La fermentación alcohólica es un proceso biológico que ocurre en plena ausencia de oxígeno. Es originado por la actividad de ciertos microorganismos, principalmente las levaduras, que procesan hidratos de carbono (azúcares como la glucosa, fructosa o sacarosa) para obtener energía. Como productos finales se generan etanol, dióxido de carbono (CO2) en forma de gas y moléculas de adenosín trifosfato (ATP) que los propios microorganismos consumen en su metabolismo celular energético anaerobio.
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 este proceso, las levaduras obtienen energía disociando las moléculas de glucosa y generan alcohol y CO2 como productos de desecho.
Historia y Descubrimientos Clave de la Fermentación
La humanidad ha empleado la fermentación alcohólica desde tiempos inmemoriales para la elaboración de cerveza y vino. El gas CO2 resultante de la fermentación fue identificado en 1764 por el químico MacBride y descrito por Cavendish en 1766, quien además determinó la proporción de dióxido de carbono respecto al azúcar empleado. Antoine Lavoisier, en 1789, realizó experimentos para determinar las cantidades de los elementos intervinientes en la fermentación.
En 1815, el investigador francés Joseph Louis Gay-Lussac fue el primero en determinar una reacción de fermentación para obtener etanol a partir de glucosa. Sin embargo, los fundamentos de la fermentación alcohólica eran en gran medida desconocidos. Durante el siglo XIX, un debate científico llevó a Erxleben, De La Tour, Schwann y Kützing (en 1837) a descubrir que las levaduras son la causa del proceso. No fue hasta 1897 que Eduard Buchner descubrió que la enzima zimasa es la responsable final de la fermentación alcohólica, 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 mostraron que la zimasa perdía sus propiedades fermentativas bajo condiciones de diálisis, demostrando que la fermentación dependía de una sustancia de bajo peso molecular llamada cozimasa. Esta fue finalmente identificada como una mezcla de iones fosfatados, difosfato de tiamida y NAD+. En 1929, el bioquímico 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.
Las Levaduras: Características y Mecanismo de Acción
Naturaleza y Diversidad de las Levaduras
Las levaduras son cuerpos unicelulares, generalmente de forma esférica, con un tamaño que ronda los 2 a 4 µm. Están presentes de forma natural en diversos productos como frutas, cereales y verduras. Son organismos anaeróbicos facultativos, lo que significa que pueden desarrollar sus funciones biológicas con o sin oxígeno. El 96% de la producción de etanol es llevada a cabo por hongos microscópicos, diversas especies de levaduras, entre las que se encuentran principalmente Saccharomyces cerevisiae, Kluyveromyces fragilis, Torulaspora y Zymomonas mobilis.
Si bien los microorganismos responsables de la fermentación incluyen bacterias, mohos y levaduras, cada uno posee características específicas que pueden conferir un sabor distintivo al producto final, como en el caso de vinos o cervezas. A menudo, estos microorganismos no actúan de forma aislada, sino que cooperan para lograr el proceso de fermentación global.
Mecanismo Bioquímico: Glucólisis y Etanol
La glucólisis es la primera etapa de la fermentación, común también a la respiración celular, y requiere enzimas para su completo funcionamiento. Aunque otros enzimas como la diastasa o la invertasa pueden participar, la zimasa es la única responsable de convertir los hidratos de carbono en etanol y dióxido de carbono.
En el interior de las levaduras, durante la fermentación etílica, la vía de la glucólisis es similar a la que ocurre en los eritrocitos, con la excepción de que el piruvato se convierte en etanol. En primer lugar, el piruvato se descarboxila por la acción de la piruvato descarboxilasa, produciendo acetaldehído y liberando dióxido de carbono (CO2). Posteriormente, el NADH sintetizado se oxida por la alcohol deshidrogenasa, regenerando NAD+ para la continuación de la glucólisis y sintetizando simultáneamente etanol.
La fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico exergónico (libera energía) que produce 2 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa, proporcionando la energía necesaria para el funcionamiento metabólico de las levaduras. A diferencia de la respiración celular, que genera 38 moléculas de ATP, en condiciones de ausencia de oxígeno, la cadena de respiración celular se bloquea, siendo la glucólisis la única fuente de energía para las levaduras.
Factores que Influyen en la Fermentación y la Densidad de Levaduras
Los factores que limitan la glucólisis fermentativa del etanol son complejos y están interrelacionados. Para los procesos industriales, es crucial tener en cuenta los siguientes parámetros:
- Concentración de Azúcares (Densidad de Glucosa): Una concentración excesiva de hidratos de carbono (monosacáridos y disacáridos) puede frenar la actividad de las levaduras, afectando su supervivencia y la fermentación debido a la alteración de los procesos osmóticos. De la misma manera, una concentración muy baja también puede ralentizar el proceso. La glucosa, fructosa y sacarosa suelen ser los primeros azúcares fermentados.
- Acidez del Substrato (pH): El pH es un factor limitante, ya que las levaduras se ven afectadas por el ambiente ácido o alcalino. Generalmente, su funcionamiento óptimo se encuentra en un rango de pH aproximado de 3.5 a 5.5. En la industria, se utilizan disoluciones tampón para mantener los niveles óptimos de acidez.
- Temperatura: La fermentación es un proceso exotérmico. Las levaduras son organismos mesófilos y tienen un rango de temperatura óptimo. Temperaturas cercanas o superiores a 55 °C durante cinco minutos pueden causar su muerte.
- Concentración de Etanol: El etanol es un compuesto tóxico para las levaduras. A medida que su concentración aumenta durante el proceso de fermentación, las levaduras tienden a morir cuando se alcanzan aproximadamente el 12% en volumen.
- Disponibilidad de Nutrientes: Las levaduras requieren fuentes de carbono (como la glucosa), nitrógeno (como las sales de amonio), vitaminas y minerales para su crecimiento. La composición del medio de cultivo es uno de los factores más importantes que afectan la densidad máxima de levadura.
- Nivel de Oxigenación: El crecimiento aeróbico de la levadura es más eficiente en términos de producción de energía, ya que pueden oxidar completamente la glucosa a dióxido de carbono y agua, produciendo más ATP. En un medio bien aireado, las levaduras pueden crecer a una mayor densidad. Sin embargo, si el suministro de oxígeno es limitado, la tasa de crecimiento y la densidad máxima serán menores.
Aplicaciones Industriales y Optimización de la Densidad de Levadura
Producción de Etanol y Bebidas Fermentadas
La fermentación alcohólica, desde una perspectiva humana, es un proceso bioquímico crucial para la obtención de etanol, el cual también puede obtenerse por vías químicas industriales. Las bebidas alcohólicas se producen a partir de diferentes sustratos, como azúcares simples del jugo de uva o almidón de cebada, dependiendo de la región geográfica y sus recursos.
La importancia de la fermentación no solo radica en la obtención de etanol, sino también en la formación de numerosos productos secundarios que influyen significativamente en la calidad y tipicidad de las bebidas. Además, el CO2 producido es el responsable de la efervescencia en bebidas como el cava o el champán.
Innovación y Mejora de la Eficiencia
La industria busca constantemente aumentar la eficiencia química del proceso de fermentación etílica. Una de las mejoras más estudiadas es la fermentación alcohólica continua, diseñada para obtener mayores cantidades de etanol. Esto implica el control de ambientes y biorreactores para un suministro constante al mercado.
Otra vía de investigación es la mejora de las cepas de levaduras. Por ejemplo, Zymomonas mobilis ofrece ventajas en procesos continuos de fermentación y una alta resistencia a concentraciones elevadas de etanol, lo que la hace ideal para la generación de etanol para usos no comestibles (como biocombustibles). Sin embargo, no se emplea industrialmente en bebidas como la cerveza o la sidra debido a los sabores y olores desagradables que puede producir.
Maximizar la densidad de levadura en un medio de cultivo es esencial para aumentar el rendimiento en la producción de levadura como fuente de proteínas o en procesos de bio-fermentación para producir, por ejemplo, antibióticos o proteínas recombinantes.
Bioprocesamiento Parte 1: Fermentación
Monitoreo y Determinación del Final de la Fermentación
Determinar con certeza el final de la fermentación es fundamental para la calidad del producto y para evitar problemas. Por ejemplo, en la elaboración de cerveza, el análisis preciso de los azúcares residuales es crucial para el cebado y para evitar gaseados excesivos (fenómenos de gushing).
Métodos para Medir la Densidad de Glucosa y Levaduras
- Densidad Óptica (OD): Un método común para medir la densidad de la levadura en un cultivo, utilizando un espectrofotómetro.
- Recuento Celular: Se puede realizar utilizando un hemocitómetro o mediante el recubrimiento de diluciones del cultivo en placas de agar para contar el número de colonias formadas.
- Densímetro Digital Portátil: Útil para evaluar la densidad del mosto y monitorear el progreso general de la fermentación.
- Análisis de Azúcares Fermentables: Herramientas específicas, como CDR BeerLab®, resultan más precisas para detectar incluso pequeñas variaciones en la concentración de azúcar, lo que permite establecer el final efectivo de la fermentación.
Estudio de Caso: La Evolución de Azúcares y Densidad en la Cerveza
Un estudio de laboratorio sobre la elaboración de cerveza IPA, utilizando dos mostos con levaduras de diferente atenuación, investigó el mejor método para determinar la conclusión del proceso de fermentación y la concentración de azúcar residual. Se estudió la evolución de los azúcares fermentables mediante CDR BeerLab® y la variación de la densidad del mosto con un densímetro digital portátil.
Los resultados indicaron que la glucosa, fructosa y sacarosa son los primeros azúcares fermentados, desapareciendo casi por completo en pocos días. Posteriormente, se fermentan la maltosa y la maltotriosa. La fermentación se consideró finalizada cuando la concentración de azúcares permaneció constante en dos mediciones con 24 horas de diferencia. Es importante destacar que la concentración de azúcares residuales varía entre cervezas debido a las características de las levaduras empleadas, y el final de la fermentación no siempre implica una concentración de azúcar residual cercana a cero.
La investigación concluyó que, si bien un densímetro digital es preciso para la evaluación de la densidad del mosto y el control del progreso general, el análisis de azúcares fermentables con un sistema como CDR BeerLab® es más eficaz para establecer el final efectivo de la fermentación. Conocer la concentración residual de azúcares es esencial para calcular la cantidad de azúcar a añadir en la fase de cebado, garantizando así los volúmenes de CO2 deseados y evitando gaseados excesivos.