El Metabolismo Fermentativo en Harinas: Un Análisis Detallado

La fermentación es un proceso bioquímico fundamental que ha acompañado a la humanidad desde tiempos ancestrales, siendo crucial en la producción y conservación de alimentos. En el contexto de las harinas, el metabolismo fermentativo, especialmente en la elaboración de masa madre, involucra interacciones complejas entre las enzimas de la harina y los microorganismos, lo que afecta significativamente la calidad del pan.

¿Qué es la Fermentación?

La fermentación o metabolismo fermentativo es un proceso catabólico de oxidación incompleta que no requiere oxígeno y cuyo producto final es un compuesto orgánico. Fue descubierta por Louis Pasteur, quien la describió como «la vie sans l'air» (la vida sin el aire). Es propio del metabolismo de muchos microorganismos y, según los productos finales, existen diversos tipos de fermentación. En los seres vivos, la fermentación es un proceso anaeróbico y en él no intervienen las mitocondrias ni la cadena respiratoria. El proceso de fermentación es característico de algunos microorganismos: algunas bacterias y levaduras. También se produce en la mayoría de las células de los animales (incluido el ser humano), excepto en las neuronas, que mueren rápidamente si no pueden realizar la respiración celular.

La palabra «fermiento» deriva del verbo latino fervere, que significa hervir. Se cree que se utilizó por primera vez a finales del siglo XIV en alquimia, pero solo en un sentido amplio. A continuación se presentan algunas definiciones de fermentación:

• Transformación que sufren ciertas materias orgánicas bajo la acción de enzimas segregadas por microorganismos.
• Proceso metabólico que convierte glúcidos en ácidos, gases o alcoholes para extraer energía química mientras reoxida las coenzimas reducidas.
• Vía metabólica de oxidorreducción en la que el aceptor último de electrones a menudo se confunde con el producto final de las reacciones.

Desde el punto de vista energético, las fermentaciones son muy poco rentables si se comparan con la respiración aeróbica, ya que a partir de una molécula de glucosa solo se obtienen dos moléculas de trifosfato de adenosina (ATP), mientras que en la respiración aeróbica se producen de 36 a 38. La producción de ATP a menudo tiene lugar por fosforilación a nivel de sustrato, a diferencia de la fosforilación oxidativa, y es sensiblemente inferior a esta última. El ATP se utiliza en procesos celulares que requieren energía, como la biosíntesis, el transporte activo a través de membranas y la motilidad celular.

Historia y Descubrimiento

El uso consciente de la fermentación por los humanos se remonta al Paleolítico para la conservación de alimentos y al Neolítico para la producción de ciertas bebidas. Se ha documentado que data del 7000 al 6600 a. C. en Jiahu, China; 5000 a. C. en India; 6600 a. C. en Georgia; 3150 a. C. en el antiguo Egipto; 3000 a. C. en Babilonia; 2000 a. C. en el México prehispánico, y 1500 a. C. en Sudán. En 1837, Charles Cagniard de la Tour, Theodor Schwann y Friedrich Traugott Kützing publicaron de forma independiente artículos que concluían, como resultado de sus investigaciones microscópicas, que la levadura era un organismo vivo que se reproducía por gemación. El punto de inflexión se produjo cuando Louis Pasteur, durante las décadas de 1850 y 1860, repitió los experimentos de Schwann y mostró que la fermentación era iniciada por organismos vivos en una serie de investigaciones.

En 1857, Pasteur mostró que la fermentación del ácido láctico era causada por organismos vivos. En 1860, demostró cómo las bacterias provocan el amargamiento de la leche, un proceso que antes se pensaba que era simplemente un cambio químico. Se considera que los resultados de Buechner marcaron el nacimiento de la bioquímica, donde los «fermentos desorganizados» se comportaban igual que los organizados. A partir de ese momento, el término enzima pasó a aplicarse a todos los fermentos. Los avances en microbiología y tecnología de fermentación han continuado de manera constante hasta el presente.

Tipos de Fermentación y su Aplicación

Son varios los tipos de fermentación, atendiendo a cuál sea el aspecto considerado. Cada tipo de fermentación produce diferentes productos finales y tiene aplicaciones específicas:

Fermentación Alcohólica

La fermentación alcohólica o fermentación etílica es realizada por muchos organismos vivos (bacterias, levaduras) de forma permanente u ocasional en ambientes desprovistos de oxígeno. La propiedad de ciertas levaduras de transformar el azúcar en etanol es utilizada por el hombre en la elaboración de bebidas alcohólicas y para la fabricación del pan.

• Vinos y Sidras: En la obtención de vinos y sidras, el sustrato de la fermentación alcohólica son glucosa y fructosa.
• Cervezas: En el caso de la cerveza, las materias primas además del lúpulo y agua, son malta y otros cereales, por lo tanto, en este caso el sustrato lo constituyen la maltosa y la maltotriosa. La fermentación es una de las etapas en la elaboración de la cerveza. Este paso consiste en inocular el mosto con una determinada cantidad de levadura para que esas levaduras conviertan los azúcares presentes en alcohol y CO2.
• Productos de Panadería: En la elaboración del pan, las levaduras transforman el almidón (un azúcar complejo) en glucosa mediante la enzima amilasa. La mayor parte de los azúcares que desdobla la levadura los utiliza la propia levadura para vivir y desarrollarse, y otra parte quedan en la masa del pan, dándole parte de su sabor y el color dorado del horneado. En el proceso de fermentación se producen unos desechos: alcohol (etanol) que se evapora durante el horneado, dióxido de carbono o CO2 (gas que “infla” la masa) que también se elimina en el horneado, y calor. Este proceso en el que se genera CO2, alcohol y calor es lo que llamamos fermentación, la mágica transformación de una masa de agua y harina en el maravilloso alimento que, una vez horneado, es el pan.

Fermentación Láctica

La fermentación láctica es el proceso básico de fabricación de diversos productos de origen vegetal y animal. Es muy utilizada en quesería. Los yogures se obtienen a partir de leche hervida, luego enfriada e inoculada con una cepa definida de bacterias, por ejemplo L. Bulgaricus. La fabricación del chucrut se produce por fermentación láctica en presencia de 2 a 3 % de cloruro de sodio. Finalmente, durante los procesos anaeróbicos que presiden la contracción muscular, el glucógeno libera glucosa que luego se une a la glucólisis y forma dos equivalentes del piruvato. Estos luego se convierten en ácido láctico por una lactato deshidrogenasa, que posteriormente se oxida durante los procesos aeróbicos.

La fermentación láctica es una reacción química que puede tener lugar cuando se produce una privación de oxígeno en las células musculares: los músculos tienen necesidad de una gran cantidad de energía durante la actividad física, y consumen una gran cantidad de azúcar y sobre todo, de oxígeno. El aumento de la concentración de iones lactatos en las células musculares es una de las razones de la fatiga después de una actividad intensa. No obstante, investigaciones recientes sugieren que el aumento de iones K+ podría ser el culpable, mientras que el exceso de lactato (forma ionizada de ácido láctico) resulta en un aumento del rendimiento muscular.

Fermentación Acética

La fermentación acética se puede definir como la oxidación bioquímica del etanol contenido en un sustrato alcohólico, para formar ácido acético. Es realizada por bacterias. Algunas especies de bacterias acéticas forman colonias que intervienen en la vinagrería en la acescencia de soluciones acuosas que contienen alcohol etílico. Las especies de bacterias acéticas implicadas en el proceso de acescencia en el vinagre del vino son principalmente: Acetobacter aceti, Gluconobacter oxydans, Acetobacter orleanensis, Acetobacter œni y Gluconoacetobacter europaeus cuya tolerancia al etanol y al ácido acético es la más alta. Depositada sobre una superficie de 1 m², una colonia de esta última constituye una biopelícula de 0,5 g/m2 (en estado seco) en 24 horas a 20 °C. En 48 horas, una única bacteria produce su propio peso de ácido acético, siempre que tenga una gran cantidad de oxígeno o un aceptor de hidrógeno.

Fermentación Butírica

La fermentación butírica se produce por la acción de bacterias esporógenas anaerobias del género Clostridium y es causa de alteraciones en los alimentos.

Masa Madre: Un Ejemplo de Fermentación Compleja

La masa madre puede definirse como una mezcla de harina y agua, fermentada en forma natural o espontánea por bacterias y levaduras que están en el ambiente. La fermentación de la masa madre implica interacciones complejas entre las enzimas de la harina y el metabolismo de los microorganismos, que afectan significativamente la calidad del pan. Estas interacciones influyen en la descomposición de carbohidratos, proteínas, compuestos fenólicos y grasas.

Beneficios Clave de la Fermentación de la Masa Madre

El documento "Conversiones enzimáticas y bacterianas durante la fermentación de la masa madre" explora las interacciones entre las enzimas de los cereales y el metabolismo microbiano en la fermentación de la masa madre. Los procesos clave incluyen el metabolismo de los carbohidratos, la degradación de las proteínas, el metabolismo de los compuestos fenólicos y el metabolismo de los lípidos. Estos procesos mejoran la calidad del pan al mejorar su textura, sabor y valor nutricional. La fermentación de la masa madre sigue siendo relevante en la producción alimentaria contemporánea debido a sus propiedades sensoriales únicas y sus beneficios para la salud.

Descomposición de Carbohidratos

Durante la fermentación de la masa madre, las bacterias lácticas descomponen los azúcares de la harina. Las enzimas de los cereales liberan maltosa y glucosa, cruciales para el crecimiento microbiano. El trigo y el centeno contienen una cantidad significativa de almidón, que es degradado por las enzimas de los cereales para producir carbohidratos fermentables. Los lactobacilos heterofermentativos, como Fructilactobacillus sanfranciscensis, metabolizan preferentemente la maltosa. La sacarosa es un tipo de azúcar comúnmente conocido como azúcar de mesa. Es un disacárido compuesto de glucosa y fructosa. La fermentación implica utilizar microorganismos para transformar la materia orgánica, catalizadas por enzimas.

Degradación de Proteínas

Las enzimas de la harina y las bacterias descomponen las proteínas en fragmentos más pequeños, como péptidos y aminoácidos. Este proceso afecta la textura de la masa y ayuda a desarrollar el sabor del pan. La proteólisis en la masa madre depende de las proteasas de los cereales y las peptidasas microbianas. La acumulación de péptidos bioactivos y metabolitos de aminoácidos, como el γ-aminobutirato, puede aportar beneficios para la salud. Las peptidasas son enzimas que descomponen los péptidos en aminoácidos. Desempeñan un papel crucial en la digestión y el metabolismo de las proteínas. Por otra parte, las harinas de los cereales, además de azúcares, poseen proteínas. La degradación de las proteínas durante la fermentación depende de la acción combinada de enzimas presentes en el cereal, y de otras de origen microbiano.

Metabolismo de Compuestos Fenólicos

Los compuestos fenólicos, como el ácido ferúlico, son metabolizados por bacterias del ácido láctico, mejorando las propiedades antioxidantes y el sabor. Las bacterias lácticas metabolizan compuestos fenólicos, liberando ácidos fenólicos bioactivos y flavonoides. Este proceso mejora las propiedades antioxidantes y el sabor, con variaciones en la actividad metabólica según la cepa. Los compuestos fenólicos son un grupo de sustancias químicas presentes en las plantas. Poseen propiedades antioxidantes y pueden afectar el sabor y el valor nutricional de los alimentos. Algunos ejemplos son los flavonoides y los taninos.

Metabolismo Lipídico

La oxidación lipídica durante el amasado genera compuestos volátiles que afectan el sabor e influye en la reología de la masa. Los lactobacilos pueden mejorar o inhibir la oxidación lipídica. La oxidación lipídica durante el amasado genera compuestos volátiles que influyen en el sabor. Los lactobacilos pueden potenciar la oxidación lipídica o ejercer efectos antioxidantes, influyendo, por ejemplo, en la formación de hidroxiácidos grasos con propiedades antifúngicas. El metabolismo lipídico es el proceso de descomposición y creación de grasas en el cuerpo. Durante la fermentación de la masa madre, la descomposición de las grasas crea compuestos aromáticos y afecta a la masa. Los lactobacilos (un tipo de bacteria) pueden aumentar la descomposición de las grasas, creando compuestos aromáticos, o reducirla, produciendo hidroxiácidos grasos que ayudan a combatir los hongos.

Información Detallada sobre el Proceso de Fermentación de la Masa Madre

• Solubilización de Arabinoxilanos: Los arabinoxilanos presentes en la harina de trigo y centeno contribuyen a la hidratación de la masa y a la estabilidad de la espuma. Su solubilización durante la fermentación de la masa madre se debe principalmente a las enzimas de los cereales, lo que mejora la calidad del pan. Los arabinoxilanos son un tipo de fibra dietética presente en cereales como el trigo y el centeno. Consisten en azúcares arabinosa y xilosa y contribuyen a la textura y estabilidad de la masa.
• Formación de Exopolisacáridos: Los exopolisacáridos producidos por las bacterias lácticas mejoran el volumen, la textura y el contenido de fibra dietética del pan. El sustrato de fermentación y la disponibilidad de carbohidratos influyen en la producción de polisacáridos. Los exopolisacáridos son azúcares complejos producidos por bacterias durante la fermentación.
• Conversión Enzimática de Fitato: El fitato en las harinas de trigo y centeno es hidrolizado por las fitasas de los cereales durante la fermentación de la masa madre, lo que aumenta la biodisponibilidad mineral. El fitato es una forma de fósforo presente en las semillas de las plantas. Puede unirse a los minerales y reducir su biodisponibilidad, pero se descompone durante la fermentación, lo que aumenta la absorción de minerales.

Microorganismos en la Masa Madre

Las bacterias ácido lácticas fermentan los hidratos de carbono de la harina, produciendo ácidos láctico y acético, creando un microambiente ácido (por eso a la masa madre también se la denomina masa ácida). Esto es clave, porque la acidez crea un ambiente poco propicio para microbios patógenos, lo cual ayuda a extender la vida útil y mejorar la seguridad del pan. En cuanto a las especies, se han identificado varias de los géneros Lactobacillus, Leuconostoc, Weissella, Pediococcus y Streptococcus en la masa madre. Otros microorganismos fundamentales a la hora de producir masa madre son las levaduras, que fermentan los azúcares presentes en la harina y los convierten en etanol y dióxido de carbono (CO2), imprescindible para el levado o aumento de la masa del pan.

Una de las diferencias entre un pan de masa madre y un pan elaborado con levaduras comerciales es el tiempo de fermentación. La fermentación del pan con levaduras comerciales es mucho más rápida, mientras que la fermentación del pan con bacterias y levaduras presentes naturalmente necesita más tiempo (7 días aproximadamente). En comparación con los panes fermentados con levadura, se halló que la fracción de almidón de los panes de masa madre disminuyó significativamente.

La Levadura: Actor Principal en la Fermentación

La levadura desempeña un papel fundamental en los procesos de fermentación, proporcionando energía y contribuyendo a la producción de compuestos químicos clave durante el proceso de producción. La fermentación típica es llevada a cabo por las levaduras. Las levaduras necesitan unas determinadas condiciones de alimento, humedad y temperatura para poder vivir y desarrollarse y así dar lugar a la fermentación de la masa.

Condiciones Necesarias para la Fermentación de la Levadura

• Humedad: Sin humedad no pueden activarse, ya que la levadura necesita que su alimento esté disuelto en agua para poderlo asimilar.
• Alimento: Su alimento base son los azúcares (lo que “más le gusta” es la glucosa, es el azúcar que puede utilizar), también necesita algo de nitrógeno (que toma de las proteínas) y algunos minerales. Utilizan los azúcares de los alimentos que fermentan, transformándolos.
• Temperatura: Por debajo de 26º no actúan (o con dificultad) y por encima de 35º se debilitan demasiado. A 60º mueren. Para fermentar la masa de pan se considera ideal 32-35º.

Sin embargo, la levadura está sujeta a diversos estreses ambientales durante la fermentación, que pueden comprometer su crecimiento y la calidad del producto final. Estos estreses incluyen:

• Gran diferencia de presión osmótica entre el interior de la célula y el ambiente externo.
• Variaciones bruscas de temperatura.
• Aumento de la concentración/toxicidad del etanol.
• Aumento de presión con la formación de CO2.
• Limitación/disminución continua de nutrientes.
• Poca (o ninguna) disponibilidad de oxígeno.
• Presencia de SO2.
• Presencia potencial de metales tóxicos (cobre), sustancias xenobióticas y toxinas bacterianas/fúngicas.
• pH bajo.
• Presencia de microorganismos competidores.

Protocolo Mycostart para Optimizar la Levadura

El protocolo Mycostart se ha desarrollado con el fin de optimizar el metabolismo y aumentar la resistencia de la levadura, asegurando una fermentación más eficaz y segura. Consta de dos fases:

1. Fase de REHIDRATACIÓN: Dura media hora y es una simple fase de rehidratación de la levadura 1:20 con agua a unos 35°C.
2. Fase de REACTIVACIÓN: Se añade el producto Mycostart, un 20% en peso respecto a la cantidad de LSA utilizada, y una concentración de 5 g/l de azúcar. La duración en este caso es de una hora y media en presencia de oxígeno.

Esta cantidad de azúcar añadido se dosifica para evitar tanto el efecto Crabtree como la capacidad de Saccharomyces cerevisiae, en presencia de oxígeno, de desviar su metabolismo de la fase de respiración a la fase de fermentación si los azúcares están presentes en concentraciones > 5-10g/l. A causa del efecto Crabtree la célula sufre las siguientes consecuencias:

• Degeneración de las mitocondrias con repercusiones en la producción de ATP y NADH.
• Represión de la biosíntesis de las enzimas mitocondriales del ciclo de Krebs y de los constituyentes de la cadena respiratoria.
• Disminución de la producción de esteroles y ácidos grasos.

Composición y Efectos de Mycostart

Mycostart contiene derivados de levadura seleccionados, ricos en vitaminas como inositol, ácido pantoténico, ácido nicotínico, riboflavina, biotina, tiamina y piridoxina. Estas vitaminas favorecen la respiración celular y aportan fosfolípidos y ergosterol, fundamentales para la adaptación al estrés posterior. Además, se han demostrado varios efectos positivos sobre la levadura durante la fermentación:

• Resistencia al estrés hiperosmótico: Evitando que la célula disperse agua al medio circundante con una reducción de su volumen y turgencia que dañaría la estructura y funcionalidad celular.
• Resistencia a las bajas temperaturas: Si la levadura sufriera variaciones de temperatura, la adaptación está garantizada por el aumento del nivel de ácidos grasos insaturados en los fosfolípidos de membrana.
• Resistencia al aumento de la concentración de etanol: La tolerancia al etanol depende de la composición de la membrana plasmática, en particular de la presencia de ácidos grasos insaturados de cadena larga y ergosterol. La principal consecuencia del bloqueo de las permeasas necesarias para el transporte de fuentes de nitrógeno es la ralentización del crecimiento y la multiplicación.
• Aumento de los niveles de ácido palmitoleico y ácidos grasos insaturados: Estos compuestos mejoran la resistencia de la levadura al estrés oxidativo y a los cambios de temperatura.
• Mayor concentración de escualeno, ergosterol y fosfolípidos: Estos componentes mejoran la estructura y funcionalidad de las membranas celulares, contribuyendo a la estabilidad y regulación del metabolismo de los lípidos. Los fosfolípidos y el ergosterol son fundamentales para la estructura y funcionalidad de las membranas celulares.
• Aumento de la producción de trehalosa: Este disacárido protege la célula frente al estrés osmótico, contribuyendo a la regulación de la presión osmótica interna.
• Aumento de la síntesis del citocromo P450: Esta enzima interviene en los mecanismos de desintoxicación celular, mejorando la capacidad de la levadura de eliminar compuestos tóxicos. El citocromo P450 es una familia de enzimas involucradas en la desintoxicación celular. Un aumento en su síntesis puede mejorar la capacidad de la levadura para metabolizar y neutralizar compuestos tóxicos presentes en el ambiente de fermentación, contribuyendo a su supervivencia y a la calidad del producto final.
• Mayor funcionalidad de la bomba de protones ATP-asa: Esta bomba de protones es esencial para mantener el pH celular y regular los gradientes de concentración de iones, mejorando en general la capacidad de la célula de adaptarse y sobrevivir.

Aplicación en Bodega: Mycostarter

La empresa propone Mycostarter, una solución innovadora diseñada para la reactivación de levadura seca activa aplicando el protocolo MYCOSTART, disponible en diferentes versiones para adaptarse a las necesidades específicas de cada bodega. Con Mycostarter, se ofrece una solución avanzada y segura para optimizar los procesos de fermentación, garantizando una producción significativamente superior y de alta calidad.

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