Fermentación - Principio, Tipos, Aplicaciones, Limitaciones

La fermentación es una de las antiguas tecnologías de procesamiento de alimentos.
La fermentación se define como un proceso en el que se producen cambios químicos en un sustrato orgánico mediante la acción de enzimas producidas por microorganismos.
Por ejemplo, las enzimas de levadura convierten azúcares y almidones en alcohol, mientras que las proteínas se convierten en péptidos/aminoácidos.
En la fermentación se produce la falta de oxígeno lo que produce ATP (energía).
Transforma el NADH y el piruvato producidos en la etapa de glucólisis en NAD+ y diversas moléculas pequeñas según el tipo de fermentación.
La fermentación de microorganismos implica principalmente como LAB Enterococcus, Streptococcus, Leuconostoc, LactobacillusY pediococo y levaduras y mohos similares Debaryomyces, Kluyveromyces, Saccharomyces, Geotrichium, Mucor, PenicilliumY Rizopó especies.

Principio de fermentación

El principio fundamental de la fermentación es obtener energía de los carbohidratos en ausencia de oxígeno.
La glucosa primero se oxida parcialmente a piruvato por glucólisis.
Luego, el piruvato se convierte en alcohol o ácido junto con la regeneración de NAD +, que puede participar en la glucólisis para producir más ATP.
La fermentación proporciona solo alrededor del 5% de la energía obtenida de la respiración aeróbica.

Diagrama de flujo: Rutas generalizadas para la producción de algunos productos finales de fermentación a partir de glucosa por varios organismos.

La fermentación es un proceso bioquímico anaeróbico que se utiliza para la producción de energía a partir de la oxidación parcial de glucosa u otras fuentes de carbono.
La oxidación del sustrato, que ocurre a través de las vías Embden-Meyerhoff (EMP) o Entner-Doudoroff (ED), da como resultado la producción de piruvato, ATP y NAD (P) H.
En ausencia de aceptores de electrones externos, el piruvato sufre una reducción con la regeneración de NAD+ (P).
Este paso es esencial para el progreso del proceso de fermentación y conduce a la producción de productos (etanol y ácidos orgánicos).
El ATP es el principal producto de la fermentación y se genera por fosforilación a nivel de sustrato.
Luego, el NADH se reoxida, volviendo a NAD + en la segunda etapa de la fermentación, que reduce el piruvato en el producto de fermentación, como el etanol y el lactato.
Por ejemplo, en la fermentación de la glucosa de Estreptococo lácticoel piruvato se convierte en ácido láctico para reformar las coenzimas NAD + para producir dos moléculas de ATP
En levaduras como sacarómicas, cuando el piruvato se convierte en alcohol etílico (etanol), se reforma el NAD+.

Tipos de fermentación

1. Homofermentación del ácido láctico

Glucosa → Ácido láctico

La fermentación homoláctica la llevan a cabo bacterias pertenecientes al género Lactococcus, Enterococcus, Streptococcus, Y pediococoy algunas especies del género Lactobacillus.
El homofermentador LAB fermenta la glucosa en ácido láctico.
Lactococcus spp. se utiliza en el cultivo iniciador de lácteos.

2. Heterofermentación del ácido láctico

Glucosa → Ácido láctico + Ácido acético + Alcohol etílico + 2CO2 + H2o

La fermentación heteroláctica la llevan a cabo las bacterias del género Leuconostoc, EnococoY Weissellay para heterofermentativas lactobacilos.
El heterofermentador LAB fermenta la glucosa con ácido láctico, etanol/ácido acético y dióxido de carbono (CO2 ) como subproductos.

3. Fermentación del ácido propiónico

Glucosa → Ácido láctico + Ácido propiónico + Ácido acético + CO2 + H2o

La fermentación del ácido propiónico la llevan a cabo diversas bacterias pertenecientes al género Propionibacterium y la especie Clostridium propiónico.
Durante la fermentación del ácido propiónico, tanto el azúcar como el lactato se pueden utilizar como sustrato inicial.
Cuando hay azúcar disponible, estas bacterias utilizan la vía EMP para producir piruvato; el piruvato se carboxila a oxaloacetato y luego se reduce a propionato por medio de malato, fumarato y succinato.
Los otros productos finales de la fermentación propiónica son el ácido acético y el CO2.

4. Fermentación de diacetilo y 2,3-butilenglicol

diacetilo

↑

Ácido cítrico → Ácido pirúvico + Acetilmetilcarbono

↓

2,3-butilenglicol

La fermentación del butanodiol la llevan a cabo los miembros de los géneros Enterobacter, Erwinia, Hafnia, clebsiellaY Serratia.
Las reacciones que conducen a la producción de 2,3-butanodiol implican un paso de doble descarboxilación.

5. Fermentación alcohólica

Glucosa → Alcohol etílico

La fermentación alcohólica es el más conocido de los procesos de fermentación.
Se lleva a cabo por levaduras y algunos otros hongos y bacterias.
La primera fase del proceso de fermentación alcohólica involucra al piruvato, que es formado por las levaduras a través de la vía EMP, mientras que se obtiene a través de la vía ED en el caso de las Zymomonas (bacterias).
El equilibrio redox de la fermentación alcohólica se obtiene a partir de la regeneración de NAD⁺ durante la reducción de acetaldehído a etanol.

Figura: fermentación alcohólica.

6. Fermentación del ácido butírico

Glucosa → ácido acético + ácido butírico

La fermentación del ácido butírico es característica de varias bacterias anaerobias obligadas que pertenecen principalmente al género Clostridium.
El piruvato se oxida a su vez a acetil-CoA, con la producción de CO₂ y H₂.
Parte del acetil-CoA se convierte en ácido acético, produciendo ATP.
Algunas bacterias, como Clostridium acetobutiloproducen menos ácidos y más productos neutros, fermentando así la acetona butanol.

Aplicaciones de la fermentación

Figura: Aplicación de la fermentación.

Aplicación en medicina

Producción de antibióticos
producción de insulina
Producción de hormonas de crecimiento
Producción de vacunas
Producción de interferón

Aplicación en la industria alimentaria

Producción de alimentos fermentados como queso, vino, cerveza y pan para productos de alto valor
Conservantes biológicos para uso alimentario
Alimentos funcionales / Neutracéuticos
Producción de proteínas unicelulares

Otras aplicaciones

También se utiliza para la gestión de residuos como la producción de biocombustibles (biodiésel, bioetanol, butanol, biohidrógeno, etc.).
También se utiliza para producir biosurfactantes, producción de polímeros como la producción de celulosa bacteriana.
Desarrollo de procesos de biorremediación (involucrando microbios o sus enzimas aisladas) para el tratamiento de suelos y aguas residuales.

Límites de fermentación

Producción a pequeña escala que requiere altos costos y alta energía.
Posibilidad de contaminación.
Variaciones naturales a lo largo del tiempo.
el producto es impuro y necesita un tratamiento adicional
el producto final indeseable e inesperado
los microbios no deseados crecen y se multiplican y los microbios deseables mueren.

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