancia; El ácido láctico se acumulará en los músculos en el transcurso del esfuerzo a largo plazo. Dentro del cuerpo humano, el ácido láctico es el subproducto de la fermentación productora de ATP, que produce energía para que el cuerpo pueda seguir ejercitándose en situaciones en las que la entrada de oxígeno no puede procesarse lo suficientemente rápido. Aunque la fermentación produce menos ATP que la respiración aeróbica, puede ocurrir a un ritmo mucho mayor. Los seres humanos han utilizado la fermentación conscientemente desde alrededor del año 5000 a. C., como lo demuestran los frascos recuperados en el área de las montañas Zagros de Irán que contienen restos de microbios similares a los presentes en el proceso de elaboración del vino.

Historia

Antes de la investigación de Pasteur sobre la fermentación, existían algunas nociones preliminares contrapuestas al respecto. Un científico que tuvo un grado sustancial de influencia en la teoría de la fermentación fue Justus von Liebig. Liebig creía que la fermentación era en gran medida un proceso de descomposición como consecuencia de la exposición de la levadura al aire y al agua. Esta teoría fue corroborada por la observación de Liebig de que otra materia en descomposición, como partes podridas de plantas y animales, interactuaba con el azúcar de manera similar a la levadura. Es decir, la descomposición de la materia albuminosa (es decir, proteínas solubles en agua) hizo que el azúcar se transformara en alcohol. Liebig mantuvo este punto de vista hasta su muerte en 1873. Charles Cagniard de la Tour y el teórico celular Theodor Schwann apoyaron una teoría diferente, quienes afirmaron que la fermentación alcohólica dependía de los procesos biológicos llevados a cabo por la levadura de cerveza.

El interés de Louis Pasteur en la fermentación comenzó cuando notó algunas propiedades notables del alcohol amílico, un subproducto del ácido láctico y la fermentación del alcohol, durante sus estudios bioquímicos. En particular, Pasteur destacó su capacidad para "rotar el plano de la luz polarizada" y su "disposición asimétrica de los átomos". Estos comportamientos eran característicos de los compuestos orgánicos que Pasteur había examinado anteriormente, pero también presentaban un obstáculo para su propia investigación sobre una "ley de correlación hemiédrica". Pasteur había estado tratando previamente de derivar conexiones entre sustancias & # 39; estructuras químicas y forma externa, y el alcohol amílico ópticamente activo no cumplió con sus expectativas de acuerdo con la 'ley' propuesta. Pasteur buscó una razón por la que sucedió esta excepción y por qué se generó dicho compuesto químico durante el proceso de fermentación en primer lugar. En una serie de conferencias posteriores en 1860, Pasteur intentó vincular la actividad óptica y la asimetría molecular con los orígenes orgánicos de las sustancias, afirmando que ningún proceso químico era capaz de convertir sustancias simétricas (inorgánicas) en asimétricas (orgánicas). Por lo tanto, la observación del alcohol amílico proporcionó algunas de las primeras motivaciones para una explicación biológica de la fermentación.

En 1856, Pasteur pudo observar los microbios responsables de la fermentación alcohólica bajo un microscopio, como profesor de ciencias en la Universidad de Lille. Según una leyenda que se originó en la biografía de Pasteur de 1900, uno de sus estudiantes de química, propietario de una fábrica de alcohol de remolacha en Lille, buscó su ayuda después de un año sin éxito en la elaboración de cerveza. Pasteur realizó experimentos en la fábrica para observar el proceso de fermentación y notó que los glóbulos de levadura se alargaban después de que se formaba el ácido láctico, pero se volvían redondos y llenos cuando el alcohol fermentaba correctamente.

En una observación diferente, Pasteur inspeccionó partículas que se originaban en las vides bajo el microscopio y reveló la presencia de células vivas. Dejar estas células sumergidas en jugo de uva resultó en una fermentación alcohólica activa. Esta observación proporcionó evidencia para terminar con la distinción entre fermentación 'artificial' en vino y fermentación 'verdadera' en productos de levadura. La anterior distinción incorrecta se había debido en parte al hecho de que había que añadir levadura al mosto de cerveza para provocar la fermentación alcohólica deseada, mientras que los catalizadores de la fermentación del vino se producían de forma natural en las vides; la fermentación del vino había sido vista como 'artificial' ya que no requería catalizador adicional, sino que el catalizador natural había estado presente en la propia vid. Estas observaciones proporcionaron a Pasteur una hipótesis de trabajo para futuros experimentos.

Uno de los procesos químicos que estudió Pasteur fue la fermentación del azúcar en ácido láctico, como ocurre en la acidificación de la leche. En un experimento de 1857, Pasteur pudo aislar los microorganismos presentes en el fermento de ácido láctico después de que se llevó a cabo el proceso químico. Pasteur luego cultivó los microorganismos en un cultivo con su laboratorio. Luego pudo acelerar el proceso de fermentación del ácido láctico en la leche fresca al administrarle la muestra cultivada. Este fue un paso importante para probar su hipótesis de que la fermentación del ácido láctico fue catalizada por microorganismos.

Pasteur también experimentó con los mecanismos de la levadura de cerveza en ausencia de nitrógeno orgánico. Al agregar levadura de cerveza pura a una solución de azúcar de caña, sal de amonio y ceniza de levadura, Pasteur pudo observar el proceso de fermentación alcohólica con todos sus subproductos habituales: glicerina, ácido succínico y pequeñas cantidades de celulosa y materias grasas. Sin embargo, si alguno de los ingredientes se eliminara de la solución, no se produciría la fermentación. Para Pasteur, esto era una prueba de que la levadura requería nitrógeno, minerales y carbono del medio para sus procesos metabólicos, liberando ácido carbónico y alcohol etílico como subproductos. Esto también refutó la teoría de Liebig, ya que no había materia albuminosa presente en el medio; la descomposición de la levadura no fue la fuerza motriz de la fermentación observada.

Una cerradura de fermentación, un ejemplo de un aparato de cuello curvado utilizado en la elaboración de hoy

Pasteur sobre la generación espontánea

Antes de las décadas de 1860 y 1870, cuando Pasteur publicó su trabajo sobre esta teoría, se creía que los microorganismos e incluso algunos animales pequeños como las ranas se generarían espontáneamente. La generación espontánea se explicó históricamente en una variedad de formas. Aristóteles, un antiguo filósofo griego, teorizó que las criaturas surgían de ciertos brebajes de elementos terrenales, como arcilla o barro mezclado con agua y luz solar. Posteriormente, Felix Pouchet abogó por la existencia de 'fuerzas plásticas' dentro de desechos de plantas y animales capaces de generar huevos espontáneamente, y de estos huevos nacieron nuevos organismos. Además de esto, una evidencia común que parecía corroborar la teoría fue la aparición de gusanos en la carne cruda después de dejarla expuesta al aire libre.

En las décadas de 1860 y 1870, el interés de Pasteur por la generación espontánea lo llevó a criticar las teorías de Pouchet y a realizar sus propios experimentos. En su primer experimento, tomó agua de levadura azucarada hervida y la selló en un artilugio hermético. La alimentación de aire caliente y estéril en la mezcla la dejó inalterada, mientras que la introducción de polvo atmosférico provocó la aparición de microbios y moho dentro de la mezcla. Este resultado también se vio reforzado por el hecho de que Pasteur utilizó asbesto, una forma de materia totalmente inorgánica, para transportar el polvo atmosférico. En un segundo experimento, Pasteur usó los mismos matraces y la misma mezcla de azúcar y levadura, pero los dejó inactivos en el recipiente 'cuello de cisne' matraces en lugar de introducir cualquier materia extraña. Algunos matraces se mantuvieron abiertos al aire libre como grupo de control, y estos exhibieron moho y crecimiento microbiano en uno o dos días. Cuando los matraces con cuello de cisne no mostraron estos mismos crecimientos microbianos, Pasteur concluyó que la estructura de los cuellos bloqueaba el paso del polvo atmosférico a la solución. De los dos experimentos, Pasteur concluyó que el polvo atmosférico transportaba los gérmenes responsables de la 'generación espontánea' en sus caldos. Por lo tanto, el trabajo de Pasteur proporcionó pruebas de que el crecimiento emergente de bacterias en caldos de nutrientes es causado por biogénesis en lugar de alguna forma de generación espontánea.

Aplicaciones

Hoy en día, el proceso de fermentación se utiliza para una multitud de aplicaciones cotidianas, incluidos medicamentos, bebidas y alimentos. Actualmente, empresas como Genencor International utilizan la producción de enzimas involucradas en la fermentación para generar ingresos de más de $400 millones al año. Muchos medicamentos, como los antibióticos, se producen mediante el proceso de fermentación. Un ejemplo es la importante droga cortisona, que puede prepararse mediante la fermentación de un esteroide vegetal conocido como diosgenina.

Sistema de fermentación de la Unión de Burton, Centro de Visitantes de Coors

Las enzimas utilizadas en la reacción las proporciona el moho Rhizopus nigricans. Como es comúnmente conocido, también se producen alcoholes de todos los tipos y marcas por medio de la fermentación y la destilación. Moonshine es un ejemplo clásico de cómo se lleva a cabo. Finalmente, los alimentos como el yogur también se elaboran mediante procesos de fermentación. El yogur es un producto lácteo fermentado que contiene los cultivos bacterianos característicos Lactobacillus bulgaricus y Streptococcus thermopiles.