Fermentación alcohólicaSaltar a: navegación, búsqueda

La fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico que además de generar etanol desprende grandes cantidades de dióxido de carbono (CO2) además de energía para el metabolismo de las bacterias anaeróbicas y levaduras.

La fermentación alcohólica es un proceso biológico de fermentación en plena ausencia de aire (oxígeno - O2), originado por la actividad de algunos microorganismos que procesan los hidratos de carbono (por regla general azúcares: como pueden ser por ejemplo la glucosa, la fructosa, la sacarosa, el almidón, etc.) para obtener como productos finales: un alcohol en forma de etanol (cuya fórmula química es: C H 3-C H 2-OH), dióxido de carbono (CO2) en forma de gas y unas moléculas de ATP que consumen los propios microorganismos en su metabolismo celular energético anaeróbico. El etanol resultante se emplea en la elaboración de algunas bebidas alcohólicas, tales como el vino, la cerveza, la sidra, el cava, etc.1 Aunque en la actualidad se empieza a sintetizar también etanol mediante la fermentación a nivel industrial a gran escala para ser empleado como biocombustible.2 3

La fermentación alcohólica tiene como finalidad biológica proporcionar energía anaeróbica a los microorganismos unicelulares (levaduras) en ausencia de oxígeno para ello disocian las moléculas de glucosa y obtienen la energía necesaria para sobrevivir, produciendo el alcohol y CO2 como desechos consecuencia de la fermentación. Las levaduras y bacterias causantes de este fenómeno son microorganismos muy habituales en las frutas y cereales y contribuyen en gran medida al sabor de los productos fermentados (véase Evaluación sensorial).4 Una de las principales características de estos microorganismos es que viven en ambientes completamente carentes de oxígeno (O2), máxime durante la reacción química, por esta razón se dice que la fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico

LevadurasArtículo principal: Levadura.

La levadura S. cerevisiae (en una imagen de microscopio) es un hongo unicelular responsable de gran parte de las fermentaciones alcohólicas.

Las levaduras son cuerpos unicelulares (generalmente de forma esférica) de un tamaño que ronda los 2 a 4 μm y que están presentes de forma natural en algunos productos como las frutas, cereales y verduras. Son lo que se denominan: organismos anaeróbicos facultativos, es decir que pueden desarrollar sus funciones biológicas sin oxígeno. Se puede decir que el 96% de la producción de etanol la llevan a cabo hongos microscópicos, diferentes especies de levaduras, entre las que se encuentran principalmente Saccharomyces cerevisiae, Kluyveromyces fragilis, Torulaspora y Zymomonas mobilis.12 Los microorganismos responsables de la fermentación son de tres tipos: bacterias, mohos y levaduras.13 Cada uno de estos microorganismos posee una característica propia sobre la fermentación que son capaces de provocar. En algunos casos son capaces de proporcionar un sabor característico al producto final (como en el caso de los vinos o cervezas). A veces estos microorganismos no actúan solos, sino que cooperan entre sí para la obtención del proceso global de fermentación. Las propias levaduras se han empleado a veces en la alimentación humana como un subproducto industrial. Se ha descubierto que en algunos casos es mejor inmovilizar (reducir el movimiento) de algunas levaduras para que pueda atacar enzimáticamente mejor y con mayor eficiencia sobre el substrato de hidratos de carbono evitando que los microorganismos se difundan facilitando su recuperación (los biocatalizadores suelen ser caros), para ello se emplean 'fijadores' como agar, alginato de calcio, astillas de madera de bálsamo, etcétera.14

Algunas cepas de bacterias tienen eficiencias de fermentación altas sin necesidad de fijación, incluso a relativas velocidades de movilidad, tal y como puede ser el caso de Zymomonas mobilis (cuyo genoma completo se hizo público en el año 2005 15 ). Sin embargo, esta bacteria no se ha empleado industrialmente para la fermentación de la cerveza y de la sidra por proporcionar sabores y olores desagradables. No obstante posee una alta resistencia a sobrevivir a concentraciones elevadas de etanol, lo que la convierte en una bacteria ideal en la generación de etanol para usos no comestibles (como puede ser biocombustibles). El biólogo Lindner en el año 1928 fue el primero en describir la bacteria Zymomonas mobilis (conocida en honor de su descubridor como Z. lindneri, Thermobacterium mobile o Pseudomonas lindneri).16 Una de las características

de esta bacteria es que emplea la vía Entner-Doudoroff para el metabolismo de la glucosa, en lugar de la más habitual vía de Embden-Meyerhoff-Parnas.

Cuando el medio es rico en azúcar (como puede ser el caso de las melazas o siropes), la transformación del mismo en alcohol hace que la presencia de una cierta concentración (generalmente expresada en grados brix) afecte a la supervivencia de levaduras no pudiendo realizar la fermentación en tal medio (las altas concentraciones de azúcar frenan los procesos osmóticos de las membranas de las células). Aunque hay distintos tipos de levaduras con diferentes tolerancias a las concentraciones de azúcares y de etanol, el límite suele estar en torno a los 14 o de alcohol para las levaduras del vino, por ejemplo. Los azúcares empleados en la fermentación suelen ser: dextrosa, maltosa, sacarosa y lactosa (azúcar de la leche).13 Los microorganismos 'atacan' específicamente a cada una de los hidratos de carbono, siendo la maltosa la más afectada por las levaduras. Otros factores como el número de levaduras (contadas en el laboratorio, o la industria, a veces mediante cámaras de Neubauer).

Algunos enzimas participan en la fermentación, como puede ser la diastasa o la invertasa.13 Aunque la única responsable de convertir los hidratos de carbono en etanol y dióxido de carbono es la zimasa. La zimasa es la responsable final de dirigir la reacción bioquímica que convierte la glucosa en etanol.17 La idea de que una sustancia albuminoide específica desarrollada en la célula de la levadura llega a producir la fermentación fue ya expuesta en el año 1858 por Moritz Traube como la teoría enzimática o fermentativa y, más tarde, ha sido defendida por Felix Hoppe-Seyler hasta llegar al descubrimiento de Eduard Buchner que llegó a hacer la fermentación sin la intervención de células y hongos de levadura.18

Bioquímica de la reacción

Bioquímica de la reacción de fermentación

La glucólisis es la primera etapa de la fermentación, lo mismo que en la respiración celular, y al igual que ésta necesita de enzimas para su completo funcionamiento. A pesar de la complejidad de los procesos bioquímicos una forma esquemática de la reacción química de la fermentación alcohólica puede describirse como una glicólisis (en la denominada vía Embden-Meyerhof-Parnes) de tal forma que puede verse como participa inicialmente una molécula de hexosa:19

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP → 2 CH3-CH2OH + 2 CO2 + 2 ATP + 25.5 kcal

Se puede ver que la fermentación alcohólica es desde el punto de vista energético una reacción exotérmica, se libera una cierta cantidad de energía. La fermentación alcohólica produce gran cantidad de CO2, que es la que provoca que el cava (al igual que el Champagne y algunos vinos) tengan burbujas. Este CO2 (denominado en la edad media como gas vinorum) pesa más que el aire, y puede llegar a crear bolsas que desplazan el oxígeno de los recipientes donde se produce la fermentación. Por ello es necesario ventilar bien los espacios dedicados a tal fin. En las bodegas de vino, por ejemplo, se suele ir con una vela encendida y colocada a la altura de la cintura, para que en el caso de que la vela se apague, se pueda salir inmediatamente de la bodega. La liberación del dióxido de carbono es a veces "tumultuosa" y da la sensación de hervir,

de ahí proviene el nombre de fermentación, palabra que en castellano tiene por etimología del latín fervere.

Un cálculo realizado sobre la reacción química muestra que el etanol resultante es casi un 51% del peso, los rendimientos obtenidos en la industria alcanzan el 7%.20 Se puede ver igualmente que la presencia de fósforo (en forma de fosfatos), es importante para la evolución del proceso de fermentación.6 La fermentación alcohólica se produce por regla general antes que la fermentación maloláctica, aunque existen procesos de fermentación específicos en los que ambas fermentaciones tienen lugar al mismo tiempo. La presencia de azúcares asimilables superiores a una concentración sobre los 0,16 g/L produce invariablemente la formación de alcohol etílico en proceso de crecimiento de levadura (Saccharomyces cerevisiae) incluso en presencia de exceso de oxígeno (aeróbico), este es el denominado efecto Crabtree,21 este efecto es tenido en cuenta a la hora de estudiar y tratar de modificar la producción de etanol durante la fermentación.22

Si bien el proceso completo (vía Embden-Meyerhof-Parnes) descrito simplificado anteriormente explica los productos resultantes de la fermentación etílica de una hexosa, cabe destacar que el proceso se puede detallar en una glicólisis previa gobernada por un conjunto de enzimas en la que se obtiene 2 piruvato tal y como se describe a continuación:23

C6H12O6 → 2 CH3COCOO− + 2 H2O + 2H+

La reacción química se describe como la reducción de dos moléculas de Nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+) de NADH (forma reducida del NAD+) con un balance final de dos moléculas de ADP que finalmente por la reacción general mostrada anteriormente se convierten en ATP (adenosín trifosfato). Otros compuestos trazados en menores proporciones que se encuentran presentes tras la fermentación son: el ácido succínico, el glicerol, el ácido fumárico.

En más detalle durante la fermentación etílica en el interior de las levaduras, la vía de la glucólisis es idéntica a la producida en el eritrocito (con la excepción del piruvato que se convierte finalmente en etanol). En primer lugar el piruvato se descarboxila mediante la acción de la piruvato descarboxilasa para dar como producto final acetaldehído liberando por ello dióxido de carbono (CO2) a partir de iones del hidrógeno (H+) y electrones del NADH.24 Tras esta operación el NADH sintetizado en la reacción bioquímica catalizada por el GADHP se vuelve a oxidar por el alcohol deshidrogenasa, regenerando NAD+ para la continuación de la glucólisis y sintetizando al mismo tiempo etanol. Se debe considerar que el etanol va aumentando de concentración durante el proceso de fermentación y debido a que es un compuesto tóxico, cuando su concentración alcanza aproximadamente un 12% de volumen las levaduras tienden a morir. Esta es una de las razones fundamentales por las que las bebidas alcohólicas (no destiladas) no alcanzan valores superiores a los 20% de concentración de etanol.

Balance energético

La fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico exotérmico (libera energía) y moléculas de ATP necesarias para el funcionamiento metabólico de las levaduras (seres unicelulares). Debido a las condiciones de ausencia de oxígeno durante el bioproceso, la

respiración celular de la cadena del ADP en ATP queda completamente bloqueada, siendo la única fuente de energía para las levaduras la glicólisis de la glucosa con la formación de moléculas de ATP mediante la fosforilación a nivel de sustrato. El balance a nivel molecular del proceso se puede decir que genera 2 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa. Si se compara este balance con el de la respiración celular se verá que se generan 38 moléculas de ATP.25 A pesar de ello parece ser suficiente energía para los organismos anaeróbicos. La energía libre de Gibbs (entalpía libre) de la reacción de fermentación etílica muestra un valor de ΔG de -234.6 kJ mol-1 (en un entorno de acidez neutra pH igual a 7) este valor negativo de la energía libre de Gibbs indica que: desde el punto de vista termodinámico la fermentación etílica es un proceso químico espontáneo 26

Limitaciones del Proceso

La determinación de los factores que limitan la glucólisis fermentativa del etanol son complejos debido a la interrelación existente y a la naturaleza de los parámetros intervinientes durante el proceso de fermentación. Algunos de ellos se deben tener en cuenta en la fermentación alcohólica industrial. En las limitaciones que surgen durante el proceso se pueden enumerar algunos de los más importantes como son:

Concentración de etanol resultante - Una de las principales limitaciones del proceso, es la resistencia de las levaduras a las concentraciones de etanol (alcohol) que se llegan a producir durante la fermentación, algunos microorganismos como el saccharomyces cerevisiae pueden llegar a soportar hasta el 20% de concentración en volumen.20 En ingeniería bioquímica estos crecimientos se definen y se modelizan con las ecuaciones de crecimiento celular dadas por las ecuaciones de Tessier, Moser y de la ecuación de Monod.27

Acidez del substrato - El pH es un factor limitante en el proceso de la fermentación ya que las levaduras se encuentran afectadas claramente por el ambiente, bien sea alcalino o ácido. Por regla general el funcionamiento de las levaduras está en un rango que va aproximadamente desde 3.5 a 5.5 pH. Los procesos industriales procuran mantener los niveles óptimos de acidez durante la fermentación usualmente mediante el empleo de disoluciones tampón. Los ácidos de algunas frutas (ácido tartárico, málico) limitan a veces este proceso.

Concentración de azúcares - La concentración excesiva de hidratos de carbono en forma de monosacáridos y disacáridos puede frenar la actividad bacteriana. De la misma forma la baja concentración puede frenar el proceso. Las concentraciones límite dependen del tipo de azúcar así como de la levadura responsable de la fermentación.20 Las concentraciones de azúcares afectan a los procesos de osmosis dentro de la membrana celular.

Contacto con el aire - Una intervención de oxígeno (por mínima que sea) en el proceso lo detiene por completo (es el denominado Efecto Pasteur).28 Esta es la razón por la que los recipientes fermentadores se cierren herméticamente.

La temperatura - El proceso de fermentación es exotérmico, y las levaduras tienen un régimen de funcionamiento en unos rangos de temperatura óptimos, se debe entender además que las levaduras son seres mesófilos. Si se expone cualquier levadura a una temperatura cercana o superior a 55 °C por un tiempo de 5 minutos se produce su muerte. La mayoría cumple su misión a temperaturas de 30 °C.

Ritmo de crecimiento de las cepas - Durante la fermentación las cepas crecen en número debido a las condiciones favorables que se presentan en el medio, esto hace que se incremente la concentración de levaduras.

Tipos de fermentación alcohólica

Fermentaciones naturales

La fermentación alcohólica con la emisión de ciertas cantidades de etanol se produce de forma espontánea en la naturaleza siempre que se encuentre un azúcar y una atmósfera pobre de oxígeno,26 es por esta razón que ocurre espontáneamente en el interior de algunas frutas que se puede decir sufren un proceso de maduración anaeróbica, tal y como puede ser el melón curado que muestra olor a alcohol, o los mismos cocos.31 32 Un aspecto de la fermentación alcohólica natural o espontánea se puede dar en ciertas frutas como el de la vid, en una fase inicial en la que las uvas se incluyen en las cubas madre de acero inoxidable y se produce la denominada fermentación tumultuosa encargada de hacer aparecer las primeras trazas de etanol.

Una de las fermentaciones naturales más habituales en las frutas y que se emplea en los procesos de vinificación de algunos vinos es la denominada Maceración carbónica.33 Este tipo de fermentación causa a veces intoxicaciones etílicas a los insectos que se alimentan de las frutas maduras (véase: abejas y elementos tóxicos).

La fermentación alcohólica. Cómo se produce y aplicaciones.

Creado el Marzo 14, 2011 por amarin Archivado como Biotecnología y Economía, General, Productos biotecnológicos | 3 Comentarios

La fermentación alcohólica es un proceso anaerobio en el que las levaduras y algunas bacterias, descarboxilan el piruvato obtenido de la ruta Embden-Meyerhof-Parnas (glicolisis) dando acetaldehído, y éste se reduce a etanol por la acción del NADH2 [1 – 2]. Siendo la reacción global (1), conocida como la ecuación de Gay-Lussac [3]:

C6H12O6 ———-> 2 CH3CH2OH + 2 CO2 (1)

Glucosa —–> 2 Etanol + 2 Dióxido de carbono (2)

El balance energético de la fermentación puede expresarse de la siguiente forma [3]:

C6H12O6 + 2 ADP + 2 H3PO4 —> 2 CH3CH2OH + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H2O (3)

La transformación de glucosa en alcohol supone la cesión de 40 kcal. Mientras que la formación de un enlace de ATP necesita 7,3 kcal, por tanto se requerirán 14,6 kcal, al crearse dos enlaces de ATP, tal y como se muestra en la reacción (3). Esta energía es empleada por las levaduras que llevan a cabo la fermentación alcohólica para crecer. De forma que sólo quedan, 40 – 14,6 = 25,6 kcal que se liberan, calentando la masa de fermentación [3]. No obstante, la fermentación alcohólica no es una utilización eficiente del sustrato glucídico, fundamentalmente por su carácter anaerobio. Si se compara con la degradación aeróbica de la glucosa, se llega a la conclusión de que esta última pone a disposición de la actividad celular de las levaduras, un 40,4 % del total de la energía. En cambio, en la fermentación sólo se consigue abastecer a las células de las levaduras con un 2,16 % de la energía total, almacenada en forma de ATP [3].

Pese a esta baja eficiencia energética con respecto al proceso aerobio, se recurre a la fermentación alcohólica en la fabricación de diversos productos alimenticios como: pan, vino, cerveza, champagne, todo tipo de bebidas alcohólicas fermentadas y chocolate. Asimismo, las bebidas destiladas, como por ejemplo el brandy, se obtienen a partir de las bebidas fermentadas, en concreto del vino blanco, por simple evaporación del agua [5]. Además, una característica importante de la fermentación alcohólica, es que produce gran cantidad de CO2, responsable de las burbujas del champagne y de la textura esponjosa del pan [1].

Las cepas de levadura más empleadas en la fabricación del vino, cerveza y pan, son las correspondientes a la especie Saccharomyces cerevisiae [6]. Esta levadura sigue un metabolismo fermentativo cuando está en condiciones anaerobias, pero cuando hay oxígeno hace una respiración aerobia y no produce alcohol. Este fenómeno se conoce como efecto Pasteur, y es determinante en la industria de bebidas alcohólicas, pues para que la producción de etanol sea correcta, las levaduras deben desarrollarse en ausencia de oxígeno [7].

Aunque existen otras, como pueden ser: Kloeckera apiculata (levadura de bajo poder fermentativo, presente en las vinificaciones) y Saccharomyces bayanus (de alto poder fermentativo, presente también en las vinificaciones) [6]. Otra utilidad interesante de la fermentación alcohólica es la producción a gran escala de bioetanol a partir de biomasa. Éste supone una alternativa competitiva y más limpia al uso de combustibles fósiles como el petróleo. Un inconveniente de este proceso, es la gran generación de CO2, la cual provoca un impacto sobre el medio ambiente que contribuye al cambio climático, y por esa razón debe de ser controlado [8]. En definitiva, se puede concluir que la fermentación alcohólica es un proceso biológico ampliamente utilizado en la industria, ya que se ve implicada en la elaboración de productos esenciales en la alimentación, así como en el desarrollo de biocombustibles.

Fermentación AlcohólicaLa fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico realizado por las levaduras y algunas clases de bacterias. Estos microorganismos transforman el azúcar en alcohol etílico y dióxido de carbono. La fermentación alcohólica, comienza después de que la glucosa entra en la celda. La glucosa se degrada en un ácido pyruvic. Este ácido pyruvic se convierte luego en CO2 y etanol. Los seres humanos han aprovechado este proceso para hacer pan, cerveza, y vino. En estos tres productos se emplea el mismo microorganismo que es: la levadura común o lo Saccharomyces cerevisae.ndo ... fermentacion alcoholica10 definiciones encontradas

FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA .     [volver]La fermentación alcohólica es el proceso por el que los azucares contenidos en el mosto se convierten en alcohol etílico.

Para llevar a cabo este proceso es necesaria la presencia de levaduras, hongos microspcopicos que se encuentran, de forma natural en los hollejos (en la capa de polvillo blanco que recubre las uvas y que se llama "pruina")

El oxígeno es el desencadenante inicial de la fermentación, ya que las levaduras lo van a necesitar en su fase de crecimiento. Sin embargo al final de la fermentación conviene que la presencia de oxígeno sea pequeña para evitar la perdida de etanol y la aparición en su lugar de acético o acetrilo.

El proceso, simplificado, de la fermentación es:

Azucares + levaduras ==> Acohol etílico + CO2 + Calor + Otras sustancias

La fermentación alcohólica es un proceso exotérmico, es decir, se desprende energía en forma de calor. Es necesario controlar este aumento de temperatura ya que si ésta acendisese demasiado (25 - 30º) las levaduras comenzarían a morir deteniendose el proceso fermentativo.

Depósito de fermentación [deposito.wmv (1,3MB)]

Manteniendo un flujo de agua constante, cayendo por las paredes se consigue limitar la temperatura del

depósito

Otro producto resultante de la fermentación es el anhídrido carbónico (CO2) en estado gaseoso, lo que provoca el burbujeo, la ebullición y el aroma característico de una cuba de mosto en fermentación.

Esta ebullición hace que las partes sólidas (hollejos) suban a la superficie del mosto formándose una capa en la parte superior del depósito llamado "sombrero". Este "sobrero" capa, que dará origen al orujo, protege al mosto de ataques bacterianos y de posibles oxidaciones y, fundamentalmente, cede al mosto gran cantidad de sustancias contenidas en los hollejos, sobre todo, taninos, sustancia colorante gracias a la cual el vino adquiere su color rojizo característico, y aromas y extractos que se encuentran en la piel de la uva.

A lo largo de todo el proceso de fermentación, y en función de las condiciones (cantidad de azucar disponible, temperatura, oxigeno, etc.) cambia el tipo de levadura que predomina pudiéndose distinguir varias fases en la fermentación:

1ª fase (primeras 24 horas), predominan levaduras no esporogeneas, que resisten un grado alcohólico 4-5. Son sensibles al anhídrido sulfuroso.

2ª fase,(2º-4º día), predomina el Sacharomyces cerevisiae que resiste hasta un grado de alcohol entre 8 y 16. En esta fase es cuando se da la máxima capacidad fermentativa

3ª fase, sigue actuando Sacharomyces Cerevisiae junto a Sacharomyces Oviformis. También pueden existir otros microorganismos procedentes principalmente de las bodegas y de los utensilios, suelen ser hongos entre los que destacan Penicillium, Aspergilus, Oidium,...

Otras sustancias generadas en la fermentación son:- Ácido acético- Ácido láctico- Ácido pirúvico y acetaldehido- Ácido succínico- Acetoina, Diacetilo y 2-3 Butanodiol (butilenglicol)- Alcoholes Superiores, Ésteres y Acetatos- Vinil-Fenoles y Etil-Fenoles

El proceso fermentativo termina cuando ya se han desdoblado prácticamente todos los azúcares y cesa la ebullición.

Fermentación alcohólica. Denominada también como fermentación del etanol o fermentación etílica, es un proceso anaeróbico realizado por las levaduras, mohos y algunas clases de bacterias, que producen cambios químicos en las sustancias orgánicas.

La fermentación alcohólica tiene como finalidad biológica proporcionar energía anaeróbica a los microorganismos unicelulares (levaduras) en ausencia de oxígeno para ello disociar las moléculas de glucosay obtener la energía necesaria para sobrevivir, produciendo el alcohol y CO2 como desechos consecuencia de la fermentación.

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1 Historia 2 Descripción

o 2.1 Materias Primas o 2.2 Condiciones requeridas para la fermentación alcohólica. o 2.3 Otras sustancias generadas en la fermentación

3 Usos de la fermentación alcohólica 4 Véase También 5 Enlaces Externos

6 Fuente

Historia

La humanidad emplea la fermentación alcohólica desde tiempos inmemoriales para la elaboración de cerveza (empleando cereales) y del vino (empleando el fruto de la vid: la uva en forma de mosto) fundamentalmente. Los griegos atribuían el descubrimiento de la fermentación al dios Dionisio.

En Alemania (1837) descubren que las bacterias (organismos microscópicos unicelulares) son la causa del proceso, pero no fue hasta que Eduard Buchner en el año 879 a.C descubre que la enzima zimasa es la responsable final de la fermentación alcohólica trabajo por el que recibe el Premio Nobel de Química. Con el advenimiento de los descubrimientos químicos en el año 1815 el investigador francés Joseph Louis Gay-Lussac fue el primero en determinar una reacción de fermentación obteniendo etanol a partir de glucosa, a pesar de este logro los fundamentos de la fermentación alcohólica eran completamente desconocidos. Louis Pasteur en el año 1875 demostró que la fermentación era un proceso anaeróbico (en ausencia de oxígeno).

Los descubrimientos posteriores a partir del periodo que va desde mediados del siglo XX hasta comienzos del siglo XXI se centran exclusivamente en la mejora de los procesos de fermentación alcohólica y conciernen más a la optimización del rendimiento industrial bien sea mediante una buena selección de cepas de levaduras, de una temperatura de funcionamiento óptima, de como realizar fermentación en un proceso continuo.

Descripción

La fermentación alcohólica es llevada a cabo principalmente por la levadura Saccharomyces cerevisae, que es la levadura corriente del pan o la cerveza, quien convierte un 90% del azúcar en cantidades equimoleculares de alcohol y CO2.

Materias Primas Materias sacaroideas como azúcar de caña, remolacha, melazas y jugos de

frutas. Materias que contienen almidón: cereales (maíz, cebada, avena, trigo, arroz,

sorgo, etc), así como papa, boniato, girasol, yuca, etc. Materiales celulósicos como madera y residuos de fabricación de pulpa de papel.

La principal materia prima es la melaza.

Condiciones requeridas para la fermentación alcohólica. Concentración de azúcares: 10 – 18 % pH entre 4 y 4,5 Microorganismo: Saccharomyces cerevisiae Ausencia de O2 y presencia de fosfatos. Temperatura de fermentación: 15 – 25ºC, por encima de 30ºC se evapora el

alcohol.

El esquema general es como sigue:

En esta fermentación a partir de la glucosa y con la participación de diferentes enzimas, se origina el ácido pirúvico, el cual es descarboxilado hasta CO2 y acetaldehído y este

último reducido por la acción de la deshidrogenada hasta alcohol etílico:

El oxígeno es el desencadenante inicial de la fermentación, ya que las levaduras lo van a necesitar en su fase de crecimiento. Sin embargo al final de la fermentación conviene que la presencia de oxígeno sea pequeña para evitar la perdida de etanol y la aparición en su lugar de ácido acético. La fermentación alcohólica es un proceso exotérmico, es decir, se desprende energía en forma de calor. Es necesario controlar este aumento de temperatura ya que si ésta acendisese demasiado (25 - 30º) las levaduras comenzarían a morir deteniendose el proceso fermentativo. Otro producto resultante de la fermentación es el anhídrido carbónico (CO2) en estado gaseoso, lo que provoca el burbujeo, la ebullición y el aroma característico de una cuba de mosto en fermentación.

Esta ebullición hace que las partes sólidas (hollejos) suban a la superficie del mosto formándose una capa en la parte superior del depósito llamado "sombrero". Este "sobrero" capa, que dará origen al orujo, protege al mosto de ataques bacterianos y de posibles oxidaciones y, fundamentalmente, cede al mosto gran cantidad de sustancias contenidas en los hollejos, sobre todo, taninos, sustancia colorante gracias a la cual el vino adquiere su color rojizo característico, y aromas y extractos que se encuentran en la piel de la uva. A lo largo de todo el proceso de fermentación, y en función de las condiciones (cantidad de azúcar disponible, temperatura, oxigeno, etc.) cambia el tipo de levadura que predomina pudiéndose distinguir varias fases en la fermentación:

1ª fase (primeras 24 horas), predominan levaduras no esporogeneas, que resisten un grado alcohólico 4-5. Son sensibles al anhídrido sulfuroso.

2ª fase (2º-4º día), predomina el Sacharomyces cerevisiae que resiste hasta un grado de alcohol entre 8 y 16. En esta fase es cuando se da la máxima capacidad fermentativa

3ª fase sigue actuando Sacharomyces Cerevisiae junto a Sacharomyces Oviformis. También pueden existir otros microorganismos procedentes principalmente de las bodegas y de los utensilios, suelen ser hongos entre los que destacan Penicillium, Aspergilus, Oidium,

Otras sustancias generadas en la fermentación Ácido acético Ácido láctico Ácido pirúvico y acetaldehido Ácido succínico Acetoina, Diacetilo y 2-3 Butanodiol (butilenglicol) Alcoholes Superiores, Ésteres y Acetatos Vinil-Fenoles y Etil-Fenoles

El proceso fermentativo termina cuando ya se han desdoblado prácticamente todos los azúcares y cesa la ebullición.

Usos de la fermentación alcohólica

El empleo principal de los procesos de fermentación por parte del ser humano ha ido dirigido, desde muy antiguo, a la producción de etanol destinado a la elaboración de bebidas alcohólicas como como el vino, la cerveza, la sidra, etc. Dentro de los estudios de biotecnología se ha intentado emplear el etanol resultante de la fermentación alcohólica de los desechos agrícolas (biomasa) en la obtención de biocombustibles empleados en los motores de vehículos. Los usos del etanol en la industria son amplios y van desde la elaboración de productos cosméticos, productos de limpieza, etc. No obstante el empleo de la fermentación alcohólica tiene un éxito potencial en el tratamiento de los residuos de la industria alimenticia. Un proceso industrial muy investigado a comienzos del siglo XXI es la fermentación en estado sólido empleada en la biomedicación y en la biodegradación de productos de desecho, la transformación biológica de residuos agroindustriales, en la producción de compuestos bioactivos, de enzimas, de ácidos orgánicos, biopesticidas, biocombustibles y compuestos aromáticos, entre otros.

Véase También Fermentación Levadura

Las levaduras se han utilizado desde la prehistoria en la elaboración del pan y del vino, pero los fundamentos científicos de su cultivo y uso en grandes cantidades fueron descubiertos por el microbiólogo francés Louis Pasteur en el sigloXIX.

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1 Qué son las levaduras   ? 2 Características generales 3 Características Morfológicas 4 Reproducción 5 Características de cultivo 6 Propiedades Fisiológicas 7   Clasificación e identificación 8 Seleccion de levaduras

9 Fuentes

Qué son las levaduras ?

Las levaduras es cualquiera de los diversos hongos microscópicos unicelulares que son importantes por su capacidad para realizar la fermentación de hidratos de carbono, produciendo distintas sustancias. Son abundantes en la naturaleza, y se encuentran en el

suelo y sobre las plantas. La mayoría de las levaduras que se cultivan pertenecen al género Saccharomyces.

Características generales

Las levaduras se clasifican en base a sus caracteres morfológicos, aunque para algunos microbiólogos, sus propiedades fisiológicas tienen mayor importancia. La mayoría de las levaduras son hongos unicelulares sencillos microscópicos, la mayoría se reproducen asexualmente por gemación, y otras especies lo hacen por fisión múltiple. Las levaduras que pueden reproducirse sexualmente se conocen como “verdaderas”, este proceso implica la formación de ascosporas, sirviendo la propia levadura como asca, de aquí que ellas se clasifican como Ascomicetos; por el contrario las “falsas” que no producen ascosporas, pertenecen a los hongos imperfectos.

Características Morfológicas

Los caracteres morfológicos de las levaduras se determinan mediante su observación microscópica. Además, los criterios morfológicos se basan en el modo de reproducción vegetativa de la morfología celular, de la formación de Pseudomicelio y de Micelio. La forma de la levadura puede ser desde esférica a ovoide, en forma de limón, piriforme, cilíndrica, triangular, e incluso alargada formando un verdadero micelio o un falso micelio. También se diferencian en cuanto a su tamaño, miden de 1-10 um ancho por 2-3 um de longitud. Son partes observables de su estructura, la pared celular, el citoplasma, las vacuolas, los glóbulos de grasa, y los gránulos, los cuales pueden ser metacromáticos, de albúmina o de almidón. Para poder observar el núcleo es preciso utilizar tinciones especiales. La estructura celular es de tipo eucariótico, pero sin sistema fotosintético. La pared rígida, se caracteriza por la presencia, en su composición, de dos polisacáridos: manano y glucano. Algunas levaduras producen una cápsula constituida por fosfomanos. El núcleo está rodeado de una membrana que persiste durante la división celular. El número de cromosomas es variable de unas a otras. Las levaduras en ningún caso son móviles.

Reproducción

La mayoría de las levaduras se reproducen por gemación multicelular o por gemación polar, que es el mecanismo en el cual una porción del protoplasma sobresale de la pared de la célula y forma una protuberancia, la cual aumenta de tamaño y se desprende como una nueva célula de levadura. En las levaduras que forman película, la yema crece a partir de una prolongación tubuliforme de la célula madre. El material nuclear replicado se reparte entre la célula madre y la célula hija .La reproducción sexual de las levaduras verdaderas (Ascomycotina) da lugar a la producción de ascosporas, desempeñando la función de asca, la propia célula de la levadura. En la mayoría de las especies de levaduras verdaderas, la formación de ascosporas tiene lugar tras la conjugación de dos células, aunque algunas pueden producir ascosporas sin que exista conjugación previa, teniendo lugar después la conjugación de las ascosporas. Tanto el número y el aspecto de esporas por asca, son

típicos de cada especie de levadura, y se pueden diferenciar por su color, rugosidad o lisura de su pared y por su forma (redondeada, ovalada, arriñonada, falciforme, forma de saturno o de sombrero, hemisférica, angular). Las células de algunas levaduras se transforman en clamidosporas mediante la formación de una gruesa pared alrededor de la célula, tal como ocurre, por ejemplo, en las especies de los géneros Candida, Rhodotorula y Cryptococcus.

Características de cultivo

En la mayoría de los casos, el crecimiento en masa de las levaduras no resulta apropiado para su identificación. En los cultivos con agar, es difícil diferenciar las colonias de levaduras de las colonias bacterianas, por lo que la observación microscópica es la única forma segura que existe para poderlas diferenciar. La mayoría de las colonias jóvenes de levaduras son húmedas y algo mucosas, y es posible que tengan aspecto harinoso. La mayoría de las colonias son blanquecinas, algunas tienen un color crema o rosado. Algunas colonias cambian poco de aspecto cuando envejecen, otras se secan y se vuelven rugosas. Las levaduras son oxidativas, fermentativas, o bien su actividad metabólica es a la vez de ambos tipos. En la superficie de un líquido, las levaduras oxidativas pueden crecer en forma de película, de velo, o de espuma, y por ello se denominan levaduras formadoras de película. Las levaduras fermentativas suelen crecer en toda la masa del líquido y producen dióxido de carbono.

Propiedades Fisiológicas

Las distintas especies de levaduras pueden ser muy diferentes en cuanto a su fisiología, la mayoría necesitan más humedad para crecer y desarrollarse. El intervalo de temperatura de crecimiento de las levaduras es en general, parecido al de los hongos, con una temperatura óptima en torno a los 25 a 30ºC y una temperatura máxima en torno a los 35 a 47ºC. Una reacción ácida del medio, próxima a un pH de 4 a 4.5, estimula el crecimiento de la mayoría de las levaduras, mientras que en medios básicos, no crecen bien a no ser que se hayan adaptado a los mismos, crecen mejor en aerobiosis, aunque las especies de tipo fermentativo son capaces de crecer, aunque lentamente, en anaerobiosis. En general, los azúcares son la fuente energética más apropiada para las levaduras, aunque en las oxidativas, por ejemplo, las formadoras de película oxidan los ácidos orgánicos y el alcohol, y también contribuyen en la producción de los sabores o “bouquet” de los vinos.

 Clasificación e identificación

La clasificación de las levaduras es compleja, no obstante el desarrollo de nuevas técnicas basadas en Biología Molecular, ha permitido separar o reagrupar las especies. Las levaduras pertenecen al Reino Fungi y dentro de él a la división Eumicota que agrupa a los hongos verdaderos. En esta división, las levaduras se incluyen en 2 de las 5 subdivisiones de los Eumicetos, la Ascomycotina representada por las levaduras capaces de producir ascosporas, llamadas por ello esporógenas, y la Deuteromycotina representadas por las levaduras incapaces de formar esporas llamadas no esporógenas.

Los géneros de las levaduras esporógenas englobados todos ellos en la familia Saccharomycetaceae, se distribuyen en 3 subfamilias. Los géneros de las levaduras no esporógenas constituyen la familia Cryptococcaceae. Además las levaduras pueden ser clasificadas por debajo de los taxones género y especie, en subespecies y variedades, que a menudo adquieren rango de especie tras nuevas revisiones taxonómicas, o varias especies son unificadas en una sola como subespecies de la misma, con lo que la clasificación se complica aún más y se incrementa el número de sinonimias. Los principales criterios utilizados para la clasificación e identificación de las levaduras son los siguientes:1.- Producción de ascosporas.2.- Aspecto de las células vegetativas: forma, tamaño, color, inclusiones.3.- Forma de reproducción asexual.4.- Producción de micelio.5.- Forma de película en medio liquido.6.- Color de la colonia.8.- Propiedades fisiológicas: producción de ácido, actividad ureásica.9.- Caracterización bioquímica (Frazier y Weathoff, 1998; Hayes, 1993):- Fermentación de glucosa, galactosa, sacarosa, maltosa, lactosa yrafinosa.- Crecimiento en 18 sustratos carbonados:Pentosas: D-xilosa, L-arabinosa, D-ribosa, L-ramnosa.Hexosas: D-glucosa.Disacáridos: sacarosa, maltosa, celobiosa, trehalosa, lactosa.Trisacáridos: rafinosa.Polisacáridos: almidón.Alcoholes: eritriol, ribitol, D-manitol, inositol.Ácidos orgánicos: ácido succínico, ácido cítrico.- Asimilación de nitratos.- Crecimiento a 37ºC.- Crecimiento en medio con vitaminas.- Producción de almidón.

Seleccion de levaduras

El estudio de la dinámica, cuantificación y composición de la microbiota responsable de las fermentaciones espontáneas, ha mostrado diferencias tanto cualitativas como cuantitativas, en las levaduras aisladas en una misma zona vitivinícola e incluso dentro de los depósitos de una misma bodega. Las causas de esta variabilidad pueden ser: cambios en las técnicas de aislamiento, cambios en las condiciones climáticas, etc. Por tanto, la necesidad de asegurar la fermentación alcohólica, así como la tipicidad y reproducibilidad de los vinos, requiere cada vez más, el uso de cultivos iniciadores. Las levaduras seleccionadas se han utilizado con excelentes resultados en muchos países, obteniéndose productos finales de calidad más uniforme que los que se producían con las fermentaciones espontáneas. Este último punto es el que genera el debate acerca de la utilización o no de inóculos, ya que garantizan repetitividad a expensas de perder algo de complejidad en el producto. A pesar de que existen levaduras comerciales para realizar las fermentaciones, es más efectivo el uso de cultivos puros de levaduras que procedan de la zona donde se van a utilizar, lo que se conoce como levaduras locales

seleccionadas, ya que se cree que las levaduras que se encuentran en una microzona son: específicas del área, totalmente adaptadas a las condiciones climáticas de la zona y a la materia prima, es decir al mosto a fermentar, son responsables al menos parcialmente, de las características únicas de los productos obtenidos. Las características propias de la zona pueden ser por tanto, un aspecto interesante a la hora de seleccionar una levadura, aunque hay muchos otros que también se tienen que tomar en cuenta. La importancia de estos parámetros puede ser relativa, dependiendo del producto para el cual quieren ser utilizados. La selección de la cepa adecuada para cada tipo de fermentación es una estrategia muy importante para garantizar por un lado una fermentación correcta, así como para mejorar las características del producto final, ya que las levaduras pueden producir compuestos que den un toque de distinción al producto obtenido, tales como el glicerol, ésteres, alcoholes superiores.

Fuentes

http://alezamora.galeon.com/aficiones1893538.html

Práctica de la Fermentación Actividad de Laboratorio: LA FERMENTACIÓN

ACTIVIDAD N°1: Materiales

        Un paquete de levadura activa seca.        Una taza de agua         Mechero        Dos cucharadas de azúcar        Un globo o bomba        Una botella plástica, puede ser una botella en la que venden agua.

Procedimiento:1. Infla varias veces el globo para estirarlo un poco.2. En un vaso de precipitado, coloca un poco de agua y caliéntala en el mechero pero sin dejarla hervir. Ten cuidado de no quemarte.3. Asegúrate que la temperatura del agua no sea muy alta. Si aún está muy caliente debe esperar a que se enfríe un poco, pues de lo contrario las levaduras morirán.4. Agrega el azúcar y la levadura y mezcla hasta que se disuelvan.5. Transfiere el líquido a la botella plástica. No es necesario que la llenes, sólo agrega líquido hasta la mitad de la botella.6. Sujetando la botella, coloca el globo en la boca de la misma.7. Espera unos 30 minutos y observa qué sucede.Toma nota de lo observado. Explica lo que está sucediendo: _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ACTIVIDAD N°2: Materiales:

-          Jugo de frutas-          Levadura activa seca

-          Dos cucharadas de azúcar.-          Agua de cal

Procedimiento:1. Coloca el jugo de frutas en un envase, agrega una cucharada de azúcar y una

cucharadita de levadura.2. Montar el siguiente sistema

3. Toma nota de lo observado. ¿Qué cambios experimenta el agua de cal? ¿A qué se debe?

4. Destapa el contenido del frasco percibe el olor. Descríbelo. ¿Qué produce ese olor?

Responde lo siguiente:

1.- ¿Cuál es el papel de las levaduras en el proceso de fermentación?

2.-¿ Por qué la fermentación también recibe el nombre de GLUCÓLISIS?

3.- ¿Para qué se utiliza el ATP en la célula?

4.-¿ En la Biotecnología. Cuál es la importancia del ATP, de su producción a través de la respiración?

¿Por qué se infla el globo?La levaduras utilizan el azúcar como alimento y en el proceso liberan dióxido de carbono, el cual poco a poco va subiendo por la botella e inflando el globo. Este proceso de degradación de los azúcares en ausencia de oxígeno y liberando dióxido de carbono se llama fermentación y es lo que sucede cuando se prepara el pan, las levaduras utilizan los azúcares de la mezcla del pan y producen el dióxido de carbono, es por eso que la masa del pan se infla.

Se conocen más de 160 especies diferentes de levaduras, pero la más conocida y utilizada en la industria del pan y la cervecería es Saccharomyces cerevisiae. Los egipcios y otras culturas antiguas utilizaban las levaduras sin saber que eran microorganismos. Anton van Leeuwnhoek hacia 1680 fue quien observó por primera vez las levaduras bajo el microscopio. Y hacia 1857, Louis Pasteur descubrió que las levaduras realizan el proceso de fermentación. Hay varios tipos de fermentación: alcohólica, donde se transforman azúcares en alcoholes; acética, donde se transforma por ejemplo el vino en vinagre y láctica, done se trasforma la lactosa en acido láctico..... Es por eso que decimos que la preparación del vino, la cerveza, el vinagre, los quesos o el yogur se dan por procesos de fermentación!!! Y todo es Biotecnología!!.

Levaduras y la fermentación alcohólica (II)Autor: QuiqueCollado ( 27 de Noviembre de 2001 ) Tema: Técnicos

Siguiendo con lo comentado en el artículo anterior abordaremos otros aspectos relativos a la importancia de las levaduras y la fermentación alcohólica en la elaboración de un vino.

Las levaduras fermentativas se pueden clasificar en tres grandes grupos con relación a su influencia dentro de este proceso:

•  Levaduras de inicio de fermentación

Se trata generalmente de levaduras apiculadas, es decir con forma de limón, que tienen un bajo poder fermentativo (hasta 4-5 %Vol.). Muchas de ellas son poco beneficiosas ya que producen bastante acidez volátil, a excepción de Schizosaccharomyces veronae.

Podemos citar Kloeckera apiculata como la levadura de este tipo más común en la mayoría de las vinificaciones.

Sobre la base de esta influencia negativa por formación de acidez volátil se creó la denominada "fermentación super-cuatro" que consistía en encabezar los mostos con alcohol hasta 4 %Vol. con el fin de evitar este tipo de levaduras. Hoy en día es un método en desuso, principalmente debido al empleo de pies de cuba de levaduras seleccionadas o a la utilización de levaduras secas activas.

• Levaduras de poder fermentativo medio-alto

Una vez que se han superado los 4-5 %Vol. de alcohol, otras especies de levaduras dominan el proceso como es el caso de Saccharomyces cerevisiae var. ellipsoideus, Saccharomycespastorianus, y otras.

• Levaduras de elevado poder fermentativo

Al alcanzar los 10-11%Vol de alcohol, hay otras especies de levaduras que comienzan a ejercer su predominio debido a que gozan de un elevado poder fermentativo como son Saccharomyces oviformis, Saccharomyces bayanus, y otros Saccharomyces ellipsoideus, entre otras. Exceptuando microvinificaciones de laboratorio en las que se han llegado a alcanzar hasta 18-20 % Vol. de alcohol, lo habitual es que no puedan fermentar mas allá de los 13,5-14,5 % Vol. de alcohol. Dentro de este grupo se encuentran también las levaduras típicas de la segunda fermentación de vinos espumosos.

Dentro de las levaduras post-fermentativas se distinguen dos grandes grupos, uno sumamente perjudicial y otro sumamente beneficioso.

Las primeras son levaduras aeróbicas de bajo poder fermentativo denominadas "flores del vino" que forman un delgado velo blanquecino en la superficie de los vinos de poca graduación conservados en malas condiciones. Son sumamente perjudiciales debido a que forman gran cantidad de ácido acético y de acetato de etilo (aroma a pegamento) a partir del etanol, preparando el terreno para un posterior picado acético bacteriano. Se trata de Candyda micoderma, Hansenula anomala, y Picchias.

Las segundas, denominadas "levaduras de flor", son las levaduras típicas de los vinos de crianza biológica como son finos, manzanillas y amontillados en su crianza biológica. Forman un velo mucho más grueso, amarillento, muy floculante. Se trata de levaduras con un alto poder fermentativo que forman el velo una vez ha concluido la fermentación del mosto a diferencia de las anteriores que lo hacen desde el principio. Se trata de Saccharomyces moltuliensis, Saccharomyces italicus y Saccharomyces beticus principalmente. Estas levaduras forman acetaldehído (aroma a almendra) a partir del etanol, y acetales a partir de etanol más acetaldehído; consumen prácticamente toda la glicerina y favorecen el potencial de oxido-reducción del mosto bajo el velo para realizar la fermentación maloláctica, entre otras muchas cosas. Es por ello por lo que los vinos base de estas elaboraciones se encabezan hasta los 15-15,5 % Vol. con alcohol vínico con el fin de evitar otras especies de levaduras y que pueda formarse el velo característico de la crianza biológica en las botas.

Podría pensarse en realizar la fermentación alcohólica con las levaduras que nosotros quisiéramos únicamente, como ocurre en muchas otras industrias fermentativas, lo cual es totalmente inviable en vinificación en bodega. Para ello tendríamos que esterilizar

previamente el mosto, lo que conllevaría una absoluta pérdida de enzimas, vitaminas, metabolitos, ... y especialmente de aromas.

El empleo de pies de cuba con levaduras seleccionadas o de levaduras secas activas, es sumamente viable y en ocasiones recomendado, pero su actuación es limitada, teniendo lugar fundamentalmente al principio mientras que a la larga se imponen las levaduras autóctonas presentes en la pruina de la uva y en las instalaciones bodegueras, mucho mas adaptadas.

Como curiosidad, y para finalizar este apartado, podría decirse que parecemos totalmente ciegos ya que en un depósito, por ejemplo de 100 Hl., llega a haber la friolera de unos 10.000.000.000.000 de levaduras, y sin embargo, no vemos ni una.

Condiciones necesarias para la fermentación alcohólica

Temperatura

Las levaduras son microorganismos mesófilos, esto hace que la fermentación pueda tener lugar en un rango de temperaturas desde los 13-14ºC hasta los 33-35ºC. Dentro de este intervalo, cuanto mayor sea la temperatura mayor será la velocidad del proceso fermentativo siendo también mayor la proporción de productos secundarios. Sin embargo, a menor temperatura es más fácil conseguir un mayor grado alcohólico, ya que parece que las altas temperaturas que hacen fermentar más rápido a las levaduras llegan a agotarlas antes.

La temperatura más adecuada para realizar la fermentación alcohólica se sitúa entre los 18-23ºC y es la que se emplea generalmente en la elaboración de vinos blancos. Sin embargo, para elaborar vinos tintos es necesaria una maceración de los hollejos (y pepitas) de las uvas con el fin de extraer antocianos y taninos principalmente, de forma que se fermenta a temperaturas mas elevadas (24-31ºC) para buscar una mayor extracción de estos compuestos.

Por encima de 33-35ºC el riesgo de parada de fermentación es muy elevado, al igual que el de alteración bacteriana ya que a estas elevadas temperaturas las membranas celulares de las levaduras dejan de ser tan selectivas, emitiendo substratos muy adecuados para las bacterias.

Aireación

Durante mucho tiempo se pensó que las levaduras eran microorganismos anaerobios estrictos, es decir, debía realizarse la fermentación en ausencia de oxígeno. Sin embargo, es un hecho erróneo ya que requieren una cierta aireación. Esta oxigenación se consigue en los procesos previos a la fermentación y mediante remontados de aireación en la elaboración de tintos (habitualmente se realizan nada mas arrancar la fermentación y a las 24 h. después, remontados típicos de la escuela bordolesa).

Una aireación sumamente excesiva es totalmente absurda ya que, entre otras consecuencias en el vino, no obtendríamos alcohol sino agua y anhídrido carbónico

debido a que las levaduras, cuando viven en condiciones aeróbicas, no utilizan los azúcares por vía fermentativa sino oxidativa, para obtener con ello mucha más energía.

pH

El pH del vino (3,1- 4) no es el más adecuado para la vida de las levaduras, menos para la de las bacterias, prefiriendo convivir con valores más elevados. Cuanto menor es el pH peor lo tendrán las levaduras para fermentar, aunque más protegido se encuentra el vino ante posibles ataques bacterianos. Además, más elevada será la fracción de sulfuroso que se encuentra libre.

Nutrientes y Activadores

Las levaduras fermentativas necesitan los azúcares para su catabolismo, es decir para obtener la energía necesaria para sus procesos vitales, pero además necesitan otros substratos para su anabolismo como son nitrógeno, fósforo, carbono, azufre, potasio, magnesio, calcio y vitaminas, especialmente tiamina (vitamina B1). Por ello es de vital importancia que el medio disponga de una base nutricional adecuada para poder llevar a cabo la fermentación alcohólica.

El nitrógeno es de todos el más importante, siendo necesario que el mosto contenga inicialmente nitrógeno amoniacal y en forma de aminoácidos por encima de 130-150 ppm. Una deficiencia de estos nutrientes hará que "no les quede mas remedio" que atacar contra su pesar las gigantescas proteínas, liberándose H2S (aroma a huevos podridos).

La presencia de esteroles y ácidos grasos insaturados es también necesaria obteniéndolos inicialmente del mosto y posteriormente de las células madres. Esteroles y ácidos grasos insaturados de cadena larga son necesarios fundamentalmente para que sus membranas celulares puedan ser funcionales.

Inhibidores

Es importante evitar la presencia de inhibidores en el mosto como restos de productos fitosanitarios y ácidos grasos saturados de cadena corta.

Concentración inicial de azúcares

No podemos pensar en fermentar un mosto con una concentración muy elevada de azúcares. En estas condiciones osmófilas las levaduras simplemente estallarían al salir bruscamente el agua de su interior para equilibrar las concentraciones de solutos en el exterior y en el interior de la célula, es decir, lo que se conoce como una plasmólisis.

Esta es la base de la elaboración de mostos concentrados estables microbiológicamente (ºBe >29), si bien determinadas especies de levaduras como Saccharomycodes Ludwigii y Schizosaccharomyces pombe, entre otras, son capaces de resistir.

Imagen microscópica de levadura

Las levaduras y el etanol: bebidas, combustibles y un poco de historia

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Los descubrimientos de Pasteur Los hombres utilizan las fermentaciones para su provecho desde la prehistoria. El pan fermentado se conoce desde hace varios miles de años. Los jeroglíficos y otras representaciones gráficas demuestran que el hombre fabricaba bebidas alcohólicas ya varios milenios antes de Cristo. Al preparar el pan, vino o la cerveza, los hombres empleaban sin saberlo, y de una manera empírica, unos microorganismos muy útiles: las levaduras. Son hongos unicelulares capaces de transformar azúcares en alcohol.Este proceso se denomina fermentación alcohólica y fue descubierto y descrito por Luis Pasteur recién en 1856.En la época de Luis Pasteur, las teorías científicas reconocían la presencia de levaduras en la fermentación alcohólica, pero estas levaduras eran consideradas como un producto de la fermentación. Luis Pasteur demostró que las células viables de levaduras causan fermentación en condiciones anaeróbicas (baja concentración de oxígeno); durante dicha fermentación el azúcar de la uva es convertido en etanol y CO2. Sus ilustraciones claramente muestran auténticas levaduras vínicas y en sus escritos él las diferenciaba claramente de otros componentes.En 1856, M. Bigo, un fabricante de alcohol en el norte de Francia sufría repetidos fracasos en obtención de sus productos. El proceso involucraba la fermentación de la caña de azúcar para producir alcohol etílico, pero frecuentemente el contenido de los recipientes se agriaba y en lugar de alcohol, se obtenía una sustancia parecida a la leche agria. M. Bigo le solicitó a Pasteur que investigara el caso, y éste accedió. Primero, analizó químicamente el contenido agrio de los recipientes y concluyó que contenían una considerable cantidad de ácido láctico en lugar de alcohol. Después comparó los sedimentos de diferentes recipientes, observó que en aquellos donde había ocurrido la fermentación alcohólica se veía una gran cantidad de levaduras, mientras que en las que había ácido láctico se veían "glóbulos mucho más pequeños que los de la levadura". Este hallazgo indicaba que se encontraba frente a dos tipos de fermentaciones (en este caso alcohólica y láctica), que involucraban a dos tipos de microorganismos (en este caso, levaduras y bacterias, respectivamente). En los años siguientes, Pasteur identificó y aisló los microorganismos responsables de la fermentación en la producción del vino, cerveza y vinagre. Demostró además, que si calentaba el vino, la cerveza y la leche por unos minutos, podía matar a los microorganismos y así esterilizar el producto (pasteurización).El descubrimiento de la fermentación por Luis Pasteur representó un paso gigante para la ciencia. En esa época, la ciencia estaba dominada por las leyes de los químicos (el propio Pasteur lo era), quienes suponían que el alcohol se producía por vibraciones que hacían inestables a los azúcares al punto de degradarlos a moléculas más pequeñas. Aunque reconocían la presencia de levaduras en la fermentación alcohólica, las consideraban productos o catalizadores de la fermentación. Pasteur demostró, nada más ni nada menos, que las levaduras eran la causa de la fermentación y que los microorganismos podían realizar reacciones químicas complejas. Por sus trabajos sobre el origen de los microorganismos, la fermentación y otros (pasteurización, producción de vacunas, etc.), Luis Pasteur es considerado el creador de la microbiología.

Producción de bebidas alcohólicasLas bebidas alcohólicas se producen a partir de diferentes sustratos, dependiendo de la región geográfica. Las materias primas de partida pueden ser azúcares simples, como los presentes en el jugo de uva (para el vino) o de alto peso molecular, como el almidón de los granos de cebada (para la cerveza). Para la obtención de las bebidas se emplean levaduras del género Saccharomyces, las que en condiciones anaeróbicas (muy baja concentración de oxígeno) metabolizan estos azúcares convirtiéndolos en etanol. Este proceso se conoce como fermentación alcohólica.

Existen dos tipos de bebidas alcohólicas: aquellas que se obtienen directamente por fermentación de los diferentes sustratos y las destiladas, producidas por destilación del producto de la fermentación. Ejemplos de sustratos que se emplean en la fermentación alcohólica para la obtención de bebidas alcohólicas:

Sustratos Bebidas

cebada y otros cereales cerveza

arroz sake

jugo de manzana sidra

jugo de uva vino

cebada whisky escocés*

malta, trigo, centeno, avena whisky irlandés*

maíz whisky americano bourbon)*

caña de azúcar ron*

granos triturados, con saborizantes de semillas de enebro, anís, etc. ginebra*

grano o papa, aromatizado con semillas de alcaravea aquavit*

grano o papa, sin saborizantes vodka*

jugo del cactus Agave tequilana tequila*

uvas blancas de Cognac, Francia coñac*

frutas variadas brandy*

jugo de cerezas kirsch*

* Bebidas destiladasFuente: Alan Wiseman. 1980. Principles of Biotechnology. Surrey University Press. 

La cerveza: una larga historia

Cuaderno para docentes Nº 22: la biotecnología tradicional y la historia del vino  

El alcohol como combustibleEl etanol presenta varias ventajas sobre los derivados del petróleo para ser empleado como combustible:

Se produce a partir de cultivos agrícolas, que son fuentes renovables de energía Puede obtenerse a partir de cultivos propios de una región, permitiendo la producción

local del biocombustible Permite disponer de combustible independientemente de las políticas de importación y

fluctuaciones en el precio del petróleo Produce mucho menos emisiones nocivas para los seres vivos, el agua y el aire La producción podría realizarse a partir de desechos agrícolas, forestales, industriales o

municipales. Actualmente el alcohol se produce principalmente a partir de caña de azúcar o maíz (en algunos casos el maíz es mezclado con un poco de trigo o cebada), cuyos hidratos de carbono son fermentados a etanol por las levaduras del género Saccharomyces. La caña de azúcar es sin duda la fuente más atractiva para la producción de etanol, ya que los azúcares que contiene son simples

y fermentables directamente por las levaduras. El mayor inconveniente es que resulta cara como materia prima.Los cultivos como el maíz son ricos en almidón, un hidrato de carbono complejo que necesita ser primero transformado en azúcares simples. Este proceso se denomina sacarificación, e introduce un paso más en la producción, con el consecuente aumento en los costos.Las materias primas ricas en celulosa, como los desechos agrícolas y forestales son las más abundantes y baratas, sin embargo la conversión de la celulosa en azúcares fermentables es un proceso complejo y costoso que hace que la obtención de etanol a partir de desechos no sea rentable, al menos por ahora. Los principales productores de alcohol como combustible son Brasil, Estados Unidos y Canadá. Brasil lo produce a partir de la caña de azúcar y lo emplea como “hidro-alcohol” (95% etanol) o como aditivo de la gasolina (24% de etanol). Estados Unidos y Canadá lo producen a partir de maíz (con un poco de trigo y cebada) y lo utilizan en diferentes formulaciones que van desde el 5% al 85% de etanol.

Cuaderno para docentes Nº 58: los biocombustibles  

Algo más sobre las levaduras

 

Además de su papel protagónico en la producción de alimentos, la levadura de cerveza, Saccharomyces cerevisiae, es también una especie modelo para estudios biológicos y genómicos, y ha resultado una herramienta poderosa para el entendimiento de los genes de organismos eucariontes superiores, como los humanos.

La simplicidad de manipulación genética de la levadura permite que sea utilizada convenientemente para analizar la función de los productos génicos de organismos eucariontes superiores. En cuanto a su utilización biotecnológica como fábrica de moléculas recombinantes, la levadura es de gran utilización para la preparación de proteínas recombinantes de uso comercial. La importancia de esta levadura en la producción de productos por ingeniería genética puede verse en la primera vacuna recombinante aprobada para humanos (contra la hepatitis B), y el primer producto alimenticio recombinante aprobado, la renina (o quimosina) utilizada en la fabricación de queso, que fueron producidos en sistemas de levaduras. Con 12.000.000 de pares de bases y 6.000 genes en 16 cromosomas, Saccharomyces cerevisiae fue, en 1997, el primer organismo eucarionte en tener su genoma secuenciado.

FermentaciónSaltar a: navegación, búsqueda No debe confundirse con Respiración anaeróbica.

Fermentación alcohólica.

La fermentación es un proceso catabólico de oxidación incompleta, que no requiere oxígeno, siendo el producto final un compuesto orgánico. Estos productos finales son los que caracterizan los diversos tipos de fermentaciones.

Fue descubierta por Louis Pasteur, que la describió como la vie sans l´air (la vida sin el aire). La fermentación típica es llevada a cabo por las levaduras. También algunos metazoos y protistas son capaces de realizarla.

El proceso de fermentación es anaeróbico ya que se produce en ausencia de oxígeno; ello significa que el aceptor final de los electrones del NADH producido en la glucólisis no es el oxígeno, sino un compuesto orgánico que se reducirá para poder reoxidar el NADH a NAD+. El compuesto orgánico que se reduce (acetaldehído, piruvato, ...) es un derivado del sustrato que se ha oxidado anteriormente.

En los seres vivos, la fermentación es un proceso anaeróbico y en él no interviene la mitocondria ni la cadena respiratoria. Son propias de los microorganismos, como algunas bacterias y levaduras. También se produce la fermentación en la mayoría de las células de los animales (incluido el hombre), excepto en las neuronas que mueren rápidamente si no pueden realizar la respiración celular; algunas células, como los eritrocitos, carecen de mitocondrias y se ven obligadas a fermentar; el tejido muscular de los animales realiza la fermentación láctica cuando el aporte de oxígeno a las células musculares no es suficiente para el metabolismo aerobio y la contracción muscular.

Desde el punto de vista energético, las fermentaciones son muy poco rentables si se comparan con la respiración aerobia, ya que a partir de una molécula de glucosa sólo se obtienen 2 moléculas de ATP, mientras que en la respiración se producen 36. Esto se debe a la oxidación del NADH, que en lugar de penetrar en la cadena respiratoria, cede sus electrones a compuestos orgánicos con poco poder oxidante.

En la industria la fermentación puede ser oxidativa, es decir, en presencia de oxígeno, pero es una oxidación aeróbica incompleta, como la producción de ácido acético a partir de etanol.

Las fermentaciones pueden ser: naturales, cuando las condiciones ambientales permiten la interacción de los microorganismos y los sustratos orgánicos susceptibles; o artificiales, cuando el hombre propicia condiciones y el contacto referido.

MostoSaltar a: navegación, búsqueda

Uvas siendo prensadas para obtener mosto.

El mosto es el zumo de la uva que contiene diversos elementos de la uva como pueden ser la piel, las semillas, etc. Se considera una de las primeras etapas de la elaboración del vino.

Tipos de fermentación

Las transformaciones biológicas de la materia orgánica la convierten en un producto final estable y útil como fertilizante. Estas transformaciones o reacciones se producen principalmente dentro de dos contextos; en presencia de oxígeno o aerobias y en ausencia de oxígeno o anaerobias. En determinadas ocasiones, pueden presentarse condiciones mixtas en un mismo medio: interior de reactores, piscinas, etc... donde conviven ambas condiciones en zonas bien diferenciadas.

La transformación aerobia, o fermentación aerobia, de la materia orgánica consiste en su degradación en presencia de oxígeno por medio de bacterias, produciendo principalmente dióxido de carbono, agua y un resto de diversos componentes según la siguiente reacción:

La transformación anaerobia, o fermentación anaerobia, de la materia orgánica consiste en su degradación en ausencia de oxígeno por medio de bacterias, produciendo el denominado biogas, que es una mezcla de múltiples componentes, donde predomina el metano y donde se encuentra una variada cantidad de elementos: CO2, NH3, SH2, etc... en distintas proporciones y múltiples componentes traza.

La actuación conjunta de tres grupos de organismos bacterianos tiene como finalidad la degradación de la fracción orgánica de los residuos en un producto final estable.

- Transformación de compuestos de masas moleculares altas a compuestos aptos como fuente de energía y tejido celular. Un primer grupo de organismos se responsabiliza de hidrolizar los polímeros organismos y los lípidos en unidades estructurales como ácidos grasos, monosacáridos, aminoácidos y compuestos relacionados.

- Conversión bacteriana a compuestos intermedios de menor masa molecular. Un segundo grupo de bacterias anaerobias, acidógenas, fermenta los productos descomponibles del primer grupo en ácidos orgánicos simples, el más común de los cuales en la digestión anaerobia es el ácido acético. Este segundo grupo de microorganismos, descrito como no metanogénico, está formado por bacterias anaerobias facultativas y obligadas

La fermentación es una vía para la valorización de los suelos.

 - Conversión bacteriana a productos finales sencillos. Un tercer grupo de microorganismos, metanogénicas, convierte el hidrógeno y el ácido acético, producido por los formadores de ácidos, en gas metano y dióxido de carbono. Las bacterias responsables de esta conversión son anaerobios estrictos.

La estabilización de la materia orgánica procedente de residuos sólidos urbanos en la digestión anaerobia se completa con la producción de biogás: metano, dióxido de carbono, etc... Este gas es poco soluble, y su salida del medio: vertedero, reactor, digestor, etc... representa la estabilización real de la materia orgánica.

Es importante destacar que las bacterias metanogénicas solamente pueden usar

un número de sustratos limitado para realizar su función: C02+ H2, formiato, acetato, metanol, metalinaminas y monóxido de carbono. Las reacciones típicas de conversión que producen energía involucrando a estos compuestos son las siguientes:

De todas ellas, las tres primeras son las más habituales, donde la producción de metano proviene de la conversión de dióxido de carbono e hidrógeno, y de la conversión del formiato y del acetato en metano. Los grupos de bacterias metanógenos y acidógenos se desarrollan en un medio estable compartido en el que las bacterias metanogénicas forman compuestos que inhibirían el crecimiento de acidógenos en la denominada transferencia de hidrógeno entre especies.

Para mantener un sistema de tratamiento anaerobio que estabilice eficazmente la materia orgánica procedente de residuos, las bacterias no metanogénicas y metanogénicas deben estar en un estado de equilibrio dinámico caracterizado por las condiciones que están expuestas a continuación:

Ausencia de oxígeno disuelto y de concentraciones inhibidoras de amoniaco libre y de constituyentes como metales pesados y sulfitos.

pH del ambiente acuoso oscilante entre 6,5 y 7,5. Alcalinidad variable entre 1.000 y 5.000 mg/l. Presencia suficiente de nutrientes, tales como nitrógeno y fósforo. Temperaturas mesofilicas, 30 a 38ºC y termofilicas, 55 a 60ºC.

Puede describirse la transformación anaerobia general de la materia orgánica procedente de residuos sólidos, con obtención de biogás, mediante la siguiente ecuación:

MaceraciónSaltar a: navegación, búsqueda

La maceración es un proceso de extracción sólido-líquido. El producto sólido (materia prima) posee una serie de compuestos solubles en el líquido extractante que son los que se pretende extraer.

En general en la industria química se suele hablar de extracciones, mientras que cuando se trata de alimentos, hierbas y otros productos para consumo humano se emplea el término maceración. En este caso el agente extractante (la fase líquida) suele ser agua, pero también se emplean otros líquidos como vinagre, jugos, alcoholes o aceites aderezados con diversos ingredientes que modificarán las propiedades de extracción del medio líquido.

A veces el producto obtenido es el extracto propiamente dicho y otras el sólido sin los citados compuestos o incluso ambas partes, por ejemplo si extraemos cafeína del café, podemos emplear el café descafeinado para hacer una infusión tradicional y la cafeína para la confección de refrescos u otros usos.

La naturaleza de los compuestos extraídos depende de la materia prima empleada así como del líquido de maceración. En los casos en que se utilice el producto extraído se suele emplear una etapa de secado bien al sol, con calor o incluso una liofilización.

En herboristería, es decir el arte en el cual se utilizan las plantas medicinales y hierbas para curar o preparar diversos productos, se utiliza mucho este método.