¿Qué es el pH y por qué es crucial en la fermentación?
El pH son las siglas que se refieren al potencial de hidrógeno. Mide la diferencia entre la concentración de iones de hidrógeno y los iones de hidróxido en una solución acuosa, siendo esta una medida de gran importancia en el mundo de la fermentación. La acidez o alcalinidad de un líquido se expresa por su pH en una escala donde:
- pH 7 es neutro
- pH 0 es el límite ácido
- pH 14 es el límite alcalino
La mayoría de las fermentaciones requieren un control preciso del pH. Este control es fundamental para regular la actividad microbiótica, la capacidad de una enzima para desarrollar su función y el sabor final del producto. Un pH ácido dará como resultado un fermento ácido, acidez que puede ser inducida artificialmente o ser producto de la propia actividad fermentativa desplegada por bacterias ácido acéticas, lácticas o cítricas. En general, los pH bajos suelen ser seguros para la fermentación.
Clasificación de microorganismos según su pH óptimo
Dentro de esta escala de pH, los microorganismos se pueden agrupar en tres categorías principales (Madigan, Martinko, & Parker, 1997):
- Acidófilos: Son aquellos microorganismos que tienen un crecimiento óptimo en valores inferiores a pH 7. Se desarrollan en entornos ácidos, como las bacterias del género Acetobacter.
- Neutrófilos: Estos microorganismos presentan un crecimiento óptimo en un rango de pH de entre 6 y 7.5. Se desarrollan en entornos neutros y son sensibles a las bajadas o subidas de pH, que afectan negativamente su metabolismo. Un ejemplo son las especies del género Aspergillus (Caddick, Brownlee, & Arst, 1986).
- Alcalófilos: Son microorganismos con un crecimiento óptimo en valores superiores a pH 7. En el contexto de los microorganismos de interés gastronómico, no se suelen encontrar ejemplos relevantes.
Beneficios del pH bajo en la fermentación
Un pH bajo ofrece varias ventajas en los procesos de fermentación:
- Protege el fermentado: Aumenta la protección contra bacterias u hongos no deseados.
- Favorece microorganismos beneficiosos: Ayuda al crecimiento de los microorganismos beneficiosos para la fermentación, actuando como una barrera o selector natural.
pH óptimo para la fermentación del mosto
La escala de pH típicamente va de 0 a 14 en disolución acuosa, donde las disoluciones con pH menores a 7 son ácidas y las que tienen pH mayores a 7 son alcalinas. Un pH de 7 indica la neutralidad de la disolución (cuando el disolvente es agua). La forma más sencilla de medir el pH es con papel de pH o un pHmetro.
El pH del agua suele estar en torno a 7, el cual disminuye en los procesos de macerado de té, maltas o disolución de azúcares fermentables, alcanzando valores de 5.2-5.6. Por ejemplo, en la maceración del grano malteado para la elaboración de la cerveza, el descenso del pH se debe a que los iones Ca+2 reaccionan con los fosfatos presentes en la cebada malteada, acidificando la papilla. Es deseable un pH ligeramente ácido en la papilla, en torno a 5.3, ya que en este rango las enzimas amilasas producen los mejores rendimientos para extraer la máxima cantidad de azúcares. Este ejemplo puede servir como referencia para el mosto de cualquier bebida fermentada.
Las maltas oscuras tienen mayor capacidad de acidificar el macerado que las pálidas. Por esta razón, las aguas duras (con altos niveles de bicarbonato que dificultan la acidificación) se utilizan para cervezas oscuras, contrarrestando este efecto y logrando un pH óptimo de maceración.
Ajuste químico del pH
Si el pH del macerado no se encuentra en el intervalo adecuado, es posible rectificarlo químicamente. Para reducir el pH, se puede utilizar sulfato de calcio (CaSO4) o añadir ácido láctico. Para aumentar el pH, se puede emplear carbonato cálcico (CaCO3).
La Levadura: Características, Metabolismo y su papel en la fermentación
¿Qué es la levadura?
Se denomina levadura o fermento a cualquiera de los hongos microscópicos predominantemente unicelulares en su ciclo de vida, generalmente caracterizados por dividirse asexualmente por gemación o bipartición y por tener estados sexuales que no están adjuntos a un micelio o conjunto de hifas. Sin embargo, algunas levaduras, como Candida, pueden formar cadenas de células en ciernes conectadas, conocidas como pseudohifas. Con su hábito de crecimiento unicelular, las levaduras se contrastan con los mohos que producen hifas.
Aunque en algunos textos de botánica se considera que las levaduras "verdaderas" pertenecen solo a la división Ascomycota, desde una perspectiva microbiológica se ha denominado levadura a todos los hongos con predominio de una fase unicelular en su ciclo de vida, incluyendo a los hongos basidiomicetos. Las levaduras son importantes por su capacidad para realizar la descomposición mediante fermentación (predominantemente alcohólica) de diversos compuestos orgánicos, principalmente los azúcares o hidratos de carbono, produciendo distintas sustancias.
Son muy abundantes en la naturaleza, encontrándose en el suelo, en las plantas (semillas, frutas, flores, etc.), en el intestino de los animales, en la piel de los animales (donde forman parte de la microbiota), y sobre otros hongos macroscópicos. Una de sus principales funciones es la de descomponedores primarios de la materia muerta de plantas y animales en muchos ecosistemas.
Nutrición y Metabolismo de la levadura
Las levaduras son quimioorganótrofas, ya que utilizan compuestos orgánicos como fuente de energía y no necesitan la luz solar para crecer. Obtienen carbono principalmente de azúcares hexosas, como la glucosa y la fructosa, o disacáridos como la sacarosa y la maltosa. Algunas especies pueden metabolizar azúcares de pentosa como la ribosa, alcoholes y ácidos orgánicos.
Las especies de levadura requieren oxígeno para la respiración aeróbica (aerobios obligados), pero también tienen métodos facultativos de producción de energía (anaerobios facultativos). A diferencia de las bacterias, ninguna especie de levadura conocida crece solo de forma anaeróbica (anaerobios obligados). La mayoría de las levaduras crecen mejor en un entorno de pH neutro o ligeramente ácido. También varían en el rango de temperatura óptima de crecimiento; por ejemplo, Leucosporidium frigidum crece de -2 a 20 °C, mientras que Candida slooffi lo hace de 28 a 45 °C.
Reproducción y Genoma de la levadura
Las levaduras se reproducen asexualmente por gemación o brotación y sexualmente mediante ascosporas o basidioesporas. Durante la reproducción asexual, una nueva yema surge de la levadura madre en condiciones adecuadas, separándose al alcanzar un tamaño adulto. En condiciones de escasez de nutrientes, las levaduras capaces de reproducirse sexualmente formarán esporas.
El genoma de las levaduras está compuesto por aproximadamente 12.156.677 pares de bases y 6275 genes organizados en 16 cromosomas. Se han localizado un total de 6183 marcos de lectura abiertos (ORF) y 5800 genes para la codificación de proteínas. El ADN mitocondrial también se considera parte del genoma de la levadura y codifica para componentes de la maquinaria traduccional y un porcentaje de proteínas mitocondriales. Existen mutantes que carecen de ADN mitocondrial (ro), las cuales son incapaces de llevar a cabo el metabolismo respiratorio, pero son viables y capaces de fermentar sustratos como la glucosa. Prácticamente todas las levaduras contienen virus de ARN de doble cadena y agentes infecciosos como los priones.
Saccharomyces cerevisiae: Un modelo en biotecnología y su metabolismo
Una de las levaduras más conocidas es la especie Saccharomyces cerevisiae. Esta levadura tiene la facultad de crecer en forma anaerobia, realizando la fermentación alcohólica. Por esta razón, se emplea en muchos procesos de fermentación industrial, como la producción de cerveza, vino, hidromiel, pan y antibióticos. Es la primera célula eucariota en la que se ha intentado expresar proteínas recombinantes, debido a su facilidad de uso industrial: es barata, sencilla de cultivar y se duplica cada 90 minutos en condiciones nutritivas favorables. Además, es un organismo fácil de modificar genéticamente.
S. cerevisiae es un organismo importante en Biotecnología y la industria alimentaria, pero también sirve de modelo de investigación en Biología. Es peculiar, ya que incluso en ambientes aerobios y ricos en azúcares, tiende a fermentar estos (preferentemente la glucosa) transformándolos en piruvato y, de ahí, a etanol, en lugar de oxidarlos a CO2 con un rendimiento energético mucho más favorable. Este metabolismo eminentemente glucolítico es fuertemente acidificante, y el exceso de protones es expulsado, con gasto de energía, por una H+-ATPasa. De esta manera, S. cerevisiae acidifica marcadamente su entorno, y el gradiente electroquímico formado sirve de motor para la captación de diversos cationes (sobre todo potasio) y nutrientes esenciales para la supervivencia del organismo.
En la respuesta adaptativa al estrés por pH alcalino en levadura, se han descubierto mecanismos extraordinariamente complejos. Estos incluyen la activación de la señal de calcio que, a través de la proteína fosfatasa calcineurina, desfosforila el factor transcripcional Crz1, permitiendo su entrada al núcleo y la activación de genes relevantes para la adaptación al pH alcalino (como ENA1). Otras vías de señalización de nutrientes, como las que responden a la falta de fosfato o de cobre/hierro, también se activan por pH alcalino. Otro mecanismo involucra la vía de Rim101 que, a diferencia de otras levaduras, en S. cerevisiae es un efecto indirecto. La exposición a pH alcalino también parece dañar la pared de la levadura, activando la vía de la MAP quinasa Slt2 para mantener la integridad de la pared, con el sensor de membrana Wsc1 jugando un papel clave.
Un componente significativo de la respuesta transcripcional a pH alcalino lo constituyen genes regulados por la disponibilidad de glucosa. Esta señal, crucial en levaduras, implica tanto la vía de la proteína quinasa dependiente de AMPc (PKA) como la de Snf1. Se ha demostrado que, en respuesta a pH alcalino, la vía de la PKA sufre una inhibición, promovida por una caída transitoria de los niveles de AMPc, lo que activa rápidamente los factores de transcripción Msn2/Msn4 y una potente respuesta transcripcional que involucra muchos genes de respuesta a glucosa. La activación de Snf1 también es relevante en la adaptación al incremento de pH. La interconexión de las diferentes vías que se activan por pH alcalino es sorprendentemente compleja, lo que potencia la robustez del sistema adaptativo.
¿Cómo funciona la levadura? Pre fermentación y fermentación
Fermentación alcohólica y otros tipos de fermentación
La fermentación alcohólica es un proceso biológico de fermentación en ausencia de oxígeno (O2), originado por la actividad de microorganismos como levaduras y bacterias que procesan los azúcares (carbohidratos) como glucosa, sacarosa y fructosa. La fermentación alcohólica produce una baja energía neta: 2 ATP por cada piruvato obtenido de la glicólisis.
En contraste, la fermentación láctica ocurre en algunos protozoos y en tejidos animales. Su principal uso se da en la obtención de quesos, yogur, salsa de soja y otros productos lácteos. En células musculares, cuando el suministro y las reservas de oxígeno se agotan durante ejercicios físicos extenuantes, el piruvato deja de ingresar a las mitocondrias y comienza la fermentación láctica (anaerobia), produciendo ácido láctico (o lactato).
Aplicaciones de la levadura en la industria alimentaria
Las propiedades fisiológicas de la levadura han llevado a su amplio uso en el campo de la biotecnología. La fermentación de azúcares por la levadura es la aplicación más grande y antigua. Muchos tipos de levaduras se utilizan para hacer diversos alimentos: la levadura de panadería en la producción de pan, levadura de cerveza en la fermentación de la cerveza y la levadura en la fermentación del vino y para la producción de xilitol. Cabe destacar que la llamada "levadura del arroz rojo" es en realidad un moho, Monascus purpureus.
Levadura de panadería
La levadura, siendo la más común Saccharomyces cerevisiae, se utiliza en panadería como un agente de fermentación. Convierte los compuestos fermentables presentes en la masa en gas dióxido de carbono (CO2), lo que hace que la masa se expanda o aumente de volumen a medida que el gas forma burbujas o bolsillos. Cuando se hornea la masa, la levadura muere y las bolsas de aire quedan "fijadas", dando al producto horneado una textura suave y esponjosa. El uso de patatas, agua de cocción de patatas, huevos o azúcar en una masa de pan acelera el crecimiento de las levaduras. La mayoría de las levaduras utilizadas en panadería y pastelería son de la misma especie que las usadas en la fermentación alcohólica. Además, Saccharomyces exiguus (o S. minor) se utiliza ocasionalmente.
En la panificación, la levadura inicialmente respira aeróbicamente, produciendo dióxido de carbono y agua. No se sabe cuándo se utilizó por primera vez la levadura para hacer pan, pero los primeros registros provienen del Antiguo Egipto. Los investigadores especulan que una mezcla de harina y agua dejada más tiempo del habitual en un día cálido permitió que las levaduras naturales de la harina fermentaran antes de hornear.
Hoy en día, existen varios minoristas de levadura de panadería. La levadura de panadero se vende también como levadura fresca comprimida en "pastillas", la cual perece rápidamente y debe usarse poco después de su producción. Para verificar su actividad, se puede usar una solución débil de agua y azúcar; la levadura activa espumará y hará burbujas al fermentar el azúcar en etanol y dióxido de carbono. La levadura seca, que ha mejorado su actividad fermentativa y facilidad de disolución, es otra opción popular.
Las levaduras, como todos los microorganismos, tienen un pH y temperatura óptimos, y un rango en el que actúan con menor velocidad. El pH óptimo de la levadura panadera es ligeramente ácido, coincidiendo con el de la mayoría de las masas. En masas muy ácidas o con un pH incrementado por algún ingrediente, la función de las levaduras puede verse ralentizada. La temperatura óptima de actuación de las levaduras suele ser cercana a los 40ºC. Sin embargo, a menudo se utilizan temperaturas de fermentación más bajas (por ejemplo, 20ºC) para generar panes con mayor sabor y menos tendencia al endurecimiento, ya que una fermentación más prolongada ayuda a la creación de aromas y a la actuación de ciertas enzimas. En las primeras fases del horneado, si quedan azúcares fermentables, las levaduras siguen actuando hasta que la temperatura se eleva, generando CO2 y aumentando el volumen de las masas.
Para usos industriales, la levadura líquida o crema de levadura es común en grandes instalaciones con dosificación automática. La levadura prensada es preferida en zonas con suministro constante y alta rotación. La levadura seca es útil donde el suministro puede ser problemático.
Existen levaduras adaptadas a distintas elaboraciones. Por ejemplo, las levaduras normales toleran mal las masas con altas presiones osmóticas (altos contenidos de azúcar o sal), por lo que se han desarrollado levaduras osmotolerantes. Del mismo modo, las levaduras normales no toleran bien las bajas temperaturas, especialmente después de empezar a reproducirse. Para masas que se someterán a procesos de frío, se han desarrollado levaduras criotolerantes. También hay levaduras más aptas para panes que incorporan propionato o ácido propiónico, un conservante que afecta menos a estas cepas. Tradicionalmente, los fabricantes han buscado levaduras con alta capacidad de producción de CO2 y adaptación a la transformación de maltosa. En los últimos años, ha crecido el interés en levaduras que aporten aromas en fermentaciones largas y en la capacidad de fermentar otros tipos de azúcares.
Glucosa como sustrato clave para la levadura
La fermentación de glucosa y fructosa por parte de las cepas de levadura industriales está influida de forma importante tanto por la complejidad estructural de la fuente de nitrógeno como por la disponibilidad de oxígeno. La levadura Saccharomyces cerevisiae prefiere la glucosa, transformándola en piruvato y luego en etanol. La velocidad a la que las levaduras transforman los azúcares es distinta en cada caso: la glucosa y fructosa se transforman más rápidamente que la sacarosa, y esta más rápidamente que la maltosa.
Los datos de estudios sugieren que una fuente de nitrógeno compleja no está sometida a los mismos mecanismos de control que los que intervienen en la utilización de fuentes de nitrógeno más sencillas. Las interacciones entre las fuentes de nitrógeno y carbono, incluyendo los mecanismos involucrados en la regulación del metabolismo aeróbico/anaeróbico, pueden desempeñar una función importante a la hora de influenciar la fermentación y las diferentes respuestas a la complejidad estructural de la fuente de nitrógeno, con un efecto significativo sobre los resultados de la fermentación.
Pruebas de laboratorio y el papel de los indicadores de pH
Para hacer posibles las mediciones del pH en fermentados, se necesitan medidores de pH, como un pHmetro, que son imprescindibles para realizar fermentos de manera segura y controlada.
Prueba óxido-fermentativa (O-F) de Hugh-Leifson
La prueba óxido-fermentativa (O-F) o de Hugh-Leifson es una prueba que indica el tipo de metabolismo energético: respiratorio (oxidativo) o fermentador (fermentativo). Se utiliza glucosa como sustrato y se detecta la acumulación de ácidos con un indicador ácido-base, como el azul de bromotimol. La bacteria se inocula por picadura y se incuba en condiciones de aerobiosis (sin parafina) y anaerobiosis (con parafina, tubo cerrado) simultáneamente. Las bacterias que respiran aerobiamente crecen en la superficie del medio del tubo abierto y transforman la glucosa en CO2, lo que acidifica ligeramente la superficie del medio (virando a amarillo). En el tubo cerrado, el cultivo se mantiene azul-verdoso. Las bacterias fermentadoras producen ácidos a partir de la glucosa, virando el cultivo del tubo cerrado a amarillo. En el tubo abierto, el viraje se inicia en el fondo, y transcurridas 24 horas, los ácidos pueden difundir por todo el medio, virándolo a amarillo.
En otras pruebas, para determinar si una bacteria es capaz de fermentar un carbohidrato particular (con o sin producción de gases), se aplica a bacterias con metabolismo fermentador. La producción de ácidos se pone de manifiesto con un indicador ácido-base (como el púrpura de bromocresol) y la de gases con una campanita Durham.
El Rojo Neutro como indicador de pH
El Rojo Neutro es un colorante perteneciente a la clase de las azinas, utilizado comúnmente como indicador de pH en microbiología y en tinciones vitales. Su coloración varía de rojo a pH ácido (por debajo de 6.8) a amarillo-anaranjado a pH neutro y amarillo a pH alcalino (por encima de 8.0). Es un indicador útil para detectar la producción de ácidos por microorganismos en medios de cultivo, especialmente en pruebas de fermentación donde la disminución del pH es un resultado esperado del metabolismo de azúcares como la glucosa. Su aplicación permite visualizar rápidamente cambios en la acidez del medio, proporcionando información valiosa sobre la actividad metabólica de las levaduras y otras bacterias.