Proceso de fermentación en microorganismos
A fermentación é un dos procesos biolóxicos máis importantes que levan a cabo os microorganismos para obter enerxía. Este proceso foi utilizado polos humanos durante miles de anos, moito antes de que o concepto de microbioloxía fose recoñecido cientificamente. Varios produtos alimenticios e bebidas como o tempeh, o iogur, o pan, a mandioca fermentada, a salsa de soia, o kimchi e mesmo as bebidas alcohólicas son o resultado da fermentación. Detrás destes diversos produtos atópase o mecanismo metabólico dos microorganismos que converten os materiais orgánicos, especialmente os carbohidratos, en compostos máis sinxelos, coa liberación de enerxía. Este artigo analiza a definición de fermentación, as etapas do proceso, os tipos de fermentación, os microorganismos implicados e os factores que inflúen no éxito da fermentación.
Entendendo a fermentación
En xeral, a fermentación é o proceso de descomposición de compostos orgánicos (por exemplo, a glicosa) en compostos máis simples coa axuda de microorganismos ou dos encimas que estes producen. No contexto da microbioloxía, a fermentación adoita ocorrer en ausencia de osíxeno (anaerobio) ou en condicións de osíxeno moi limitado. O propósito principal da fermentación para os microorganismos é producir enerxía en forma de ATP (trifosfato de adenosina) para que poidan sobrevivir, crecer e reproducirse.
A diferenza da respiración aeróbica, que produce máis enerxía, a fermentación produce menos. Non obstante, a fermentación é unha estratexia de adaptación importante para os microorganismos en ambientes pobres en osíxeno, como a masa de pan, o leite almacenado ou os tecidos vexetais pechados.
Fundamentos do metabolismo da fermentación
Para comprender a fermentación nos microorganismos, é importante entender como as células producen enerxía. En resumo, a fermentación comeza coa glicólise, a descomposición da glicosa en dúas moléculas de piruvato. A glicólise produce unha pequena cantidade de ATP e o transportador de electróns NADH. En condicións aeróbicas, o NADH reoxidárase a través da cadea de transporte de electróns, co osíxeno como aceptor final de electróns. Non obstante, na fermentación, o osíxeno non está dispoñible, polo que as células deben atopar outra forma de "reciclar" o NADH en NAD⁺ para continuar a glicólise.
Aquí é onde entra en xogo a fermentación: o piruvato ou os seus derivados aceptarán electróns do NADH, rexenerando así NAD⁺. Co NAD⁺ dispoñible, a glicólise pode continuar e prodúcese ATP, aínda que en cantidades limitadas.
Etapas xerais do proceso de fermentación
Aínda que os tipos de fermentación varían, en xeral a fermentación en microorganismos inclúe as seguintes etapas:
1. Preparación do substrato
O substrato de fermentación principal adoita ser os carbohidratos (glicosa, sacarosa, maltosa, lactosa), pero tamén pode proceder do amidón ou da celulosa, que primeiro se descompoñen mediante encimas. Na produción de tempeh, por exemplo, a proteína da soia e os carbohidratos descomponse mediante encimas de mofo. Na produción de cinta, o amidón da mandioca ou do arroz glutinoso convértese en azucres simples mediante encimas de lévedo.
2. Glicólise
A glicosa descomponse en piruvato no citoplasma da célula. Esta etapa produce un rendemento enerxético neto de 2 ATP por molécula de glicosa e NADH.
3. Redución do piruvato (ou dos seus derivados)
O piruvato convértese entón en produtos finais da fermentación, como o ácido láctico ou o etanol. Nesta fase, o NADH libera os seus electróns e volve converterse en NAD⁺.
4. Formación de produtos e cambios ambientais
Os produtos de fermentación xeralmente cambian o sabor, o aroma, a textura e a vida útil dos alimentos. O ácido resultante reduce o pH, inhibindo o crecemento de microorganismos que os alteran, mentres que o alcol e o dióxido de carbono contribúen ás características distintivas dos pans e bebidas fermentados.
Tipos de fermentación e exemplos
1. Fermentación do ácido láctico
A fermentación do ácido láctico ocorre cando o piruvato se reduce a ácido láctico. Este proceso é común en bacterias do ácido láctico como Lactobacillus, Streptococcus e Leuconostoc. O resultado é un forte aumento da acidez.
Exemplo de aplicación:
– Iogur (xeralmente contén Lactobacillus bulgaricus e Streptococcus thermophilus)
– Kimchi e chucrut (verduras fermentadas por bacterias do ácido láctico)
– Encurtido e fermentación de certos peixes
– No corpo humano, a fermentación do ácido láctico tamén se produce nos músculos cando hai falta de osíxeno.
A fermentación láctica pódese dividir en:
– Homofermentativa, produce predominantemente ácido láctico.
– Heterofermentativo, producindo ácido láctico, así como CO₂ e outros compostos como etanol ou ácido acético.
2. Fermentación alcohólica
A fermentación alcohólica lévaa a cabo xeralmente lévedos como a Saccharomyces cerevisiae. Neste proceso, o piruvato convértese en acetaldehído mentres se libera CO₂, e despois o acetaldehído redúcese a etanol.
Exemplo de aplicación:
– Pan: o CO₂ fai que a masa levede, mentres que o etanol evapórase principalmente durante a cocción.
– Cervexa, viño e bebidas espirituosas tradicionais: o etanol é o principal produto desexado.
– Cinta: produce etanol e varios aromas distintivos a partir dunha combinación de lévedos e microorganismos bacterianos.
3. Fermentación do ácido acético
Esta fermentación está relacionada coa formación de ácido acético (vinagre). Tecnicamente, as bacterias do ácido acético como Acetobacter aceti converten o etanol en ácido acético, un proceso que require osíxeno (aeróbico). Polo tanto, adoita clasificarse como "fermentación" na industria alimentaria, aínda que difire da fermentación anaeróbica pura.
Exemplo de aplicación:
– Vinagre de mazá, vinagre de arroz e varios tipos de vinagre.
4. Fermentación de butirato e outras
Algunhas bacterias, como as Clostridium, poden producir ácido butírico, ácido acético, butanol, acetona e gas. Estes procesos son importantes na ecoloxía microbiana e tamén poden contribuír á deterioración de certos alimentos cando non son desexables.
Microorganismos que desempeñan un papel na fermentación
Na fermentación participan varios grupos de microorganismos, entre os que se inclúen:
– Bacterias do ácido láctico: Lactobacillus, Lactococcus, Streptococcus, Pediococcus.
– Lévedos: Saccharomyces, Candida (nalgunhas fermentacións tradicionais).
– Mofo: Rhizopus oligosporus no tempeh, Aspergillus oryzae na salsa de soia e miso. O mofo adoita desempeñar un papel na descomposición de moléculas complexas mediante encimas, o que facilita unha maior fermentación por parte de bacterias ou lévedos.
En moitos produtos tradicionais, a fermentación non a leva a cabo un só microorganismo, senón unha comunidade de microbios. As súas interaccións producen sabores e calidades distintivos. Por exemplo, na mandioca fermentada (cinta), o mofo e o lévedo descompoñen o amidón e producen alcol, mentres que certas bacterias poden producir ácidos que equilibran o sabor.
Factores que afectan o éxito da fermentación
O éxito da fermentación depende en gran medida das condicións ambientais e do control do proceso. Entre os factores clave inclúense:
1. Temperatura
Cada microorganismo ten unha temperatura óptima. O iogur, por exemplo, xeralmente fermenta a temperaturas cálidas, mentres que a fermentación vexetal pode ocorrer a temperaturas ambiente máis baixas. Unha temperatura demasiado alta pode matar os microbios, mentres que unha temperatura demasiado baixa ralentiza o proceso.
2. pH (acidez)
pH afectan a actividade encimática e o crecemento Microorganismos. As bacterias do ácido láctico tenden a baixar o pH, o que axuda a conservar o produto.
3. Dispoñibilidade de osíxeno
A fermentación do alcohol e do ácido láctico xeralmente require condicións anaeróbicas ou de baixo contido de osíxeno. Pola contra, a formación de ácido acético require osíxeno.
4. Concentración de sal e azucre
O sal pode inhibir os microbios que alteran os alimentos e seleccionar certos microbios (por exemplo, na fermentación vexetal). O azucre é un substrato clave en moitas fermentacións, pero unha concentración demasiado alta pode extraer auga das células microbianas, o que inhibirá o crecemento.
5. Limpeza e contaminación
A contaminación por microbios non desexados pode prexudicar o sabor, reducir a calidade ou mesmo producir toxinas. Polo tanto, unha hixiene axeitada e o uso de cultivos iniciadores son cruciais na industria.
6. Tempo de fermentación
Unha fermentación demasiado curta pode dar lugar a un produto "inacabado", mentres que unha fermentación demasiado longa pode dar lugar a un sabor demasiado acedo, demasiado alcohólico ou unha textura danada.
Beneficios da fermentación para os humanos
Ademais de producir produtos con sabor e aroma distintivos, a fermentación tamén ofrece unha serie de beneficios:
– Aumentar a vida útil ao baixar o pH, formar alcol ou compostos antimicrobianos.
– Aumentar o valor nutricional, por exemplo, aumentando a dispoñibilidade de certas vitaminas e descompoñendo os antinutrientes.
– Mellora a dixestión, especialmente en produtos que conteñen probióticos como o iogur.
– Crea novas texturas e sabores que non se poden conseguir só coa cociña habitual.
Peche
O proceso de fermentación nos microorganismos é unha estratexia metabólica que permite ás células obter enerxía en condicións de osíxeno limitado, á vez que producen produtos químicos que alteran as características dos alimentos. Mediante a glicólise e as reaccións posteriores para reciclar o NAD⁺, os microorganismos son capaces de sobrevivir e prosperar. Para os humanos, a fermentación é unha tecnoloxía biolóxica valiosa, tanto para a produción de alimentos como para a súa conservación e desenvolvemento de alimentos funcionais. Comprender os tipos de fermentación, os microorganismos implicados e os factores que inflúen no proceso axudará a producir produtos fermentados seguros, de alta calidade e consistentes.
