La fermentación alcohólica es un proceso biológico fundamental, conocido y utilizado por la humanidad desde tiempos inmemoriales. Es la base para la elaboración de bebidas como el vino y la cerveza, y su estudio ha revelado complejos mecanismos bioquímicos esenciales para la vida de ciertos microorganismos y la calidad de los productos finales.
¿Qué es la Fermentación Alcohólica?
La fermentación alcohólica es un proceso biológico de fermentación que ocurre en ausencia de oxígeno (- O2). Es originado por la actividad de algunos microorganismos, principalmente levaduras, que procesan los hidratos de carbono (azúcares como glucosa, fructosa, sacarosa) 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).
La finalidad biológica de este proceso es 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. Desde una perspectiva humana, la fermentación alcohólica es un proceso bioquímico clave para la obtención de etanol, que también puede ser conseguido por vías químicas industriales, como la oxidación de eteno.
Historia y Descubrimientos Científicos
La humanidad ha empleado la fermentación alcohólica desde tiempos inmemoriales para la elaboración de cerveza (empleando cereales) y del vino (empleando la uva en forma de mosto). Los griegos, por ejemplo, atribuían el descubrimiento de la fermentación al dios Dionisio.
A lo largo de los siglos, la ciencia ha desentrañado los misterios de este proceso. En 1764, el químico MacBride identificó el gas CO2 resultante de la fermentación, y en 1766, Cavendish lo describió como «el gas existente en la atmósfera», determinando que rondaba el 57% de la proporción de dióxido de carbono respecto al azúcar empleado. Antoine Lavoisier, en 1789, realizó experimentos para determinar las cantidades de los elementos intervinientes (carbono, oxígeno e hidrógeno).
Con el advenimiento de los descubrimientos químicos en 1815, Joseph Louis Gay-Lussac fue el primero en determinar una reacción de fermentación obteniendo etanol a partir de glucosa. Sin embargo, los fundamentos exactos de la fermentación alcohólica seguían siendo desconocidos. Durante el siglo XIX, se desarrolló un debate científico para establecer la «hipótesis de la fermentación».
En 1818, Erxleben, De La Tour en Francia, y Schwann y Kützing en Alemania (1837) descubrieron que las levaduras eran la causa del proceso. Pero no fue hasta 1897 cuando Eduard Buchner descubrió que la enzima zimasa es la responsable final de la fermentación alcohólica, un trabajo por el que recibió el Premio Nobel de Química.
Este descubrimiento atrajo el interés de otros científicos, como Harden y Young, quienes en 1904 demostraron que la zimasa perdía sus propiedades fermentativas bajo condiciones de diálisis, revelando que la fermentación dependía de una sustancia de bajo peso molecular que se quedaba retenida. Esta sustancia, llamada cozimasa, fue finalmente identificada como una mezcla de iones fosfatados, difosfato de tiamida y NAD+. La caracterización de la cozimasa no se completó hasta 1935. En 1929, el bioquímico Otto Heinrich Warburg, junto con Hans von Euler-Chelpin, descubrieron que el cofactor nicotinamida adenina dinucleótido (NADH) juega un papel muy importante en el proceso interno de la fermentación.
Microorganismos y Bioquímica de la Fermentación
Levaduras: Los Protagonistas
Las levaduras son los microorganismos principales en la fermentación alcohólica. Son cuerpos unicelulares, generalmente de forma esférica, de un tamaño que ronda los 2 a 4 μm, y están presentes de forma natural en productos como frutas, cereales y verduras. Son organismos anaeróbicos facultativos, lo que significa que pueden desarrollar sus funciones biológicas sin oxígeno.
Se estima 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. La familia de levaduras Saccharomyces cerevisiae se utiliza principalmente en la industria del vino, la cerveza y el pan. Con el paso de los años, se han seleccionado las mejores especies para cada producto, logrando levaduras específicas para diferentes aplicaciones.
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El Proceso a Nivel Molecular
La glucólisis es la primera etapa de la fermentación, idéntica a la que ocurre en la respiración celular, y requiere enzimas para su completo funcionamiento. La fermentación alcohólica es una reacción exotérmica, liberando una cierta cantidad de energía, y produce gran cantidad de CO2, responsable de las burbujas en el cava, champán y algunos vinos.
A nivel molecular, la reacción química implica la reducción de dos moléculas de Nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+) a NADH (forma reducida del NAD+), con un balance final de dos moléculas de ADP que se convierten en ATP (adenosín trifosfato). 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 dióxido de carbono (CO2) a partir de iones de hidrógeno (H+) y electrones del NADH. Después, el NADH sintetizado en la reacción bioquímica catalizada por el GADHP se vuelve a oxidar por la alcohol deshidrogenasa, regenerando NAD+ para la continuación de la glucólisis y sintetizando al mismo tiempo etanol.
El etanol, al ser un compuesto tóxico, va aumentando de concentración durante el proceso de fermentación. Cuando su concentración alcanza aproximadamente un 12% de volumen, las levaduras tienden a morir. La fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico exergónico (libera energía) y genera moléculas de ATP necesarias para el funcionamiento metabólico de las levaduras.
Debido a la ausencia de oxígeno, la respiración celular de la cadena del ADP en ATP queda completamente bloqueada, siendo la única fuente de energía para las levaduras la glucólisis de la glucosa con la formación de moléculas de ATP mediante la fosforilación a nivel de sustrato. El balance molecular del proceso genera 2 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa, lo cual, aunque menor que las 38 moléculas de ATP generadas en la respiración celular, es suficiente para los organismos anaeróbicos.
Factores que Influyen en la Fermentación Alcohólica
La determinación de los factores que limitan la glucólisis fermentativa del etanol es compleja debido a la interrelación existente y la naturaleza de los parámetros intervinientes.
- Acidez del Sustrato (pH): El pH es un factor limitante, ya que las levaduras se ven afectadas por el ambiente, ya sea alcalino o ácido. Generalmente, el funcionamiento óptimo de las levaduras se encuentra en un rango de pH de 3.5 a 5.5. Los procesos industriales buscan mantener niveles óptimos de acidez, usualmente mediante el empleo de disoluciones tampón.
- Concentración de Azúcares: Una concentración excesiva de hidratos de carbono (monosacáridos y disacáridos) puede frenar la actividad bacteriana, al igual que una baja concentración puede ralentizar el proceso. Aunque hay distintos tipos de levaduras con diferentes tolerancias a las concentraciones de azúcares y etanol, el límite suele estar en torno a los 14 grados de alcohol para las levaduras del vino. Los azúcares empleados suelen ser dextrosa, maltosa, sacarosa y lactosa.
- Temperatura: El proceso de fermentación es exotérmico. Las levaduras tienen un régimen de funcionamiento en rangos de temperatura óptimos, siendo organismos mesófilos. Una exposición a temperaturas cercanas o superiores a 55 °C por un tiempo de 5 minutos provoca la muerte de las levaduras.
- Presencia de Fósforo: La presencia de fósforo (en forma de fosfatos) es importante para la evolución del proceso de fermentación.
En condiciones enológicas, las células de levadura solo son capaces de sintetizar esteroles en presencia de pequeñas cantidades de oxígeno. En dichas condiciones, el esterol principal de la membrana plasmática es el ergosterol, que regula la fluidez y permeabilidad de la membrana y la actividad ATPasa de bombeo de protones. La acumulación de etanol en el medio, durante la fermentación alcohólica, interactúa intensamente con el funcionamiento de la membrana plasmática, lo que puede llevar a la pérdida de protones y la inhibición parcial de la actividad enzimática ATPasa, forzando a la célula a consumir más energía hasta su muerte.
Para soportar una fermentación alcohólica eficiente, especialmente cuando los mostos están limitados por la disponibilidad de fitosteroles o no se desea microoxigenación, se ha demostrado que la complementación de las membranas de las levaduras con esteroles de levadura durante la rehidratación de las Levaduras Activas Deshidratadas (LAD) es muy eficaz para mantener la viabilidad celular.
La Fermentación Alcohólica en la Industria
La fermentación alcohólica ha sufrido algunas transformaciones con el objeto de aumentar la eficiencia química del proceso. Una de las mejoras más estudiadas es la posibilidad de realizar la fermentación alcohólica continua para obtener mayores cantidades de etanol. Hoy en día, el procesamiento industrial de bebidas alcohólicas como el vino o la cerveza se realiza en ambientes controlados.
Los métodos de fermentación continua se empezaron a patentar en la década de los 50, impulsando un crecimiento apreciable en la industria. La fermentación industrial típica se produce en un recipiente llamado fermentador o biorreactor, donde los sustratos son transformados por la reacción microbiana en metabolitos y biomasa. Estos contenedores son herméticos y permiten retirar el dióxido de carbono resultante.
Las fermentaciones específicas son manipuladas por el hombre para obtener etanol en ciertas bebidas. Para ello, se emplean principalmente los azúcares de frutas, cereales y leche. La producción suele ser local, dependiendo de la disponibilidad de los sustratos (uva en países mediterráneos, arroz en Asia, maíz en Latinoamérica).
Levaduras Activas Deshidratadas (LAD)
Desde hace 25 años, la utilización de levaduras activas deshidratadas (LAD) como iniciadoras para la producción de vino permite fermentaciones alcohólicas más reproducibles. Estas levaduras se presentan como un polvo fino en un paquete al vacío. Los microorganismos están en estado de latencia, deshidratados, y al rehidratarlos con agua templada y mosto, se «despiertan» y comienzan a consumir el azúcar para producir alcohol y CO2.
Las LAD se obtienen industrialmente mediante el secado y granulación de la pasta de las levaduras hasta que los contenidos de agua llegan a valores del 6 al 8%. Antes de usarse, las LAD necesitan ser rehidratadas (generalmente a 37 ºC, durante 30 minutos) para devolver el agua a los contenidos habituales del interior de las células (aproximadamente el 99%). Durante la rehidratación, se produce una gran movilización de los lípidos, especialmente en los primeros 15 minutos, esencial para la reconstitución de la membrana plasmática, que es crucial para la viabilidad de la célula frente al etanol y la acidez del mosto.
La Fermentación en la Vinificación: Un Equilibrio Delicado
El mundo del vino se construye en base a un delicado equilibrio entre dos fermentaciones clave: la fermentación alcohólica y la fermentación maloláctica.
Fermentación Alcohólica en el Vino
La fermentación del vino es una de las más conocidas y estudiadas. Louis Pasteur descubrió a finales del siglo XIX que la fermentación alcohólica es debida a un organismo vivo: el fermento. Las levaduras responsables de la vinificación son hongos microscópicos que se encuentran de forma natural en las uvas.
Es la primera etapa imprescindible en la vinificación. En ella, las levaduras, principalmente Saccharomyces cerevisiae, transforman los azúcares de la uva en etanol y dióxido de carbono (CO₂), liberando energía. Es un proceso sin oxígeno, que ocurre normalmente en los primeros 5-14 días tras el inicio de la elaboración. Durante esta fase se generan también numerosos compuestos aromáticos (como ésteres y aldehídos) que contribuyen a la complejidad del vino final.
Hasta mediados de los años ochenta, las fermentaciones eran siempre espontáneas con las levaduras del propio viñedo. Aunque esto funciona bien la mayoría de las veces, puede haber años difíciles con problemas de fermentación que ralentizan o detienen el proceso, dejando el vino dulce.
El metabolismo principal de la levadura es la producción de alcohol, pero para los enólogos, el metabolismo secundario (la producción de aromas) es de gran interés. Gracias a esta capacidad de producir aromas, la elección de las levaduras es una etapa clave en las decisiones del enólogo. Hoy en día se dispone de cientos de LAD diferentes, cada una con sus características aromáticas y gustativas.
La fermentación alcohólica es una reacción exotérmica que libera calor. A medida que el azúcar se transforma en alcohol, se libera dióxido de carbono (CO2), que eleva la parte sólida (piel, pepita y pulpa residual) a la parte superior del depósito formando el sombrero.
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Fermentación Maloláctica (FML)
Tras la fermentación alcohólica, muchos vinos (sobre todo tintos y algunos blancos) inician una segunda fase: la fermentación maloláctica (FML). Esta es llevada a cabo por bacterias lácticas -como Oenococcus oeni- que convierten el ácido málico, más ácido, en ácido láctico, más suave. Este cambio reduce la acidez total, eleva el pH y aporta una sensación en boca más redonda, cremosa y menos agresiva. En este proceso, las bacterias también producen gas carbónico.
Normalmente, la FML se produce después de la fermentación alcohólica, cuando las condiciones ambientales son favorables. Sin embargo, en un caso poco favorable, puede iniciarse junto a la primera fermentación y en condiciones aérobicas, lo que podría generar problemas. Las bacterias tienen la máxima actividad entre 20-25ºC. A 30ºC, las bacterias mueren o la FML se paraliza; a menos de 15ºC, la FML va muy lenta pero no se detiene. Se desarrollan en un medio anaeróbico, sin aire.
No todos los vinos requieren FML. Las variedades aromáticas y frescas -como Albariño o Riesling- suelen mantener esta acidez característica y se evita la FML para conservar su perfil vivo. En cambio, los vinos de cuerpo, como los tintos, suelen beneficiarse de ella porque aportan redondez y complejidad sin perder identidad.
La FML puede minorar aromas frutales, primarios y secundarios, e influir en variaciones en el color del vino. El ácido volátil es un subproducto que fabrican las levaduras durante la fermentación alcohólica. Conviene eliminarlo del vino tras la fermentación en su forma libre si no alcanza concentraciones muy elevadas, lo que se consigue con una buena aireación. La subida de temperatura del vino también favorece su eliminación. También puede producirse volátil en la FML, y con la influencia de bacterias acéticas.
Medición y Control de la Acidez en el Vino
La acidez del vino es crucial para su calidad y se debe a la presencia de hidrógeno. Se mide según el pH, en una escala que va del 0 al 14. Un buen nivel de acidez es deseable; una carencia transmite dulzor y pesadez, traduciéndose en vinos apagados. Un pH de 3 es el mínimo deseable en casi cualquier vino.
Un método muy sencillo para medir el pH es el llamado papel de tornasol, que tiene un reactivo que al introducirlo en el vino cambia de color y puede ser comparado en una escala de colores. El pHmetro es el instrumento de medición habitual, que da lectura directa con dos decimales y debe calibrarse con soluciones de pH 7 (neutro) y pH 4.
Tipos de Acidez
- Acidez total (AT): Es la suma de los ácidos valorables en el mosto o vino.
- Acidez volátil (AV): Es un subproducto que fabrican las levaduras durante la fermentación alcohólica. Conviene eliminarlo del vino tras la fermentación.
Regulación de la Acidez
Una técnica para bajar el pH del vino (subir la acidez) es la adición de ácido tartárico. Tened en cuenta que añadir 1 gramo y medio de tartárico en el mosto, no significa que la AT aumente en 1,50 g/L; se considera que 0,50 g precipitan, por lo que la AT se incrementa solo 1 g/L. La adición de este ácido es imposible de detectar en el vino, ya que forma parte de él de manera natural. Otro ácido que se puede aportar es el cítrico, pero este tiene varias complicaciones y mayor dificultad en los procesos.
El pH 3,6 es el máximo en bitartrato que admite en solución un vino. Cuando se acerca a este pH, el bitartrato precipita por sí mismo en forma de cristales (tartratos o sales del ácido tartárico), que se depositan en el fondo del recipiente. El frío disminuye la solubilidad del bitartrato en el vino, y la técnica de "quiebra por frío" se aplica para disminuir la acidez en vinos con exceso. Tras precipitar los tartratos, el vino se filtra.
| Ácido | Características / Efectos |
|---|---|
| Tartárico | Principal ácido en uvas y vino, aporta astringencia. |
| Málico | Presente en uvas verdes, aporta frescura; transformado en FML a láctico. |
| Láctico | Producto de la FML, más suave que el málico, en mayor cantidad, da menos acidez. |
| Múcico | Puede dar densidad y balsámico (botritis noble es productora). |
| Succínico | Puede dar salado, ácido o amargo. |
| Butírico | Sabor a mantequilla rancia (considerado un defecto). |
Una buena acidez permite aflorar los aromas primarios y secundarios que apreciamos en el vino, mientras que la poca acidez produce vinos apagados y enmascara los aromas. La astringencia la da el tartárico, y la frescura el málico. Cualquier incremento de estos ácidos en el vino por causas naturales o imprevistas, puede dar muchas diferencias en nuestras notas de cata.
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