Tipos
de fermentación alcohólica
Cubas metálicas
de acero inoxidable empleadas en la fermentación industrial del vino
Fermentación industrial
La fermentación etílica ha sufrido algunas transformaciones con el objeto de
aumentar la eficiencia química del
proceso. Una de las mejoras más estudiadas en la industria es la
posibilidad de realizar la fermentación alcohólica continua con el
objeto de obtener mayores cantidades de etanol. Hoy en día el procesamiento
industrial de algunas bebidas alcohólicas como
puede ser el vino o la cerveza se realizan en ambientes controlados capaces de
ofrecer a un ritmo apropiado de estos productos de consumo al mercado. Esta vía
ofrece una amplia materia de investigación en temas de eficiencia
de bioreactores, empleando para ello teoría desistemas de control (el
problema desde el punto de vista de ingeniería de sistemas es altamente no
lineal y oscilatorio).30 Otra vía de investigación acerca de la
mejora de los procesos industriales es la mejora de las cepas de levaduras
(como puede ser la Zymomonas Mobilis que ofrece ventajas en los
procesos continuos de fermentación), permitiendo la convivencia de una mayor densidad
de las mismas durante la producción. Los métodos de fermentación continua
se empezaron a patentar en la década de los 1950s y desde entonces
han hecho que la industria de las bebidas alcohólicas haya experimentado un
crecimiento apreciable. Una de las características de la fermentación etílica
industrial es la selección adecuada de las levaduras a inocular en el proceso
de fermentación conel objeto de aumentar el rendimiento de la producción.
La fermentación industrial típica es esencialmente un proceso que se produce en
un recipiente llamado fermentador o en general, biorreactor, mediante el
cual determinados sustratos que componen el medio de cultivo (levaduras) son
transformadas mediante la reacción microbiana en metabolitos y biomasa.
Estos contenedores son herméticos y permiten retirar mediante canalizaciones
apropiadas el dióxido de carbono resultante. Durante el proceso los
microorganismos van aumentando de concentración en el transcurso de la reacción
al mismo tiempo que el medio va modificando sus propiedades químicas y se
forman productos nuevos como
consecuencia de las reacciones anabólicas.
Fermentaciones naturales
La fermentación alcohólica con la emisión de ciertas cantidades de etanol se
produce de forma espontánea en la naturaleza siempre que se encuentre un azúcar
y una atmósfera pobre de oxígeno, es por esta razón que ocurre
espontáneamente en el interior de algunas frutas que se puede decir
sufren un proceso de maduración anaeróbica, tal y como puede ser el melón curado
que muestra olor a alcohol, o los mismos cocos. Un aspecto de la
fermentación alcohólica natural o espontánea se puede dar en ciertas frutas como el de la vid, en una fase inicial en la que las uvas
se incluyen en las cubas
madre de acero inoxidable y se produce la denominada fermentación
tumultuosaencargada de hacer aparecer las primeras trazas de etanol.
Una de las fermentaciones naturales más habituales en las frutas y que se
emplea en los procesos de vinificación de algunos vinos es
ladenominada Maceración carbónica. Este tipo de fermentación causa a veces
intoxicaciones etílicas a los insectos que se alimentan de las futas
maduras.
Fermentaciones específicas
Las fermentaciones específicas son manipuladas por el hombre con el objeto de
obtener el etanol en ciertas bebidas. Para
ello se emplean principalmente los azúcares de las frutas,
los cereales y de la leche. La producción de estas bebidas es en
la mayoría de los casos local debido a la disponibilidad de los substratos, por
ejemplo en los países mediterráneos la uva es frecuente y por lo tanto la
fermentación del vino también, el mismo patrón
puede hacerse con otros materiales como el arroz
en Asia o
el maíz en Latinoamérica. De esta forma la tradición de los
procesos de fermentado se han asociado a las diversas etnias o grupos
sociales.
Fermentación del vino
En la imagen se muestra unas uvas del
tipo Cabernet Sauvignon empezando a interaccionar con
los hollejos (piel de la uva) durante el proceso de fermentación.
La fermentación del
vino es de las más conocidas y estudiadas por afectar a una industria muy
extendida y con gran solera (véase: Historia del vino). En el caso del vino las
levaduras responsables de la vinificación son unos hongos
microscópicos que se encuentran de forma natural en los hollejos de las uvas
(generalmente en una capa en forma de polvo blanco fino que recubre la piel de
las uvas (vitis vinifera l.) y que se denomina 'pruina'). Los vinos
deben tener una cantidad de alcohol debido a la fermentación de al menos un 9%
en volumen. Con la excepción de los vinos verdes como
puede serel chacolí que pueden tener una graduación inferior.34La
fermentación alcohólica del
vino es muy antigua y ya en la Biblia se hacen numerosas referencias
al proceso. Las especies de levaduras empleadas en la elaboración del vino suelen ser por
regla general las Saccharomyces cerevisiae aunque a veces también se
emplean la S. bayanus y la S. oviformis, aunque en muchas
variedades de vides la kloeckera apiculata y la metschnikowia
pulcherrima son levaduras endógenas capaces de participar en las primeras
fases de la fermentación. Para frenar la aparición de bacterias
indeseables y otros organismos limitantes de la fermentación se suele
esterilizar el mosto a veces con dióxido de azufre (SO2)
antes del
proceso.
La elaboración del
vino pasa por una fermentación alcohólica de la fruta de la vid en unos
recipientes (hoy en día elaborados en acero inoxidable) en lo que se
denomina fermentación tumultuosa debido a gran ebullición que produce
durante un periodo de 10 días aproximadamente (llegando hasta aproximadamente
unas dos semanas). Tras esta fermentación 'principal' en la industria del vino se suele hacer referencia a
una fermentación secundaria que se produce en
otros contenedores empleados en el trasiego del
vino joven (tal y como
puede ser en las botellas de vino). Los vinos blancos fermentan
a temperaturas relativamente bajas de 10s-15 °C y los vinos
tintos a temperaturas mayores de 20s-30 °C. A veces se interrumpe
voluntariamente la fermentación etílica en el vino por diversas causas, una de
las más habituales es que haya alcanzado la densidad alcohólica establecida por
la ley. En otros casos por elcontrario se activa de forma voluntaria el proceso
de fermentado mediante la adición de materiales azucarados, este fenómeno recibe
el nombre de chaptalización y está muy regulado en los países
productores de vino.36
Fermentación de la cerveza
Cocción del mosto antigua en Holsten-Brauerei Hamburgo.
La cerveza es una bebida alcohólica producida por la fermentación
alcohólica mezcla de algunos cereales (en forma de malta)
mezclados con agua. Los cereales empleados son por regla
general: cebada, centeno, trigo, etc. El contenido de la cerveza
ya se reglamentó en Europa en la famosa ley alemana de
la Reinheitsgebotque data del
año 1516. Las levaduras empleadas en el proceso de fermentación de la
cerveza se dedican a trabajar contra la maltosa y por regla general
suelen depender de las características del producto cervecero final que se
desee obtener, por ejemplo se suele emplear la Saccharomyces
cerevisiae para elaborar cervezas de tipo ale (de color pálido)
y la saccharomyces carlsbergensis que sirve para la elaboración de la
cerveza tipo lager (Generalmente de color rubio) y
la Stout(Cerveza oscura de alto contenido alcohólico generalmente más
dulce, un ejemplo:Guinness). El proceso de fermentación en la cerveza en las cubas de
fermentación ronda entre los 5 y 9 días.
La industria cervecera ha seleccionado durante siglos las cepas de
levaduras para que se adaptaran al proceso de elaboración de cerveza, logrando
una gran variedad de las mismas. Durante el proceso se le
añade lúpulo (Humulus lupulus) con el objeto de saborizar, aromatizar
y controlar las reacciones enzimáticas durante el proceso deelaboración de la
cerveza.37 El proceso de fermentación de la cerveza se produce en un medio
ácido que suele oscilar entre los pH 3,5 y 5,6. Por regla general la
fermentación de la cerveza se regula mediante la regulación de la temperatura
de la fermentación del mosto de malta.
Existen en la elaboración de la cerveza dos tipos fundamentales de fermentación
etílica, dependiendo del lugar físico donde se realiza la fermentación en la
cuba madre, la razón de esta fermentación se debe a la estructura química de
la capa celular de la levadura y a la propiedad floculante de
las levaduras de la cerveza:
* Baja fermentación - Estas cervezas son fermentadas con levaduras
específicas (Saccharomyces uvarum bzw.y la Saccharomyces carlsbergensis)
que se hunden en la parte inferior de la cuba (de ahí su nombre de fermentación
baja). Las fermentaciones de este tipo se producen a temperaturas relativamente
bajas 4–9 °C. Las cervezas de este tipo corresponden a las del tipo Pilsen, Bockbier, la Doppelbock (doble
Bock), la Export, Lager, Zwickel, Zoigl
* Alta fermentación - Son cervezas elaboradas con levaduras del
tipo saccharomyces cerevisiae, las fermentaciones de este tipo se producen
a temperaturas relativamente altas 15–20 °C. Estas levaduras tienden a
flotar y por eso se denominan 'fermentación alta'. Algunas cervezas
típicas de esta categoría son las alemanas: Kölsch, la Weißbier,
la Weizenbier o cerveza de trigo típica de Baviera, laGose,
la Berliner Weiße, las cervezas de tipo Ale, etc.
Fermentación del arroz
Jarrones japonenes de sake.
En los países asiáticos la abundancia
naturaldel arroz debido a las características climáticas permite que
se pueda emplear en la elaboración de fermentaciones alcohólicas en forma de
bebida como es el sake (conocida
en Japón como nihonshu (日本酒? 'alcohol
japonés'), así como
el vino de arroz. Los principales microorganismos empleados en la
elaboración de estas bebidas alcohólicas a base de arroz son
el Aspergillus oryzae, elLactobacillus sakei, el Leuconostoc
mesenteroides var. sake y la Saccharomyces sake. La fermentación se
toma un periodo que va desde los 30 a los 40 días. El sake tiene tres fases de
elaboración: la koji, la motto y la moromi que se
realiza en la denominada fermentación de estado sólido.
En el sake, aparte de una concentración de entre 15 y 20% de etanol producto de
la fermentación, los principales componentes responsables de
su sabor característico son:ácido succínico (500 a 700
mg/L), ácido málico (200 a 400 mg/L), ácido cítrico (100 a
500 mg/L), ácido acético (50 a 200 mg/L), isoamil
alcohol (70 a 250 mg/L), n-propanol (120 mg/L), 2-fenil
etanol (75 mg/L), isobutanol (65
mg/L), etilacetato (50 a 120 mg/L), etilcaproato (10 mg/L)
e isoamil acetato (10 mg/L). Estos metabolitos también pueden encontrarse
en cervezas y la mayoría de vinos ya que provienen de la fermentación
alcohólica. También hay que añadir a estos componentes el eti-lleucinato, que
es el que contribuye en mayor medida al aroma del saké. No obstante, la concentración de
todos estos compuestos en el Saké es significantemente mayor. No hay que olvidar
la presencia de ácido láctico (0,3 a 0,5 mg/L) que es casi
enteramente fruto de la actividad de las bacteriasfermentadoras acidolácticas
presentes durante la etapa del
moto (etapa inicial en la cuba
de fermentación). También se detecta, aunque en concentraciones menores, una
variedad de aminoácidos. La presencia de estos tiende a ser la mínima posible,
ya que le dan al Saké un sabor desagradable.
Se han llevado a cabo gran cantidad de mejoras genéticas de las cepas de
Saccharomyces sake con tal de incrementar la presencia de algunos de estos
metabolitos (como es el caso del fenil etanol, el isoamil alcohol o
el etilcaproato), al igual que reducir la de otros
(aminoácidos, etilcarbamato, urea). También se han dado el caso de
cepas diseñadas para mejorar la productividad, ya sea disminuyendo la formación
de espuma, el incremento de tolerancia al etanol o la no proliferación de
cepas productoras de toxinas. Los productos fermentados de arroz no son
exclusivos de Japón, se puede encontrar en diversas culturas del mundo como
puede ser: el binburán (Filipinas), el pachwai(en
la India se denomina como 'cerveza de arroz'),
el arrack (el denominado عرق, a€›araq es muy popular
en Oriente Medio frecuentemente destilado),
el rakshi (bebida elaborada con arroz y mijo en
el Nepal), etc. siendo algunas de estas bebidas destiladas.
Fermentación alcohólica de la leche
Un bol con Kumis.
La leche por regla general sufre una fermentación
láctica (la mayoría de los productoslácteos) que produce algunas bebidas
alcohólicas. El proceso es alimentado por la lactosa(azúcar natural de la
leche) y por la enzima lactasa que segregan algunas levaduras
específicas (véase cultivos lácticos). La fermentación láctica y etílica
es muysensible a la temperatura y suele denominarse fermentación
heteroláctica. Entre las bebidas lácteas que han sufrido una fermentación
etílica se encuentra una bebida denominada koumiss (muy popular en
países de Asia Central como en Kazajistán) que se elabora
mediante la adicción de sacarosa (azúcar de caña) a la
leche pasteurizada y suele proporcionar bebidas de bajo contenido
alcohólico, oscila entre un 1% y un 3%, el microorganismo responsable de este
proceso es Lactobacillus bulgaricus. Se denomina a veces como: 'vino de leche' y posee un
aspecto grisáceo. En estas bebidas lácteas la fermentación láctica se produce
al mismo tiempo que la alcohólica, cooperando ambas en un complejo proceso
interrelacionado. Otra de las bebidas es el kéfir, muy popular en los
países del Cáucaso y Asia Central, que contiene una cierta
cantidad de etanol, que puede oscilar entre un 0.040% y un 0.300%,su bajo
contenido se debe a las relativamente altos niveles de pH que paran
el proceso fermentativo alcohólico.
Otras fermentaciones alcohólicas
Jarra con Apfelwein.
Algunos alimentos fermentados poseen ciertas cantidades de etanol
debido a pequeñas reacciones de fermentación etílica que se realizan durante la
fermentación del alimento, las diferentes
culturas del mundo emplean de una forma u otra
esta fermentación como
identificación cultural, debido quizás a que se suele emplear alguna fruta o
verdura propia de la región. Uno de los ejemplos es el nattÅ de
la culinaria japonesa. Una de las bebidas más populares en los
pueblos de Europa del Norte es la hidromiel elaborada con
agua y mielfermentadas cuya solera seremonta a la época de
los vikingos, de la misma forma se elabora el tej etiope.
Las fermentaciones realizadas con azúcar de caña en los vinos
azucarados como
puede ser el basi filipino, el japonés shoto sake. Los vinos de palma elaborados con la hoja de lapalmera, algunos como puede ser el ogogoro de Nigeria,
el tuba de Filipinas, el kalu de laIndia.
El pulque de México elaborado con la fermentación
alcohólica del
zumo de la agave tequilana (en la que participa la levadura Zymomonas
mobilis), algunas bebidas similares son el colonche (o
el nochoctli) elaborados de la fermentación de cactus. En México son
conocidas también el tesgüino elaborado con la fermentación del maíz,
el tibicos, la tuba.42Una bebida que se hace a partir de
la panela es una variante del guarapo que es una bebida
alcohólica producto de la fermentación alcohólica del agua de panela, muy
popular en Colombia. El kenyan urwaga que es una bebida
efervescente elaborado de bananas típico enRuanda, similar es el mwenge
de Uganda elaborado
similarmente con sorgo y bananas. Las fermentaciones de maíz que
elaboran la Chicha, a veces denominada tepache, en Colombia. De la
misma forma ocurre con la fermentación de la manzana en
la sidra (muy popular en países como España, Francia, Gran
Bretaña) y en el apfelwein alemán, bebida muy popular en los países del norte de Europa, así como en algunas zonas del Cantábrico.
