Microorganismos: aplicaciones biotecnológicas

APLICACIONES
BIOTECNOLÓGICAS
DE
LOS
MICROORGANISMOS
2º BACH 23−5−02
La fermentación en general consiste en: cambios químicos en las sustancias orgánicas producidos por la
acción de las enzimas. Esta definición general incluye prácticamente todas las reacciones químicas de
importancia fisiológica. Actualmente, los científicos suelen reservar dicha denominación para la acción de
ciertas enzimas específicas, llamadas fermentos, producidas por organismos diminutos tales como el moho,
las bacterias y la levadura. Por ejemplo, la lactasa, un fermento producido por una bacteria que se encuentra
generalmente en la leche, hace que ésta se agríe, transformando la lactosa (azúcar de la leche) en ácido láctico.
El tipo de fermentación más importante es la fermentación alcohólica, en donde la acción de la cimasa
segregada por la levadura convierte los azúcares simples, como la glucosa y la fructosa, en alcohol etílico y
dióxido de carbono. Hay otros muchos tipos de fermentación que se producen de forma natural, como la
formación de ácido butanoico cuando la mantequilla se vuelve rancia, y de ácido etanoico (acético) cuando el
vino se convierte en vinagre.
Generalmente, la fermentación produce la descomposición de sustancias orgánicas complejas en otras
simples, gracias a una acción catalizada. Por ejemplo, debido a la acción de la diastasa, la cimasa y la
invertasa, el almidón se descompone (hidroliza) en azúcares complejos, luego en azúcares simples y
finalmente en alcohol.
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La glicerina, la propanona, el butanol y el ácido butírico se producen actualmente a escala comercial por
procesos especiales de fermentación. Varios productos de fermentación de la leche como la lactobacilina, el
kéfir y el yogur se consumen abundantemente debido a sus propiedades nutritivas.
La acción de ciertas bacterias sobre los carbohidratos no digeridos produce la fermentación en el intestino
humano. Como resultado, pueden producirse ciertos gases como el sulfhídrico y el dióxido de carbono en
cantidades suficientes como para causar distensión y dolor. También pueden producirse ciertos ácidos como el
láctico y el etanoico en los intestinos de los bebés, provocando diarreas.
• FERMENTACIÓN LÁCTICA
La fermentación nos aparece en diversos procesos de la naturaleza como por ejemplo en la fabricación del
queso:
El primer paso en el proceso de fabricación del queso consiste en dejar la leche en un sitio cálido, con lo que
el azúcar de la leche, la lactosa, se agria, lo que hace que uno de los constituyentes sólidos de la leche, una
proteína llamada caseína, se separe del suero por la acción de las bacterias del ácido láctico o lácticas. La
precipitación da como resultado un producto espeso, la cuajada o requesón, que se recoge en un trapo fino o
gasa para que escurra bien el suero y después suavemente removido se prepara para su consumo. Se trata del
método más sencillo, y sin duda el más primitivo, de fabricación del queso, que todavía se emplea para
elaborar queso fresco. Cuando la leche ha sido pasteurizada, y las bacterias, incluidas las necesarias para que
se inicie el proceso de acidificación, han sido eliminadas por medio del calor, debe añadirse un `cebador' o
acidificador (similar al `cultivo' o bacterias que se añaden al yogur).
Para fabricar quesos más compactos y duraderos y acelerar el proceso de separación, se utiliza una enzima
llamada cuajo, que se encuentra en el estómago de los mamíferos lactantes y permite a éstos digerir la leche
de la madre. El cuajo se extrae del revestimiento del estómago de terneras lactantes y se seca hasta obtener un
polvo que será disuelto en agua cuando sea necesario. Se añade a la leche después del cebador o acidificador
para acelerar el proceso de coagulación, es decir, la separación del suero y la cuajada. La industria quesera
actual, consciente de las necesidades de un número cada vez mayor de vegetarianos, ha creado una alternativa
sintética al cuajo de origen animal. Dado que es casi idéntica, la diferencia en el sabor o textura de los quesos
resultantes es apenas apreciable, por lo que son cada vez más los fabricantes que la utilizan.
También lo asociamos a la fabricación del vino:
Bebida alcohólica elaborada por fermentación del jugo, fresco o concentrado, de frutas o bayas. La mayor
parte del vino, sin embargo, se obtiene por fermentación del jugo de uvas frescas y el término, a falta de más
aclaraciones, se entiende que responde a esta segunda definición. La graduación de los vinos varía entre un 7
y un 16% de alcohol por volumen; la mayoría de los vinos embotellados tienen entre 10 y 14 grados. Los
vinos dulces (véase Producción más abajo) tienen entre un 15 y 22% de alcohol por volumen.
En la producción el principio que guía la elaboración del vino es sencillo. Las uvas recién recogidas son
prensadas para que liberen su zumo (llamado mosto), que es rico en azúcares fermentables. Las levaduras
transportadas por el aire, o la adición de levaduras seleccionadas al mosto, provocan la fermentación de éste.
Los principales productos de la fermentación son alcohol etílico y dióxido de carbono. Este último es liberado
en forma de gas. La fermentación se interrumpe normalmente cuando todos los azúcares fermentables han
sido transformados en alcohol y dióxido de carbono, o cuando la concentración del primero supera la
tolerancia de las levaduras. El mosto es ahora vino.
Hay muchas variantes de este proceso. Las principales entran en juego para producir vinos blanco, tinto y
rosado, vinos espumosos y vinos dulces. Otras variantes se usan para mejorar la calidad de los vinos
anteriormente mencionados.
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El jugo de la mayoría de las uvas, incluido el de la mayoría de las uvas rojas, es incoloro. Las uvas blancas se
prensan inmediatamente después de su recogida o vendimia y el jugo se separa de la piel antes de la
fermentación para obtener vino blanco. (Tratadas de igual modo, la mayoría de las uvas rojas también
producen vino blanco; esta técnica para producir vino blanco a partir de uvas rojas es muy empleada, por
ejemplo, en la región de Champaña, Francia. Por el contrario, no es posible hacer vino tinto con uvas blancas).
frecuencia se obtiene mezclando vinos tinto y blanco.
El vino espumoso (el que contiene dióxido de carbono disuelto, que se libera en forma de burbujas cuando se
abre la botella) se elabora siguiendo una serie de métodos diferentes. El más barato y simple es la
carbonatación, una técnica muy utilizada en la fabricación de bebidas refrescantes: se bombea dióxido de
carbono en el vino, que se embotella a presión.
Todos los demás métodos empleados para producir vino espumoso implican una fermentación secundaria. Se
añade azúcar y levadura (llamado licor de expedición) a un vino base para producir una nueva fermentación
en algún tipo de recipiente hermético.
Aquí encontramos una pequeña introducción de lo que es ensi el causante de todo este proceso:
Láctico, Ácido o 2−hidroxipropanoico, Ácido, compuesto incoloro de fórmula CH3CHOHCOOH. Se da bajo
dos formas ópticamente activas, dextrógira y levógira, frecuentemente denominadas ácido D−láctico y ácido
L−láctico. En su estado natural es una mezcla ópticamente inactiva compuesta por partes iguales de ambas
formas D− y L−, conocida como mezcla 'racémica'.
Normalmente se prepara por fermentación bacteriana de lactosa, almidón, azúcar de caña o suero de la leche.
Pequeñas cantidades de ácido L−láctico están presentes en la sangre y en otros fluidos y órganos del cuerpo;
este ácido se forma en los tejidos, sobre todo los musculares, que obtienen energía metabolizando azúcar en
ausencia de oxígeno. La acumulación de grandes cantidades de este ácido en los músculos produce fatiga y
puede causar calambres. El ácido láctico que se forma en la leche por la fermentación de la lactosa es el que
hace que aquélla se agrie. El ácido láctico se utiliza para elaborar queso, chucrut, col fermentada, bebidas
suaves y otros productos alimenticios.
ALIMENTOS QUE SE PRODUZCAN POR ESTE PROCESO:
Nata, procede de la leche, a partir del cual se obtiene la mantequilla. La leche normal tiene un 4% de nata.
Ésta tiene los mismos ingredientes que la leche, pero es rica en grasas. La nata 'auténtica' más ligera, similar a
la que 'flota en la superficie de la leche', tiene un 12% de contenido graso, pero no se puede montar ni
congelar. La nata completa, con un 18% de grasas, no se puede montar ni congelar a menos que se incorpore
a alguna receta de un plato helado; hay una variedad con la misma cantidad de grasas que ha sido
homogeneizada hasta darle una consistencia espesa, como para 'comerla a cucharadas'. La nata o crema para
montar, que contiene una proporción del 34% de grasas, duplica su volumen al batirla. Con un 48% de
materia grasa, puede montarse y congelarse; también hay una variedad homogeneizada que no se puede
montar ni congelar. La nata con mayor proporción de grasas llega al 55%; dos tercios de este porcentaje son
grasas saturadas y el resto monoinsaturadas. La nata UHT (tratada a temperaturas ultraelevadas) se calienta a
temperaturas muy elevadas y más tarde se enfría con rapidez. Se conserva mucho tiempo incluso sin
refrigeración.
Dado que es más ligera que otros componentes de la leche, la nata asciende lentamente a la superficie y puede
retirarse con una espumadera. Sin embargo, lo habitual es que sea separada de la leche mediante una
centrifugadora.
La nata artificial es una emulsión de aceites vegetales, leche o leche en polvo, huevo y azúcar; o también una
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mezcla de agua, metilcelulosa, monoglicéridos y otros ingredientes sintéticos. También existe un sustituto de
la leche, que se emplea para añadirlo al café o al té, elaborado a partir de glucosa, grasas y sales
emulsionantes.
Mantequilla, grasa láctea solidificada que se usa como producto alimenticio y proviene, en su mayoría, de la
leche de vaca. Para la fabricación de la mantequilla se extrae, de forma manual o mecánica, la nata de la leche.
Tras su pasteurización, se bate la nata hasta que se coagula la mantequilla. Más tarde, la mantequilla en bruto
se trabaja (o amasa) y se lava con agua para eliminar al máximo el suero lácteo y otros componentes no
grasos. En ocasiones se le añaden colorante y vitamina A.
La mantequilla debe contener por término medio entre un 80 y un 85% de grasas (y no más de un 16% de
agua), de las que un 60% son saturadas, una pequeña proporción poliinsaturadas (3%) y el resto
monoinsaturadas. La llamada mantequilla láctica, preferida en algunos países, se elabora madurando o
agriando la nata con un cultivo bacteriano para aumentar su sabor.
La mantequilla clarificada se elabora calentando la mantequilla para separar la grasa del agua y no se enrancia
tan rápido como la mantequilla no tratada. En India es conocida como ghee o ghrt, y como samna en Egipto.
Las ventas de mantequilla han descendido por la creciente popularidad de la margarina y otros productos
bajos en grasas.
• FERMENTACIÓN ETÍLICA
Un tipo lo encontramos fijándonos en el ejemplo del Whisky, que es un licor destilado de la cerveza (o malta
similar obtenida de la fermentación de cereales), del mismo modo que el brandy se destila del vino. El whisky
suele comercializarse con un contenido en alcohol entre un 40 y un 50% en volumen, equivalente a una
prueba entre un 80 y un 100.
Las dos categorías básicas de whisky son el whisky mezclado o combinado y el de malta única o sin mezcla.
El whisky sin mezcla es el producido a partir de un único grano o de una combinación de granos, siempre que
uno de ellos represente al menos el 51% del total. Los whiskys combinados pueden tener como origen varias
destilerías distintas, diferentes tipos de grano y diferentes métodos de destilación. En general, el whisky de
malta única es de sabor intenso y lleno de carácter, mientras que el whisky combinado es suave y sedoso.
Dado que el almidón en bruto de los cereales no es fermentable, se hace necesario añadir malta para
transformarlo por medio de la acción de enzimas en azúcares fermentables. Los cereales que no contienen
malta, especialmente el maíz, tienen que ser cocidos para romper las paredes de celulosa que separan los
gránulos de almidón. Se añade agua caliente a la molienda preparada y cocida para obtener una solución
azucarada llamada wort.
Ésta se filtra y se vierte en recipientes de fermentación, y se le añade levadura. La levadura convierte los
azúcares presentes en esta sustancia en alcohol etílico y dióxido de carbono. (A los whiskeys producidos en
Estados Unidos y Canadá por el método de la malta agria, se les añaden los residuos de la destilación anterior
en las fases de cocción, adición de la levadura o fermentación). Una vez concluida la fermentación, la malta o
cerveza de baja graduación obtenida se destilan normalmente empleando uno de los dos métodos.
• LA MALTA
Malta, sustancia que se obtiene dejando que el grano, en especial la cebada, se ablande en agua y germine. La
enzima diastasa, que actúa durante el proceso de germinación, produce la hidrólisis del almidón generando un
azúcar, la maltosa. La malta, que se procesa por secado y tostado en hornos, se utiliza en la elaboración de
cerveza y la destilación de bebidas alcohólicas. Tiene un elevado contenido en proteínas e hidratos de
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carbono, y se usa para aumentar el valor nutritivo de otras bebidas.
Ahora explicaremos algunos de los fenómenos dichos anteriormente en el concepto de malta:
Hidrólisis, tipo de reacción química en la que una molécula de agua, con fórmula HOH, reacciona con una
molécula de una sustancia AB, en la que A y B representan átomos o grupos de átomos. En la reacción, la
molécula de agua se descompone en los fragmentos H+ y OH−, y la molécula AB se descompone en A+ y
B−. A continuación, estos fragmentos se unen proporcionando los productos finales AOH y HB. A este tipo
de reacción se le conoce a menudo como doble descomposición o intercambio. De interés especial es la
hidrólisis de diversas sales que origina disoluciones ácidas o básicas.
Almidón, nombre común de un hidrato de carbono complejo, (C6H10O5)x, inodoro e insípido, en forma de
grano o polvo, abundante en las semillas de los cereales y en los bulbos y tubérculos. Las moléculas de
almidón están compuestas de cientos o miles de átomos, que corresponden a los distintos valores de x, de la
fórmula anterior, y que van desde unos cincuenta a varios miles.
Las moléculas del almidón son de dos tipos. En el primero, la amilosa, que constituye el 20% del almidón
ordinario, los grupos C6H10O5 están dispuestos en forma de cadena continua y rizada, semejante a un rollo
de cuerda; en el segundo tipo, la amilopectina, se produce una importante ramificación lateral de la molécula.
El almidón es fabricado por las plantas verdes durante la fotosíntesis. Forma parte de las paredes celulares de
las plantas y de las fibras de las plantas rígidas. A su vez sirve de almacén de energía en las plantas, liberando
energía durante el proceso de oxidación en dióxido de carbono y agua. Los gránulos de almidón de las plantas
presentan un tamaño, forma y características específicos del tipo de planta en que se ha formado el almidón.
El almidón es difícilmente soluble en agua fría y en alcohol, pero en agua hirviendo provoca una suspensión
colodial que al enfriarse se vuelve gelatinosa. El agua caliente actúa lentamente sobre el almidón originando
moléculas más pequeñas llamadas dextrinas. Esta reacción es un ejemplo de hidrólisis catalizada por ácidos y
algunas enzimas. Las dextrinas, como el almidón, reaccionan con el agua formando moléculas aún más
simples, para finalmente obtener maltosa, C12H22O11, un disacárido, y glucosa, C6H 12O6, un
monosacárido (véase Azúcar).
La digestión del almidón por el cuerpo humano sigue el siguiente proceso: la hidrólisis comienza en la boca
por la acción de la ptialina presente en la saliva y se completa en el intestino delgado. El cuerpo no consume
toda la glucosa absorbida en la digestión del almidón, sino que transforma una gran parte de ella en glucógeno
que almacena en el hígado. (El glucógeno, denominado almidón animal, posee una estructura casi idéntica a la
de la amilopectina). A medida que el cuerpo precisa de glucosa, la hidrólisis del glucógeno la libera en el flujo
sanguíneo. Al igual que el almidón de las plantas, el glucógeno sirve de reserva de energía en los animales.
Véase Hidratos de carbono; Nutrición humana.
Maltosa, azúcar de fórmula C12H22O11, que se forma por la acción de la amilasa sobre el almidón. La
maltosa es soluble en agua, ligeramente soluble en alcohol y cristaliza en finas agujas. Gira el plano de
polarización de la luz a la derecha (dextrógira). Por hidrólisis forma un único producto: la glucosa. Al ser un
azúcar de fácil digestión, la maltosa se utiliza en alimentos infantiles y en bebidas como la leche malteada. Se
fermenta por medio de levaduras y es fundamental en la elaboración de la cerveza. Sobre la acción de la
maltosa en el cuerpo, véase Metabolismo de glúcidos.
Elaboración de cerveza, la cerveza, al igual que otras bebidas similares producidas con cereales, es sometida a
fermentación pero no a destilación. Las materias primas que intervienen en el proceso son agua, lúpulo y
cebada, suplida a veces por el maíz, el arroz o el azúcar.
Los productos secundarios del proceso de elaboración de la cerveza, los residuos del cereal, son ricos en
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elementos nutritivos y se venden como alimento. La levadura de cerveza, responsable del proceso de
fermentación, contiene gran cantidad de vitaminas, en especial de las pertenecientes al complejo B. El dióxido
de carbono, producido también durante la fermentación, puede recuperarse y utilizarse en la fabricación de
hielo seco, bebidas carbónicas y extintores.
• LÚPULO
Nombre común de las plantas de un género de enredaderas (véase Urticáceas). La planta tiene tallos ásperos y
hojas acorazonadas formadas por hasta siete lóbulos. Las flores son pequeñas, unisexuales; las masculinas y
femeninas se forman en plantas distintas. Las masculinas forman panículas laxas, mientras que las femeninas
se disponen en amentos que, al madurar, producen aquenios (frutos secos uniloculares) unidos a las bases de
brácteas imbricadas. Todo este amento de aquenios y brácteas, parecido a una piña, constituye el lúpulo
comercial y está cubierto de un fino polvo amarillo llamado lupulina o harina de lúpulo; esta sustancia
confiere al lúpulo el sabor amargo y el aroma y se usa como sedante. El lúpulo común es nativo de Eurasia, y
se ha naturalizado en el norte y el oeste de Estados Unidos, Australia y Brasil.
Las especies de lúpulo europea y americana se cultivan mucho por los amentos, utilizados en la elaboración
de cerveza. El lúpulo común se cultiva en zonas cálidas de toda Europa, América del Norte, Australia y Nueva
Zelanda. Alemania, Inglaterra y Estados Unidos son los principales países productores.
El lúpulo debe cultivarse en zonas con abundante precipitación durante la estación de crecimiento y mucho sol
durante la de fructificación. Se parte de esquejes que se plantan a una distancia aproximada de 2 m unos de
otros, a finales del invierno o principios de la primavera. Sólo producen fruto las plantas femeninas, pero en
todos los campos se dejan algunas masculinas, porque los amentos fecundados crecen más deprisa que los que
no han sido fecundados. Las plantas se guían a lo largo de hilos tendidos por encima de los surcos. Los
amentos adquieren el aroma al final del verano, y a continuación se cosechan.
Clasificación científica:
las especies de lúpulo constituyen el género Humulus, de la familia de las Moráceas (Moraceae). El lúpulo
común o europeo es Humulus lupulus, y el americano, Humulus lupulus variedad lupuloides.
Familia de fanerógamas angiospermas arquiclamídeas integrada por árboles o arbustos con hojas estipuladas,
enteras simples o algo lobuladas que nacen con disposición alterna. Las flores son pequeñas y poco vistosas.
Las femeninas aparecen en glomérulos y las masculinas en amentos. Los frutos suelen ser drupas, aunque es
frecuente la aparición de falsos frutos. Casi todas las especies presentan tubos laticíferos en la corteza y en las
hojas. Constituyen, tanto por el número de especies, cercano al millar, como por la importancia económica de
algunas de ellas, la familia más importante del orden de las urticales (que incluye asimismo las ulmáceas y las
urticáceas); a él pertenecen la higuera y la morera y las cerca de 700 especies del género Ficus, casi todas
intertropicales, a excepción de la higuera común, y entre ellas se encuentran el baniano y diversidad de otras
higueras. De la misma familia se suele considerar el lúpulo, que sin embargo algunos clasifican en familia a
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parte (cannabáceas).
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