El objetivo de este artículo es proporcionar una visión técnica detallada del proceso de fermentación en la elaboración del vino, enfocándose en la fermentación alcohólica y su cinética. La fermentación es un proceso esencial en la producción de vino, ya que transforma el mosto de uva en una bebida alcohólica mediante la acción de microorganismos.
¿Qué es la Fermentación Alcohólica?
La fermentación alcohólica es un proceso catabólico de fermentación, en ausencia de oxígeno, originado por la actividad de algunos microorganismos (bacterias y levaduras) que procesan la glucosa para obtener como productos finales: un alcohol en forma de etanol (CH3-CH2-OH), dióxido de carbono (CO2) en forma de gas y moléculas de adenosín trifosfato (ATP) que consumen los propios microorganismos en su metabolismo celular energético anaeróbico.
La fermentación alcohólica es un proceso biológico de fermentación en plena ausencia de oxígeno (- O2), originado por la actividad de algunos microorganismos que procesan los hidratos de carbono (por regla general, azúcares: por ejemplo, la glucosa, la fructosa, la sacarosa, es decir, cualquier sustancia que tenga la forma empírica de la glucosa, es decir, 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 moléculas de adenosín trifosfato (ATP) que consumen los propios microorganismos en su metabolismo celular energético anaerobio.
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 CO2.
Historia y Descubrimiento de la Fermentación Alcohólica
La humanidad emplea a la fermentación alcohólica desde tiempos inmemoriales para la elaboración de cerveza (empleando cereales) y del vino (empleando el fruto de la vid: la uva en forma de mosto) fundamentalmente. Los griegos atribuían el descubrimiento de la fermentación al dios Dionisio.
En el año 1764 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%.
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. En el siglo XIX hubo un debate científico para establecer la «hipótesis de la fermentación». 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.
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. 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. Esta substancia descubierta por Harden y Young se denominó cozimasa, y fue finalmente 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.
Microorganismos Clave en la Fermentación Alcohólica
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.
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.
Destacamos Saccharomyces cerevisiae, que interviene en la producción de vino, cerveza y en la fabricación del pan. 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.
Las levaduras requieren nutrientes como nitrógeno, fósforo, vitaminas y minerales para un crecimiento y metabolismo adecuado.
No-Saccharomyces
Incluyen especies como Kloeckera, Candida y Pichia, que pueden contribuir a la complejidad aromática del vino aunque son menos eficientes y a menudo se emplean en combinación con Saccharomyces.
Bacterias
Algunas bacterias, como Zymomonas mobilis y Lactobacillus bulgaricus, son capaces de realizar fermentación alcohólica. Las cepas de bacterias tienen eficiencias de fermentación altas sin necesidad de fijación, incluso a relativas velocidades de movilidad, tal y como puede ser el caso de Zymomonas mobilis (cuyo genoma completo se hizo público en el año 2005). 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).
Mohos
Incluyen géneros como Rhizopus, Mucor y Aspergillus. El oncom es un alimento básico de la gastronomía de Indonesia, se produce por la fermentación de distintos alimentos (Rhizopus oligosporus).
Cinetica de la Fermentación Alcohólica
La fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico exergónico (libera energía) y moléculas de ATP necesarias para el funcionamiento metabólico de las levaduras (seres unicelulares). Debido a las condiciones de ausencia de oxígeno durante el bioproceso, la respiración celular de la cadena del ADP en ATP queda completamente bloqueada, siendo la única fuente de energía para las levaduras la glicólisis de la glucosa con la formación de moléculas de ATP mediante la fosforilación a nivel de sustrato.
La glucólisis es la primera etapa de la fermentación, lo mismo que en la respiración celular, y al igual que esta necesita de enzimas para su completo funcionamiento. La producción de etanol se realiza gracias a la enzima piruvato descarboxilasa, en células vegetales, hongos y bacterias. La glucosa se oxida a ácido pirúvico, generando NADH.
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. 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.
Factores que Afectan la Cinética de la Fermentación
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:
- Acidez del Sustrato (pH): 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. El pH óptimo para la fermentación alcohólica en vino está entre 3.0 y 4.0.
- Concentración de Azúcares: La concentración inicial de azúcares en el mosto determina el potencial alcohólico del vino. 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. Los azúcares empleados en la fermentación suelen ser: dextrosa, maltosa, sacarosa y lactosa (azúcar de la leche). Los microorganismos 'atacan' específicamente a cada uno de los hidratos de carbono, siendo la maltosa la más afectada por las levaduras.
- 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 temperatura óptima para la fermentación alcohólica suele estar entre 20-30°C.
- Concentración de 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. 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° de alcohol para las levaduras del vino, por ejemplo.
- Nutrientes: Las levaduras requieren nutrientes como nitrógeno, fósforo, vitaminas y minerales para un crecimiento y metabolismo adecuado. La presencia de fósforo (en forma de fosfatos), es importante para la evolución del proceso de fermentación.
Balance Energético de la Fermentación Alcohólica
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. A pesar de ello parece ser suficiente energía para los organismos anaeróbicos.
Productos Secundarios y su Importancia
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.
La fermentación alcohólica produce gran cantidad de CO2, que es la que provoca que el cava (al igual que el Champán 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.
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Aplicaciones Industriales y Manejo de la Fermentación
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. Los tanques de fermentación pueden ser de acero inoxidable, madera o cemento.
La elección de cepas específicas de levaduras y bacterias lácticas puede influir significativamente en el perfil aromático, sabor y textura del vino. La fermentación del vino es de las más conocidas y estudiadas por afectar a una industria muy extendida y con gran solera.
Innovaciones y Control en la Fermentación
La fermentación etílica ha sufrido algunas transformaciones con el objeto de aumentar la eficiencia química del proceso. 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 biorreactores, 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). 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. Los métodos de fermentación continua se empezaron a patentar en la década de los 50s y desde entonces han hecho que la industria de las bebidas alcohólicas haya experimentado un crecimiento apreciable.
Aphromate es un sistema de control dinámico de gestión del proceso de la toma de espuma en autoclave para la producción de cavas y vinos espumosos con el método Martinotti o Charmat. Permite gestionar, a través de una serie de algoritmos únicos y originales desarrollados experimentalmente, todas las fases del proceso de producción de cavas y vinos espumosos producidos con los métodos Martinotti/Charmat. Aphromate no es un simple medidor de temperatura y presión sino un sistema desarrollado en el cual las operaciones de enriquecimiento, cierre del depósito, gestión de la duración de toma de espuma y el residuo de azúcar deseado al término del proceso de refermentación pueden ser valorados en modalidad predictiva o tenidos bajo control con elevada precisión durante el transcurso de todo el proceso. Manteniendo en el tanque una ligera sobrepresión, ADCF mide utilizando sensores extremadamente precisos cada mínima variación de presión generada por la producción de CO2, que se libera más tarde a través de una válvula de ventilación.
Problemas Comunes en la Fermentación
Problemas como fermentaciones detenidas pueden ocurrir por deficiencias de nutrientes, temperaturas inadecuadas o contaminaciones. El análisis microbiológico y químico del mosto puede ayudar a identificar la causa de los problemas. Técnicas como la oxigenación controlada, adición de nutrientes y ajustes de temperatura son comunes para resolver problemas fermentativos. El seguimiento constante de la densidad, pH y temperatura es fundamental para asegurar una fermentación saludable.
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