lunes, 21 de agosto de 2017

7 FERMENTACIONES ALCOHOLICAS


¿Cómo se obtiene el alcohol fiestero y el alcohol adulterado? Por lo general cuando estudiamos las fermentaciones durante el tema de la respiración celular damos la falsa idea de que solo existen dos fermentaciones, y eso es más falso que una moneda de cuero, en realidad existen muchísimas más fermentaciones que dan lugar a una amplia variedad de sustancias orgánicas. En términos generales la palabra fermentación no implica algo especial, se trata de una ruta metabólica, muchas de ellas son anaeróbicas, pero existen algunas que son aeróbicas, aunque generan otros tipos de sustancias que no son alcoholes. En este capítulo describiremos algunas fermentaciones alcoholicas conocidas a un nivel más que todo cualitativo.

7.1 Todo comienza con el metabolismo de la glucosa

Cuando las bacterias contaminan una solución que contiene azúcares como fuente de energía generalmente deben consumir dichos azúcares por medio de la glucólisis, pero al hacerlo producen enormes cantidades de un intermediario metabólico conocido como piruvato. Dado que el piruvato es toxico si se acumula la célula debe “hacerse cargo” de él, modificándolo a una forma química menos toxica y expulsándolo de la célula como desecho “excreción”. Adicionalmente existe otro dilema celular que debe ser afrontado por la célula. Si recordamos la primera reacción de obtención de energía de la glucólisis, en esta se reduce una molécula de NAD para producir una de NADH, esta molécula de NADH posee energía y puede ser empleada para otros fines metabólicos. Pero si nos encontramos en un evento en el que se acumula ácido pirúvico, también se da un evento de acumulación de NADH con un consumo de NAD, el problema es que las cantidades de NAD en la célula son limitadas, por lo que si no se hace nada con él, sus cantidades se agotan y por lo tanto este paso de la glucólisis se interrumpe cortando el chorro de energía por fosforilación de sustrato “un trancón en la “ruta” metabólica” (Enlace →).

7.2 La fermentación alcoholica a etanol

La fermentación alcohólica consume NADH a NAD con la producción de CO2 y consta de dos reacciones. La primer reacción está mediada por la enzima Piruvato descarboxilasa, como su nombre indica se encarga de despojar de un carbono al piruvato convirtiéndolo en dióxido de carbono, este paso puede ser considerado como una oxidación puesto que la molécula orgánica pierde carbonos en el proceso. El segundo paso está mediado por la enzima Alcohol deshidrogenasa, la cual requiere de la coenzima NADH, en la reacción se adiciona el protón que pierde el NAD a la molécula orgánica transformándola en etanol que es un alcohol de dos carbonos.  Cabe anotar de la enzima alcohol deshidrogenasa posee múltiples versiones que pueden catalizar la síntesis del alcohol así como si conversión al aldehído del cual se formó. Por otra parte esta enzima requiere un cofactor metálico que puede ser hierro o zink. Este tipo de fermentación es el que se emplea tanto en la síntesis de bebidas alcohólicas, como en la fermentación del pan (Enlace →).

7.3 Fermentación experimentales

En la actualidad se investiga sobre fermentaciones con producción de alcoholes más largos para la creación de biocombustibles más estables. Algunos ejemplos son el 1-butanol y el 1-hexanol. La producción microbiana de acetona y butanol fue uno de los primeros procesos de fermentación industrial a gran escala de importancia mundial. Durante la primera parte del siglo XX, fue de hecho el segundo proceso de fermentación más grande, reemplazado en importancia sólo por la fermentación con etanol. Después de un rápido descenso después de los años cincuenta, la fermentación con acetona-butanol-etanol (ABE) ha ganado recientemente un renovado interés en el contexto de los enfoques de biorefinería para la producción de combustibles y productos químicos a partir de recursos renovables. La disponibilidad de nuevos métodos y conocimientos abre muchas puertas nuevas para la microbiología industrial, y una visión integral de este proceso vale la pena debido al nuevo interés. Este número temático de FEMS Microbiology Letters, dedicado al 100 aniversario de la primera explotación industrial del proceso de fermentación ABE de Chaim Weizmann, abarca los principales aspectos de los desarrollos antiguos y nuevos, exponiendo así un modelo de desarrollo en biotecnología. Todos los aspectos principales de la microbiología industrial son ejemplificados por este proceso único  (Sauer, 2016). Uno de estos nuevos procesos es la obtención de 1-hexanol por medio de manipulación genética de las reacciones metabólicas (Dekishima, Lan, Shen, Cho, & Liao, 2011). Otro alcohol producido por estas fermentaciones no estándar es el butanodiol  (Garg & Jain, 1995).

7.4 La fermentación alcohólica a metanol

El metanol se forma al fermentar las bebidas altas en pectinas - por ejemplo, uvas y bayas. Comenzando con un grano o un mosto a base de azúcar, en un fermentador limpio con un cultivo de levadura de una fuente bien ventilada resultará en poco / nada formado. Las pectinas son heteropolisacáridos estructurales contenidas en las paredes celulares primarias de las plantas terrestres. Fue aislado y descrito en 1825 por Henri Braconnot (Muzzarelli et al., 2012; Willats, Knox, & Mikkelsen, 2006). Se produce comercialmente como un polvo blanco a marrón claro, principalmente extraído de cítricos, y se utiliza en los alimentos como un agente gelificante, en particular en los mermeladas y jaleas. También se utiliza en rellenos de postre, medicamentos, dulces, como estabilizante en jugos de frutas y bebidas de leche, y como fuente de fibra dietética.

La fermentación de la pectina es mediada por la enzima pectinesterasa, siendo una reacción deshidratante que produce agua y metanol como productos de desecho  (Gainvors et al., 1994; Wood & Siddiqui, 1971). Es una enzima asociada a la pared celular ubicua que presenta varias isoformas que facilitan la modificación de la pared celular de la planta y su posterior descomposición. Se encuentra en todas las plantas superiores, así como en algunas bacterias y hongos. La pectinesterasa funciona principalmente alterando el pH localizado de la pared celular resultando en alteraciones en la integridad de la pared celular. La pectinesterasa cataliza la desesterificación de pectina en pectato y metanol. La pectina es uno de los componentes principales de la pared celular de la planta. En las plantas, la pectinesterasa juega un papel importante en el metabolismo de la pared celular durante la maduración del fruto. En patógenos bacterianos de plantas tales como Erwinia carotovora y en patógenos fúngicos tales como Aspergillus niger, la pectinesterasa está implicada en la maceración y la putrefacción blanda del tejido vegetal. Las pectinesterasas vegetales están reguladas por inhibidores de la pectinesterasa, que son ineficaces contra las enzimas microbianas.

7.5 Bebidas alcoholicas

El etanol es el agente activo de todas las bebidas alcohólicas de recreación producidas bajo estándares industriales apropiados, sin embargo cuando se emplean métodos artesanales puede generarse algún porcentaje de otros alcoholes. Eún asumiendo que la fermentación etílica es perfecta, nunca bebemos alcohol puro al 100%, eso sería peligroso “el ron al 80% podría tumbar a un hombre adulto con pocos sorbos”, por lo general se lo consume diluido en agua y otras moléculas orgánicas que dan sabor, textura y color. La razón para esto no es médica, sino de productividad. Originalmente el alcohol de bebida se producía como el subproducto de la fermentación alcohólica, es un desecho del metabolismo de las bacterias, y en consecuencia es tóxico para ellas. Normalmente las levaduras o bacterias alcohólicas se mueren cuando el porcentaje de alcohol alcanza entre un 15% a un 20%. Para obtener bebidas más potentes hay que destilar, es decir calentar la mezcla y recolectar el gas, el alcohol se evapora a poco menos de 65°C, junto con trazas de agua en el goteo; o empleando filtros que retienen el vapor de alcohol y eliminan el agua “generalmente barriles de madera”.  La destilación puede producir bebidas hasta un 80% como es el caso del ron, en este punto se emplea agua purificada para rebajarlo a un 40%, porcentaje aproximado de todas las bebidas destiladas como el whisky o el aguardiente. El método de destilación también afecta el cuerpo, sabor y olor de la bebida, por ejemplo en el caso de la destilación con barriles de madera, parte de los compuestos de la madera se desprenden a la bebida en destilación (Goodenough & McGuire, 2012).

El efecto del alcohol varía de persona a persona dependiendo del tipo de bebida alcohólica consumida, de la cantidad y el tiempo de bebida, de otras sustancias consumidas, en especial las de alto contenido en grasa y del metabolismo propio de los individuos. Un ejemplo es el Sake, los japoneses tienen un pobre metabolismo para el alcohol, por lo que muchos pueden morirse bebiéndolo aun cuando se trata de una bebida fermentada con un contenido de alcohol que generalmente se ajusta a un 15%, que es semejante a una cerveza.