Una Cuarta Clase 19-28ago09

Metabolismo de carbohidratos en eucariotas

Fermentaciones Universidad Nacional Escuela Ciencias Biológicas Curso Introducción a Biotecnología Dr. Keilor Rojas Jiménez Cuarta Clase

Respiración celular „ „

Es la degradación de la glucosa mediante el uso de oxígeno o alguna otra sustancia inorgánica La respiración celular que necesita oxígeno se llama respiración aeróbica.

Glucólisis ‰

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‰ ‰ ‰ ‰

Es la conversión de glucosa en dos moléculas de ácido pirúvico Se usan dos moléculas de ATP, pero se producen cuatro. En todas las células (en citosol) Ruta anaeróbica Todos los intermediarios están fosforilados Se lleva a cabo en 10 pasos (hasta piruvato) cada uno catalizado por una enzima diferente.

Respiración anaeróbica „

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Fermentación „

Algunos organismos degradan su alimento por medio de la respiración anaeróbica. Aquí, el aceptor final de electrones es otra sustancia inorgánica diferente al oxígeno. Se produce menos ATP que en la respiración aeróbica.

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Fermentación alcohólica „

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Este tipo de fermentación produce alcohol etílico y CO2, a partir del ácido pirúvico. Es llevada a cabo por levaduras. La fermentación realizada por las levaduras hace que p.e. la masa del pan suba y esté preparada para hornearse.

Es la degradación de la glucosa y liberación de energía utilizando sustancias orgánicas como aceptores finales de electrones. Algunos organismos como las bacterias y las células musculares, pueden producir energía mediante la fermentación. … La primera parte de la fermentación es la glucólisis. … La segunda parte difiere según el tipo de organismo.

Fermentación láctica „

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Este tipo de fermentación convierte el ácido pirúvico en ácido láctico. Al igual que la alcohólica, es anaeróbica y tiene una ganancia neta de 2 ATP por cada glucosa degradada. Es importante en la producción de lácteos.

Rutas alternas del piruvato

Productos fermentados

GLUCOSA Glucólisis 10 reacciones sucesivas Condiciones anaeróbicas

2 ETANOL

PIRUVATO

2CO2

Fermentación Alcohólica levaduras en ausencia de O2

Condiciones aeróbicas 2CO2

2 ACETIL- S - COA

Condiciones anaeróbicas

2 LACTATO

Producto „ Cerveza „ Sake „ Whisky „ Vinos „ Panes „ Quesos „ Yogurt

Materia prima cereales arroz cebada uvas harinas de trigo Leche leche

Microorganismo Saccharomyces cerevisae Saccharomyces sake Saccharomyces cerevisae Saccharomyces ellipsoideus Saccharomyces cerevisae Lactobacillus bulgaricus Streptococcus thermophilus

Fermentación Láctica tejido muscular en ausencia de O2

Respiración Celular seres en presencia de O2

YOGURT

Productos de la fermentación láctica „

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En la elaboración de todos los productos lácteos es esencial la producción de ácido láctico. Mantequilla, leche agria, natilla, queso, yogurt Bacterias:Lactobacillus bulgaricus, Streptococcus thermophilus y Leuconostoc diacetilus

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Se elabora con cultivo mixto en proporción 1:1 de: S. thermophilus : principal responsable de la producción de ácido y L. bulgaricus : responsable del aroma aroma. Receta: 1. Esterilización de la leche. 2. Reducción de la cantidad de agua (1/4 parte). 3. Adición de 5 % en peso de sólidos de leche 4. Homogenización 5. Calentamiento a una T de 82 a 93°C por 30 a 60 minutos 6. Enfriamiento hasta 45°C

QUESO

YOGURT

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Incorporación del cultivo (2 % vol) Incubación a 45°C durante 3 a 5 horas Se espera a que el pH este entre 4 a 5. Se detiene el proceso enfriándolo a 5°C

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Almacenamiento a 5°C .

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Basado en fermentación láctica de la leche Pasos: 1. 2.

Contiene ≈109 organismos /g Reduce mala digestión e intolerancia a lactosa, aumenta defensas naturales

3. 4. 5.

QUESO 6.

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Prensado: Llenado de los moldes, y luego sometidos a una presión exterior. Salado: Se aplica directamente sobre la masa, o por inmersión en agua con sal o salmuera. COMPOSICIÓN DE LA LECHE

COMPOSICIÓN DEL QUESO

Pasteurización (70-80ºC por 15-40 seg). Inoculación de fermentos: Leche 25-30oC + cultivo de Streptococcus thermophilus y Lactobacillus bulgaricus Coagulación de la leche. Aumento de temp a 30-32oC para formación de cuajo Corte : Extracción del suero Calentamiento: La pasta se calienta entre 30 y 48ºC, y es agitada para que los granos no se vuelvan a unir

Cerveza 1.

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Macerado. La cebada malteada molida es mezclada con agua cervecera en el macerador. Filtración: Las cáscaras de la malta son separadas, obteniéndose un líquido dulce ámbar claro llamado mosto. Cocción.El mosto es colectado en el cocedor donde se adiciona el extracto concentrado de lúpulo que le conferirá finalmente el amargor a la cerveza. Fermentación. El mosto frío se le adiciona levadura cervecera para iniciar el proceso de fermentación alcohólica.

Cerveza 5.

6. 7.

Producción etanol a parir caña caña de azúcar

Reposo. La cerveza fermentada, es almacenada en un estanque durante siete días a - 1,5 °C. En este tiempo la cerveza es clarificada y madurada. Filtrado. Para obtener un producto claro y brillante. Pasteurización. Temperatura de alrededor de 70 °C por aproximadamente 30 segundos.

exprimido

jugo de caña bagazo

110 oC, decantación concentración

fermentación

PAPEL molasas

ETANOL fermentación

Agua: Pura, potable, estéril, libre de sabores y de olores. Rendimiento de 7 litros de agua por litro de cerveza.

AZÚCAR

Productos de la microbiología Industrial

Bioconversión Sustrato

Células

Producto (bioconversión de esteroides)

Levadura

Metabolitos Primarios y Secundarios Sustrato de crecimiento

Células

Metabolito Primario

Las células y el metabolito se producen más o menos simultáneamente

Productos de las Células

Enzimas (Glucosa Isomerasa)

Alcohol Antibióticos (Penicilina)

Productos Químicos (ácido cítrico)

Aditivos Alimenticios (aminoácidos)

Bioquímica y Microbiología Industrial 2º de Bioquímica Universidad de Zaragoza

Sustrato de crecimiento

Células

Metabolito Primario

Metabolito Secundario Después de producidas las células y el metabolito primario, las células convierten el metabolito primario en uno secundario

Sustrato de crecimiento

Células

Metabolito Primario

Metabolito Secundario Después de producidas las células el sustrato se convierte en un metabolito secundario durante un posterior crecimiento

Características de los metabolitos secundarios

Clasificación de las reacciones de fermentación según el agente

• Específicos de un grupo de organismos • No esenciales para el crecimiento • Dependiente de las condiciones de crecimiento • Producidos como grupo de estructuras relacionadas: Una cepa de Streptomyces produce 32 antibióticos distintos del tipo antraciclina Cobalamina (Vitamina B12) • Puede obtenerse una superproducción espectacular

Fermentación microbiana Promovidas o catalizadas por microorganismos. Dentro de este tipo de reacción hay 2 clases bien definidas: … …

Reacciones enzimáticas Catalizadas por enzimas, el agente catalítico no se reproduce y cuando se opera discontinuamente este permanece constante.

Variables de la fermentación y sus efectos sobre el proceso

Materias primas Solución o caldo nutritivo: Deben contener los elementos indispensables para conservar la vida de los microorganismos. … Materias amiláceas: tales como los cereales, tubérculos y raíces. … Materias celulósicas: tales como madera y sus residuos. … Materias azucaradas: como los mostos y jugos de diferentes frutas, como la caña de azúcar, remolacha y subproductos de la industria azucarera como melazas y mieles. El Microorganismo: Levaduras de Saccharomyces y bacterias como: Zymomonas, Lactobacillus, Streptococcus, Leuconostoc, etc. … La levadura Saccharomyces cerevisiae permite una conversión aproximada del 85% al cabo de 32 horas y del 90% al cabo de 75 horas en la producción de etanol.

Cultivos de tejidos o macroorganismos (células vegetales y animales). Reactores microbianos en sí (cultivo de microorganismos).

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La Concentración de Azúcares.. Afecta la velocidad de la fermentación, el comportamiento y el desarrollo de la levadura. Rango de 10 al 18%, el valor más corriente es del 12%. Concentraciones muy altas producen deficiencia respiratoria en la levadura y un descenso de la velocidad de fermentación. Agitación. para mantener a las células de la levadura en suspensión aumentando la superficie de contacto pH. pH.- Levadura se desenvuelve perfectamente en medios ácidos. Acidez es Importante en el control de la contaminación bacterial así como en el crecimiento de las levaduras, en la velocidad de fermentación y en la formación de alcohol. El pH más favorable para el crecimiento de levadura entre 4.4 - 5.0, con un pH de 4.5 para su crecimiento óptimo La temperatura.. A medida que se aleja de la temperatura óptima su actividad disminuye notablemente. Levaduras tienen un desarrollo óptimo entre 28-35 ºC, recomendable 30 ºC Concentración de Etanol. Una concentración alcohólica del 3% ya influye sobre el crecimiento; una concentración de un 5% influye tanto sobre el crecimiento como en la fermentación. Cuando la concentración es del 10%, el crecimiento sufre la paralización total.

Variables de la fermentación y sus efectos sobre el proceso 6. 7. 8.

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La Luz. Es necesaria para la reproducción de la levadura, pero en el proceso fermentativo es deseable la ausencia de luz. Oxigeno.El oxígeno es necesario para la multiplicación de la levadura, pero en el proceso fermentativo no es requerido Elementos minerales.Los elementos minerales son esenciales para el desenvolvimiento de la levadura, el fósforo, azufre, hierro , magnesio, calcio, como nutrientes esenciales el nitrógeno como sulfato de amonio Vitaminas.Principalmente se ha utilizado la vitamina B1 para acelerar el curso de la fermentación Calidad y cantidad de levadura. Tamaño, uniformidad y número de células vialbles. Utilizar 50-450 x 109 células por litro de mosto Preparación de la levadura alcohólica. De acuerdo con las características de la levadura la preparación es diferente estos pueden utilizarse desde cultivos que tardan en su multiplicación hasta dos semanas

Fases de una fermentación Fase lag: Fase de inactividad de duración variable. Depende del número de células así como de sus características metabólicas Fase temporal de aceleración: Las proporciones de las células hijas tienden a alcanzar el 50% de la población total. Fase de crecimiento exponencial: Allí crecen los microorganismos rápidamente y el crecimiento de la población depende del sustrato inicialmente colocado. Fase estacionaria: Aquí ya se ha alcanzado el máximo valor de producción, en esta fase algunas células se dividen y otras mueren, manteniendo la población constante durante la fase. Fase de muerte: Dado que la población celular presente no se mantiene por sí misma comienza a morir. Tiene un comportamiento exponencial. Muchos procesos industriales se terminan antes de que inicie esta fase.