La fermentación es un proceso natural de gran importancia en la producción de alimentos y bebidas. Se produce cuando microorganismos diminutos, como levaduras y bacterias, transforman los azúcares en alcohol, otros ácidos o gas. Durante miles de años, la humanidad ha confiado en esta magia natural para conservar los alimentos y las bebidas, así como para dotarlos de sabores únicos.
Existen dos tipos principales de fermentación que captan gran atención: la fermentación alcohólica y la fermentación láctica. Comprender cómo funcionan estos procesos nos ayuda a entender muchos de los alimentos y bebidas que consumimos a diario.
La Fermentación Alcohólica: Un Proceso Anaeróbico
La fermentación alcohólica es un proceso biológico que ocurre en **plena ausencia de oxígeno (- O2)**. Es originado por la actividad de ciertos microorganismos, principalmente levaduras, que procesan los hidratos de carbono (generalmente azúcares como la glucosa, fructosa o sacarosa) para obtener como productos finales: **etanol (alcohol)**, **dióxido de carbono (CO2)** en forma de gas y **moléculas de adenosín trifosfato (ATP)**, que los propios microorganismos utilizan para su metabolismo energético anaeróbico.
En esencia, la glucosa se descompone en dos partes: etanol y burbujas de dióxido de carbono. Como esta descomposición se produce sin oxígeno, los científicos la denominan un **proceso anaeróbico**.
La finalidad biológica de la fermentación alcohólica es proporcionar **energía anaeróbica** a los microorganismos unicelulares (levaduras) en ausencia de oxígeno, a partir de la glucosa. En este proceso, las levaduras obtienen energía disociando las moléculas de glucosa y generan alcohol y CO2 como productos de desecho.
Microorganismos Clave: Las Levaduras
Las **levaduras** son las principales protagonistas de la fermentación alcohólica. Son organismos unicelulares, generalmente de forma esférica, con un tamaño que ronda los 2 a 4 μm. Estas levaduras se encuentran de forma natural en algunos productos como frutas, cereales y verduras. Son consideradas organismos **anaeróbicos facultativos**, lo que significa que pueden desarrollar sus funciones biológicas tanto en presencia como en ausencia de oxígeno.
Se estima que el 96% de la producción de etanol la llevan a cabo hongos microscópicos, específicamente diferentes especies de levaduras. Entre las más importantes se encuentran:
- Saccharomyces cerevisiae: Es la levadura más empleada en la industria de la fermentación, utilizada en la elaboración de cerveza, vino y pan. Se adapta a diversas condiciones de temperatura y concentración de azúcar, produciendo fermentaciones rápidas y eficientes con un alto rendimiento de alcohol. Una variante popular es la Saccharomyces bayanus, utilizada en la producción de vinos espumosos y sidras.
- Saccharomyces pastorianus: Usada principalmente en la elaboración de cervezas lager, ya que fermenta a bajas temperaturas (8-14°C). Produce un perfil de sabor limpio con menor producción de ésteres frutales. La Saccharomyces carlsbergensis es una variante utilizada en cervezas tipo Pilsner.
- Brettanomyces spp.: Genera sabores complejos, terrosos, a veces descritos como "animales" o "rústicos". Se utiliza comúnmente en cervezas ácidas (Lambic, Gueuze) y algunos estilos de vino natural. Es capaz de fermentar azúcares complejos que otras levaduras no pueden consumir.
- Kloeckera apiculata: Predomina en fermentaciones espontáneas de vinos y sidras. Produce niveles más bajos de alcohol y contribuye a la complejidad aromática con notas florales y frutales. Puede trabajar en conjunto con Saccharomyces cerevisiae.
- Candida spp.: Presente en fermentaciones naturales de bebidas tradicionales como el pulque y algunos tipos de vino natural. Puede producir cantidades menores de alcohol y ácidos orgánicos.
- Torulaspora delbrueckii: Muy utilizada en la vinificación por su capacidad para mejorar la estabilidad y el perfil aromático del vino. Contribuye a la producción de glicerol, aportando una sensación en boca más redonda y suave.
Aunque las levaduras son las principales responsables, otros microorganismos como bacterias y mohos también pueden participar en diversos procesos de fermentación.
El Papel de la Fermentación Alcohólica en la Industria
La humanidad ha empleado la fermentación alcohólica desde tiempos inmemoriales para la elaboración de bebidas como la **cerveza** (empleando cereales) y el **vino** (empleando la uva). La producción de licores, como el whisky, el vodka y el ron, también comienza con una etapa de fermentación antes de la destilación.
El proceso principal por el cual el mosto se transforma en vino es la fermentación alcohólica. Sin embargo, su importancia no radica únicamente en la obtención de etanol a partir de azúcares, sino que, además, durante el proceso fermentativo se forman una gran cantidad de **productos secundarios** que influyen significativamente en la calidad y tipicidad del vino.
La fermentación alcohólica es la base de la **vinificación**, la elaboración de cerveza y la producción de otras bebidas fermentadas. La producción de estas bebidas es, en la mayoría de los casos, local, debido a la disponibilidad de los sustratos. Por ejemplo, en los países mediterráneos, la uva es frecuente y, por lo tanto, también lo es la fermentación del vino. El mismo patrón se observa con otros materiales como el arroz en Asia o el maíz en Latinoamérica.
Factores que Influyen en la Fermentación
La determinación de los factores que limitan la glucólisis fermentativa del etanol es compleja debido a la interrelación existente entre los parámetros intervinientes durante el proceso de fermentación. Algunos de los factores clave a tener en cuenta en la fermentación alcohólica industrial incluyen:
- Acidez del sustrato (pH): El pH es un factor limitante, ya que las levaduras se ven claramente afectadas por el ambiente, ya sea alcalino o ácido. Por lo general, las levaduras funcionan óptimamente en un rango de pH de 3.5 a 5.5. Los procesos industriales buscan mantener niveles óptimos de acidez durante la fermentación, a menudo mediante el uso de disoluciones tampón.
- Concentración de azúcares: Una concentración excesiva de hidratos de carbono puede frenar la actividad bacteriana, mientras que una concentración baja puede ralentizar el proceso. Los azúcares empleados suelen ser dextrosa, maltosa, sacarosa y lactosa. Los microorganismos atacan específicamente a cada tipo de hidrato de carbono, siendo la maltosa la más afectada por las levaduras.
- Temperatura: El proceso de fermentación es exotérmico, y las levaduras tienen rangos de temperatura óptimos de funcionamiento. Son seres mesófilos, y una exposición a temperaturas cercanas o superiores a 55 °C durante 5 minutos puede provocar su muerte.
- Concentración de etanol: El etanol es un compuesto tóxico. A medida que su concentración aumenta durante la fermentación, alrededor del 12% de volumen, las levaduras tienden a morir, limitando así el proceso.
La fermentación alcohólica produce una gran cantidad de CO2, que es lo que provoca las burbujas en bebidas como el cava, el champán y algunos vinos. Dado que el CO2 pesa más que el aire, puede formar bolsas que desplazan el oxígeno de los recipientes donde se produce la fermentación. Por ello, es necesario ventilar adecuadamente los espacios dedicados a este fin.
Bioquímica | Fermentación alcohólica
Un Vistazo Histórico a la Fermentación Alcohólica
La humanidad emplea la fermentación alcohólica desde tiempos inmemoriales. Los antiguos griegos atribuían el descubrimiento de la fermentación al dios Dionisio. En el año 1764, el químico MacBride identificó el gas CO2 resultante de la fermentación. 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, que rondaba el 57%.
En el siglo XVIII, se comenzó a descubrir, gracias a observaciones científicas, que la fermentación alcohólica se producía también en sustancias "no dulces". Antoine Lavoisier, en 1789, realizó experimentos determinando las cantidades de los elementos intervinientes en la fermentación (carbono, oxígeno e hidrógeno). Con el advenimiento de los descubrimientos químicos, en 1815, el investigador francés Joseph Louis Gay-Lussac fue el primero en determinar una reacción de fermentación obteniendo etanol a partir de glucosa, aunque los fundamentos del proceso seguían siendo un misterio.
Durante el siglo XIX, existió un debate científico para establecer la "hipótesis de la fermentación". En 1818, Erxleben, De La Tour, Schwann y Kützing descubrieron que las levaduras (organismos microscópicos unicelulares) eran la causa del proceso. Sin embargo, no fue hasta 1897 que Eduard Buchner descubrió que la enzima **zimasa** es la responsable final de la fermentación alcohólica, trabajo por el cual recibió el Premio Nobel de Química.
Este descubrimiento atrajo el interés de otros científicos. Harden y Young, en 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. Esta sustancia, denominada **coenzima**, fue finalmente identificada como una mezcla de iones fosfatados, difosfato de tiamina y NAD+. La caracterización completa de la coenzima no se logró hasta 1935.
En 1929, los bioquímicos Otto Heinrich Warburg y Hans von Euler-Chelpin descubrieron que el cofactor nicotinamida adenina dinucleótido (NADH) juega un papel muy importante en el proceso interno de la fermentación.
La Fermentación Alcohólica en la Industria Moderna
La fermentación etílica ha experimentado transformaciones para aumentar su eficiencia química. Una de las mejoras más estudiadas en la industria es la posibilidad de realizar la **fermentación alcohólica continua**, con el objetivo de 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 que permiten ofrecer estos productos al mercado a un ritmo apropiado.
Otra vía de investigación para mejorar los procesos industriales es la **mejora de las cepas de levaduras**, como la Zymomonas Mobilis, que ofrece ventajas en los procesos continuos de fermentación, permitiendo una mayor densidad de levaduras durante la producción. Los métodos de fermentación continua se empezaron a patentar en la década de 1950, impulsando un crecimiento apreciable en la industria de las bebidas alcohólicas.
La fermentación industrial típica se lleva a cabo en un recipiente llamado **fermentador** o **biorreactor**. Estos contenedores son herméticos y permiten retirar el dióxido de carbono resultante mediante canalizaciones apropiadas. Las fermentaciones específicas son manipuladas por el hombre para obtener etanol en ciertas bebidas, empleando principalmente los azúcares de las frutas, los cereales y la leche.
La fermentación alcohólica es un proceso **anaeróbico exergónico** (libera energía) y produce moléculas de ATP necesarias para el funcionamiento metabólico de las levaduras. Debido a la ausencia de oxígeno, la respiración celular queda bloqueada, y la única fuente de energía para las levaduras es la glucólisis de la glucosa, con la formación de moléculas de ATP mediante fosforilación a nivel de sustrato. El balance molecular del proceso genera 2 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa, lo cual es suficiente para estos organismos anaeróbicos.
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