En bioquímica, la teoría de la fermentación se refiere al estudio histórico de modelos de procesos naturales de fermentación, especialmente la fermentación alcohólica y del ácido láctico . 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 basado en sus experimentos. El trabajo de Pasteur sobre la fermentación lo llevó más tarde al desarrollo de la teoría de los gérmenes de la enfermedad , que puso fin al concepto de generación espontánea. [1]Aunque el proceso de fermentación se había utilizado ampliamente a lo largo de la historia antes del origen de las teorías predominantes de Pasteur, los procesos biológicos y químicos subyacentes no se entendían completamente. En la actualidad, la fermentación se utiliza en la producción de diversas bebidas alcohólicas, alimentos y medicamentos. [2] [3]
Descripción general de la fermentación
La fermentación es el proceso metabólico anaeróbico que convierte el azúcar en ácidos, gases o alcoholes en ambientes sin oxígeno. La levadura y muchos otros microbios suelen utilizar la fermentación para realizar la respiración anaeróbica necesaria para la supervivencia. Incluso el cuerpo humano realiza procesos de fermentación de vez en cuando, como durante las carreras de larga distancia; El ácido láctico se acumulará en los músculos durante el transcurso de un esfuerzo prolongado. Dentro del cuerpo humano, el ácido láctico es el subproducto de la fermentación que produce ATP , que produce energía para que el cuerpo pueda continuar haciendo ejercicio en situaciones en las que la ingesta de oxígeno no se puede procesar lo suficientemente rápido. Aunque la fermentación produce menos ATP que la respiración aeróbica, puede ocurrir a un ritmo mucho mayor. La fermentación ha sido utilizada por humanos de manera consciente desde alrededor del 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 en competencia. 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 parte 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, interactuaban 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. [4] [5] Liebig mantuvo este punto de vista hasta su muerte en 1873. [4] Una teoría diferente fue apoyada por Charles Cagniard de la Tour y el teórico celular Theodor Schwann , quien afirmó que la fermentación alcohólica dependía de los procesos biológicos llevados a cabo por los levadura. [6] [5]
El interés de Louis Pasteur en la fermentación comenzó cuando notó algunas propiedades notables del alcohol amílico, un subproducto de la fermentación del ácido láctico y del alcohol, durante sus estudios bioquímicos. En particular, Pasteur señaló su capacidad para "rotar el plano de la luz polarizada " y su "disposición asimétrica de los átomos". [4] Estos comportamientos eran característicos de los compuestos orgánicos que Pasteur había examinado previamente, pero también presentaban 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 la forma externa, y el alcohol amílico ópticamente activo no cumplía sus expectativas de acuerdo con la "ley" propuesta . [6] Pasteur buscó una razón de por qué ocurrió esta excepción, y por qué tal compuesto químico se generó durante el proceso de fermentación en primer lugar. [6] En una serie de conferencias más tarde en 1860, Pasteur intentó vincular actividad óptica y asimetría molecular a los orígenes orgánicos de las sustancias, afirmando que ningún proceso químico fue capaz de convertir sustancias simétricas (inorgánicas) en asimétricas (orgánicas). [6] Por lo tanto, t 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 al microscopio, como profesor de ciencias en la Universidad de Lille . [4] [6] Según una leyenda que se origina en la biografía de 1900 de Pasteur, uno de sus estudiantes de química, propietario de una fábrica de alcohol de remolacha en Lille, le pidió ayuda después de un año infructuoso de elaboración de cerveza. [6] Pasteur realizó experimentos en la fábrica para observar el proceso de fermentación, notando 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. [6]
En una observación diferente, Pasteur inspeccionó las 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 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 debió en parte al hecho de que se tenía que añadir levadura al mosto de cerveza para provocar la fermentación alcohólica deseada, mientras que los catalizadores de 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 había estado presente en la vid misma. [8] Estas observaciones proporcionaron a Pasteur una hipótesis de trabajo para experimentos futuros. [6] [7]
Uno de los procesos químicos que estudió Pasteur fue la fermentación del azúcar en ácido láctico, como ocurre en el amargor de la leche. En un experimento de 1857, Pasteur pudo aislar los microorganismos presentes en el fermento del ácido láctico después de que tuvo lugar el proceso químico. [9] 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 administrándole la muestra cultivada. [7] Este fue un paso importante para probar su hipótesis de que la fermentación del ácido láctico fue catalizada por microorganismos. [7] [9]
Pasteur también experimentó con los mecanismos de la levadura de cerveza en ausencia de nitrógeno orgánico. [6] 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 grasas asuntos. [6] Sin embargo, si se eliminara alguno de los ingredientes de la solución, no se produciría la fermentación. Para Pasteur, esto era una prueba de que la levadura necesitaba nitrógeno, minerales y 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 fue la fuerza impulsora de la fermentación observada. [5] [6]
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 de diversas formas. Aristóteles, un filósofo griego antiguo, teorizó que las criaturas aparecían a partir de ciertos brebajes de elementos terrenales, como arcilla o barro mezclados con agua y luz solar. [10] Más tarde, Felix Pouchet defendió la existencia de "fuerzas plásticas" dentro de los desechos de plantas y animales capaces de generar huevos espontáneamente, y de estos huevos nacieron nuevos organismos. [5] [6] Además de esto, una evidencia común que parecía corroborar la teoría era la aparición de gusanos en la carne cruda después de que se dejaba 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. [6] En su primer experimento, tomó agua de levadura azucarada hervida y la selló en un artilugio hermético. La introducción 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. [5] [6] Este resultado también se vio reforzado por el hecho de que Pasteur usó asbesto, una forma de materia totalmente inorgánica, para transportar el polvo atmosférico. En un segundo experimento, Pasteur usó los mismos matraces y la mezcla de azúcar y levadura, pero la dejó inactiva 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 exhibieron mohos y crecimientos microbianos 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 los caldos de nutrientes es causado por la biogénesis más que por alguna forma de generación espontánea.
Aplicaciones
Hoy en día, el proceso de fermentación se utiliza para una multitud de aplicaciones cotidianas que incluyen medicamentos, bebidas y alimentos. Actualmente, compañías como Genencor International utilizan la producción de enzimas involucradas en la fermentación para generar ingresos de más de $ 400 millones al año. [3] Muchos medicamentos, como los antibióticos, se producen mediante el proceso de fermentación. Un ejemplo es el importante fármaco cortisona , que puede prepararse mediante la fermentación de un esteroide vegetal conocido como diosgenina .
Las enzimas utilizadas en la reacción son proporcionadas por el moho Rhizopus nigricans . [11] Tal como se conoce comúnmente, el alcohol de todos los tipos y marcas también se produce mediante fermentación y 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 característicos cultivos bacterianos Lactobacillus bulgaricus y Streptococcus thermopiles . [12]
Ver también
- Enfermedades zimóticas (del término griego zumoun para "fermentar")
- Respiración celular
- Fermentación en el procesamiento de alimentos
- Luis Pasteur
- Destilación
- Generación espontánea
Referencias
- ^ Pasteur, Louis. "Teoría fisiológica de la fermentación" . Universidad de Fordham . Consultado el 13 de marzo de 2014 .
- ^ Fiachson, Refr. "Fermentación en teoría y práctica" . Chico de comida vikinga . Consultado el 13 de marzo de 2014 .
- ^ a b Slonczewski, Joan (2009). Microbiología: una ciencia en evolución 2ª edición . Nueva York: WW Norton.
- ^ a b c d e f Conant, James Bryant; Nash, Leonard K.; Roller, Duane; Roller, Duane HD: Historias de casos de Harvard en ciencia experimental. Volumen II . Cambridge, Mass. ISBN 978-0-674-59871-3. OCLC 979880864 .
- ^ a b c d e f g Ben-Menahem, Ari. (2009). Enciclopedia histórica de las ciencias naturales y matemáticas . Berlín: Springer. ISBN 978-3-540-68832-7. OCLC 318545341 .
- ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r Geison, Gerald L., 1943- (14 de julio de 2014). La ciencia privada de Louis Pasteur . Princeton, Nueva Jersey. ISBN 978-1-4008-6408-9. OCLC 889252696 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
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- ^ a b "Louis Pasteur | Programa Lemelson-MIT" . lemelson.mit.edu . Consultado el 16 de febrero de 2020 .
- ^ Lehoux, Daryn, 1968- (19 de noviembre de 2017). Criaturas nacidas del barro y el limo: la maravilla y la complejidad de la generación espontánea . Baltimore. ISBN 978-1-4214-2382-1. OCLC 1011094577 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ "Usos de fermentación" .
- ^ "Hechos de la leche" . Producción de yogur . Consultado el 30 de marzo de 2014 .