Fermentación alcohólica
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 por ejemplo
la glucosa, lafructosa, la sacarosa, el almidón, etc.) para obtener
como productos finales: un alcohol en forma de etanol (cuya fórmula química es: CH3-CH2-OH), dióxido de carbono (CO2) en forma de gas y unas
moléculas de ATP que consumen los propios microorganismos en sumetabolismo 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 a partir de la glucosa. En el proceso las
levaduras obtienen energía disociando las moléculas de glucosa y generan como desechos alcohol y dióxido
de carbono CO2. 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 deoxígeno (O2), máxime durante la reacción
química, por esta razón se dice que la fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico.
Historia
La humanidad emplea la fermentación alcohólica
desde tiempos inmemoriales para la elaboración
de cerveza (empleando cereales) y delvino (empleando el fruto de la vid: la uva en forma
de mosto) fundamentalmente.
Los griegos atribuían el descubrimiento de la fermentación
al dios Dionisio. Algunos procesos similares como el de la destilación alcohólica ya surgen en el año 1150 de la
mano deArnau de Vilanova.5 Fue un elemento más a considerar en el desarrollo
histórico de la alquimia durante la Edad Media.6
En el año 1864 se identificó el gas CO2 resultante de la fermentación por el
químico MacBride y en 1766 Cavendish lo
describió como: «el gas existente en la atmósfera» determinando además la proporción de dióxido de carbono
con respecto al azúcar empleado en el proceso, que rondaba el 57%. En esta
época se empezó a descubrir, gracias observaciones científicas, que la
fermentación alcohólica se producía también en substancias «no dulces».6 Antoine Lavoisier hizo
experimentos en 1789 determinando las cantidades de los elementos
intervinientes en la fermentación (carbono, oxígeno e hidrógeno). 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. Existe durante el
siglo XIX un debate científico por establecer la «hipótesis de la
fermentación». Durante los años 1830s los químicos Jöns Jakob Berzelius y Justus von Liebig desarrollaron
una teoría mecanicista que explica la fermentación, teorías que estaban en
contraposición con las creencias de Louis Pasteur en el año 1857 que se fundamentaba en la «teoría vitalista» como explicación de los mecanismo básicos de
la fermentación, fue el mismo Pasteur que en el año 1875 demostró
que la fermentación era un proceso anaeróbico (en ausencia de oxígeno).
En el año 1818 Erxleben, De La Tour en Francia, Schwann y Kützing en Alemania (1837) descubren que las
levaduras (organismos microscópicos unicelulares) son la causa del proceso,
pero no fue hasta que Eduard Buchner en
el año 1897 descubre que la enzima zimasa es la responsable final de la fermentación
alcohólica trabajo por el que recibe el premio
Nobel de Química.7 Este descubrimiento atrajo el interés de otros
científicos, entre ellos Harden y Young quienes en el año 1904 mostraron
que la zimasa perdía sus propiedades fermentativas bajo condiciones de diálisis, demostrando que la
fermentación dependía de una sustancia de bajo peso molecular que se quedaba retenida en los finos poros de la
membrana de la diálisis. La fermentación podía bajo estas circunstancias volver
a ser restablecida añadiendo simplemente de nuevo las levaduras, esta
substancia descubierta por Harden y Young se denominó cozimasa,8 y fue eventualmente encontrada como una mezcla
de iones fosfatados, difosfato de
tiamida y NAD+. Sin embargo la caracterización de la
cozimasa no fue completada hasta el año 1935. El bioquímico Otto Heinrich Warburg en conjunción con Hans von
Euler-Chelpin descubren
en el año 1929 que el cofactor nicotinamida
adenina dinucleótido (NADH)
juega un papel muy importante en el proceso interno de la fermentación. En 1937, los investigadores Erwin
Negelein y Hans
Joachim Wulff comprueban
que mediante la cristalización de los subproductos de la fermentación la enzimaalcohol
deshidrogenasa es protagonista en algunos sub-procesos realizando un
papel importante.9
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: biorreactores.10 11
Consideraciones
generales
La fermentación alcohólica se puede considerar
(desde una perspectiva humana) como un proceso bioquímico para la obtención de etanol, que por otras vías
se ha obtenido gracias a procedimientos químicos industriales, como por ejemplo
mediante la reacción de oxidación de eteno. La finalidad de la fermentación etílica (desde
una perspectiva microbiana) es la obtención de energía para la supervivencia de
los organismos unicelulares anaeróbicos. Las bebidas alcohólicas se producen a
partir de diferentes sustratos, dependiendo de la región geográfica y sus
riquezas. Las materias primas pueden ser azúcares simples como los presentes en
el jugo de uva, o de alto peso molecular, como el almidón de los granos de
cebada. Existen dos tipos de bebidas alcohólicas, las que se obtienen directamente
por fermentación de los diferentes sustratos y las destiladas, producidas por
destilación del producto de fermentación. El proceso principal por el cual se
transforma el mosto en vino es la fermentación alcohólica, la cual consiste en
la transformación de azúcares en alcohol etílico y anhídrido carbónico. La
fermentación alcohólica es la base de la vinificación, sin embargo, su
importancia no radica únicamente en la obtención de etanol a partir de los
azúcares, sino que además durante el proceso fermentativo se van a formar una
gran cantidad de productos secundarios que influyen en la calidad y tipicidad
del vino. Más adelante, se pueden apreciar algunos de los compuestos que
influyen en la tipicidad del vino
Levaduras
Artículo principal:
Levadura
Levadura
La levadura S.
cerevisiae (en una imagen de microscopio) es un hongounicelular 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, astillasde 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 200515 ). 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 ylactosa (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
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 dellatín 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 (seresunicelulares). 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
espontáneo26
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
Fermentación industrial
La fermentación
etílica ha sufrido algunas transformaciones con el objeto de aumentar la eficiencia
química del
proceso.29 Una de las mejoras más estudiadas en la industria es la
posibilidad de realizar la fermentación alcohólica continua con el objeto de obtener mayores cantidades de
etanol. Hoy en día el procesamiento industrial de algunas bebidas alcohólicas
como puede ser el vino o la cerveza se realizan en ambientes controlados
capaces de ofrecer a un ritmo apropiado de estos productos de consumo al
mercado. Esta vía ofrece una amplia materia de investigación en temas de
eficiencia de bioreactores,
empleando para ello teoría de sistemas de control (el problema desde el punto de vista de
ingeniería de sistemas es altamente no lineal y oscilatorio).30 Otra vía de investigación acerca de la mejora
de los procesos industriales es la mejora de las cepas de levaduras (como puede
ser la Zymomonas
Mobilis que ofrece
ventajas en los procesos continuos de fermentación), permitiendo la convivencia
de una mayor densidad de las mismas durante la producción.12Los métodos de fermentación continua se empezaron a
patentar en la década de los 1950s y desde entonces han hecho que la industria de
las bebidas alcohólicas haya experimentado un crecimiento apreciable. Una de
las características de la fermentación etílica industrial es la selección
adecuada de las levaduras a inocular en el proceso de fermentación con el
objeto de aumentar el rendimiento de la producción.
La fermentación
industrial típica es esencialmente un proceso que se produce en un recipiente
llamado fermentador o en general, biorreactor, mediante el cual determinados sustratos que
componen el medio de cultivo (levaduras) son transformadas mediante la reacción
microbiana en metabolitos y biomasa. Estos contenedores
son herméticos y permiten retirar mediante canalizaciones apropiadas el dióxido
de carbono resultante. Durante el proceso los microorganismos van aumentando de
concentración en el transcurso de la reacción al mismo tiempo que el medio va
modificando sus propiedades químicas y se forman productos nuevos como
consecuencia de las reacciones anabólicas.
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 unaatmósfera 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
tumultuosaencargada 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.33Este tipo de fermentación causa a veces intoxicaciones
etílicas a los insectos que se alimentan de las frutas maduras (véase: abejas y
elementos tóxicos).
Fermentaciones
específicas
Las fermentaciones
específicas son manipuladas por el hombre con el objeto de obtener el etanol en
ciertas bebidas. Para ello se emplean principalmente los azúcares de lasfrutas, los cereales y de la leche. La producción de estas bebidas es en la mayoría de los
casos local debido a la disponibilidad de los substratos, por ejemplo en los
países mediterráneos la uva es frecuente y por lo tanto la fermentación del
vino también, el mismo patrón puede hacerse con otros materiales como el arroz
en Asia o el maíz enLatinoamérica. De esta forma la tradición de los procesos de
fermentado se han asociado a las diversas etnias o grupos sociales.
Fermentación del vino
en la imagen se muestra unas uvas del tipo Cabernet Sauvignonempezando a interaccionar con loshollejos (piel de la uva) durante el proceso de
fermentación.
La fermentación del
vino es de las más conocidas y estudiadas por afectar a una industria muy
extendida y con gran solera (véase:Historia del vino). En el caso del vino las
levaduras responsables de la vinificación son unos hongos microscópicos que se
encuentran de forma natural en los hollejos de las uvas (generalmente en una
capa en forma de polvo blanco fino que recubre la piel de las uvas (vitis vinifera
l.) y que se denomina "pruina"). Los vinos deben tener una
cantidad de alcohol debido a la fermentación de al menos un 9% en volumen. Con
la excepción de los vinos verdes como puede ser el chacolí que
pueden tener una graduación inferior.34 La fermentación alcohólica del vino es muy
antigua y ya en la Biblia se hacen numerosas referencias al proceso. Las
especies de levaduras empleadas en la elaboración del vino suelen ser por regla
general las Saccharomyces cerevisiae aunque a veces también se emplean la S. bayanus y laS. oviformis, aunque
en muchas variedades de vides la Kloeckera
apiculata y la Metschnikowia
pulcherrima son
levaduras endógenas capaces de participar en las primeras fases de la
fermentación.35 Para frenar la aparición de bacterias
indeseables y otros organismos limitantes de la fermentación se suele
esterilizar el mosto a veces con dióxido de azufre (SO2) antes del proceso.
La elaboración del vino
pasa por una fermentación alcohólica de la fruta de la vid en unos recipientes
(hoy en día elaborados en acero inoxidable) en lo que se denominafermentación tumultuosa debido a gran ebullición que produce durante un periodo
de 10 días aproximadamente (llegando hasta aproximadamente unas dos semanas).
Tras esta fermentación 'principal' en la industria del vino se suele hacer
referencia a una fermentación
secundaria que se produce
en otros contenedores empleados en el trasiego del vino joven (tal y
como puede ser en las botellas de vino). Los vinos
blancos fermentan
a temperaturas relativamente bajas de 10º-15 °C y los vinos tintos a temperaturas mayores de 20º-30 °C. A
veces se interrumpe voluntariamente la fermentación etílica en el vino por
diversas causas, una de las más habituales es que haya alcanzado la densidad
alcohólica establecida por la ley. En otros casos por el contrario se activa de
forma voluntaria el proceso de fermentado mediante la adición de materiales
azucarados, este fenómeno recibe el nombre de chaptalización y está muy regulado en los países productores
de vino.36
Fermentación de la cerveza
La cerveza es una
bebida alcohólica producida por la fermentación
alcohólica mezcla de
algunos cereales (en forma de malta) mezclados con agua. Los cereales empleados son por regla general: cebada, centeno, trigo, etc. El contenido
de la cerveza ya se reglamentó enEuropa en la
famosa ley alemana de la Reinheitsgebot que
data del año 1516. Las levaduras empleadas en el proceso de fermentación
de la cerveza se dedican a trabajar contra la maltosa y por regla general suelen depender de las
características del producto cervecero final que se desee obtener, por ejemplo
se suele emplear la Saccharomyces cerevisiae para elaborar cervezas de tipo ale (de color
pálido) y la saccharomyces carlsbergensis que sirve para la elaboración de la
cerveza tipo lager (Generalmente de color rubio) y la Stout(Cerveza
oscura de alto contenido alcohólico generalmente más dulce, un ejemplo: Guinness). El proceso de fermentación en la cerveza en
las cubas de fermentación ronda entre los 5 y 9 días.
La industria
cervecera ha seleccionado durante siglos las cepas de levaduras para que
se adaptaran al proceso de elaboración de cerveza, logrando una gran variedad
de las mismas. Durante el proceso se le añade lúpulo (Humulus lupulus) con el objeto de
saborizar, aromatizar y controlar las reacciones enzimáticas durante el proceso
de elaboración de la cerveza.37 El proceso de fermentación de la cerveza se
produce en un medio ácido que suele oscilar entre los pH 3,5 y 5,6. Por regla
general la fermentación de la cerveza se regula mediante la regulación de la
temperatura de la fermentación del mosto de malta.
Existen en la
elaboración de la cerveza dos tipos fundamentales de fermentación etílica,
dependiendo del lugar físico donde se realiza la fermentación en la cuba madre,
la razón de esta fermentación se debe a la estructura química de la capa celular de la levadura y a la propiedad floculante de las levaduras de la cerveza:
·
Baja fermentación - Estas cervezas son fermentadas con levaduras
específicas (Saccharomyces
uvarum bzw.y la Saccharomyces
carlsbergensis) que se hunden en la parte inferior de la cuba
(de ahí su nombre de fermentación baja). Las fermentaciones de este tipo se
producen a temperaturas relativamente bajas 4–9 °C. Las cervezas de este
tipo corresponden a las del tipo Pilsen, Bockbier, la Doppelbock (doble Bock), la Export, Lager, Zwickel, Zoigl
·
Alta fermentación - Son cervezas elaboradas con levaduras del
tipo saccharomyces
cerevisiae, las fermentaciones de este tipo se producen a
temperaturas relativamente altas 15–20 °C. Estas levaduras tienden a
flotar y por eso se denominan "fermentación alta". Algunas cervezas
típicas de esta categoría son las alemanas: Kölsch, laWeißbier,
la Weizenbier o cerveza de trigo típica de Baviera,
la Gose,
la Berliner Weiße, las cervezas de tipo Ale, etc.
Fermentación del arroz
En los países asiáticos la abundancia natural del arroz debido a
las características climáticas permite que se pueda emplear en la elaboración
de fermentaciones alcohólicas en forma de bebida como es el sake (conocida en Japón como nihonshu (日本酒? "alcohol japonés"), así como el vino de arroz. Los principales microorganismos empleados en la
elaboración de estas bebidas alcohólicas a base de arroz son el Aspergillus oryzae,
el Lactobacillus
sakei, el Leuconostoc mesenteroides var. sake y la Saccharomyces
sake. La fermentación se toma un periodo que va desde los 30 a los
40 días. El sake tiene tres fases de elaboración: la koji, la motto y la moromique
se realiza en la denominada fermentación
de estado sólido.
En el sake, aparte de
una concentración de entre 15 y 20% de etanol producto de la fermentación, los
principales componentes responsables de su sabor característico son: ácido succínico (500 a 700 mg/L), ácido málico (200 a 400 mg/L), ácido cítrico (100 a 500 mg/L), ácido acético (50 a 200 mg/L), isoamil
alcohol (70 a 250
mg/L), n-propanol (120 mg/L), 2-fenil
etanol (75
mg/L), isobutanol (65
mg/L), etilacetato (50 a 120 mg/L), etilcaproato (10 mg/L) e isoamil
acetato (10 mg/L).
Estos metabolitos también pueden encontrarse en cervezas y la mayoría de vinos
ya que provienen de la fermentación alcohólica. También hay que añadir a estos
componentes el eti-lleucinato, que es el que contribuye en mayor medida al
aroma del saké. No obstante, la concentración de todos estos compuestos en el
Saké es significantemente mayor. No hay que olvidar la presencia de ácido láctico (0,3 a 0,5 mg/L) que es casi enteramente fruto
de la actividad de las bacterias fermentadoras acidolácticas presentes durante
la etapa del moto (etapa inicial en la cuba de
fermentación). También se detecta, aunque en concentraciones menores, una
variedad de aminoácidos. La presencia de estos tiende a ser la mínima posible,
ya que le dan al Saké un sabor desagradable.
Se han llevado a cabo
gran cantidad de mejoras genéticas de las cepas de Saccharomyces sake con tal
de incrementar la presencia de algunos de estos metabolitos (como es el caso
del fenil etanol,
el isoamil alcohol o el etilcaproato),
al igual que reducir la de otros (aminoácidos, etilcarbamato, urea). También se han
dado el caso de cepas diseñadas para mejorar la productividad, ya sea
disminuyendo la formación de espuma, el incremento de tolerancia al etanol o la
no proliferación de cepas productoras de toxinas. Los productos fermentados de
arroz no son exclusivos de Japón, se puede encontrar en diversas culturas del
mundo como puede ser: el binburán (Filipinas), el pachwai (en la Indiase denomina
como 'cerveza de arroz'), el arrack (el denominado عرق, ‛araq es muy popular en Oriente Medio frecuentemente destilado), el rakshi (bebida elaborada con arroz ymijo en el Nepal), etc. siendo algunas de estas bebidas destiladas.
Fermentación alcohólica de la leche
La leche por regla
general sufre una fermentación láctica (la mayoría de los productos lácteos) que produce algunas
bebidas alcohólicas. El proceso es alimentado por la lactosa (azúcar
natural de la leche) y por la enzima lactasa que segregan algunas levaduras específicas
(véase cultivos lácticos). La fermentación láctica y etílica es muy
sensible a la temperatura y suele denominarse fermentación heteroláctica.13 Entre las bebidas lácteas que han sufrido una
fermentación etílica se encuentra una bebida denominada koumiss (muy
popular en países de Asia Central como en Kazajistán) que se elabora mediante la adicción de sacarosa (azúcar de caña) a la lechepasteurizada y suele proporcionar bebidas de bajo contenido
alcohólico, oscila entre un 1% y un 3%, el microorganismo responsable de este
proceso es Lactobacillus bulgaricus.
Se denomina a veces como: "vino de leche" y posee un aspecto
grisáceo. En estas bebidas lácteas la fermentación láctica se produce al mismo
tiempo que la alcohólica, cooperando ambas en un complejo proceso
interrelacionado. Otra de las bebidas es el kéfir, muy popular en los países del Cáucaso y Asia
Central,38 que contiene una cierta cantidad de etanol,
que puede oscilar entre un 0.040% y un 0.300%,39 su bajo contenido se debe a las relativamente
altos niveles de pHque
paran el proceso fermentativo alcohólico.40
Otras fermentaciones alcohólicas
Jarra con Apfelwein (Apfel=
manzana, Wein= vino, Apfelwein= vino de manzana o sidra).
Algunos alimentos fermentados poseen ciertas cantidades de etanol debido a
pequeñas reacciones de fermentación etílica que se realizan durante la
fermentación del alimento, las diferentes culturas del mundo emplean de una forma
u otra esta fermentación como identificación cultural, debido quizás a que se
suele emplear alguna fruta o verdura propia de la región. Uno de los ejemplos
es el nattō de
la culinaria japonesa.41 Una de las bebidas más populares en los
pueblos de Europa del Norte es la hidromiel elaborada con agua y mielfermentadas
cuya solera se remonta a la época de los vikingos, de la misma forma se elabora el tej etiope.
Las fermentaciones
realizadas con azúcar de caña en los vinos azucarados como puede ser el basi filipino, el japonés shoto sake. Los vinos de palma
elaborados con la hoja de la palmera, algunos como puede ser el ogogoro de Nigeria, el tuba de Filipinas, el kalu de laIndia. El pulque de México elaborado con la fermentación alcohólica del
zumo de la agave tequilana (en la que participa la levaduraZymomonas
mobilis), algunas bebidas similares son el colonche (o el nochoctli)
elaborados de la fermentación de cactus. En México son conocidas también el tesgüino elaborado
con la fermentación del maíz, el tibicos, la tuba.42 Una bebida que se hace a partir de la panelaes
una variante del guarapo que es una bebida alcohólica producto de la
fermentación alcohólica del agua
de panela, muy popular enColombia. El kenyan
urwaga que es una
bebida efervescente elaborado de bananas típico en Ruanda, similar es el
mwenge de Ugandaelaborado
similarmente con sorgo y bananas. Las fermentaciones de maíz que
elaboran la Chicha, a veces denominada tepache, enColombia. De la misma forma
ocurre con la fermentación de la manzana en la sidra (muy popular en países como España, Francia, Gran
Bretaña) y en el apfelwein(Aleman),
bebida muy popular en Alemania y los países del norte y centro de Europa, así
como en algunas zonas del Cantábrico.
Fermentación
alcohólica casera
Uso de un cierre hidráulico para la
fermentación casera
Una de las
actividades lucrativas de algunas personas es la fermentación etílica casera,
se trata de un proceso químico de baja eficiencia y del que se obtiene etanol
en cantidades relativamente altas.31 El equipo básico para realizar la fermentación
de forma casera puede consistir en las siguientes piezas:
·
Fermentador o Cuba
madre - Suele ser un recipiente
de gran volumen de 30 L (es preferible que tenga escala graduada en sus paredes). Este recipiente (generalmente
de polietileno) se puede llenar de agua con sacarosa o cualquier zumo de
fruta (pudiendo
poner incluso fruta madura en su interior). El recipiente debe ser
amplio en su boca superior para que el dióxido de carbono pueda liberarse y
facilitar su limpieza posterior. Se denomina a veces a este recipiente como
simplemente 'fermentador' y es el espacio en el que se realiza la fermentación.
Debe ser de un tamaño tal que permita ser removido de vez en cuando.
·
Tapón de
fermentación - El
recipiente, o fermentador, debe tener un calibre de 'boca' sufiente para que
pueda enroscarse un tapón de fermentación con un agujero sobre el que se pueda
introducir un airlock.
Este tapón debe garantizar la estanqueidad del proceso, permitiendo tan sólo
acceso a través del airlock.
·
Cubierta
de goma para el tapón - Se debe hacer notar que el tapón debe ser cubierto con
una funda de goma para que garantice la estanqueidad del
fermentador durante el proceso. Este accesorio no es realmente necesario y su
función es la de garantizar la estanqueidad que debe proporcionar el tapón.
·
Airlock - La misión de este dispositivo es la de
permitir la salida del dióxido de carbono generado mientras que al mismo tiempo
se evita la entrada de aire en el 'fermentador' y evitar así la contaminación
del proceso (que oxidaría el alcohol etílico en ácido acético). El bloqueo de este aparato se hace mediante el empleo
de agua introducida en unas ampolletas comunicadas, estas
ampolletas permiten la salida del CO2 pero no la entrada del aire (O2).
Este dispositivo puede encontarse elaborado en vidrio o en plástico.
Se suele
comercializar para poder hacer la mezcla inicial diferentes productos con
levaduras deshidratadas en su interior, la elección del producto dependerá
fundamentalmente del tipo de azúcar empleado. Las levaduras deshidratadas deben
pasar un periodo de hidratación de unas horas antes de ser añadido al
substrato.43 Se debe considerar que la fermentación debe
empezar aproximadamente a las 10 horas de componer el sistema y suele durar
entre dos y cuatro días. A veces se incluyen además esencias diversas
que se añaden en la elaboración final de estas bebidas caseras con el objeto de
aromatizar o proporcionar diferentes sabores. En el kit de desarrollo debe incluirse un termómetro y un densímetro.
Este proceso es
normalmente asociado el proceso de destilación casera para aumentar la pureza
del alcohol resultante, permitiendo de esta manera producir aguardientes y
otras bebidas de alto contenido alcohólico.
Usos de la
fermentación
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 diversas. Esta situación cambió en el siglo XX ya que
desde la crisis
del petróleo de los '70 los estudios e investigaciones acerca de posibles
combustibles alternativos ha sido de gran interés para los gobiernos de todo
mundo. Dentro de los estudios de biotecnología se ha intentado emplear el etanol resultante
de la fermentación alcohólica de los desechos agrícolas (biomasa44 ) en la obtención de biocombustibles (bioetanol) empleados en los motores de vehículos.2 Se ha intentado centrar los estudios en los
reactores de fermentación continua con la esperanza de poder obtener no sólo
grandes cantidades de etanol, sino que se aumente la eficiencia de los mismos.45 La investigación acerca de los substratos más
adecuados, así como el empleo de levaduras de alto rendimiento es objeto de
constante estudio. El etanol fue uno de las fuentes energéticas de combustible que más demanda mundial genera a comienzos del
siglo XXI (con la excepción del petróleo), en el año 2004 los Estados Unidos produjeron más de 12.5 × 109 litros de etanol lo que supone un 17%
de incremento sobre el año 2003.16 No obstante la generación de CO2 durante el proceso pone en alarma
acerca de su uso, debido a las consecuencias que puede traer para el cambio climático.
Los usos del etanol
en la industria son amplios y van desde la elaboración de productos cosméticos, productos de limpieza, etc. Se ha
investigado la posibilidad de emplear la fermentación etílica en el tratamiento
de los vertederos de basura logrando de esta forma biocombustible, los
estudios no han arrojado aplicaciones concluyentes. No obstante el empleo de la
fermentación alcohólica tiene un éxito potencial en el tratamiento de los
residuos de la industria alimenticia.46 47 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.
Efectos de la
fermentación etílica
Los efectos de la
fermentación etílica se derivan de los productos resultantes del proceso que
son liberados de una forma u otra al medio ambiente: el etanol y el dióxido de carbono. Los efectos de la
fermentación dependerán de como se trate cada uno de estos subproductos. Uno de los efectos más sorprendentes se encuentra en la contaminación etílica existente en algunos insectos que se alimentan de frutas y del néctar de las flores, un ejemplo claro son las abejas (véase abejas y
elementos tóxicos).48 De la misma forma puede intoxicar a los pájaros que se
alimentan de algunas bayas maduras ya parcialmente fermentadas. La
fermentación alcohólica en pequeña escala se produce de la misma forma en las raíces de algunas plantas que son regadas de manera muy frecuente, la
falta de aireación del terreno hace que las condiciones anaeróbicas que
necesitan las levaduras actúen pudiendo envenenar el suelo mediante un aumento
de la concentración de etanol lo que se traduce en una disminución de la
capacidad de producción de las mismas.49
Otro aspecto
importante es el efecto que produce en el cuerpo humano el consumo reiterado en los humanos de bebidas
alcohólicas procedentes de la fermentación etílica (véase efectos
del alcohol en el cuerpo) ya que
el etanol es una potente droga psicoactiva con un nivel de efectos secundarios
además de la adicción que genera su consumo habitual. Los lugares donde se
realiza la fermentación de algunas bebidas alcohólicas (generalmente sótanos) suelen ser
peligrosos ya que el dióxido de carbono 'desplaza' al oxígeno pudiendo causar asfixia a las personas que se encuentren en estos
lugares.
