Fermentaci€n alcoh€lica1 Fermentaci€n alcoh€lica La fermentaci€n alcoh€lica es un proceso biol€gico de fermentaci€n en plena ausencia de aire (ox‚geno - O2), originado por la actividad de algunos microorganismos que procesan los hidratos de carbono (por regla general azƒcares: como por ejemplo la glucosa, la fructosa, la sacarosa, el almid€n, etc.) para obtener como productos finales: un alcohol en forma de etanol (cuya f€rmula qu‚mica es: CH3-CH2-OH), di€xido de carbono (CO2) en forma de gas y unas mol„culas de ATP que consumen los propios microorganismos en su metabolismo celular energ„tico anaer€bico. El etanol resultante se emplea en la elaboraci€n de algunas bebidas alcoh€licas, tales como el vino, la cerveza, la sidra, el cava, etc.[1] Aunque en la actualidad se empieza a sintetizar tambi„n etanol mediante la fermentaci€n a nivel industrial a gran escala para ser empleado como biocombustible.[2] La fermentaci€n alcoh€lica tiene como finalidad biol€gica proporcionar energ‚a anaer€bica a los microorganismos unicelulares (levaduras) en ausencia de ox‚geno a partir de la glucosa. En el proceso las levaduras obtienen energ‚a disociando las mol„culas de glucosa y La fermentaci€n alcoh€lica es un proceso anaer€bico que adem•s de generar etanol generan como desechos alcohol y di€xido de carbono CO2. Las desprende grandes cantidades de di€xido de levaduras y bacterias causantes de este fen€meno son microorganismos carbono (CO2) adem•s de energ‚a para el muy habituales en las frutas y cereales y contribuyen en gran medida al metabolismo de las bacterias anaer€bicas y sabor de los productos fermentados (v„ase Evaluaci€n sensorial).[3] levaduras. Una de las principales caracter‚sticas de estos microorganismos es que viven en ambientes completamente carentes de ox‚geno (O2), m•xime durante la reacci€n qu‚mica, por esta raz€n se dice que la fermentaci€n alcoh€lica es un proceso anaer€bico. Historia La humanidad emplea la fermentaci€n alcoh€lica desde tiempos inmemoriales para la elaboraci€n de cerveza (empleando cereales) y del vino (empleando el fruto de la vid: la uva en forma de mosto) fundamentalmente. Los griegos atribu‚an el descubrimiento de la fermentaci€n al dios Dionisio. Algunos procesos similares como el de la destilaci€n alcoh€lica ya surgen en el a…o 1150 de la mano de Arnau de Vilanova.[4] Fue un elemento m•s a considerar en el desarrollo hist€rico de la alquimia durante la Edad Media.[5] En el a…o 1864 se identific€ el gas CO2 resultante de la fermentaci€n por el qu‚mico MacBride y en 1766 Cavendish lo describi€ como: †el gas existente en la atm€sfera‡ determinando adem•s la proporci€n de di€xido de carbono con respecto al azƒcar empleado en el proceso, que rondaba el 57%. En esta „poca se empez€ a descubrir, gracias observaciones cient‚ficas, que la fermentaci€n alcoh€lica se produc‚a tambi„n en substancias †no dulces‡. Antoine Lavoisier hizo La hidromiel es una bebida fermentada a base de miel y agua muy t‚pica de los vikingos. sin embargo. ox‚geno e hidr€geno). esta substancia descubierta por Harden y Young se denomin€ cozimasa. El proceso principal por el cual se transforma el mosto en vino es la fermentaci€n alcoh€lica. Durante los a…os 1830s los qu‚micos Jˆns Jakob Berzelius y Justus von Liebig desarrollaron una teor‚a mecanicista que explica la fermentaci€n. Con el advenimiento de los descubrimientos qu‚micos en el a…o 1815 el investigador franc„s Joseph Louis Gay-Lussac fue el primero en determinar una reacci€n de fermentaci€n obteniendo etanol a partir de glucosa.[8] 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 fermentaci€n alcoh€lica y conciernen m•s a la optimizaci€n del rendimiento industrial bien sea mediante una buena selecci€n de cepas de levaduras.[6] Este descubrimiento atrajo el inter„s de otros cient‚ficos.Fermentaci€n alcoh€lica experimentos en 1789 determinando las cantidades de los elementos intervinientes en la fermentaci€n (carbono. a pesar de este logro los fundamentos de la fermentaci€n alcoh€lica eran completamente desconocidos. de una temperatura de funcionamiento €ptima. su importancia no radica ƒnicamente en la obtenci€n de etanol a partir de los azƒcares. sino que adem•s durante el proceso fermentativo se van a formar una gran cantidad de productos secundarios que influyen en la calidad y tipicidad del vino. De La Tour en Francia. o de alto peso molecular. se pueden apreciar algunos de los compuestos que influyen en la tipicidad del vino . dependiendo de la regi€n geogr•fica y sus riquezas. En el a…o 1818 Erxleben. La fermentaci€n alcoh€lica es la base de la vinificaci€n. teor‚as que estaban en contraposici€n con las creencias de Louis Pasteur en el a…o 1857 que se fundamentaba en la †teor‚a vitalista‡ como explicaci€n de los mecanismo b•sicos de la fermentaci€n. Sin embargo la caracterizaci€n de la cozimasa no fue completada hasta el a…o 1935.[7] y fue eventualmente encontrada como una mezcla de iones fosfatados. fue el mismo Pasteur que en el a…o 1875 demostr€ que la fermentaci€n era un proceso anaer€bico (en ausencia de ox‚geno). producidas por destilaci€n del producto de fermentaci€n. M•s adelante. La finalidad de la fermentaci€n et‚lica (desde una perspectiva microbiana) es la obtenci€n de energ‚a para la supervivencia de los organismos unicelulares anaer€bicos. El bioqu‚mico Otto Heinrich Warburg en conjunci€n con Hans von Euler-Chelpin descubren en el a…o 1929 que el cofactor nicotinamida adenina dinucle€tido (NADH) juega un papel muy importante en el proceso interno de la fermentaci€n. como el almid€n de los granos de cebada. que por otras v‚as se ha obtenido gracias a procedimientos qu‚micos industriales. demostrando que la fermentaci€n depend‚a de una sustancia de bajo peso molecular que se quedaba retenida en los finos poros de la membrana de la di•lisis. entre ellos Harden y Young quienes en el a…o 1904 mostraron que la zimasa perd‚a sus propiedades fermentativas bajo condiciones de di•lisis. Las bebidas alcoh€licas se producen a partir de diferentes sustratos.[9][10] 2 Consideraciones generales La fermentaci€n alcoh€lica se puede considerar (desde una perspectiva humana) como un proceso bioqu‚mico para la obtenci€n de etanol. la cual consiste en la transformaci€n de azƒcares en alcohol et‚lico y anh‚drido carb€nico. Las materias primas pueden ser azƒcares simples como los presentes en el jugo de uva. los investigadores Erwin Negelein y Hans Joachim Wulff comprueban que mediante la cristalizaci€n de los subproductos de la fermentaci€n la enzima alcohol deshidrogenasa es protagonista en algunos sub-procesos realizando un papel importante. pero no fue hasta que Eduard Buchner en el a…o 1897 descubre que la enzima zimasa es la responsable final de la fermentaci€n alcoh€lica trabajo por el que recibe el premio Nobel de Qu‚mica. En 1937. las que se obtienen directamente por fermentaci€n de los diferentes sustratos y las destiladas. como por ejemplo mediante la reacci€n de oxidaci€n de eteno. difosfato de tiamida y NAD+. de como realizar fermentaci€n en un proceso continuo: biorreactores. La fermentaci€n pod‚a bajo estas circunstancias volver a ser restablecida a…adiendo simplemente de nuevo las levaduras. Existen dos tipos de bebidas alcoh€licas. Schwann y K‰tzing en Alemania (1837) descubren que las levaduras (organismos microsc€picos unicelulares) son la causa del proceso. Existe durante el siglo XIX un debate cient‚fico por establecer la †hip€tesis de la fermentaci€n‡. Aunque la ƒnica responsable de convertir los hidratos de carbono en etanol y di€xido de carbono es la zimasa. Thermobacterium mobile o Pseudomonas lindneri). esta bacteria no se ha empleado industrialmente para la fermentaci€n de la cerveza y de la sidra por proporcionar sabores y olores desagradables. La zimasa es la responsable final de dirigir la reacci€n bioqu‚mica que convierte la glucosa en etanol. cereales y verduras. Se ha descubierto que en algunos casos es mejor inmovilizar (reducir el movimiento) de algunas levaduras para que pueda atacar enzim•ticamente mejor y con mayor eficiencia sobre el substrato de hidratos de carbono evitando que los microorganismos se difundan facilitando su recuperaci€n (los biocatalizadores suelen ser caros). astillas de madera de b•lsamo. No obstante posee una alta resistencia a sobrevivir a concentraciones elevadas de etanol. cerevisiae (en una imagen de de provocar. En algunos casos son capaces de proporcionar un sabor microscopio) es un hongo unicelular responsable de gran parte de las fermentaciones alcoh€licas. m•s tarde.[12] Cada uno de estos microorganismos posee una caracter‚stica propia sobre la fermentaci€n que son capaces La levadura S. el l‚mite suele estar en torno a los 14 o de alcohol para las levaduras del vino. para ello se emplean 'fijadores' como agar. Las propias levaduras se han empleado a veces en la alimentaci€n humana como un subproducto industrial. Una de las caracter‚sticas de esta bacteria es que emplea la v‚a Entner-Doudoroff para el metabolismo de la glucosa. El bi€logo Lindner en el a…o 1928 fue el primero en describir la bacteria Zymomonas mobilis (conocida en honor de su descubridor como Z. siendo la maltosa la m•s afectada por las levaduras. Los microorganismos 'atacan' espec‚ficamente a cada una de los hidratos de carbono. entre las que se encuentran principalmente Saccharomyces cerevisiae. lo que la convierte en una bacteria ideal en la generaci€n de etanol para usos no comestibles (como puede ser biocombustibles).[11] Los microorganismos responsables de la fermentaci€n son de tres tipos: bacterias. a veces mediante c•maras de Neubauer). Torulaspora y Zymomonas mobilis. sino que cooperan entre s‚ para la obtenci€n del proceso global de fermentaci€n. Los azƒcares empleados en la fermentaci€n suelen ser: dextrosa. incluso a relativas velocidades de movilidad. sacarosa y lactosa (azƒcar de la leche). A veces estos microorganismos no actƒan solos. ha sido defendida por Felix Hoppe-Seyler hasta llegar al descubrimiento de Eduard Buchner que lleg€ a hacer la fermentaci€n sin la . Algunos enzimas participan en la fermentaci€n. lindneri. como puede ser la diastasa o la invertasa. por ejemplo. caracter‚stico al producto final (como en el caso de los vinos o cervezas).[13] Algunas cepas de bacterias tienen eficiencias de fermentaci€n altas sin necesidad de fijaci€n. alginato de calcio. la transformaci€n del mismo en alcohol hace que la presencia de una cierta concentraci€n (generalmente expresada en grados brix) afecte a la supervivencia de levaduras no pudiendo realizar la fermentaci€n en tal medio (las altas concentraciones de azƒcar frenan los procesos osm€ticos de las membranas de las c„lulas). Son lo que se denominan: organismos anaer€bicos facultativos. en lugar de la m•s habitual v‚a de Embden-Meyerhoff-Parnas.Fermentaci€n alcoh€lica 3 Levaduras Las levaduras son cuerpos unicelulares (generalmente de forma esf„rica) de un tama…o que ronda los 2 a 4 Šm y que est•n presentes de forma natural en algunos productos como las frutas. Aunque hay distintos tipos de levaduras con diferentes tolerancias a las concentraciones de azƒcares y de etanol. tal y como puede ser el caso de Zymomonas mobilis (cuyo genoma completo se hizo pƒblico en el a…o 2005[14]). Se puede decir que el 96% de la producci€n de etanol la llevan a cabo hongos microsc€picos. maltosa. Sin embargo. Cuando el medio es rico en azƒcar (como puede ser el caso de las melazas o siropes). Kluyveromyces fragilis. mohos y levaduras. Otros factores como el nƒmero de levaduras (contadas en el laboratorio. etc„tera.[15] La idea de que una sustancia albuminoide espec‚fica desarrollada en la c„lula de la levadura llega a producir la fermentaci€n fue ya expuesta en el a…o 1858 por Moritz Traube como la teor€a enzim•tica o fermentativa y. diferentes especies de levaduras. es decir que pueden desarrollar sus funciones biol€gicas sin ox‚geno. o la industria. A pesar de la complejidad de los procesos bioqu‚micos una forma esquem•tica de la reacci€n qu‚mica de la fermentaci€n alcoh€lica puede describirse como una glic€lisis (en la denominada v€a Embden-Meyerhof-Parnes) de tal forma que puede verse como participa inicialmente una mol„cula de hexosa:[17] C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP € 2 CH3-CH2OH + 2 CO2 + 2 ATP + 25.16 g/L produce invariablemente la formaci€n de alcohol et‚lico en proceso de crecimiento de levadura (Saccharomyces cerevisiae) incluso en presencia de exceso de ox‚geno (aer€bico). Bioqu‚mica de la reacci€n de fermentaci€n Un c•lculo realizado sobre la reacci€n qu‚mica muestra que el etanol resultante es casi un 51% del peso. La presencia de azƒcares asimilables superiores a una concentraci€n sobre los 0. Se puede ver igualmente que la presencia de f€sforo (en forma de fosfatos). . La fermentaci€n alcoh€lica produce gran cantidad de CO2. Este CO2 (denominado en la edad media como gas vinorum) pesa m•s que el aire. La liberaci€n del di€xido de carbono es a veces "tumultuosa" y da la sensaci€n de hervir. y al igual que „sta necesita de enzimas para su completo funcionamiento. cabe destacar que el proceso se puede detallar en una glic€lisis previa gobernada por un conjunto de enzimas en la que se obtiene 2 piruvato tal y como se describe a continuaci€n: C6H12O6 € 2 CH3COCOO• + 2 H2O + 2H+ La reacci€n qu‚mica se describe como la reducci€n de dos mol„culas de Nicotinamida adenina dinucle€tido (NAD+) de NADH (forma reducida del NAD+) con un balance final de dos mol„culas de ADP que finalmente por la reacci€n general mostrada anteriormente se convierten en ATP (adenos‚n trifosfato). el glicerol.Fermentaci€n alcoh€lica intervenci€n de c„lulas y hongos de levadura. que es la que provoca que el cava (al igual que el Champagne y algunos vinos) tengan burbujas. Por ello es necesario ventilar bien los espacios dedicados a tal fin. Otros compuestos trazados en menores proporciones que se encuentran presentes tras la fermentaci€n son: el •cido succ‚nico. y puede llegar a crear bolsas que desplazan el ox‚geno de los recipientes donde se produce la fermentaci€n.5 kcal Se puede ver que la fermentaci€n alcoh€lica es desde el punto de vista energ„tico una reacci€n exot„rmica. este es el denominado efecto Crabtree. el •cido fum•rico. se pueda salir inmediatamente de la bodega. los rendimientos obtenidos en la industria alcanzan el 7%. es importante para la evoluci€n del proceso de fermentaci€n. para que en el caso de que la vela se apague.[16] 4 Bioqu•mica de la reacci€n La gluc€lisis es la primera etapa de la fermentaci€n. por ejemplo.[19] Si bien el proceso completo (v€a Embden-Meyerhof-Parnes) descrito simplificado anteriormente explica los productos resultantes de la fermentaci€n et‚lica de una hexosa. lo mismo que en la respiraci€n celular. aunque existen procesos de fermentaci€n espec‚ficos en los que ambas fermentaciones tienen lugar al mismo tiempo. palabra que en castellano tiene por etimolog‚a del lat‚n fervere. La fermentaci€n alcoh€lica se produce por regla general antes que la fermentaci€n malol•ctica. se suele ir con una vela encendida y colocada a la altura de la cintura. se libera una cierta cantidad de energ‚a. En las bodegas de vino.[18] este efecto es tenido en cuenta a la hora de estudiar y tratar de modificar la producci€n de etanol durante la fermentaci€n. de ah‚ proviene el nombre de fermentaci€n. Una de las principales limitaciones del proceso.El proceso de fermentaci€n es exot„rmico.[] En ingenier‚a bioqu‚mica estos crecimientos se definen y se modelizan con las ecuaciones de crecimiento celular dadas por las ecuaciones de Tessier.[23] Esta es la raz€n por la que los recipientes fermentadores se cierren herm„ticamente. En primer lugar el piruvato se descarboxila mediante la acci€n de la piruvato descarboxilasa para dar como producto final acetaldeh‚do liberando por ello di€xido de carbono (CO2) a partir de iones del hidr€geno (H+) y electrones del NADH. A pesar de ello parece ser suficiente energ‚a para los organismos anaer€bicos. Esta es una de las razones fundamentales por las que las bebidas alcoh€licas (no destiladas) no alcanzan valores superiores a los 20% de concentraci€n de etanol. es la resistencia de las levaduras a las concentraciones de etanol (alcohol) que se llegan a producir durante la fermentaci€n. 5 Balance energ‚tico La fermentaci€n alcoh€lica es un proceso anaer€bico exot„rmico (libera energ‚a) y mol„culas de ATP necesarias para el funcionamiento metab€lico de las levaduras (seres unicelulares). El balance a nivel molecular del proceso se puede decir que genera 2 mol„culas de ATP por cada mol„cula de glucosa. Algunos de ellos se deben tener en cuenta en la fermentaci€n alcoh€lica industrial. Debido a las condiciones de ausencia de ox‚geno durante el bioproceso. Se debe considerar que el etanol va aumentando de concentraci€n durante el proceso de fermentaci€n y debido a que es un compuesto t€xico. cuando su concentraci€n alcanza aproximadamente un 12% de volumen las levaduras tienden a morir. Œ Contacto con el aire .6 kJ mol-1 (en un entorno de acidez neutra pH igual a 7) este valor negativo de la energ‚a libre de Gibbs indica que: desde el punto de vista termodin•mico la fermentaci€n et‚lica es un proceso qu‚mico espont•neo[21] Limitaciones del Proceso La determinaci€n de los factores que limitan la gluc€lisis fermentativa del etanol son complejos debido a la interrelaci€n existente y a la naturaleza de los par•metros intervinientes durante el proceso de fermentaci€n. Las concentraciones de azƒcares afectan a los procesos de osmosis dentro de la membrana celular. La energ‚a libre de Gibbs (entalp‚a libre) de la reacci€n de fermentaci€n et‚lica muestra un valor de ‹G de -234.5 a 5. Las concentraciones l‚mite dependen del tipo de azƒcar as‚ como de la levadura responsable de la fermentaci€n. se debe entender adem•s que las levaduras son seres . De la misma forma la baja concentraci€n puede frenar el proceso. m•lico) limitan a veces este proceso. la respiraci€n celular de la cadena del ADP en ATP queda completamente bloqueada. y las levaduras tienen un r„gimen de funcionamiento en unos rangos de temperatura €ptimos. la v‚a de la gluc€lisis es id„ntica a la producida en el eritrocito (con la excepci€n del piruvato que se convierte finalmente en etanol). regenerando NAD+ para la continuaci€n de la gluc€lisis y sintetizando al mismo tiempo etanol. Œ La temperatura .[22] Œ Acidez del substrato .El pH es un factor limitante en el proceso de la fermentaci€n ya que las levaduras se encuentran afectadas claramente por el ambiente. En las limitaciones que surgen durante el proceso se pueden enumerar algunos de los m•s importantes como son: Œ Concentraci€n de etanol resultante . Los procesos industriales procuran mantener los niveles €ptimos de acidez durante la fermentaci€n usualmente mediante el empleo de disoluciones tamp€n. bien sea alcalino o •cido.Una intervenci€n de ox‚geno (por m‚nima que sea) en el proceso lo detiene por completo (es el denominado Efecto Pasteur).[20] Tras esta operaci€n el NADH sintetizado en la reacci€n bioqu‚mica catalizada por el GADHP se vuelve a oxidar por el alcohol deshidrogenasa. Los •cidos de algunas frutas (•cido tart•rico. algunos microorganismos como el saccharomyces cerevisiae pueden llegar a soportar hasta el 20% de concentraci€n en volumen.5 pH.La concentraci€n excesiva de hidratos de carbono en forma de monosac•ridos y disac•ridos puede frenar la actividad bacteriana.Fermentaci€n alcoh€lica En m•s detalle durante la fermentaci€n et‚lica en el interior de las levaduras. Por regla general el funcionamiento de las levaduras est• en un rango que va aproximadamente desde 3. siendo la ƒnica fuente de energ‚a para las levaduras la glic€lisis de la glucosa con la formaci€n de mol„culas de ATP mediante la fosforilaci€n a nivel de sustrato. Moser y de la ecuaci€n de Monod. Si se compara este balance con el de la respiraci€n celular se ver• que se generan 38 mol„culas de ATP. Œ Concentraci€n de azƒcares . La mayor‚a cumple su misi€n a temperaturas de 30•ŽC. Hoy en d‚a el procesamiento industrial de algunas bebidas alcoh€licas 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. . empleando para ello teor‚a de sistemas de control (el problema desde el punto de vista de ingenier‚a de sistemas es altamente no lineal y oscilatorio).[24] Una de las mejoras m•s estudiadas en la industria es la posibilidad de realizar la fermentaci€n alcoh€lica continua con el objeto de obtener mayores cantidades de etanol. Esta v‚a ofrece una amplia Cubas met•licas de acero inoxidable empleadas en la fermentaci€n industrial del vino materia de investigaci€n en temas de eficiencia de bioreactores. permitiendo la convivencia de una mayor densidad de las mismas durante la producci€n.Durante la fermentaci€n las cepas crecen en nƒmero debido a las condiciones favorables que se presentan en el medio. Si se expone cualquier levadura a una temperatura cercana o superior a 55•ŽC por un tiempo de 5 minutos se produce su muerte. biorreactor. Una de las caracter‚sticas de la fermentaci€n et‚lica industrial es la selecci€n adecuada de las levaduras a inocular en el proceso de fermentaci€n con el objeto de aumentar el rendimiento de la producci€n.[26][27] Un aspecto de la fermentaci€n alcoh€lica natural o espont•nea se puede dar en ciertas frutas como el de la vid. Este tipo de fermentaci€n causa a veces intoxicaciones et‚licas a los insectos que se alimentan de las frutas maduras (v„ase: abejas y elementos t‚xicos). tal y como puede ser el mel€n curado que muestra olor a alcohol. en una fase inicial en la que las uvas se incluyen en las cubas madre de acero inoxidable y se produce la denominada fermentaci‚n tumultuosa encargada de hacer aparecer las primeras trazas de etanol. mediante el cual determinados sustratos que componen el medio de cultivo (levaduras) son transformadas mediante la reacci€n microbiana en metabolitos y biomasa.Fermentaci€n alcoh€lica mes€filos. Estos contenedores son herm„ticos y permiten retirar mediante canalizaciones apropiadas el di€xido de carbono resultante. es por esta raz€n que ocurre espont•neamente en el interior de algunas frutas que se puede decir sufren un proceso de maduraci€n anaer€bica. Una de las fermentaciones naturales m•s habituales en las frutas y que se emplea en los procesos de vinificaci€n de algunos vinos es la denominada Maceraci€n carb€nica. Los m„todos de fermentaci€n continua se empezaron a patentar en la d„cada de los 1950s y desde entonces han hecho que la industria de las bebidas alcoh€licas haya experimentado un crecimiento apreciable. La fermentaci€n industrial t‚pica es esencialmente un proceso que se produce en un recipiente llamado fermentador o en general. 6 Tipos de fermentaci€n alcoh€lica Fermentaci€n industrial La fermentaci€n et‚lica ha sufrido algunas transformaciones con el objeto de aumentar la eficiencia qu‚mica del proceso. Fermentaciones naturales La fermentaci€n alcoh€lica con la emisi€n de ciertas cantidades de etanol se produce de forma espont•nea en la naturaleza siempre que se encuentre un azƒcar y una atm€sfera pobre de ox‚geno. Œ Ritmo de crecimiento de las cepas . esto hace que se incremente la concentraci€n de levaduras. o los mismos cocos.[25] Otra v‚a de investigaci€n 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 fermentaci€n). Durante el proceso los microorganismos van aumentando de concentraci€n en el transcurso de la reacci€n al mismo tiempo que el medio va modificando sus propiedades qu‚micas y se forman productos nuevos como consecuencia de las reacciones anab€licas. cantidad de alcohol debido a la fermentaci€n de al menos un 9% en volumen.[29] Para frenar la aparici€n de bacterias indeseables y otros organismos limitantes de la fermentaci€n se suele esterilizar el mosto a veces con di€xido de azufre (SO2) antes del proceso. Con la excepci€n de los vinos verdes como puede ser el chacol‚ que pueden tener una graduaci€n inferior. este fen€meno recibe el nombre de chaptalizaci€n y est• muy regulado en los pa‚ses productores de vino. Las especies de levaduras empleadas en la elaboraci€n del vino suelen ser por regla general las Saccharomyces cerevisiae aunque a veces tambi„n se emplean la S. En otros casos por el contrario se activa de forma voluntaria el proceso de fermentado mediante la adici€n de materiales azucarados. bayanus y la S. Los vinos deben tener una proceso de fermentaci€n. el mismo patr€n puede hacerse con otros materiales como el arroz en Asia o el ma‚z en Latinoam„rica.) y que se denomina "pruina").[28] La fermentaci€n alcoh€lica del vino es muy antigua y ya en la Biblia se hacen numerosas referencias al proceso. aunque en muchas variedades de vides la Kloeckera apiculata y la Metschnikowia pulcherrima son levaduras end€genas capaces de participar en las primeras fases de la fermentaci€n. Los vinos blancos fermentan a temperaturas relativamente bajas de 10•-15•ŽC y los vinos tintos a temperaturas mayores de 20•-30•ŽC. una de las m•s habituales es que haya alcanzado la densidad alcoh€lica establecida por la ley. En el caso del vino las levaduras responsables de la vinificaci€n son unos hongos microsc€picos que se encuentran de en la imagen se muestra unas uvas del tipo forma natural en los hollejos de las uvas (generalmente en una capa en Cabernet Sauvignon empezando a interaccionar forma de polvo blanco fino que recubre la piel de las uvas (vitis con los hollejos (piel de la uva) durante el vinifera l. por ejemplo en los pa‚ses mediterr•neos la uva es frecuente y por lo tanto la fermentaci€n del vino tambi„n. Fermentaci€n del vino La fermentaci€n del vino es de las m•s conocidas y estudiadas por afectar a una industria muy extendida y con gran solera (vƒase: Historia del vino). La elaboraci€n del vino pasa por una fermentaci€n alcoh€lica de la fruta de la vid en unos recipientes (hoy en d‚a elaborados en acero inoxidable) en lo que se denomina fermentaci€n tumultuosa debido a gran ebullici€n que produce durante un periodo de 10 d‚as aproximadamente (llegando hasta aproximadamente unas dos semanas). La producci€n de estas bebidas es en la mayor‚a de los casos local debido a la disponibilidad de los substratos. los cereales y de la leche. Para ello se emplean principalmente los azƒcares de las frutas. oviformis.Fermentaci€n alcoh€lica 7 Fermentaciones espec•ficas Las fermentaciones espec‚ficas son manipuladas por el hombre con el objeto de obtener el etanol en ciertas bebidas. De esta forma la tradici€n de los procesos de fermentado se han asociado a las diversas etnias o grupos sociales. A veces se interrumpe voluntariamente la fermentaci€n et‚lica en el vino por diversas causas.[30] . Tras esta fermentaci€n 'principal' en la industria del vino se suele hacer referencia a una fermentaci€n secundaria que se produce en otros contenedores empleados en el trasiego del vino joven (tal y como puede ser en las botellas de vino). logrando una gran variedad de las mismas. etc. la Doppelbock (doble Bock). Algunas cervezas t‚picas de esta categor‚a son las alemanas: Kˆlsch.[31] El proceso de fermentaci€n de la cerveza se produce en un medio •cido que suele oscilar entre los pH 3. la raz€n de esta fermentaci€n se debe a la estructura qu‚mica de la capa celular de la levadura y a la propiedad floculante de las levaduras de la cerveza: Œ Baja fermentaci€n .y la Saccharomyces carlsbergensis) que se hunden en la parte inferior de la cuba (de ah‚ su nombre de fermentaci€n baja). la Weizenbier o cerveza de trigo t‚pica de Baviera.6. la Export. centeno. aromatizar y controlar las reacciones enzim•ticas durante el proceso de elaboraci€n de la cerveza.Son cervezas elaboradas con levaduras del tipo saccharomyces cerevisiae. Las cervezas de este tipo corresponden a las del tipo Pilsen. la Gose. El contenido de la cerveza ya se reglament€ en Europa en la famosa ley alemana de la Reinheitsgebot que data del a…o 1516. Los cereales empleados son por regla general: cebada. la Wei•bier. Estas levaduras tienden a flotar y por eso se denominan "fermentaci€n alta".Estas cervezas son fermentadas con levaduras espec‚ficas (Saccharomyces uvarum bzw. Por regla general la fermentaci€n de la cerveza se regula mediante la regulaci€n de la temperatura de la fermentaci€n del mosto de malta. Zoigl Œ Alta fermentaci€n . trigo. un ejemplo: Guinness). El proceso de fermentaci€n en la cerveza en las cubas de fermentaci€n ronda entre los 5 y 9 d‚as. Bockbier.Fermentaci€n alcoh€lica 8 Fermentaci€n de la cerveza La cerveza es una bebida alcoh€lica producida por la fermentaci€n alcoh€lica mezcla de algunos cereales (en forma de malta) mezclados con agua. por ejemplo se suele emplear la Saccharomyces cerevisiae para elaborar cervezas de tipo ale (de color p•lido) y la saccharomyces carlsbergensis que sirve para la elaboraci€n de la Cocci€n del mosto antigua en Holsten-Brauerei cerveza tipo lager (Generalmente de color rubio) y la Stout (Cerveza Hamburgo. Zwickel. Existen en la elaboraci€n de la cerveza dos tipos fundamentales de fermentaci€n et‚lica. La industria cervecera ha seleccionado durante siglos las cepas de levaduras para que se adaptaran al proceso de elaboraci€n de cerveza. . etc. Durante el proceso se le a…ade lƒpulo (Humulus lupulus) con el objeto de saborizar. Lager. las fermentaciones de este tipo se producen a temperaturas relativamente altas 15€20•ŽC. las cervezas de tipo Ale. dependiendo del lugar f‚sico donde se realiza la fermentaci€n en la cuba madre. Las levaduras empleadas en el proceso de fermentaci€n de la cerveza se dedican a trabajar contra la maltosa y por regla general suelen depender de las caracter‚sticas del producto cervecero final que se desee obtener.5 y 5. la Berliner Wei•e. oscura de alto contenido alcoh€lico generalmente m•s dulce. Las fermentaciones de este tipo se producen a temperaturas relativamente bajas 4€9•ŽC. .5 mg/L) que es casi enteramente fruto de la actividad de las bacterias fermentadoras acidol•cticas presentes durante la etapa del moto (etapa inicial en la cuba de fermentaci€n). etilcaproato (10 mg/L) e isoamil acetato (10 mg/L). No hay que olvidar la presencia de •cido l•ctico (0. La presencia de estos tiende a ser la m‚nima posible. Tambi„n se detecta. el pachwai (en la India se denomina como 'cerveza de arroz'). etilcarbamato. •cido ac„tico (50 a 200 mg/L). la concentraci€n de todos estos compuestos en el Sak„ es significantemente mayor. La fermentaci€n l•ctica y et‚lica es muy sensible a la temperatura y suele denominarse fermentaci€n heterol•ctica. siendo algunas de estas bebidas destiladas. isobutanol (65 mg/L). una variedad de amino•cidos. La fermentaci€n se toma un periodo que va desde los 30 a los 40 d‚as. aunque en concentraciones menores. etilacetato (50 a 120 mg/L). que es el que contribuye en mayor medida al aroma del sak„. el Leuconostoc mesenteroides var. El sake tiene tres fases de elaboraci€n: la koji. n-propanol (120 mg/L). el rakshi (bebida elaborada con arroz y mijo en el Nepal). urea). Entre las bebidas l•cteas que han sufrido una fermentaci€n et‚lica se encuentra una bebida denominada koumiss (muy popular en pa‚ses de Asia Central como en Kazajist•n) que se elabora mediante la adicci€n de Un bol con Kumis. el incremento de tolerancia al etanol o la no proliferaci€n de cepas productoras de toxinas. Se han llevado a cabo gran cantidad de mejoras gen„ticas 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 Lactobacillus sakei. 2-fenil etanol (75 mg/L). as‚ como el vino de arroz. isoamil alcohol (70 a 250 mg/L). Los productos fermentados de arroz no son exclusivos de Jap€n. Estos metabolitos tambi„n pueden encontrarse en cervezas y la mayor‚a de vinos ya que provienen de la fermentaci€n alcoh€lica. sake y la Saccharomyces sake. se puede encontrar en diversas culturas del mundo como puede ser: el binbur•n (Filipinas). •cido c‚trico (100 a 500 mg/L). •cido m•lico (200 a 400 mg/L).Fermentaci€n alcoh€lica 9 Fermentaci€n del arroz En los pa‚ses asi•ticos la abundancia natural del arroz debido a las caracter‚sticas clim•ticas permite que se pueda emplear en la elaboraci€n de fermentaciones alcoh€licas en forma de bebida como es el sake (conocida en Jap€n como nihonshu (€ • ‚? "alcohol japon„s"). Fermentaci€n alcoh€lica de la leche La leche por regla general sufre una fermentaci€n l•ctica (la mayor‚a de los productos l•cteos) que produce algunas bebidas alcoh€licas. Tambi„n hay que a…adir a estos componentes el eti-lleucinato. el arrack (el denominado €•‚. En el sake. los principales componentes responsables de su sabor caracter‚stico son: •cido succ‚nico (500 a 700 mg/L). la motto y la moromi que se realiza en la denominada fermentaci€n de estado s€lido. Tambi„n se han dado el caso de cepas dise…adas para mejorar la productividad.3 a 0. Jarrones japonenes de sake. Los principales microorganismos empleados en la elaboraci€n de estas bebidas alcoh€licas a base de arroz son el Aspergillus oryzae. No obstante. al igual que reducir la de otros (amino•cidos. €araq es muy popular en Oriente Medio frecuentemente destilado). El proceso es alimentado por la lactosa (azƒcar natural de la leche) y por la enzima lactasa que segregan algunas levaduras espec‚ficas (v„ase cultivos l•cticos). ya sea disminuyendo la formaci€n de espuma. el isoamil alcohol o el etilcaproato). ya que le dan al Sak„ un sabor desagradable. aparte de una concentraci€n de entre 15 y 20% de etanol producto de la fermentaci€n. etc. Wein= vino. Se denomina a veces como: "vino de leche" y posee un aspecto gris•ceo. Francia. la tuba. las diferentes culturas del mundo emplean de una forma u otra esta fermentaci€n como identificaci€n cultural. En estas bebidas l•cteas la fermentaci€n l•ctica se produce al mismo tiempo que la alcoh€lica. En M„xico son conocidas tambi„n el tesg‰ino elaborado con la fermentaci€n del ma‚z. debido quiz•s a que se suele emplear alguna fruta o verdura propia de la regi€n. Apfelwein= vino de manzana o sidra). algunas bebidas similares son el colonche (o el nochoctli) elaborados de la fermentaci€n de cactus. el japon„s shoto sake. muy popular en los pa‚ses del C•ucaso y Asia Central.[33] su bajo contenido se debe a las relativamente altos niveles de pH que paran el proceso fermentativo alcoh€lico.300%. el tibicos.Fermentaci€n alcoh€lica sacarosa (azƒcar de ca…a) a la leche pasteurizada y suele proporcionar bebidas de bajo contenido alcoh€lico. Uno de los ejemplos es el natt‘ de la culinaria japonesa. en Colombia. a veces denominada tepache. el microorganismo responsable de este proceso es Lactobacillus bulgaricus. Gran Breta…a) y en el apfelwein(Aleman).[34] 10 Otras fermentaciones alcoh€licas Algunos alimentos fermentados poseen ciertas cantidades de etanol debido a peque…as reacciones de fermentaci€n et‚lica que se realizan durante la fermentaci€n del alimento. Jarra con Apfelwein (Apfel= manzana. bebida muy popular en Alemania y los pa‚ses del norte y centro de Europa. De la misma forma ocurre con la fermentaci€n de la manzana en la sidra (muy popular en pa‚ses como Espa…a. Las fermentaciones de ma‚z que elaboran la Chicha. El kenyan urwaga que es una bebida efervescente elaborado de bananas t‚pico en Ruanda. as‚ como en algunas zonas del Cant•brico. cooperando ambas en un complejo proceso interrelacionado.[35] Una de las bebidas m•s populares en los pueblos de Europa del Norte es la hidromiel elaborada con agua y miel fermentadas cuya solera se remonta a la „poca de los vikingos. Las fermentaciones realizadas con azƒcar de ca…a en los vinos azucarados como puede ser el basi filipino. algunos como puede ser el ogogoro de Nigeria. oscila entre un 1% y un 3%. que puede oscilar entre un 0. similar es el mwenge de Uganda elaborado similarmente con sorgo y bananas.[32] que contiene una cierta cantidad de etanol. . el tuba de Filipinas. Los vinos de palma elaborados con la hoja de la palmera. El pulque de M„xico elaborado con la fermentaci€n alcoh€lica del zumo de la agave tequilana (en la que participa la levadura Zymomonas mobilis). de la misma forma se elabora el tej etiope.040% y un 0. el kalu de la India. muy popular en Colombia. Otra de las bebidas es el k„fir.[36] Una bebida que se hace a partir de la panela es una variante del guarapo que es una bebida alcoh€lica producto de la fermentaci€n alcoh€lica del agua de panela. En el kit de desarrollo debe incluirse un term€metro y un dens‚metro. estas ampolletas permiten la salida del CO2 pero no la entrada del aire (O2).Suele ser un recipiente de gran volumen de 30 L (es preferible que tenga escala graduada en sus paredes). Este proceso es normalmente asociado el proceso de destilaci€n casera para aumentar la pureza del alcohol resultante. Debe ser de un tama…o tal que permita ser removido de vez en cuando. Se suele comercializar para poder hacer la mezcla inicial diferentes productos con levaduras deshidratadas en su interior. Este dispositivo puede encontarse elaborado en vidrio o en pl•stico.La misi€n de este dispositivo es la de permitir la salida del di€xido de carbono generado mientras que al mismo tiempo se evita la entrada de aire en el 'fermentador' y evitar as‚ la contaminaci€n del proceso (que oxidar‚a el alcohol et‚lico en •cido ac„tico). Las levaduras deshidratadas deben pasar un periodo de hidrataci€n de unas horas antes de ser a…adido al substrato. la elecci€n del producto depender• fundamentalmente del tipo de azƒcar empleado. Se denomina a veces a este recipiente como simplemente 'fermentador' y es el espacio en el que se realiza la fermentaci€n. o fermentador. Œ Tap€n de fermentaci€n . debe tener un calibre de 'boca' sufiente para que pueda enroscarse un tap€n de fermentaci€n con un agujero sobre el que se pueda introducir un airlock. permitiendo tan s€lo acceso a trav„s del airlock. permitiendo de esta manera producir aguardientes y otras bebidas de alto contenido alcoh€lico. El bloqueo de este aparato se hace mediante el empleo de agua introducida en unas ampolletas comunicadas. Œ Cubierta de goma para el tap€n .Fermentaci€n alcoh€lica 11 Fermentaci€n alcoh€lica casera Una de las actividades lucrativas de algunas personas es la fermentaci€n et‚lica casera. Uso de un cierre hidr•ulico para la fermentaci€n casera .[37] Se debe considerar que la fermentaci€n debe empezar aproximadamente a las 10 horas de componer el sistema y suele durar entre dos y cuatro d‚as. El recipiente debe ser amplio en su boca superior para que el di€xido de carbono pueda liberarse y facilitar su limpieza posterior. Este accesorio no es realmente necesario y su funci€n es la de garantizar la estanqueidad que debe proporcionar el tap€n. se trata de un proceso qu‚mico de baja eficiencia y del que se obtiene etanol en cantidades relativamente altas. A veces se incluyen adem•s esencias diversas que se a…aden en la elaboraci€n final de estas bebidas caseras con el objeto de aromatizar o proporcionar diferentes sabores.Se debe hacer notar que el tap€n debe ser cubierto con una funda de goma para que garantice la estanqueidad del fermentador durante el proceso. Œ Airlock . 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. El equipo b•sico para realizar la fermentaci€n de forma casera puede consistir en las siguientes piezas: Œ Fermentador o Cuba madre . Este tap€n debe garantizar la estanqueidad del proceso. la transformaci€n biol€gica de residuos agroindustriales.[39] La investigaci€n acerca de los substratos m•s adecuados. de enzimas.[43] Otro aspecto importante es el efecto que produce en el cuerpo humano el consumo reiterado en los humanos de bebidas alcoh€licas procedentes de la fermentaci€n et‚lica (v„ase efectos del alcohol en el cuerpo) ya que el etanol es una potente droga psicoactiva con un nivel de efectos secundarios adem•s de la adicci€n que genera su consumo habitual. debido a las consecuencias que puede traer para el cambio clim•tico. Uno de los efectos m•s sorprendentes se encuentra en la contaminaci€n et‚lica existente en algunos insectos que se alimentan de frutas y del n„ctar de las flores.[40][41] Un proceso industrial muy investigado a comienzos del siglo XXI es la fermentaci€n en estado s€lido empleada en la biomedicaci€n y en la biodegradaci€n de productos de desecho. a la producci€n de etanol destinado a la elaboraci€n de bebidas alcoh€licas diversas. No obstante el empleo de la fermentaci€n alcoh€lica tiene un „xito potencial en el tratamiento de los residuos de la industria alimenticia. as‚ como el empleo de levaduras de alto rendimiento es objeto de constante estudio. un ejemplo claro son las abejas (v„ase abejas y elementos t€xicos). Los usos del etanol en la industria son amplios y van desde la elaboraci€n de productos cosm„ticos.5 ’ 109 litros de etanol lo que supone un 17% de incremento sobre el a…o 2003. La fermentaci€n alcoh€lica en peque…a escala se produce de la misma forma en las ra‚ces de algunas plantas que son regadas de manera muy frecuente.[42] De la misma forma puede intoxicar a los p•jaros que se alimentan de algunas bayas maduras ya parcialmente fermentadas. biopesticidas. Dentro de los estudios de biotecnolog‚a se ha intentado emplear el etanol resultante de la fermentaci€n alcoh€lica de los desechos agr‚colas (biomasa[38]) en la obtenci€n de biocombustibles (bioetanol) empleados en los motores de veh‚culos. El etanol fue uno de las fuentes energ„ticas de combustible que m•s demanda mundial genera a comienzos del siglo XXI (con la excepci€n del petr€leo).Fermentaci€n alcoh€lica 12 Usos de la fermentaci€n El empleo principal de los procesos de fermentaci€n por parte del ser humano ha ido dirigido. en la producci€n de compuestos bioactivos. .[] Se ha intentado centrar los estudios en los reactores de fermentaci€n continua con la esperanza de poder obtener no s€lo grandes cantidades de etanol. en el a…o 2004 los Estados Unidos produjeron m•s de 12. entre otros. Los lugares donde se realiza la fermentaci€n de algunas bebidas alcoh€licas (generalmente s€tanos) suelen ser peligrosos ya que el di€xido de carbono 'desplaza' al ox‚geno pudiendo causar asfixia a las personas que se encuentren en estos lugares. Los efectos de la fermentaci€n depender•n de como se trate cada uno de estos subproductos. de •cidos org•nicos. Se ha investigado la posibilidad de emplear la fermentaci€n et‚lica en el tratamiento de los vertederos de basura logrando de esta forma biocombustible. etc. desde muy antiguo. biocombustibles y compuestos arom•ticos. sino que se aumente la eficiencia de los mismos. los estudios no han arrojado aplicaciones concluyentes. productos de limpieza. la falta de aireaci€n del terreno hace que las condiciones anaer€bicas que necesitan las levaduras actƒen pudiendo envenenar el suelo mediante un aumento de la concentraci€n de etanol lo que se traduce en una disminuci€n de la capacidad de producci€n de las mismas. Efectos de la fermentaci€n et•lica Los efectos de la fermentaci€n et‚lica se derivan de los productos resultantes del proceso que son liberados de una forma u otra al medio ambiente: el etanol y el di€xido de carbono.[] No obstante la generaci€n de CO2 durante el proceso pone en alarma acerca de su uso. Esta situaci€n cambi€ en el siglo XX ya que desde la crisis del petr€leo de los '70 los estudios e investigaciones acerca de posibles combustibles alternativos ha sido de gran inter„s para los gobiernos de todo mundo. Su•rez. 1906. Beltran G. 1987. 2004 [18] J. Blackwell Publishing [33] "Handbook of Fermented Functional Foods". Berlin 293. . aidic. Neway. Vol. Quintero.Seville. 2001.. Acetaldehyd.. Mayo 2006 "Microbial Biotechnology: Principles And Applications". N Rozes y A Mas. 283. Krebs. Manuel. Alkohol. David E. "Alcoholic Fermentation". ncbi. Janson. Se trata de una referencia con detalles del descubrimiento. Hubert Verachtert. 2006.1.343-352. 952. (Zusammenfass. N Ferrer. 1989. 63-68 (2005). [37] "Vinos de elaboracion casera". 8.". Justin O. pp. nih. H. Keith H. Steinkraus. Teresa Audesirk. 1990. 88. gov/ entrez/ query. (http:/ / www. Grubner. CRC Press [40] "Continuous bio-ethanol fermentation from food industry waste under no sterile conditions". Editorial Albatros. H. 3-4.) 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