Fermentacion

LAS LEVADURAS CERVECERAS Y LA FERMENTACION

LA CERVEZA ES UNA BEBIDA ALCOHOLICA •

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LA FERMENTACION DE LOS AZUCARES ES ENTONCES UN PROCESO INELUDIBLE CUALES SON LOS AGENTES FERMENTATIVOS Las levaduras de la cervez cer veza a pertenecen a dos especies  –

Saccharomyces cerevisiae

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Saccharomyces Saccharomyces pasteurianus

Evolución de los procesos fermentativos •

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El conocimiento de los factores factores que afectan el comportamiento de la fermentación fermentación es reciente. Por siglos la fermentación se desarrollo de manera espontánea y no se conocía el origen o rigen de los cambios que ocurrían. Solo a finales del siglo XIX se estableció que el proceso dependía del desarrollo de organismos vivos unicelulares. Por lo anterior las cervezas clasificadas por estilos como se conocen en la actualidad tiene solo poco mas de un siglo.

Sus características generales •

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Es un proceso fundamental en la elaboración de la cerveza Durante Durante su desarrollo se s e producen cientos de componentes, aunque no todos positivos para la calidad de la bebida. La forma en que se s e desarrolla tiene un claro efecto efecto sobre las características características de la cerveza. La levadura, levadura, las condiciones nutricionales y ambientales en que ella se desarrolle son factores factores que modifican los resultados

Requisitos •

En la gran industrias son de gran importancia los criterios económicos  –

Productividad conversión conversión azúcar a etanol/tiempo.

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Escala de procesos fermentativos

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Consistencia en el tiempo y en distintas plantas de elaboración

Etapas del proceso fermentativos fermentativos •

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Establecimiento Establecimiento de las condiciones deseadas des eadas al final del llenado del fermentador Seguimiento y control del progreso de la fermentación Identificación precisa del termino del proceso Separación de levaduras y trasiego del fermentador

La Levadura cervecera

Levaduras •

A excepción de cervezas cervezas de elaboración especial. Las levaduras levaduras pertenecen al genero Saccharomyces Mucho del conocimiento de esta levadura industrial se ha efectuado gracias a la industria cervecera

No es casual que la especie se denomine

Saccharomyces cereviceae

Ecologia de levaduras •

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Las levaduras están ampliamente distribuidas en el medio ambiente amb iente Naturalmente existe en el ambiente una amplia variabilidad de d e levaduras levaduras Las levaduras levaduras cervecer cer veceras as son organismos organismos facultativos Hay otras levaduras oxidativas que solo pueden desarrollarse en medio aeróbicos (son alterantes)

Características morfológicas •

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Su forma es variable ya que depende del tipo de organismo y de las condiciones de crecimiento. Las células pueden pueden ser agrupadas en tres clases dependiendo de su tamaño. (micrones) Grandes 4.5-10.5 x 7.0-21.0 Intermedio 3.5-8.0 x 5.0-11.0 Pequeñas 2.7-7.0 x 4.5-11.0

El tamaño depende de

Tipo de azúcar fermentado Temperatura de fermentación Presión osmótica Etapa del ciclo de crecimiento

Procesos expontáneos y conducidos •

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Tradicionalmente los procesos de fermentación cervecera fueron espontáneos por tanto variables y de resultados poco predecibles. En la actualidad la mayoría mayoría son controlados controlados mediante el uso de cepas seleccionadas, de comportamiento comportamiento conocido

Reaccioness bioquímicas Reaccione •

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Las reacciones bioquímicas que ocurren durante la fermentación son el resultado acumulativo acumulativo del crecimiento de las levaduras en el mosto El mosto es de composición variable y por ello muchas reacciones que en él ocurren no están completamente explicadas. Muchos estudios se han realizado para conocer el comportamiento de Sacch. Cerevisie, por desgracia muchos en condiciones aeróbicas y con cepas haploides o diploides.

Opciones metabolicas • •

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Sacch. Es una levaduras aeróbica facultativa Puede oxidar un amplio tipo de compuestos para generar ATP y esqueletos carbonados con destino anabólico Dependiendo de las disponibilidades de oxigeno oxigeno y de la concentración y fuente de carbono, las levaduras actuan bajo un metabolismo respiratorio o fermentativo. Las cepas se diferencian en su comportamiento metabólico y por ello se han seleccionado muchas cepas que tienen limitadas capacidades respiratoria y están sujetas a una represión catabólica por concentraciones de carbohidratos

UNA CONSECUENCIA DEL

METABOLISMO MET ABOLISMO Y NUTRICION NUTRICION DE LAS LEVADURAS

DOS TIPOS DE COMPUESTOS CON EFECTO SOBRE EL METABOLISMO

COMPUESTOS CON ACCION NUTRITIVA

Muchos componentes presentes presentes en el mosto cervecero pueden ser utilizados como nutrientes

COMPUESTOS CON ACCION REPRESORA O TOXICA

Compuestos del mosto Compuestos de origen microbiano

Dependiendo de las concentraciones, un compuesto puede comportarse de una u otra manera

Metabolismo de las levaduras en el mosto cervecero •

Dependiendo de las condiciones de crecimiento Saccharomyces Saccharomyces sp. se comporta de manera diferente •

La levadura es heterotrofica y facultativa

Dependiendo de la disponibilidad de oxigeno y la concentración y fuente de carbohidratos carbohidratos el metabolismo puede ser completamente aeróbico y oxidativo o fermentativo

La levadura puede oxidar un amplio espectro de moleculas orgánicas para generar  energía (ATP) y proveer de esqueletos carbonados para procesos anabólicos

Los cambios fermentativos Los eventos bioquímicos que ocurren durante la fermentación son un reflejo del genotipo de la cepa usada y de su expresión fenotípica fenotípica bajo la influencia influencia de la composición composición del mosto mosto y de las condiciones físicas que imperen en el fermentador

Existe una gran cantidad de estudios destinados a explicar la naturaleza naturaleza de los cambios y los factores que los producen

POR DESGRACIA

La mayoría de los estudios se han realizado en laboratorio en medios de composición estandar y bajo condiciones aeróbicas además con células diploides

Metabolismo de los azúcares CATABOLICO

ENERGETICO

ANABOLICO

ESTRUCTURAL

En las condiciones cerveceras se realiza preferentemente de manera anaerobica

Fuentes Fuentes de Carbono •

Limitada utilización de carbohidratos carbohidratos Las cepas de S. cerevisiae utiliza un limitado numero de fuentes de carbono. Los perfiles de utilización son específicos de las cepas Las cepas Ale no poseen la capacidad de utilizar el disacárido, melobiosa

Las cepas Lager pueden crecer sobre melobiosa porque ellas presenta actividad D-galactosidasa

Utilizan la maltotriosa limitadamente y de manera lenta

Además Utilizan la maltotriosa mas rápido rápido Son mas eficientes asimilando la galactosa.

Diagrama de la Fermentación Alcohólica

RENDIMIENTO RENDI MIENTO DE ET ETANOL ANOL DE LA FERMENTACION FERMENT ACION ALCOHOLICA ALCO HOLICA

Rendimiento teórico. GLUCOSA 180

2ETANOL 2ETANOL + 2 CO2

2*46=92 51%

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2*44=88 49%

Nunca se alcanza, Un número variable de moléculas son degradadas por otras vías.

Balance de la Fermentación Alcohólica fermentación  En una fermentación

modelo, con 22 a 24 º Brix

de azúcar:  –

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95% es convertido convertido a etanol y CO 2 1% es convertido en material celular inóculo inicial: 1x106, biomasa final 2x108

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4% es convertido convertido en productos secundarios de la fermentación.

Liberación la fermentación Producción de calor

Determina las

Necesidades de refrigeración

Elevación de la temperatura del mosto

Depende de

Cantidad de azúcares fermentados Velocidad de fermentación Capacidad de radiación del estanque

Metabolismo del Nitrógeno •

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Las fuentes de nitrógeno  –

Aminoácidos

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Amonio

Los aminoácidos son catabolizados catabolizados y reconstituidos Los aminoácidos catabolizados catabolizados producen esqueletos carbonados que pueden dirigirse a:  –

Producción de energía

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Excreción Excreción al medio (aroma)

Compuestos importantes •

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El amonio y el glutamato son centrales en el metabolismo del nitrógeno El glutamato glutamato y la glutamina son las principales fuentes de N intracelular Los iones de amonio am onio ingresados a la célula son convertidos el glutamato por la glutamato dehidrogenasa dehidrogenasa El glutamato en exceso es convertido el glutamina por la glutamina sintetasa sintetasa La glutamina es el precursor esencial para la síntesis de otros aminoácidos y de las purinas y pirimidinas

Las necesidades de oxigeno oxigeno •

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Son imperativas la levadura necesita oxigeno para sintetizar componentes lipídicos. Estos componentes son necesarios para formar estructuras funcionales Estos componentes no se forman en medios anaeróbicos Sin esos componentes la levadura no puede reproducirse reproducirse normalmente

Relaciones Relacion es hídricas •

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La levadura necesita agua para poder crecer y desarrollar una actividad metabólica metabólica normal. La actividad de agua de un medio es inversa a la concentraciones de los solutos •

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Es difícil conocer los efectos del del agua y de la concentración de solutos de forma separada

Las elevadas concentraciones de extracto hacen mas lenta y difícil la reproducción de las levaduras (Importante en las cervezas de alta densidad

Tolerancia y toxicidad del etanol •

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La cerveza en la mayoría de sus tipos no presenta una real limitación Sus grados (entre 3- 6,5) no ofrecen problemas de tolerancia Sin embargo algunos estilos (Dopple bock, barley wine y otros similares) presentan limitación fermentativas, fermentativas, por ello es necesario conocer sus causas para poder enfrentarlas También en la elaboración de cervezas cer vezas de muy alta densidad (gran industria) se presenta como un problema permanente Las cepas de levadura presenta distinta tolerancia al etanol, la cual tiene una base genética. La exposición de las células a elevadas concentraciones de etanol provoca una detención del crecimiento crecimiento y posterior muerte

Características de la toxicidad •

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Sus orígenes son son variados y no totalmente totalmente explicados Es posible que otros intermediarios de la síntesis de etanol también actúen de manera conjunta y posiblemente sinérgica (alcoholes superiores, acetaldehído) Esta posibilidad nace del hecho que el etanol endógeno es más toxico que el adicionado externamente externamente a un medio

Efect fectos os directos determinados determinados •

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A nivel citoplasmático (acumulación) genera la desnaturalización desnaturalización de variadas enzimas enz imas Se han detectado alteraciones del DNA mitocondrial m itocondrial La estructura celular más afectada afectada es sin duda la la membrana plasmática Hay factores factores que modifican la tolerancia de la membrana a las concentraciones de etanol (concdntración de threalosa) La presencia en el medio de ácidos grasos insaturados y de algunos iones metálicos presentan igualmente efectos efectos protectores

La importancia del ox oxigeno igeno •

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La levadura es un organismo facultativo sin embargo su comportamiento comportamiento industrial se ve claramente claramente condicionado por la presencia o no de oxigeno en el mosto Son muchos los genes que están relacionados con la tensión de O en el medio.  –

Genes de expresión en medio anaeróbico •

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Genes expresados en condiciones de microaerobiosis Genes expresados en condiciones aeróbicas (+ 200 genes)

Efectos del oxigeno •

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El oxigeno es necesario para la síntesis de ácidos grasos insaturados y de esteroles esteroles Son compuestos esenciales par la estructura y funcionalidad de las membrana celulares En la fase anaeróbica de la fermentación fermentación los compuestos sintetizados sintetizados se diluyen en las células hijas llegando un momento en que las células dejan de reproducirse reproducirse por ausencia de estos compuestos

TECNOLOGIA DE LA FERMENTACION

Factores de la Fermentación En los métodos discontinuos los principales factores factores que afectan la fermentación son los siguientes: 1.Cepa utilizada 2.Control de la temperatur temperatura a 3.Nivel de inoculación 4.Grado de aireación u oxigenación 5.Incorporación de agitación 6.Densidad del mosto (un aumento de la densidad de un 50% determina un tiempo de fermentación de un 20 a 25% superior. superior.

Mientras mas rápida es la fermentación fermentación mas necesidades de refrigeración y energía serán necesarias

Principios básicos •

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Fermentar el mosto hasta hasta una densidad densidad deseada : grado de atenuación La proporción de extracto que puede ser fermentado se denomina porcentaje de fermentabilidad fermentabilidad

Fermentabilidad % = Densidad inicial - Densidad final Densidad inicial

X 100

El etanol formado en la fermentación tiene un densidad menor que el agua por ello la densidad final no es un predictor correcto del extracto no fermentado

Fermentaciones controladas •

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La mayoría de las fermentación fermentación son procesos inducidos y controlados controlados de manera de obtener resultados predecibles. Son muchas las cepas de levaduras levaduras que utilizan para estos propósitos Su elección dependerá de las condiciones en que se desarrolle la fermentación fermentación y del estilo de cerveza.

Fermentaciones Ale y Lager ALE

LAGER

Levaduras de superficie

Levaduras de profundidad

Existe un amplio numero de cepas de levaduras levaduras ALE y LAGER

SE DIFERENCIAN EN

Su tolerancia al grado alcohólico Tipo de aroma que desarrollan Grado de floculación o sedimentación

Inducción de la Fermentación MOSTO

Inoculación de levaduras Elevada poblaciones

Aireación 8-10mg/L de O2 Temp. según tipo de cerveza

Mezcla de mosto con Cerveza en fermentación

15-20 Mill/mL Utilización de crema de lavaduras Población Determinada Por turbidez

Principales compuestos utilizados Hexosas Sacarosa Maltosa

Utilización de LSA

Diferencias industriales de mayor relevancia Velocidad de

utilización de azucares Capacidad fermentativa fermentativa Resistencia a la temperatura Resistencia Producción de compuestos aromáticos. a romáticos.

Lo mas importante Tº LAGER 7 A 15 ºC

Cosecha de Levaduras 2 veces mayor 

ALE 18 A 25 ºC

Mayor turbidez Peor filtración

Programas de fermentación Principal factor  intervenido

TEMPERATURA

CERVEZAS  ALE

CERVEZAS LAGER

fa= Alcoholes superiores e= esteres

INSERTAR INSERTAR GRAFICO

Compuestos Compuest os Secundarios Formados  Alcoholes superiores

Esteres

Compuestos carbonilos Compuestos  Azufrados

Acidos orgánicos

Propanol Isoamilicos Butanol Glicerol

Etil acetato  Acetato de isoamilo  Acetato de isobutilo

 Acetato de 2 fenil etilo Hexanoato de etilo Octanoato de etilo

 Acetaldehído  Acetaldehído Diacetilo 2-3 pentandiona Mercaptanos, Tioalcoholes Tioalcoholes  Acido Sulfhídrico  Acido acético  Acido Hexanoico  Acido octanoico

Preparación Preparación de un inoculo Es necesario que inoculo se rehidrate en condiciones similares a las que encontrará en el mosto que se inoculará La presión osmótica del mosto, puede desempeñar un efecto efecto represor del crecimiento La falta de nitrógeno puede también ocasionar algunos problemas, mas aun cuando no se respetan los tiempos de rehidratación POR ELLO SE RECOMIENDA

Activar las levaduras en un extracto de malta diluido (con agua hervida) a una densidad de 1,045-1,050 Esta solución es recomendable recomendable esterilizarla por ebullición durante durante 10-15 minutos enfriar a 35 C y sembrar la levadura °

Las dosis de siembra son variables de acuerdo a distintos criterios Parte de poblaciones bajas de 1 x 10 6 cel/mL Hasta 15 x 10 6 cel/mL por cada grado alcohólico probable.

Los tiempos de activación no deberían ser mayores a 15 minutos (en ese periodo se deben observar burbujas de CO 2

Segunda opinión En la elaboración en microcervecerias, la activación con extracto de malta es discutible

La opción es cultivar la levadura en agua previamente hervida con unos 10 g/L de sacarosa

Temperatura de rehidratación rehidratación entre 30 a 35 grados grados por no mas de 15 min.

Inocular el mosto previamente agitado de manera vigorosa par saturarlo de oxigeno Agitar por una vez al día los 2 primeros días.

Fermentadores

Cosecha superior

Cosecha inferior

ASAHI

Estanque cilindro cónico estándar

Manejos postferment postfermentativos ativos A la salida del fermentador, la cerveza no está lista aún para su consumo requiere ciertos tratamientos antes antes de ser expedida. En esta etapa posfermentativa se efectúan las siguientes operaciones:

Mejoramiento de sabor y del aroma. Estandarización de color , Eliminación de la turbidez Estabilización física y química Estabilización biológica. Carbonatación