Las reacciones químicas que liberan calor se llaman exotérmicas. A temperatura ambiente, el calor liberado por una reacción química es suficiente para producir un aumento de temperatura que se percibe al tocar el recipiente de reacción y sentirlo "caliente". Una reacción exotérmica es aquella que, al efectuarse, libera (genera o produce) calor. En contraposición, una reacción endotérmica es aquella que, para efectuarse, necesita calor. A temperatura ambiente, algunas reacciones endotérmicas toman el calor suficiente del medio en que se encuentran para producir una disminución de temperatura observable, sintiéndose "fría al tacto".
La fermentación alcohólica es un proceso biológico fundamental que ocurre en ausencia de oxígeno (- O2). Es originado por la actividad de ciertos microorganismos, principalmente levaduras, que procesan los hidratos de carbono, como la glucosa, fructosa o sacarosa, para obtener como productos finales etanol (CH3-CH2-OH), dióxido de carbono (CO2) en forma de gas y moléculas de adenosín trifosfato (ATP) que utilizan para su metabolismo energético anaerobio.
La finalidad biológica de la fermentación alcohólica es proporcionar energía anaeróbica a los microorganismos unicelulares (levaduras) a partir de la glucosa, en ausencia de oxígeno. En este proceso, las levaduras obtienen energía disociando las moléculas de glucosa y generan alcohol y CO2 como subproductos. La humanidad ha empleado la fermentación alcohólica desde tiempos inmemoriales para la elaboración de bebidas como la cerveza y el vino.
La historia del descubrimiento de la fermentación alcohólica es rica en aportaciones científicas. En el año 1764, el químico MacBride identificó el gas CO2 resultante de la fermentación. Cavendish, en 1766, lo describió como "el gas existente en la atmósfera" y determinó la proporción de dióxido de carbono con respecto al azúcar empleado, que rondaba el 57%. Antoine Lavoisier, en 1789, realizó experimentos para determinar las cantidades de los elementos intervinientes (carbono, oxígeno e hidrógeno). Joseph Louis Gay-Lussac, en 1815, fue el primero en determinar una reacción de fermentación obteniendo etanol a partir de glucosa, aunque los fundamentos del proceso seguían siendo desconocidos.
Durante el siglo XIX, un debate científico se centró en establecer la "hipótesis de la fermentación". En 1818, Erxleben, De La Tour, Schwann y Kützing descubrieron que las levaduras eran la causa del proceso. Sin embargo, fue Eduard Buchner, en 1897, quien descubrió que la enzima zimasa era la responsable final de la fermentación alcohólica, un trabajo por el cual recibió el Premio Nobel de Química. Investigaciones posteriores de Harden y Young en 1904 demostraron que la zimasa perdía sus propiedades fermentativas bajo diálisis, indicando la necesidad de una sustancia de bajo peso molecular, denominada cozimasa, que se identificó posteriormente como una mezcla de iones fosfatados, difosfato de tiamida y NAD+.
El bioquímico Otto Heinrich Warburg, junto con Hans von Euler-Chelpin, descubrió en 1929 el papel crucial del cofactor nicotinamida adenina dinucleótido (NADH) en el proceso interno de la fermentación. La fermentación alcohólica puede considerarse, desde una perspectiva humana, como un proceso bioquímico para la obtención de etanol, una sustancia que también se puede obtener por vías químicas industriales, como la oxidación de eteno.
Las bebidas alcohólicas se producen a partir de diversos sustratos, dependiendo de la disponibilidad regional. Las materias primas pueden ser azúcares simples, como los presentes en el jugo de uva, o de alto peso molecular, como el almidón de los granos de cebada. El proceso principal por el cual el mosto se transforma en vino es la fermentación alcohólica, que convierte azúcares en alcohol etílico y dióxido de carbono. Esta fermentación es la base de la vinificación, y su importancia radica no solo en la obtención de etanol, sino también en la formación de productos secundarios que influyen en la calidad y tipicidad del vino.
Las levaduras, cuerpos unicelulares de forma esférica (2-4 μm), están presentes de forma natural en frutas, cereales y verduras. Son organismos anaeróbicos facultativos, capaces de desarrollar sus funciones biológicas sin oxígeno. Aproximadamente el 96% de la producción de etanol es llevada a cabo por hongos microscópicos, principalmente especies como Saccharomyces cerevisiae, Kluyveromyces fragilis, Torulaspora y Zymomonas mobilis.
Los microorganismos responsables de la fermentación pueden ser bacterias, mohos y levaduras. Cada uno posee características propias que influyen en el proceso y, en algunos casos, proporcionan sabores característicos al producto final. A veces, estos microorganismos cooperan entre sí para lograr el proceso global de fermentación. Algunas cepas de bacterias, como Zymomonas mobilis, muestran altas eficiencias de fermentación y resistencia a altas concentraciones de etanol, lo que las hace ideales para la generación de etanol para usos no comestibles, como biocombustibles.
El medio rico en azúcar, como melazas o siropes, puede afectar la supervivencia de las levaduras, ya que las altas concentraciones de azúcar frenan los procesos osmóticos de las membranas celulares. Aunque existen levaduras con diferentes tolerancias, el límite de alcohol para la fermentación del vino suele estar en torno a los 14 grados. Los azúcares comúnmente empleados en la fermentación incluyen dextrosa, maltosa, sacarosa y lactosa. La maltosa es especialmente afectada por las levaduras. Si bien la zimasa es la única responsable de la conversión de hidratos de carbono en etanol y dióxido de carbono, enzimas como la diastasa o la invertasa participan en la fermentación.
La glucólisis es la etapa inicial de la fermentación, similar a la respiración celular, y requiere enzimas para su funcionamiento. La fermentación alcohólica es una reacción exotérmica, liberando una cantidad significativa de energía. La producción de gran cantidad de CO2 en la fermentación alcohólica es lo que confiere las burbujas a bebidas como el cava o el champán. Este CO2, más denso que el aire, puede formar bolsas que desplazan el oxígeno, lo que hace necesario ventilar adecuadamente los espacios de fermentación. Históricamente, se utilizaban métodos como una vela encendida para detectar la acumulación de CO2 en bodegas de vino.
Un cálculo sobre la reacción química indica que el etanol resultante es aproximadamente un 51% del peso del sustrato, con rendimientos industriales que alcanzan el 7%. La presencia de fósforo (en forma de fosfatos) es crucial para el desarrollo del proceso de fermentación. Generalmente, la fermentación alcohólica precede a la fermentación maloláctica, aunque existen procesos donde ambas ocurren simultáneamente.
La reacción química se describe como la reducción de dos moléculas de Nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+) a NADH, con un balance final de dos moléculas de ADP que se convierten en ATP (adenosín trifosfato). Durante la fermentación etílica, la vía de la glucólisis es idéntica a la del eritrocito, con la diferencia de que el piruvato se convierte en etanol. Primero, el piruvato se descarboxila por acción de la piruvato descarboxilasa, liberando dióxido de carbono (CO2) y formando acetaldehído. Posteriormente, el NADH se reoxida por la alcohol deshidrogenasa, regenerando NAD+ para continuar la glucólisis y sintetizando etanol. A medida que la concentración de etanol aumenta, se vuelve tóxico para las levaduras, y su muerte tiende a ocurrir cuando alcanza aproximadamente el 12% de volumen.
La fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico exergónico que libera energía en forma de moléculas de ATP, esenciales para el metabolismo de las levaduras. Debido a la ausencia de oxígeno, la cadena de respiración celular que produce ATP queda bloqueada, siendo la glucólisis la única fuente de energía mediante fosforilación a nivel de sustrato. El balance molecular genera 2 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa, significativamente menor que las 38 moléculas de ATP producidas en la respiración celular, pero suficiente para los organismos anaeróbicos.
La determinación de los factores que limitan la glucólisis fermentativa del etanol es compleja debido a la interrelación de diversos parámetros. En la fermentación alcohólica industrial, se deben tener en cuenta factores como el pH del sustrato (las levaduras funcionan óptimamente entre 3.5 y 5.5 pH), la concentración de azúcares (excesiva o baja concentración pueden frenar el proceso) y la temperatura. La fermentación es un proceso exotérmico, y las levaduras son seres mesófilos con rangos de temperatura óptimos; temperaturas superiores a 55 °C por 5 minutos provocan su muerte.
La fermentación etílica ha evolucionado para aumentar su eficiencia. La fermentación alcohólica continua es una mejora estudiada para obtener mayores cantidades de etanol. El procesamiento industrial de bebidas alcohólicas se realiza en ambientes controlados. La investigación se enfoca en la eficiencia de biorreactores y el uso de teoría de sistemas de control, así como en la mejora de cepas de levaduras, como Zymomonas Mobilis, para aumentar la densidad de microorganismos en producción. Los métodos de fermentación continua, patentados desde la década de 1950, han impulsado el crecimiento de la industria de bebidas alcohólicas.
La fermentación industrial típica ocurre en un recipiente llamado fermentador o biorreactor, donde sustratos son transformados por reacción microbiana en metabolitos y biomasa. Estos contenedores herméticos permiten la extracción controlada del dióxido de carbono resultante. La producción de bebidas alcohólicas, como el vino, la cerveza o licores derivados de la leche, se basa en la fermentación de azúcares de frutas, cereales o leche, y a menudo es local debido a la disponibilidad de sustratos.
Si se detalla el calor intercambiado en una ecuación química, se está escribiendo una ecuación termoquímica. El cambio de entalpía (ΔH) es la diferencia entre la energía de los productos y la energía de los reactantes. En un proceso exotérmico, el calor desprendido al producirse la reacción química lo absorbe el propio sistema, incrementando su temperatura. Esto significa que los productos tienen menos energía que los reactantes, y la reacción libera calor, provocando un cambio negativo en la entalpía (ΔH). Si la ΔH es negativa, indica una reacción química exotérmica, ya que se libera más energía cuando se forman los productos que la que se utiliza para descomponer los reactantes.
Las reacciones exotérmicas se utilizan en calentadores, hornos y motores para producir energía. Por otro lado, las reacciones endotérmicas absorben energía, como en el caso de la fotosíntesis. El calor de formación del agua líquida es -285.8 kJ/mol, y el calor de formación del etano (C2H6) es de -84.7 kJ/mol. El calor de combustión del metano (CH4) es de -802 kJ/mol, lo que significa que al quemarse un mol de metano se desprenden 802 kJ. De manera similar, el calor de combustión del butano (C4H10) es de -2875.8 kJ/mol, y el del etanol es de -1368.1 kJ/mol.
Estos calores de reacción se definen por mol de sustancia que reacciona y se miden en J/mol, kJ/mol, cal/mol o kcal/mol. El intercambio energético de una reacción química depende de los enlaces químicos que se rompen y se forman. Para determinarlo experimentalmente, se puede medir el calor intercambiado en una bomba calorimétrica o en un sistema cerrado donde el volumen es constante.
¿Qué es la fermentación? - ¿Cómo se elabora el Vino?
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