Fermentacion

Método biológico “Fermentación”

La fermentación es una descomposición por acción sobre materiales carbohidratos. Este es un proceso catabólico, totalmente anaeróbico, siendo un producto final un compuesto orgánico. Este proceso es en el cual se descomponen sustancias orgánicas complejas en otras simples. El proceso de fermentación es producido por acción de las enzimas, lo cual conlleva cambios químicos en las sustancias orgánicas. Cuando estas se degradan por la acción enzimática, se da lugar a productos sencillos, como por ejemplo el alcohol etílico.
La fermentación fue descubierta por Pasteur, que la describió como la vie sans l´air (la vida sin el aire). La fermentación típica es llevada a cabo por las levaduras. También algunos metazoos y protistas son capaces de realizarla.
El proceso de fermentación es anaeróbico ya que se produce en ausencia de oxígeno; ello significa que el aceptor final de los electrones del NADH producido en la glucólisis no es el oxígeno, sino un compuesto orgánico que se reducirá para poder reoxidar el NADH a NAD+. El compuesto orgánico que se reduce (acetaldehído, piruvato, ...) es un derivado del sustrato que se ha oxidado anteriormente.
La fermentación permite que el alimento se conserve ya que el metabolismo de algunos nutrientes se convierte en ácido, ya sea ácido acético, acido láctico y etanol, estos nutrientes también pueden convertirse en algún alcohol o bióxido de carbono, o elimina antinutrientes. Por esa razón la fermentación hace uso de la energía de los alimentos y puede crear condiciones inadecuadas para organismos indeseables. Esto hace que el alimento se conserve.
Algunos de los propósitos de la fermentación en los alimentos son:
• Enriquecimiento de la dieta a través del desarrollo de una diversidad de sabores, aromas y texturas en los substractos de los alimentos.
• Preservación de cantidades substanciales de alimentos a través de ácido láctico, ácido acético y fermentaciones alcalinas.
• Enriquecimiento de substratos alimenticios con proteína, aminoácidos, ácidos grasos esenciales y vitaminas.
• Detoxificación durante el proceso de fermentación alimenticia.
• Disminución de los tiempos de cocinado y de los requerimientos de combustible.
•
Proceso
1. PREPARADO DEL FERMENTADOR.
Para iniciar una fermentación es necesario agregar en el fermentador una fuente de nitrógeno (sales), una fuente de carbono (azúcares) y finalmente el inóculo o microorganismo a crecer, que formará producto. Además deberá haber suficiente oxígeno en el medio, esto se logra adicionando aire mediante una compresora y el motor que da la distribución del oxígeno en el medio. Todo lo anterior debe ir acompañado de un control delicado de las variables del proceso de fermentación como el pH, temperatura, adición de azúcar al medio, etc., para optimizar el crecimiento de los microorganismos.
Los pasos para preparar el inóculo que será agregado al fermentador se explican a continuación (ver secuencia de la figura 4.2):
1. Pequeñas cantidades de levadura son depositadas en una caja de petri; esta caja es incubada a 22°C durante 3 o 4 días para lograr que la levadura crezca.
2. Posteriormente el microorganismo es crecido en un tubo de ensayo que contiene el medio de crecimiento (fuente de carbono y de nitrógeno). Este tubo es depositado en una agitadora para proveer constantemente oxígeno al inóculo. Esto dura aproximadamente un día.
3. La siguiente etapa es pasar el inóculo a nivel matraz con su respectiva fuente de carbono y de nitrógeno en una agitadora aproximadamente durante 2 días, para obtener la cantidad necesaria de levaduras para inocular el fermentador.

4. Finalmente el inóculo puede ser agregado a nivel fermentador cuando este último ha sido esterilizado, comenzando así la fermentación.


En las fermentaciones que se usaron para esta tesis, se tenia control sobre las siguientes variables: pH, velocidad de agitación, formación de espuma. Además se mide el porcentaje de oxígeno disuelto. Los pasos que hay que seguir para iniciar una fermentación son:
· Primeramente hay que calibrar el medidor de pH, ya que el valor medido por el electrodo y el medidor de pH puede llegar a variar con el tiempo. La calibración se logra con sustancias llamadas buffers que tienen un valor constante de pH, que se toman como referencia para hacer los pequeños ajustes en el medidor. El medidor de oxígeno disuelto es también calibrado antes de iniciar la fermentación.
· Se coloca en el fermentador la fuente de nitrógeno. Además se agregan los electrodos para medir el porcentaje del oxígeno disuelto, el pH y el sensor de espuma. También se colocan las mangueras que servirán para la adición de ácido, base y antiespumante; así como las mangueras que sirven para la toma de muestra y las que servirán para la entrada y salida del oxígeno.
· El fermentador se esteriliza en una autoclave a una temperatura aproximada de 120°C y una presión de 1.5 Kg/cm2, durante aproximadamente 15 o 20 minutos. Esto se hace para eliminar cualquier microorganismo indeseable durante la fermentación. También se esterilizan los matraces que contienen la fuente de carbono, el ácido, la base y el antiespumante; así como todo el material necesario usado durante la fermentación como filtros de aire y pinzas para presionar las mangueras.
· Después de esterilizar el fermentador se conecta el electrodo que mide el porcentaje de oxígeno disuelto al medidor controlador para que comience a polarizarse, esto toma aproximadamente cinco horas.

· Se conecta todo el equipo necesario para la fermentación (los controladores de pH y de espuma, el medidor de oxígeno disuelto; las bombas peristálticas, el motor, etc.). No se deben retirar los electrodos del fermentador para evitar la contaminación del medio de cultivo.

· Ya que se tienen todos lo medidores y controladores funcionando, así como el abastecimiento de oxígeno, se adiciona la fuente de carbono, esperando unos cuantos minutos para que se estabilice la lectura de los medidores. La entrada del oxígeno es controlada por una válvula que la mantiene a una presión constante de 2 Kg/cm2.
· Finalmente se agrega el inóculo, y se hacen los ajustes finales. Aquí comienza la fermentación.

· Durante la fermentación, se debe tomar una muestra del medio cada 4 horas, para medir el crecimiento, y la formación de producto. Se debe vigilar constantemente que el equipo funcione correctamente durante la fermentación.
En la figura 4.3 se puede ver un bosquejo de la mayoría de los medidores, controladores con los que cuenta el fermentador. Las bombas peristálticas obviamente van conectadas a sus respectivos controladores. A continuación se listarán los materiales usados durante la fermentación :
· Fermentador Applikon de tres litros, esterilizable en autoclave.
· Motor, con una velocidad de agitación de 0 a 1250 r.p.m.
· Medidor controlador del motor, (Applikon).
· Medidor controlador de pH, (Cole Parmer Instrument Co.).
· Medidor controlador de oxígeno, (Cole Parmer Instrument Co.).
· Controlador antiespumante, (Cole Parmer Instrument Co.).
· Electrodo polarográfico de oxígeno, (Cole Parmer Instrument Co.).
· Electrodo de pH, (Cole Parmer Instrument Co.).
· Sensor de espuma, (Cole Parmer Instrument Co.).
· Bombas peristálticas (Masterflexs de velocidad fija).
· Válvula para mantener el oxígeno de alimentación al fermentador constante, Norgrem de
México.
· Matraces, Mangueras, pinzas, etc.



2. MEDICION DE LAS CONCENTRACIONES DE BIOMASA Y ASTAXANTINA.
Para la medición de biomasa se utilizan dos métodos principalmente:
Espectrofotometría (absorbancia) y peso seco.
El método de espectrofotometría o medición de absorbancia consiste en pasar un haz de luz de determinada longitud de onda a través de una muestra del medio de cultivo. La cantidad absorbida del haz de luz es proporcional a la cantidad de biomasa. La unidad de medición de biomasa en absorbancia es la densidad óptica. Los pasos a seguir para hacer una medición de biomasa son:
1. Se toma una muestra del cultivo del fermentador.
2. La muestra se agita para mantenerla homogénea.
3. Se hace una dilución con agua destilada de la muestra (p. eje. 10 : 1 ).
4. Se mide la absorbancia en el espectrofotómetro, a una longitud de onda de 600 nm.
5. La medición es multiplicada por el factor de dilución (p. eje. Lectura 0.322 por un factor de dilución de 10, da un resultado de 3.22)
La dilución de la muestra es necesaria, ya que la medición de absorbancia sólo trabaja para pequeñas concentraciones de células. Realizar la medición en el espectrofotómetro toma pocos minutos, pero el proceso es demasiado repetitivo y se tiene que hacer cada vez que se tome una muestra del medio de cultivo.
Para medir biomasa por medio de peso seco es necesario obtener el peso total de los microorganismo en miligramos por litro de medio de cultivo. Para hacer esto es necesario evaporar el líquido de la muestra, esto se logra poniendo la muestra en un horno a temperatura constante durante 24 horas. El resultado final es el peso neto de los microorganismos, expresados en miligramos por litro.
Para medir la cantidad de pigmento se sigue este procedimiento :
1. Se toma una muestra del cultivo del fermentador.
2. Se agrega a la muestra una sustancia que rompe la pared celular de la levadura.
3. Se agrega otra sustancia que separa el pigmento de la levadura.
4. Se retira el pigmento con una pipeta.
5. Se mide en el espectrofotómetro a una longitud de onda de 480 nm.
6. Se convierte a microgramos por litro de medio, con una fórmula matemática.
El proceso de medición de biomasa o pigmento en el espectrofotómetro dura tan sólo pocos minutos, pero es la cantidad de muestras y la preparación de estas muestras lo que hace que este proceso se vuelva repetitivo. Además los aparatos de medición como los espectofotómetros son muy caros y por supuesto es necesaria una persona especializada en esta área.
Hacer estimaciones de biomasa y pigmento con una RNA, (dadas las características de las redes, ver capítulo 3) evitará tener que pasar por las etapas antes mencionadas para hacer las mediciones de biomasa y pigmento. Para poder hacer las estimaciones con una RNA primero se debe obtener información de las variables para alimentar a la red. Uno de los pasos previos para entrenar una RNA es la adquisición de datos.
3. ADQUISICION DE DATOS.
Para la adquisición de datos en línea se contó con la tarjeta PCL - 711S, PC- multilab. Con las siguientes características:
· Entrada de 8 señales analógicas, con un convertidor analógico a digital de 12 bits de aproximaciones sucesivas, con rangos de entrada de ±5V, ±2.5V, ±1.25V, ±0.625V,
±0.312V, precisión de ± 1 bit, tiempo de conversión de 25 ms.
· 1 salida analógica, con un convertidor digital analógico de 12 bits y un rango de salida de 0 a 5V, o de 0 a 10V.
· 16 entradas digitales, compatibles con TTL.
· 16 salidas digitales, compatibles con TTL.
Las variables que se miden en la fermentación son:
· pH.
· Porcentaje de oxígeno disuelto.
· Velocidad de agitación.
· Potencial redox.
· Temperatura.
· Espuma.
Antes de que llegara la tarjeta de adquisición de datos, se realizó un trabajo previo con una tarjeta de adquisición de datos más sencilla. Se le hicieron algunos pequeños ajustes ya que sólo tenia entradas y salidas digitales, así que se le conectó un convertidor analógico digital ADC0804 de National Semiconductors y un multiplexor analógico 4051 CMOS, para capturar señales analógicas. Gracias a esta tarjeta se pudo avanzar en la programación.
En esta etapa previa se diseñó una interfase para capturar datos de los medidores de pH y oxígeno disuelto, todo esto se hacia desde una computadora AT 286, con un programa escrito en Qbasic. Las pruebas resultaron satisfactorias, es decir, ya se podía capturar lecturas de pH y oxígeno disuelto desde la PC. Pero al querer hacer adquisición de datos durante una fermentación, la adquisición fallaba. Los medidores perdían la lectura y los display no desplegaban lectura. Se pensó que algo había fallado con la electrónica y se optó por revisar todo de nuevo.
Afortunadamente llegó la nueva tarjeta de adquisición de datos, lo cual permitió eliminar muchos de los componentes electrónicos utilizados anteriormente. Se hizo otra prueba previa con la tarjeta de adquisición de datos instalada en un computadora pentium a 120 MHz (megahertz) obteniéndose mediciones de pH y oxígeno en línea. Posteriormente al realizarse la medición de pH y oxígeno al inicio de una fermentación volvió a suceder el mismo problema, en que los medidores no desplegaban lecturas.

Se encontró que mientras no se conectaba el motor al fermentador se podían realizar captura de datos desde los medidores a la computadora, pero al conectar el motor inmediatamente se interrumpían las mediciones. Esto indicaba que se tenía un problema con las tierras de los medidores y la computadora. El chasis del fermentador se aterriza al conectar el motor del fermentador y este chasis hace contacto con el medio de cultivo. Aterrizar el chasis del fermentador es necesario, ya que el electrodo de oxigeno es polarográfico, y para polarizarse requiere de un potencial, el cual se encontraría presente en el medio de cultivo si no se pusiera a tierra el chasis del fermentador.
Posteriormente se encontró que se podía hacer en línea la medición de oxígeno con el motor conectado, pero no se podía medir el pH. En realidad no es significativo medir el valor de una variable que iba a permanecer constante como el pH, pero si era significativo en cambio medir la cantidad de ácido a base que agregaba el controlador de pH al medio de cultivo, ese era entonces otro problema que se tenia que resolver. En vista de que ya se podían capturar las lecturas del medidor de oxígeno, se optó por abandonar el problema y seguir adelante. El pH permanecería constante a 5.5 durante toda la fermentación. En cambio el oxígeno estaría variando durante toda la fermentación, así que se decidió medir el porcentaje de oxígeno disuelto en el fermentador y medir la cantidad de ácido o base agregados.
3.1. ACONDICIONAMIENTO DE LAS SEÑALES.
Ahora se mostrarán los circuitos utilizados para el acondicionamiento de las señales, que serán llevadas a la tarjeta de adquisición de datos.
3.1.1. Oxígeno: La primera variable medida fue el porcentaje de oxígeno disuelto. El medidor de oxígeno entrega una corriente de 0 a 20 miliamperes (mA), correspondiente a un rango del 0 al 200% de porcentaje de oxígeno en el medio [1]. Hablamos de un 200% ya que existen gases que tienen una concentración mayor al 100% en un medio. Basándome en la experiencia de fermentaciones previas el oxígeno o en este caso porcentaje de aire subía un poco más del 100%, así que se dejó el rango inicial de 0 al 200%. Para acondicionar la señal de oxígeno a la tarjeta de adquisición de datos se usó un amplificador de transimpedancia o convertidor de corriente a voltaje [2] y una etapa inversora, figura 4.4. El rango de 0 a 20 mA, a la salida del último amplificador varía de 0 a 5 volts, que serán utilizados en la tarjeta de adquisición de datos.
3.1.2. pH y velocidad de agitación : Al igual que con el pH la velocidad de agitación permanecería constante restando por lo tanto interés en capturar el valor de esta señal.



Figura 4.4 Circuito acondicionador del porcentaje de oxígeno disuelto.
3.1.3. Temperatura : El cuarto donde está colocado el fermentador tiene una temperatura controlada de 22°C. Aunque la temperatura varía entre 19 y 23°C en instantes, lo cual he podido constatar haciendo mediciones con un dispositivo Lm35DZ de National Semiconductors. Para leer la temperatura en el fermentador el sensor Lm35 se coloca en uno de los puertos del fermentador que entra en contacto indirecto con el medio de cultivo. Este puerto no permite la comunicación directa entre el interior y el exterior del fermentador. Pero se puede medir la temperatura llenando el puerto con agua y como el puerto es de metal la temperatura del interior del fermentador será la misma que la que trasmita el metal al exterior.
El sensor Lm35 está conectado a un amplificador no inversor con ganancia de 10, esto debido a que el sensor Lm35 tiene una salida en milivolts proporcional a la temperatura medida [3], una salida de 250 mV corresponde a 25°C. La amplificación permite llenar el rango especificado por el convertidor analógico digital de la tarjeta de adquisición de datos.
Ver la figura 4.5.
Figura



Figura 4.5 Circuito acondicionador de la temperatura.
3.1.4. Espuma, ácido y base: Dado que el controlador de espuma no tenia salida de datos [4], esta variable no podía ser medida pero se consideraba que era importante medirla por eso se consideraron las siguientes opciones:
1. La cantidad de veces que el controlador encendía la bomba peristáltica para la adición de antiespumante.
2. La cantidad de antiespumante agregado durante el proceso de fermentación cada determinado tiempo.
Se determinó que la segunda opción era mejor y que entregaba más información y además llevaba ya implícita la primera opción. Dado que la velocidad de las bombas peristálticas era fija se podía calcular la cantidad agregada de antiespumante y por supuesto de ácido o base.
Lo primero que se hizo fue convertir a corriente directa la señal alterna que se producía cadavez que el relevador de los controladores encendían las bombas peristálticas, esta señal alterna se rectificó y filtró para convertirla a 5 volts. Al final de esta etapa se utilizó un optoacoplador para separar las señales generadas por la bomba y las señales digitales. En el momento en que la bomba peristáltica funcionara, ésta habilitaría un contador que llevaría la cuenta en segundos del tiempo que duró encendida la bomba durante la adición de antiespumante. Ver figura 4.6. Después de determinado tiempo la información del contador sería capturada por una tarjeta de adquisición de datos y finalmente se aplicaría un ‘reset’ por software al contador, para iniciar la nueva cuenta. De esta misma manera se mediría el ácido o base agregada al fermentador.



Figura 4.6 Acondicionamiento de la señal de las bombas peristálticas.
Dos canales analógicos de la tarjeta de adquisición de datos son usados para la captura de las señales acondicionadas de oxígeno y temperatura. Las 16 entradas digitales son usadas para la adquisición de datos digitales, un ‘byte’ es usado para la captura de la información entregada por el contador que mide el antiespumante agregado, el segundo ‘byte’ es usado para capturar la lectura del contador que mide ácido o base. Dadas las características de la tarjeta sólo es posible hacer mediciones de 2 bombas sin tener que realizar modificaciones externas a la tarjeta de adquisición de datos. Se optó por medir principalmente el antiespumante y para el pH se decidió medir el ácido agregado ya que la fuente de nitrógeno del fermentador hace subir al pH y se tiene que agregar ácido para mantenerla constante, sólo en un pequeña parte de la fermentación se agrega base y esto era al principio de la fermentación.
4. EL PROGRAMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS
Inicialmente se pensó hacer el programa de adquisición de datos en Matlab aprovechando el ambiente gráfico y la disponibilidad del módulo de redes neurales. Pero lamentablemente no se logró hacer que Matlab compilara algunos programas que se habían escrito en lenguaje C.
Esto llevó a que se usaran dos lenguajes de programación :
1. La parte que hace la adquisición de datos fue escrita en lenguaje C.
2. El programa de procesamiento y desplegado de la información, así como el diseño de las redes neurales artificiales para la estimación de biomasa y pigmento, fue escrito utilizando Matlab.
El programa en lenguaje C, está diseñado para realizar la adquisición de datos, en la figura 4.7 se puede ver el diagrama de flujo. Si se desea ver el listado del programa consulte el apéndice C. El programa escrito en C, captura los datos de los medidores y los escribe a un archivo. La base de tiempo para la captura de datos es de 5 minutos, es decir, cada 5 minutos se capturan los datos de los medidores. Si observamos el diagrama de flujo, vemos que inicialmente el programa configura las entradas y las salidas de datos, posteriormente se hace la adquisición de datos de los medidores. Cuando se tienen los datos éstos son escritos en un archivo el cual será leído por Matlab. Cuando se adquieren todos los datos inmediatamente se reinician de nuevo los contadores que tienen los datos del antiespumante y el ácido o la base. El siguiente paso es ver si ya se ha llegado al final de las lecturas, es decir, cuantas horas han pasado; si se llega al máximo de lecturas se detiene el proceso. Si el proceso sigue, el programa espera 5 minutos para realizar la próxima adquisición, mientras se despliegan los datos bajo un ambiente Ms-dos. Antes de iniciar la adquisición de datos es necesario mandar llamar un ‘driver’ o un manejador llamado PCL-711, gracias a este driver fue posible el control de la tarjeta con lenguaje de alto nivel, como el lenguaje C. El programa escrito en C, genera unos archivos con los datos que fueron capturados por la tarjeta de adquisición de datos, estos archivos son capturados por un programa que realiza el procesado y despliegue de la información.



Figura 4.7 Diagrama de flujo del programa escrito en lenguaje C.
El programa para las estimaciones de biomasa y del pigmento fueron escritos en Matlab.
MATLABÔ (Matrix Laboratory) es un lenguaje de alto nivel que permite que la programación se reduzca a comandos muy específicos que ahorran grandes pasos en la programación por lo que el lenguaje se hace muy amigable, además de contar con un extraordinario ambiente gráfico. El diagrama de flujo del programa escrito en Matlab se puede ver en la figura 4.8, si se desea ver el listado del programa, se puede consultar el apéndice D.
En el diagrama de flujo se describe el funcionamiento del programa escrito en Matlab, principalmente se realiza la adquisición de los datos escritos por el programa en lenguaje C, Estos datos son procesados y se dan a la RNA. Matlab cuenta con el módulo de redes neurales integrado, esta RNA hace la estimación de las concentraciones de biomasa y las cantidades del pigmento astaxantina.



Figura 4.8 Diagrama de flujo del programa escrito en Matlab
El programa en Matlab despliega las variables medidas, y las estimaciones de biomasa y
astaxantina en una serie de ventanas en la computadora tal como se ve en la figura 4.9. En la pantalla se ven las gráficas del proceso, se puede observar que las gráficas de temperatura, porcentaje de oxígeno, ácido agregado y espuma son desplegadas en un ventana que muestra solamente las dos últimas horas en la captura de datos. Para observar todo el historial de la gráfica se utilizan los controles al lado izquierdo de la pantalla, por ejemplo, si se quiere ver la gráfica del oxígeno durante toda la fermentación sólo se presiona el botón que controla el
oxígeno para desplegar la gráfica desde el inicio de la fermentación.




Figura 4.9 Pantalla en Matlab, despliegue de información.
Existen dos programas funcionando, uno escrito en lenguaje C y otro escrito en Matlab. Los dos programas tienen en común que usan un mismo archivo, por ejemplo, el programa escrito en lenguaje C realiza captura de datos desde la tarjeta de adquisición de datos, el valor de la variable capturada se guarda en un archivo que Matlab debe leer. Este archivo no debe ser leído al mismo tiempo por los dos programas ya que ocurriría un error y detendría la ejecución de alguno de los dos programas. Es necesario tener un desfasamiento entre los dos programas, es decir, primero se inicia el programa en lenguaje C y minutos después se inicia el programa en Matlab. Así no existe problema para leer el archivo. El tiempo de captura de variables es de 5 minutos tanto para el programa escrito en lenguaje C como para el programa escrito en Matlab.
El usuario del software tiene la ventaja de determinar el tiempo que durará la captura de datos, es decir, el programa en Matlab permite determinar cuanto tiempo se desea que dure la captura de datos durante la fermentación, este valor es dado en horas.
5. COMPORTAMIENTO DE LAS FERMENTACIONES.
En esta parte se describen los pasos que se siguieron para el entrenamiento de la RNA que realiza las estimaciones de biomasa y de pigmento fuera de línea y en línea. Primero se recabó información de las variables medidas en línea, era importante conocer cual era su comportamiento durante el proceso de fermentación. Se realizaron en total 8 fermentaciones, de las cuales sólo se utilizaron 5 en esta investigación, más adelante se comenta la causa.
Las variables que se midieron en línea a partir de la cuarta fermentación son :
· Porcentaje de oxígeno disuelto.
· Temperatura.
· Cantidad de antiespumante agregado.
· Cantidad de ácido o base agregado.
A continuación se presenta gráficamente el comportamiento de las variables medidas en línea durante uno de los procesos fermentativos. Los datos corresponden a una fermentación que duró 92 horas.

En la figura 4.10 se puede observar la gráfica de la evolución del porcentaje de oxígeno disuelto resultado de la segunda fermentación, se puede observar que al principio el consumo es mínimo ya que la gráfica está por arriba del 100%, alrededor de las 40 horas el consumo de oxígeno está al máximo, esto se debe a que los microorganismos se encuentran en la fase exponencial, donde la velocidad de crecimiento es más alta y la demanda de oxígeno es mayor. Finalmente los microorganismos dejan de crecer y entran en la fase estacionaria, esto se puede ver reflejado en la gráfica a partir de las 60 horas.


En la figura 4.11 se muestra la gráfica de la evolución de la temperatura. Se puede observar que las lecturas para la temperatura son un poco erráticas y oscilan entre 19.0 y 21.5°C para esta fermentación, esto es debido a que para mantener la temperatura en el cuarto se utiliza ventilador del tipo aire acondicionado.


Diagrama de flujo del proceso.



Tipos de fermentación.
Fermentación acética
Es la fermentación bacteriana por Acetobacter, un género de bacterias aeróbicas, que transforma el alcohol en ácido acético.1 La fermentación acética del vino proporciona el vinagre debido a un exceso de oxígeno y es considerado uno de los fallos del vino. La fermentación acética es un áera de estudio dentro de la Cimología.
Características
La formación de ácido acético (CH3COOH) resulta de la oxidación de un alcohol por la bacteria del vinagre en presencia del oxígeno del aire. Estas bacterias, a diferencia de las levaduras productoras de alcohol, requieren un suministro generoso de oxígeno para su crecimiento y actividad. El cambio que ocurre es descrito generalmente por la ecuación:
C2H5OH + O2 → Acetobacter aceti → CH3COOH + H2O
Hay otros muchos tipos de fermentación que se producen de forma natural, como la formación de ácido butanoico cuando la mantequilla se vuelve rancia.
Fermentación alcohólica
(denominada también como fermentación del etanol o incluso fermentación etílica) es un proceso biológico de fermentación en plena ausencia de aire (oxígeno - O2), originado por la actividad de algunos microorganismos que procesan los hidratos de carbono (por regla general azúcares: como pueden ser por ejemplo la glucosa, la fructosa, la sacarosa, el almidón, etc.) para obtener como productos finales: un alcohol en forma de etanol (cuya fórmula química es: CH3-CH2-OH), dióxido de carbono (CO2) en forma de gas y unas moléculas de ATP que consumen los propios microorganismos en su metabolismo celular energético anaeróbico. El etanol resultante se emplea en la elaboración de algunas bebidas alcohólicas, tales como el vino, la cerveza, la sidra, el cava, etc.1 Aunque en la actualidad se empieza a sintetizar también etanol mediante la fermentación a nivel industrial a gran escala para ser empleado como biocombustible.2 3
La fermentación alcohólica tiene como finalidad biológica proporcionar energía anaeróbica a los microorganismos unicelulares (levaduras) en ausencia de oxígeno para ello disocian las moléculas de glucosa y obtienen la energía necesaria para sobrevivir, produciendo el alcohol y CO2 como desechos consecuencia de la fermentación. Las levaduras y bacterias causantes de este fenómeno son microorganismos muy habituales en las frutas y cereales y contribuyen en gran medida al sabor de los productos fermentados (véase Evaluación sensorial).4 Una de las principales características de estos microorganismos es que viven en ambientes completamente carentes de oxígeno (O2), máxime durante la reacción química, por esta razón se dice que la fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico.
Fermentación butírica
(descubierta por Louis Pasteur) es la conversión de los glúcidos en ácido butírico por acción de bacterias de la especie Clostridium butyricum en ausencia de oxígeno. Se produce a partir de la lactosa con formación de ácido butírico y gas. Es característica de las bacterias del género Clostridium y se caracteriza por la aparición de olores pútridos y desagradables.
Se puede producir durante el proceso de ensilado si la cantidad de azúcares en el pasto no es lo suficientemente grande como para producir una cantidad de ácido láctico que garantice un pH inferior a 5.
Fermentación láctica
Es un proceso célular anaeróbico donde se utiliza glucosa para obtener energía y donde el producto de desecho es el ácido láctico.
Este proceso lo realizan muchas bacterias (llamadas bacterias lácticas), hongos, algunos protozoos y en los tejidos animales; en efecto, la fermentación láctica también se verifica en el tejido muscular cuando, a causa de una intensa actividad motora, no se produce una aportación adecuada de oxígeno que permita el desarrollo de la respiración aeróbica. Cuando el ácido láctico se acumula en las células musculares produce síntomas asociados con la fatiga muscular. Algunas células, como los eritrocitos, carecen de mitocondrias de manera que se ven obligadas a obtener energía por medio de la fermentación láctica; por el contrario, las neuronas mueren rápidamente ya que no fermentan, y su única fuente de energía es la respiración.
Proceso
En condiciones de ausencia de oxígeno (anaerobias), la fermentación responde a la necesidad de la célula de generar la molécula de NAD+, que ha sido consumida en el proceso energético de la glucólisis. En la glucólisis la célula transforma y oxida la glucosa en un compuesto de tres átomos de carbono, el ácido pirúvico, obteniendo dos moléculas de ATP; sin embargo, en este proceso se emplean dos moléculas de NAD+ que actúan como aceptores de electrones y se reducen a NADH. Para que puedan tener lugar las reacciones de la glucólisis productoras de energía es necesario reoxidar el NADH; esto se consigue mediante la cesión de dos electrones el NADH al ácido pirúvico, que se reduce a ácido láctico.
Un ejemplo de este tipo de fermentación es la acidificación de la leche. Ciertas bacterias (Lactobacillus, Streptococcus), al desarrollarse en la leche utilizan la lactosa (azúcar de leche) como fuente de energía. La lactosa, al fermentar, produce energía que es aprovechada por las bacterias y el ácido láctico es eliminado. La coagulación de la leche (cuajada) resulta de la precipitación de las proteínas de la leche, y ocurre por el descenso de pH debido a la presencia de ácido láctico. Este proceso es la base para la obtención del yogur. El ácido láctico, dado que otorga acidez al medio, tiene excelentes propiedades conservantes de los alimentos.
Alimentos fermentados.
Son aquellos cuyo procesamiento involucra el crecimiento y actividad de microorganismos como: bacterias, mohos, levaduras.
Algunos alimentos fermentados son:
• La cerveza. Es una bebida alcohólica, no destilada, de sabor amargo que se fabrica con granos de cebada u otros cereales cuyo almidón, una vez modificado, es fermentado en agua y frecuentemente aromatizado con lúpulo.La elaboración de la cerveza se puede hacer con cualquier cereal, los cuales son preparados para que sus azúcares sean fermentables. Sus etapas son:
1. Germinación de la malta.
2. Maceración.
3. Fermentación.
4. Maduración.
5. Envasado.
• El vino. Es una bebida obtenida del mosto de la uva (variedad Vitis vinifera) mediante fermentación alcohólica de su mosto o zumo;2 la fermentación se produce por la acción metabólica de levaduras que transforman los azúcares del fruto en alcohol etílico y gas en forma de dióxido de carbono.
• Vinagre. Es esencialmente una solución diluida de ácido acético hecho por fermentación, a la que se le agregan sales y extractos de otras materias. Estas sustancias adicionales, cuya naturaleza y cantidad exacta dependen sobre todo del ingrediente utilizado, dan al producto su cualidad distintiva. El azúcar es la base en la producción del vinagre. Cualquier solución diluida de un azúcar fermentable puede transformarse en vinagre en condiciones favorables. Muchos jugos de frutas se prestan para este fin si contienen en proporción apropiada azúcar y otras sustancias necesarias o deseables.
• Yogurt. Es una forma de leche ácida modificada que se dice tuvo su origen en Bulgaria. Para su elaboración se puede partir no solo de leche vacuna sino también de cabra y oveja, entera, parcial ó totalmente descremada, previamente hervida ó pasteurizada.
Ventajas de los alimentos fermentados.
.....Cuando un alimento es fermentado nos ofrece las siguientes ventajas:
• Se eliminan sabores y texturas desagradables.
• Hay una reducción considerable en el tiempo de cocción y por lo tanto ahorro de energía.
• Los productos son más digeribles.
• Hay un incremento en el contenido de vitaminas del complejo B.
• Inhibición del desarrollo de microorganismos patógenos y de la producción de toxinas.
• Aumenta considerablemente el tiempo de conservación del alimento.
Bibliografía.
Norman W. Desroiser, Conservación de alimentos, Campaña continental, New York city, Enero 1963, 468págs.
http://es.wikipedia.org/wiki/Fermentaci%C3%B3n
http://fai.unne.edu.ar/biologia/microind/aspectos%20generales.htm, Rodolfo Ertola, Osvaldo Yantorno y Carlos Mignone, Programa Regional de Desarrollo Científico y Tecnológico de la OEA
http://es.wikipedia.org/wiki/Cerveza
http://www.clubplaneta.com.mx/bar/ingredientes_de_la_cerveza.htm
http://www.clubplaneta.com.mx/bar/proceso_de_elaboracion_de_la_cerveza.htm
http://es.wikipedia.org/wiki/Vino
http://www.zonadiet.com/bebidas/yogurt.htm
http://www.proluxsa.com/spanish/elvinagre.html#COMO%20SE%20PRODUCE%20VINAGRE