lunes, 10 de noviembre de 2014

Fundamentos de la Fermentación Alcohólica en la Vinificación


FUNDAMENTOS DE LA FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA EN LA VINIFICACIÓN

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, la fructosa, la sacarosa, sirve con cualquier sustancia que tenga la forma empírica de la glucosa, es decir, que sea una Hexosa.) 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 su metabolismo celular energético anaeróbico.

DESDE EL PUNTO DE VISTA MICROBILÓGICO

La transformación del mosto de uva en vino es un proceso complejo en el que las levaduras, principalmente Saccharomyces cerevisiae, juegan el papel más destacado. Durante la vinificación, las levaduras utilizan los azúcares glucosa y fructosa y otros componentes del mosto para su crecimiento. Los azúcares son transformados principalmente en etanol y anhídrido carbónico y, en menor medida, en otros compuestos que son responsables de la composición química y las cualidades sensoriales del vino; estos compuestos reciben el nombre de productos secundarios.

En el siguiente esquema, puedes observar la reacción química realizada por las levaduras:

glucosa + levadura = alcohol + gas carbónico + calor + productos secundarios + ATP.


- Las levaduras: 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. Los microorganismos responsables de la fermentación son de tres tipos: bacterias, mohos y levaduras. 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.

Cuando el medio es rico en azúcar, 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). 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).

Algunas enzimas participan en la fermentación, como puede ser la diastasa o la invertasa. 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. 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.

DESDE EL PUNTO DE VISTA BIOQUÍMICO

La fermentación alcohólica se define como el proceso bioquímico, caracterizado por una serie de reacciones encadenadas, en el que participan las enzimas que contiene la levadura. Por tanto, el vino puede considerarse como un producto de la transformación enzimática de los azucares del mosto de uva, principalmente glucosa y fructosa.


- Bioquímica de la reacción: 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:

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. 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.

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.

¿QUÉ LE OCURRE A LAS LEVADURAS UNA VEZ HAN DEGRADADO EL AZÚCAR?

Una vez que las levaduras han degradado el azúcar, y lo han transformado en alcohol y demás sustancias, mueren y forman sedimentos en el fondo del recipiente llamados “borras”.

- Crianza sobre lías: La crianza sobre lías es un proceso que proporciona al vino ciertas propiedades organolépticas y una mejoría de su estabilidad físico-química.

Las lías son microorganismos, principalmente levaduras, encargadas de realizar la fermentación alcohólica, y en menor grado bacterias, sobre todo si el vino no realizó la fermentación maloláctica, que al terminar su actividad, se mueren y se van descomponiendo, proceso conocido como autolisis. En esta descomposición, van cediendo compuestos (las manoproteínas son las más deseadas) que se encuentran principalmente en su pared celular, consiguiendo mejorar las características del vino.

Para conseguir una homogeneidad en el reparto de compuestos provocado por la autolisis de las levaduras, el vino tendrá que ser removido. Si se encuentra en barricas, el método más tradicional es el battonnage, que consiste en introducir un utensilio con forma de bastón y girarlo en círculos para generar movimiento en el vino, de esta manera las lías que se encuentran precipitadas en el fondo de la barrica se repartirán por todo el interior del recipiente. Pero si se encuentra en un depósito, se tendrá que realizar un remontado, y este método consiste en generar un circuito cerrado, de tal manera que se succiona el líquido por la parte inferior y se devuelve por la superior, originando un movimiento que hará que las lías se distribuyan de manera más regular.

Ventajas:
- Se alcanza mayor estabilidad del vino. Tendrá menos precipitados.
- Suaviza la astringencia (sensación de sequedad en la boca).
- Aparecen nuevos aromas y mejora la persistencia.
- Aumenta la untuosidad. Sensación de densidad, de volumen del vino cuando lo tenemos en la boca.
- En el caso de los espumosos, mejora las características espumantes.
- Protegen al vino de la oxidación puesto que las lías consumen oxígeno.

Inconvenientes:
- Si el vino pasa por madera, aumenta el riesgo de contaminación por brettanomyces.
- Aumenta el riesgo de que aparezcan olores de reducción (falta de oxígeno).
- Es una práctica complicada y onerosa ya que implica una inmovilización de los stocks y una importante dedicación de los recursos de la bodega.

¿EN QUÉ CONDICIONES SE REALIZA LA FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA?

La levadura más importante en la fermentación del vino es Saccharomyces cerevisiae. Dicha levadura es anaerobiafacultativa y esto significa que se va a desarrollar tanto en presencia, como en ausencia de oxígeno.

- En anaerobiosis, sin la presencia de oxígeno, la degradación de la glucosa por la levadura sólo se realiza de manera incompleta. Por cada molécula de glucosa se obtiene etanol y anhídrido carbónico, y el rendimiento energético es de sólo 2 ATP. Estaríamos frente a la fermentación alcohólica.

- En aerobiosis, en presencia de oxígeno, la levadura lleva a cabo la respiración celular. En este caso, el azúcar lo convierten en anhídrido carbónico y agua, y el rendimiento energético es de 36-38 ATP. Esta energía la utilizarán para seguir reproduciéndose, de esta manera, el mosto lo convertirán en una masa de miles de levaduras. De esta forma si lo que queresmos es vinificar o hacer vino, esto no es lo que nos interesa.

Nos interesa que en el mosto de uva reinen unas condiciones de anaerobiosis, para así obligar a la levadura a realizar la fermentación alcohólica y poder obtener vino.

¿QUÉ OTROS PRODUCTOS CONOCIDOS SON FRUTO DE LA FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA?

- La cerveza: la cual ya la conocían los sumerios y babilonios antes del año 6000 a.C.

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.

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. 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, la Weißbier, la Weizenbier o cerveza de trigo típica de Baviera, la Gose, la Berliner Weiße, las cervezas de tipo Ale, etc.

- El pan: aproximadamente hacia el año 4000 a.C., los egipcios ya lo elaboraban.

Se suele preparar mediante el horneado de una masa, elaborada fundamentalmente con harina de cereales, sal y agua. La mezcla, en la mayoría de las ocasiones, suele contener levaduras para que fermente la masa y sea más esponjosa y tierna.

La fermentación del pan ocurre en diversas etapas. La denominada 'fermentación primaria' empieza a ocurrir justamente tras el amasado y se suele dejar la masa en forma de bola metida en un recipiente para que 'repose' a una temperatura adecuada. Durante esta espera la masa suele adquirir mayor tamaño debido a que la levadura (si se ha incluido) libera dióxido de carbono (CO2) durante su etapa de metabolismo: se dice en este caso que la masa fermenta. La masa parece que se va 'inflando' a medida que avanza el tiempo de 'reposo'. La temperatura de la masa durante esta fase del proceso es muy importante debido a que la actividad metabólica de las levaduras es máxima a los 35 °C, pero de la misma forma a esta temperatura se produce CO2 a mayor ritmo pero al mismo tiempo también malos olores. Es por esta razón por la que la mayoría de los libros de panadería sugieren emplear temperaturas inferiores, rondando los 27 °C lo que supone un reposo de aproximadamente dos horas. La temperatura gobierna este proceso de fermentación, a mayor temperatura menor tiempo de reposo. A veces algunos panaderos desean que las levaduras actúen durante el mayor tiempo que sea posible ya que este periodo dilatado con un mayor aroma y sabor al pan. En algunos casos se hace uso de frigorífico.

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