Velocidad de consumo de sustrato.

Velocidad de consumo de sustrato.

Categoría: 2. Ciencia y tecnología.

En la elaboración de este protocolo el autor de este blog contó con la amable colaboración de la profesora M. en C. Yuriana Martínez Orea. Profesora de asignatura en la Facultad de Ciencias de La UNAM.

Objetivo.

Medir la velocidad de consumo de sustrato (glucosa) en la fermentación de una solución de carbohidratos (sacarosa o almidón) o en una bebida fermentada (pulque o tepache).

Principio.

La respiración es el proceso de oxidación de un carbohidrato (glucosa) por reacciones metabólicas para la obtención de energía, en forma de adenosina trifosfato (ATP).

La respiración aerobia comprende tres procesos principales que son: 1) la glucólisis; 2) el ciclo de Krebs; y 3) la cadena de transporte de electrones. Sólo en el tercer proceso se consume oxígeno. El primero de estos procesos se lleva a cabo en el citopasma de las células eucariotas y en el citoplasma de bacterias, mientras que el segundo y el tercero se llevan a cabo dentro de la mitocondria de las células eucariotas y en el citoplasma en el caso de bacterias.

La fermentación es un proceso de respiración anaerobia y comprende dos procesos principales: 1) la glucólisis; y 2) la reducción del piruvato (regeneración del NAD+) y síntesis de etanol o ácido láctico. Estos procesos se realizan en el citoplasma de la célula eucariota y en el citoplasma de las bacterias.

La glucólisis es un proceso metabólico anaerobio en el que la glucosa (C6H12O6) se oxida a dos moléculas de piruvato (C3H4O3).

La reducción del piruvato es un proceso en que el piruvato se transforma en dos moléculas de acetaldehído (2 carbonos) por la piruvato descarboxilasa con liberación de 2 moléculas de CO2. A continuación se da la reducción de este compuesto con la oxidación de 2 moléculas de NADH2, seguido por la formación de etanol por la etanol descarboxilasa.

En la fermentación se liberan dos moléculas de CO2 por cada mol de glucosa que entra en el proceso. Cuando el CO2 se disuelve en agua con pH=8.3, se consume bicarbonato (HCO3-, pka=10.32) por la formación de ácido carbónico (H2CO3, pka=6.38) y el pH comienza a descender.

Las sustancias utilizadas como indicadoras, son sustancias que sufren algún cambio visible bajo determinadas condiciones de pH o de potencial redox. La fenolftaleína es una sustancia que cuando está en solución acuosa toma un color rosado y luego violeta en condiciones de pH>8.3. Cuando el pH se hace menos alcalino, la solución acuosa es transparente. En la práctica se utiliza esta propiedad para fijar un punto como referencia. De manera que al llevar un sistema de composición desconocida a la condición indicada por la fenolftaleína, podemos conocer una propiedad de la solución problema. Como su grado de acidez o basicidad o su condición oxidante o reductora.

Procedimiento.

1. En un vaso de precipitados de 500 mL se colocan 250 mL de agua destilada. Se agregan una a dos gotas de fenolftaleína. Se agregan unas gotas de hidróxido de sodio 0.01N hasta que se observe un cambio de coloración o viraje (transparente a rosado). A continuación medir 1.0 mL de solución de hidróxido de sodio y agregarlo también. Así se tiene un exceso conocido de hidróxido de sodio.

2. Una muestra de 100 mL de bebida (pulque fermentado) se coloca en un matraz Erlenmeyer de 500 mL. Se coloca un tapón de hule con un orificio en donde se coloca un tubo de vidrio de 0.5 cm de diámetro, que no alcance a tocar la superficie del líquido. El tubo de vidrio debe estar doblado en forma de una “U” amplia (ver aparato en la Figura 1-a). Se coloca a un lado el vaso de precipitados con la solución de hidróxido de sodio y se deja que por la punta del tubo de vidrio burbujee el gas que sale del matraz Erlenmeyer, producto de la fermentación de la bebida (pulque).

3. Se inicia un cronómetro y se espera hasta que la solución de hidróxido de sodio (color violeta al inicio) cambie de color hasta hacerse transparente. En ese momento se detiene el cronómetro.

Cálculos.

Consumo de glucosa.

Como se dijo antes, cada mol de glucosa que se fermenta genera dos moléculas de CO2. Cada molécula de CO2 a su vez genera un mol de ácido carbónico (H2CO3). Así, cuando se ha consumido el hidróxido de sodio que se agregó en exceso, se habrá consumido la siguiente cantidad de glucosa:

Glu = PMGlu*VolNaOH*NNaOH / (2*VolBebida)

donde:

Glu= glucosa consumida (g*L^-1).

PMGlu= peso molecular de la glucosa (180.0552 g*mol^-1).

VolNaOH= volumen de hidróxido de sodio en exceso (0.001L).

NNaOH= normalidad de la solución de hidróxido de sodio (0.01).

VolBebida= volumen de bebida colocado en el matraz Erlenmeyer (0.1L).

Velocidad de consumo de glucosa.

Como se determinó el tiempo que tardó la muestra de bebida en consumir la cantidad de glucosa calculada en el paso anterior, es posible calcular la velocidad de consumo de glucosa, de la siguiente manera:

VGlu= Glu / t

donde:

VGlu= velocidad de consumo de glucosa (g*L^-1*min^-1).

Glu= glucosa consumida (g*L^-1).

t= tiempo (min).

Nota: Una muestra con 10 g*L^-1 de glucosa y una velocidad de consumo de glucosa (ver gráfico en Figura 1-b) tardaría 25 minutos en consumir el exceso de hidróxido de sodio 0.01N.

Generación de etanol.

Cada mol de glucosa que se fermenta genera dos moléculas de CO2 y dos moléculas de etanol (C2H6O). Cada molécula de CO2 a su vez genera un mol de ácido carbónico (H2CO3). Así, cuando se ha consumido el hidróxido de sodio que se agregó en exceso, se habrá formado la siguiente cantidad de etanol:

Eth = PMEth*VolNaOH*NNaOH / (VolBebida)

donde:

Eth= etanol formado (g*L^-1).

PMEth= peso molecular del etanol (46.0196 g*mol^-1).

VolNaOH= volumen de hidróxido de sodio en exceso (0.001L).

NNaOH= normalidad de la solución de hidróxido de sodio (0.01).

VolBebida= volumen de bebida colocado en el matraz Erlenmeyer (0.1L).

Velocidad de formación de etanol.

Como se determinó el tiempo que tardó la muestra de bebida en sintetizar la cantidad de etanol calculada en el paso anterior, es posible calcular la velocidad de formación de etanol, de la siguiente manera:

VEth= Eth / t

donde:

VEth= velocidad de formación de etanol (g*L^-1*min^-1).

Eth= etanol formado (g*L^-1).

t= tiempo (min).

Resultados.

- Tipo de muestra: Indicar tiempo transcurrido desde el inicio de la fermentación hasta el momento de realización del experimento.

- Tiempo para el viraje de color.

- Velocidad de consumo de sustrato (glucosa).

- Velocidad de formación de etanol (producto).

Conclusiones.

Las soluciones indicadoras nos permiten identificar puntos de referencia para conocer una o más propiedades de la solución problema.

Al medir la velocidad de formación de CO2 en una muestra de bebida (pulque) en fermentación, conociendo el tiempo que toma al gas que genera la muestra (CO2) consumir el hidróxido de sodio en exceso añadido, es posible conocer las velocidades de consumo de sustrato (glucosa) y de formación de productos (etanol y CO2).

Es posible medir la velocidad de consumo de sustrato (glucosa) en una fermentación, midiendo el tiempo que toma al gas (CO2) consumir el hidróxido de sodio en exceso añadido a la solución.

Es posible medir la velocidad de formación de etanol (producto) en una fermentación, midiendo el tiempo que toma al gas consumir el hidróxido de sodio en exceso añadido a la solución.

Anexos.

Preparación de 1.0 L de solución de hidróxido de sodio (0.01N).

- Matraz aforado de 1000 mL.

- Vaso de precipitados de 1000 mL.

- Varilla de vidrio.

- Balanza analítica.

- Micro-espátula.

- Hidróxido de sodio grado reactivo.

- Agua destilada.

Procedimiento.

Pesar 0.3999 g de hidróxido de sodio grado reactivo en la balanza analítica, teniendo precaución de utilizar lentes de policarbonato. Disolver esta cantidad de hidróxido de sodio en unos 100 mL de agua destilada en el vaso de precipitados. Es recomendable tener una pequeña tina con agua corriente para enfriar el vaso de precipitados, así evitar que la solución alcance el punto de ebullición.

A continuación verter esta solución en el matraz aforado de 1000 mL, enjuagando una o dos veces el vaso de precipitados con agua destilada incorporándola al matraz aforado.

Para terminar, aforar a 1000mL con agua destilada. Almacenar la solución en un frasco de vidrio con tapa esmerilada de 1000 mL de capacidad. Etiquetar indicando la fecha, la composición, el nombre del compuesto y el nombre de la persona que preparó la solución.

Pesos atómicos:

C=12.01; H=1.0001; O=15.999; Na=22.9898.

A 

B

Figura 1. a) Aparato para captura del CO2 en solución de hidróxido de sodio; b) Cinética de una fermentación alcohólica (g/L*h vs. tiempo). Fuente: http://www.lallemandwine.com/IMG/pdf_Fermaid_O_esp.pdf.

Tecnología prehispánica para el futuro.

Categoría: 2. Ciencia y tecnología.

Las aportaciones de las culturas prehispánicas para el futuro, me refiero a aquellas que fueron asimiladas por los europeos que conquistaron mesoamérica y que en la actualidad sigue vigente, es decir, que se utiliza en la industria, alimentación y servicios.

Las aportaciones más sobresalientes se refiern a cultivos y animales que fueron domesticados, en un largo proceso de selección e hibridación que requiere la participación de personal especializado, es decir, que no puede realizarla una cultura salvaje o desorganizada. Otro grupo, segundo, de aportaciones se refiere a procesos físicos, químicos o biológicos que se pueden incorporar a la industria. Un tercer grupo es el de productos intangibles, como procesos administrativos, como el envío de mensajes y el transporte de mercancías por Tamemes, que fueron desarrollados antes de la conquista y su conservación fue de gran valor para los conquistadores españoles.

En el primer grupo se encuentra en un lugar preponderante el maíz (Zea mays), que es una planta domesticada y que por sus características de alto rendimiento, elevado contenido de proteínas (aminoácidos) y características anatómicas ha alcanzado altos niveles de tecnificación (maquinaria especializada, mejoramiento genético e ingeniería genética, plaguicidas de alta especialización). Otra planta que no se ha quedado atrás en cuanto al desarrollo tecnológico es el tomate (o jitomate, Solanum lycopersicum -antes Licopersicum esculentum-), que ha alcanzado altos niveles de tecnificación y en la actualidad se pueden obtener más de 20 toneladas por hectárea en cultivo bajo invernadero. Una más es el tabaco (Nicotiana tabacum), que tiene altos niveles tecnológicos y que ha transformado la vida social de prácticamente todas las sociedades a partir de la conquista de mesoamérica. El cacao (Theobroma cacao) fue una aportación también muy importante y que en la actualidad ha permeado a los más exquisitos gustos culinarios de las altas esferas del mundo. Los chiles en sus diferentes variedades (Capsicum annum, Capsicum frutescens) también han ido apareciendo en mayor o menor medida como condimentos en cada vez más productos alimenticios en el mundo. Desde luego, los chiles no tienen ni la distribución ni la importancia alimenticia que han alcanzado el maíz, el tomate y el cacao. Las calabazas son muy apreciadas en Estados Unidos donde curiosamente se cultiva una enorme variedad de ellas, más que en ningún otro país del mundo, incluido México (Cucurbita pepo, Cucurbita mixta, Cucurbita maxima); estas especies no solo se cultivan en América, sino que son muy apreciadas en Africa y Asia también. El hule (Hevea brasilensis) se ha incorporado en tres industrias bastante importantes en la actualidad: la fabricación de caucho, látex y hule. El chicle (Manilkara zapota) en la fabricación de goma de mascar (Hevea brasilensis), también es objeto de una gran industria a nivel mundial. Otro cultivo que ha alcanzado alto valor comercial es el de la nochebuena (Euphorbia pulcherrima, poinsettia, en inglés). El frijol (Phaseolus vulgaris), es un cultivo con amplia distribución en los países iberoamericanos, sin embargo, ha alcanzado niveles importantes de consumo en los países desarrollados de América del Norte y Europa. La yuca (Manihot esculenta) es una raíz tuberosa que se utiliza como alimento en el sureste de México y en América Central y es un alimento básico en gran parte de Brasil. El aguacate (Persea americana) es una especie domesticada en mesoamérica y que en la actualidad se produce en grandes cantidades y se consume en muchos países del mundo, México sigue siendo el mayor productor de este fruto. Una de las especies de vainilla más apreciadas en el comercio internacional (Vainilla planifolia) es originaria de México y América Central, donde fue domesticada y posteriormente fue producto de intercambio comercial con Europa desde las etapas tempranas de la colonización española en la región.

De manera adicional se pueden comentar los cultivos de camote (Ipomoea batatas) y papa (Solanum tuberosum) que son originarias de América del sur, particularmente de Perú y Bolivia, y que en la actualidad son muy importantes en la alimentación mundial. Se dice que el camote llegó a las islas de Oceanía (Nueva Zelanda) hacia el año 700 de nuestra era, lo cual puede ser indicio de un contacto marítimo de esta zona con América del sur.

En las especies animales, el más notable es el pavo (guajolote, Meleagris gallopavo), que se cría en grandes cantidades y en Estados Unidos ha alcanzado altos niveles de tecnificación para abastecer la demanda del Día de Acción de Gracias, pero también para las celebraciones navideñas.

Todos estos cultivos tienen la gracia o la capacidad de haber entrado y permanecido en los más exquisitos gustos de la aristocracia europea.

Los casos del tabaco y el chicle tienen particular aplicación social. El tabaco se ha incorporado como símbolo de estatus social, como un afirmante de la masculinidad, encierra todo un lenguaje que puede expresar gran cantidad de señales o mensajes y ha llegado a ser muy complejo (mensajes de paz, de aprecio, de rechazo, de altanería, mensajes sensuales, entre otros). El chicle tiene también aplicaciones sociales importantes, aunque no goza de aceptación en las altas esferas sociales. Sin embargo, es un auxiliar importante en la limpieza bucal y de la dentadura en particular. También encierra una serie de señales o mensajes más o menos complicado, aunque no comparable con la cantidad de significados que se pueden obtener en el lenguaje de fumar.

En la industria son importantes en la actualidad procesos desarrollados, aunque de manera rudimentaria, sin embargo con los principios que aún rigen en la industria. Uno de ellos es la nixtamalización del maíz, que consiste en la digestión en condiciones alcalinas y de alta temperatura de los granos de maíz, para la digestión parcial de la celulosa y las proteínas que contiene. Otro de ellos es la vulcanización del hule, que de manera primitiva consistía en el ahumado de bolas de hule insertas en una lanza de madera. Este proceso genera enlaces con el azufre, para formar un polímero, lo que se conoce ahora como vulcanización. La fermentación de jugos ricos en carbohidratos también se realizaba en las aldeas prehispánicas, como los jugos obtenidos del agave pulquero (Agave salmiana) y otros agaves, así como la fermentación de maíz nixtamalizado, conocido como tezhuino, en el occidente de México.

Entre los organismos que se aprovechan en Mesoamérica desde tiempos pre-hispánicos se encuentran algunos microorganismos como el huitlacoche (Ustilago maydis), la levadura (Saccharomyces cereviciae), Setas (Pleurotus ostreatus) y muchos tipos de hongos comestibles o alucinógenos (Psilopcibe spp.). Los animales también se han aprovechado de manera intensa, pero la especie domesticada que más difusión ha tenido en el mundo es sin duda el guajolote mexicano o pavo (Meleagris gallopavo). Otras especies silvestres de importancia para la aimentación incluyen al venado (península de Yucatán y zona Norte de México), la iguana, el conejo, la huilota, el armadillo, el mazate o el jabalí. Algunos insectos como los chapulines, los jumiles, las chicatanas y los gusanos de maguey se utilizan como alimento y constituyen especialidades de la gastronomía de varias regiones de México.

Entre las especies de plantas, la lista es larga y variada. Algunas ornamentales de importancia económica son la nochebuena (Euphorbia pulcherrima), el nardo (Polianthes tuberosa), lantana (Lantana camara) y la dahlia (Dahlia spp.). Algunas especies han sido el origen de industrias a nivel mundial como el cacao (Theobroma cacao), el tabaco (Nicotiana tabacum), el chicle (Manilkara zapota).

Algunas especies de nopales productores de tunas (higo de indias, en algunos relatos de exploradores españoles) se han introducido en Africa y Medio Oriente para aliviar el hambre, gracias a su facilidad para crecer en condiciones de extrema aridez; recordemos que el desierto del Sahara y de la península Arábica, tenían un clima mucho más benigno hace apenas unos 5000 años, por lo cual no hay especies que se hayan adaptado a ese clima. También es importante mencionar los agaves, que jugarán un papel muy importante en la lucha contra el cambio climático debido a su aptitud para adaptarse a climas extremadamente áridos y a su aptitud para proteger el suelo de la erosión.

El primer anticonceptivo que se comercializó en el siglo 20, está elaborado con extractos de Barbasco (Dioscorea mexicana o Lonchocarpus urucu), una planta que conocían los indígenas del sureste mexicano y que posee un alto contenido de diosgenina, un precursor de la hormona progesterona.

Lo lamentable es que mientras unos pocos valientes se dedican a rescatar aún más razgos de nuestra historia, antes de que se sigan deteriorando las evidencias físicas y antropológicas, una masa de energúmenos se dedican solo a proferir maldiciones en contra del demonio en turno. Conforme se los dictan los medios de comunicación, a los que tanto critican, por cierto. Y más lamentable aún, es que no conocen el gran legado cultural, industrial <procesos>, agronómico que nos dejaron y que seguimos cuidando, los que sí lo conocemos. Grandes industrias: tabaco, chicle, chocolate, vainilla, vulcanización, nixtamalización, todas ellas de uso global <para los globalifóbicos ignorantes> en la actualidad. El maíz es el tercer cultivo de importancia para consumo humano y el primer cultivo alimenticio <sumando lo que se utiliza para alimentar ganado>; la papa, es el segundo cultivo de importancia para cultivo humano; el tomate (Solanum lycopersicum) es el primer cultivo de importancia para consumo humano bajo invernadero; entre otras especies que se domesticaron en el continente americano y que requirieron de entre 6000 y 10000 años de trabajo ininterrumpido, heredando los conocimientos de su cuidado y mejora hasta nuestros días <nadie ha interrumpido ese proceso, de lo contrario estaría hablando de una catástrofe por ahí>. La minería en México comenzó con la amalgamación con sal, a falta de yacimientos conocidos de mercurio; esa técnica fue adoptada por los conquistadores y fue la base de la minería actual <tampoco veo una interrupción, salvo que conforme creció la extracción de mercurio, el proceso prehispánico, con sal del Pacífico, se abandonó. Por cierto el pulque, otra herencia biotecnológica <ya mencioné otras> que no hemos sabido valorar.

No estoy justificando la conquista. Como los comentarios rabiosos tampoco van a evitar que suceda, lo que sucedió ya. En nuestras manos está resolver el sufrimiento de nuestros contemporáneos. Lo mínimo que podemos hacer, es conocer nuestro entorno. No esperar que un líder con una varita mágica "nos salga bueno", como si compráramos un billete de la lotería. 

Claro que el legado cultural, administrativo, industrial y agronómico de los pueblos precolombinos de América no es nada nuevo. Y hoy son tan relevantes en la economía global, gracias a que nadie los destruyó en el camino y a que los técnicos los hemos seguido mejorando. Hoy se aplica la tecnología más avanzada para continuar mejorando los cultivos y procesos industriales que mencioné. No se quedaron a nivel de museo.
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