teoría de la fermentación

En bioquímica, la teoría de la fermentación se refiere al estudio histórico de los modelos de procesos de fermentación natural, especialmente la fermentación alcohólica y láctica . Entre los principales contribuyentes a la teoría se encuentran Justus von Liebig y Louis Pasteur , quien desarrolló una base puramente microbiana para el proceso de fermentación a partir de sus experimentos. El trabajo de Pasteur sobre la fermentación condujo posteriormente al desarrollo de la teoría microbiana de las enfermedades , que refutó el concepto de generación espontánea. ^{[ 1 ]} Si bien el proceso de fermentación se había utilizado ampliamente a lo largo de la historia antes del surgimiento de las teorías predominantes de Pasteur, los procesos biológicos y químicos subyacentes no se comprendían completamente. En la actualidad, la fermentación se utiliza en la producción de diversas bebidas alcohólicas, alimentos y medicamentos. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

La fermentación es el proceso metabólico anaeróbico que convierte el azúcar en ácidos, gases o alcoholes en ambientes con bajo contenido de oxígeno. Las levaduras y muchos otros microorganismos suelen utilizar la fermentación para llevar a cabo la respiración anaeróbica necesaria para su supervivencia. Incluso el cuerpo humano realiza procesos de fermentación de vez en cuando, como durante las carreras de larga distancia ; el ácido láctico se acumula en los músculos durante el ejercicio prolongado. Dentro del cuerpo humano, el ácido láctico es el subproducto de la fermentación que produce ATP , lo que genera energía para que el cuerpo pueda continuar ejercitándose en situaciones donde la ingesta de oxígeno no se procesa con la suficiente rapidez. Aunque la fermentación produce menos ATP que la respiración aeróbica, puede ocurrir a una velocidad mucho mayor. Los humanos han utilizado la fermentación de forma consciente desde alrededor del año 5000 a. C., como lo demuestran las vasijas recuperadas en la zona de las montañas Zagros de Irán que contienen restos de microorganismos similares a los presentes en el proceso de elaboración del vino.

Antes de la investigación de Pasteur sobre la fermentación, existían algunas nociones preliminares contrapuestas al respecto. Un científico que tuvo una influencia sustancial en la teoría de la fermentación fue Justus von Liebig . Liebig creía que la fermentación era principalmente un proceso de descomposición como consecuencia de la exposición de la levadura al aire y al agua. ^{[ 4 ]} 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) provocaba que el azúcar se transformara en alcohol. ^{[ 4 ] [ 5 ]} Liebig mantuvo esta opinión hasta su muerte en 1873. ^{[ 4 ]} Una teoría diferente fue apoyada por Charles Cagniard de la Tour y el teórico celular Theodor Schwann , quienes afirmaron que la fermentación alcohólica dependía de los procesos biológicos llevados a cabo por la levadura de cerveza. ^{[ 6 ] [ 5 ]}

El interés de Louis Pasteur por la fermentación comenzó cuando , durante sus estudios bioquímicos, observó algunas propiedades notables del alcohol amílico , un subproducto de la fermentación láctica y alcohólica . En particular, Pasteur notó su capacidad para "rotar el plano de la luz polarizada " y su "disposición asimétrica de átomos". ^{[ 4 ]} Estos comportamientos eran característicos de los compuestos orgánicos que Pasteur había examinado previamente, pero también representaban un obstáculo para su propia investigación sobre una "ley de correlación hemiédrica". ^{[ 6 ] [ 7 ]} Pasteur había estado intentando derivar conexiones entre las estructuras químicas de las sustancias y su forma externa, y el alcohol amílico ópticamente activo no seguía sus expectativas según la "ley" propuesta. ^{[ 6 ]} Pasteur buscó una razón para esta excepción y para la generación de dicho compuesto químico durante el proceso de fermentación. ^{[ 6 ]} En una serie de conferencias impartidas a finales de 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). ^{[ 6 ]} 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 bajo el microscopio los microbios responsables de la fermentación alcohólica, siendo profesor de ciencias en la Universidad de Lille . ^{[ 4 ] [ 6 ]} 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— le pidió ayuda después de un año de producción infructuoso. ^{[ 6 ]} Pasteur realizó experimentos en la fábrica observando el proceso de fermentación, notando que los glóbulos de levadura se alargaban después de la formación de ácido láctico, pero eran redondos y llenos cuando el alcohol fermentaba correctamente. ^{[ 6 ]}

En otra observación, Pasteur examinó partículas provenientes de las vides bajo el microscopio y reveló la presencia de células vivas. Al dejar estas células sumergidas en jugo de uva, se produjo una fermentación alcohólica activa. Esta observación proporcionó evidencia para poner fin a la distinción entre la fermentación «artificial» en el vino y la fermentación «verdadera» en los productos de levadura. ^{[ 4 ]} La distinción incorrecta anterior se debía en parte a que era necesario agregar 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 se había considerado «artificial» ya que no requería un catalizador adicional, pero el catalizador natural estaba presente en la propia vid. ^{[ 8 ]} Estas observaciones proporcionaron a Pasteur una hipótesis de trabajo para futuros experimentos. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

Uno de los procesos químicos que Pasteur estudió fue la fermentación del azúcar en ácido láctico, como ocurre en la acidificación de la leche. En un experimento de 1857, Pasteur logró aislar los microorganismos presentes en la fermentación láctica después de que el proceso químico se hubiera producido. ^{[ 9 ]} Posteriormente, Pasteur cultivó los microorganismos en su laboratorio . Luego, pudo acelerar el proceso de fermentación láctica en leche fresca administrándole la muestra cultivada. ^{[ 7 ]} Este fue un paso importante para demostrar su hipótesis de que la fermentación láctica era catalizada por microorganismos. ^{[ 7 ] [ 9 ]}

Pasteur también experimentó con los mecanismos de la levadura cervecera en ausencia de nitrógeno orgánico. ^{[ 6 ]} Al añadir levadura cervecera 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 materia grasa. ^{[ 6 ]} Sin embargo, si se eliminaba alguno de los ingredientes de la solución, no se producía la fermentación. Para Pasteur, esto demostraba que la levadura requería el nitrógeno, los minerales y el carbono del medio para sus procesos metabólicos, liberando ácido carbónico y alcohol etílico como subproductos. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Esto también refutó la teoría de Liebig, ya que no había materia albuminosa presente en el medio; la descomposición de la levadura no era la fuerza impulsora de la fermentación observada. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

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 generaban espontáneamente . La generación espontánea se explicó históricamente de diversas maneras. Aristóteles, un antiguo filósofo griego, teorizó que las criaturas aparecían a partir de ciertas mezclas de elementos terrestres, como arcilla o lodo mezclados con agua y luz solar. ^{[ 10 ]} Más tarde, Felix Pouchet argumentó a favor de la existencia de «fuerzas plásticas» dentro de los restos de plantas y animales capaces de generar huevos espontáneamente, y nuevos organismos nacían de estos huevos. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Además de esto, una prueba común que parecía corroborar la teoría era 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 en la generación espontánea lo llevó a criticar las teorías de Pouchet y a realizar sus propios experimentos. ^{[ 6 ]} En su primer experimento, tomó agua de levadura azucarada hervida y la selló en un dispositivo hermético. Al introducir aire caliente y estéril en la mezcla, esta permaneció inalterada, mientras que la introducción de polvo atmosférico provocó la aparición de microbios y moho en su interior. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Este resultado se vio reforzado por el hecho de que Pasteur utilizó amianto, una forma de materia totalmente inorgánica, para transportar el polvo atmosférico. En un segundo experimento, Pasteur utilizó los mismos matraces y la misma mezcla de azúcar y levadura, pero la dejó reposar en matraces de cuello de cisne en lugar de introducir cualquier materia extraña. Algunos matraces se mantuvieron abiertos al aire común como grupo de control, y estos mostraron crecimiento de moho y microbios en uno o dos días. Cuando los matraces de 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. ^{[ 5 ] [ 6 ]} A partir de los dos experimentos, Pasteur concluyó que el polvo atmosférico transportaba los gérmenes responsables de la «generación espontánea» en sus caldos. ^{[ 6 ]} Por lo tanto, el trabajo de Pasteur proporcionó pruebas de que el crecimiento emergente de bacterias en caldos nutritivos es causado por biogénesis y no por alguna forma de generación espontánea.

Hoy en día, el proceso de fermentación se utiliza para multitud de aplicaciones cotidianas, incluyendo medicamentos, bebidas y alimentos. Actualmente, empresas como Genencor International utilizan la producción de enzimas implicadas en la fermentación para generar ingresos de más de 400 millones de dólares al año. ^{[ 3 ]} Muchos medicamentos, como los antibióticos, se producen mediante el proceso de fermentación. Un ejemplo es el importante fármaco cortisona , que se puede preparar mediante la fermentación de un esteroide vegetal conocido como diosgenina .

Las enzimas utilizadas en la reacción son proporcionadas por el moho Rhizopus nigricans . ^{[ 11 ]} Como es bien sabido, el alcohol de todo tipo y marca también se produce mediante fermentación y destilación . El aguardiente casero es un ejemplo clásico de cómo se lleva a cabo este proceso. Finalmente, 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 thermophilus . ^{[ 12 ]}

• Respiración celular
• Destilación
• Fermentación en el procesamiento de alimentos
• Luis Pasteur
• Generación espontánea
• Enfermedades zimóticas (del término griego zumoun , que significa "fermentación")