bioprocesos

1. 1. FERMENTACIÓN ALCOHOLÍCA
La fermentación alcohólica es el proceso bioquímico de transformación del azúcar del
mosto en alcohol, a lo largo de una serie de reacciones en cadena catalizadas por los
enzimas contenidos en el citoplasma de las levaduras.
La carga enzimática de las distintas especies de levaduras presenta diversidad
cualitativa y cuantitativa, incluso entre las diferentes cepas, variedades o razas de una
misma especie. Por tanto, el curso de la fermentación puede ser diferente en función
de las características fisiológicas de la levadura, las características físico-químicas del
sustrato y las condiciones ambientales en que se desarrolle, que influirán en la
producción y funcionalidad de los enzimas presentes (Boulton et al., 1995).
Además de alcohol, como resultado de la fermentación, se originan otros
subproductos fundamentales para las cualidades organolépticas del vino.
1.1. Bioquímica de la fermentación alcohólica:
Las levaduras pueden obtener la energía que les es necesaria para vivir,
siguiendo dos vías en la transformación de los azúcares del mosto:
- Respiración: vía oxidativa que tiene lugar en presencia de oxígeno
(aerobia) y que permite la degradación completa de los azúcares
hasta CO2 y agua con gran liberación de energía.
C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + 36 ATP
- Fermentación: se realiza en ausencia de oxígeno (anaerobiosis) y
provoca una degradación incompleta de los azúcares hasta CO2 y
etanol, con escasa liberación de energía. Por ello, las levaduras al
utilizar esta vía deben transformar mucho azúcar en alcohol para
cubrir sus necesidades energéticas.
C6H12O6 6 CO2 + 2 CH3-CH2OH + 2 ATP
Independientemente de la vía utilizada, la principal ruta bioquímica en la
degradación de los azúcares es la glicólisis, a través de la cual la glucosa se
transforma en ácido pirúvico.
1.2. Crecimiento de las levaduras durante la fermentación alcohólica:
Crecimiento y fermentación alcohólica están íntimamente relacionados, ya que
durante la fermentación se da un paralelismo entre la desaparición del azúcar y la
evolución de la población de levaduras en el tiempo.
La pauta de crecimiento de las levaduras durante la fermentación alcohólica es
similar al ciclo de crecimiento clásico de microorganismos, pero prácticamente se
reduce a tres fases (Munoz e Ingledew, 1990) (Figura I-6):

2. 1.3. Factores que afectan al desarrollo de la fermentación alcohólica:
El desarrollo de la fermentación alcohólica, y en consecuencia la calidad del vino
resultante, está condicionada por la calidad del mosto y ésta a su vez por la de la
materia prima: variedad de uva, procedencia, estado sanitario, etc. (Longo et al.,
1991), por la tecnología aplicada en su elaboración y por la población microbiana
responsable de la fermentación.
Un mosto desequilibrado no podrá dar lugar a un vino óptimo aunque la tecnología
de elaboración sea la más adecuada y las levaduras se desarrollen y adapten
correctamente al medio. Del mismo modo, partiendo de un mosto excelente puede
malograrse el producto final por una incorrecta elaboración o por la falta de
adaptación de las levaduras involucradas en el proceso. También se ha
comprobado que diferentes cepas de levaduras poseen características enológicas
distintas debido a su propio metabolismo, por lo que partiendo de un mismo mosto
se pueden obtener vinos organolépticamente diferentes en función de las cepas de
levaduras que dirijan la fermentación (Masneuf, 2003; Ribéreau- Gayon, 1999;
Suárez Lepe, 1997). Este hecho ha sido la base de los programas de selección de
levaduras en la mayoría de regiones vitivinícolas (Querol et al., 1992; Gutiérrez,
1994; Regodón et al., 1997)
Por tanto, la fermentación alcohólica del mosto es el resultado de un conjunto de
variables que pueden integrarse en tres categorías: composición del mosto,
microflora asociada al proceso y tecnología de vinificación empleada (Santamaría et
al., 1998).
 Origen de las levaduras presentes en la fermentación:
El origen de estas levaduras puede ser diverso: la superficie de la uva, el
material de vendimia y transporte de la misma, el ambiente de bodega
(máquinas, depósitos, utensilios, etc.) y en la actualidad, la inoculación con
cultivos comerciales de levaduras secas activas (LSA). La importancia de la
aportación en cantidad y diversidad de especies, de cada uno de los orígenes
citados, ha sido motivo de controversia entre autores (Rosini et al., 1982;
Parrish & Carroll 1985; Vaughan-Martini 1995; Versavaud et al., 1995; Van der
Westhuizen et al., 2000). En general, se admite que:

3. -En la microflora de la superficie de la uva prevalecen los mohos y
principalmente las levaduras apiculadas, siendo las especies mayoritarias
Kloeckera apiculata y su fase perfecta Hanseniaspora uvarum, variando su
presencia en función de la zona climática (Boulton et al., 1995). Las especies
oxidativas pertenecientes a los géneros Candida (especialmente C. stellata y
C. pulcherrima), Criptococcus, Rhodotorula, Pichia, Kluyveromyces, etc., se
encuentran en menor número. Y Saccharomyces cerevisiae, la especie de
mayor capacidad fermentativa, se encuentra raramente o en bajo número
(menos de 50 ufc/ml) (Fleet & Heard, 1993). Algunos autores relacionan una
mayor aparición de Saccharomyces cerevisiae en la uva con el uso de
desechos de las bodegas (orujos prensados y lías) para fertilizar las viñas
(Boulton et al., 1995).
 Ecología de la fermentación
La fermentación alcohólica natural del mosto de uva, es un proceso complejo
llevado a cabo por la acción secuencial de diferentes géneros y especies de
levaduras, que van a ser seleccionados a medida que evolucionan las
condiciones del medio.
Durante las primeras etapas de la fermentación existe un desarrollo de levaduras
apiculadas caracterizadas por su bajo poder fermentativo y su sensibilidad al
etanol, pertenecientes principalmente a los géneros Kloeckera y
Hanseniaspora. En esta etapa se encuentran también levaduras pertenecientes a
los géneros Candida, Torulaspora, Pichia, Rhodotorula, etc. Estas dos últimas
se encuentran normalmente en menor proporción y su presencia puede variar
mucho de una campaña a otra, dependiendo fundamentalmente del estado
sanitario de la uva (Longo et al., 1991; Fleet & Heard, 1993).
Tradicionalmente se ha considerado que el crecimiento de estas especies, poco
fermentativas y sensibles al etanol, también agrupadas bajo el epígrafe de no-
Saccharomyces, estaba limitado a los primeros dos ó tres días de fermentación,
y por tanto, que su incidencia sobre la misma era muy limitada. El aumento de
la concentración de alcohol y de la temperatura en el curso de la fermentación,
las haría desaparecer cediendo su lugar a levaduras pertenecientes a la especie
Saccharomyces cerevisiae. Estas levaduras se caracterizan por su mayor
capacidad fermentativa y tolerancia al etanol, por lo que dominan el proceso a
partir de los primeros días hasta el final del mismo.

4. 2. FERMENTACIÓN DISCONTINUA
Llamados también procesos “Bach” o lote, son de gran importancia dentro de
la biotecnología y son de gran uso industrial. Las técnicas en que se llevan el
proceso va a depender de que el proceso sea aerobio o anaerobio (Doran,
1998). Un proceso discontinuo o “Bach” puede considerarse como un sistema
cerrado. A tiempo cero, la solución esterilizada de nutrientes se inocula con
microorganismos y se permite que se lleve a cabo la fermentación en
condiciones óptimas. A lo largo de la fermentación no se adiciona nada,
excepto ácidos o bases para controlar el pH. La composición del medio, la
concentración de sustrato, la concentración de biomasa y la concentración de
metabolitos cambia continuamente como resultado del metabolismo de la
célula (Doran, 1998).
2.1.1. Condiciones que deben medirse y controlarse en una fermentación
discontinua
Una vez que el sustrato y el organismo han sido seleccionados es
necesario darles las condiciones adecuadas de operación y
optimización del sistema (Doran, 1998). Desde el punto de operación
es importante decidir las siguientes variables: temperatura, pH, brix,
nutrientes y productividad entre otras. Una de estas variables se mide
de manera continua y otras intermitentemente. Las variables que se
puede medir de manera continua son: temperatura, pH, brix, nutrientes
y las variables que se puede medir de manera intermitente son:
biomasa, producto y consumo de sustrato (Fajardo & Sarmientos, 2007)
2.1.1.1. TEMPERATURA
La temperatura ejerce un marcado efecto sobre la velocidad
metabólica del organismo. La temperatura tiene una influencia
directa sobre la velocidad de reacción y esta puede cambiar la
configuración de los constituyentes celulares, especialmente de las
proteínas y de los componentes de la membrana (Doran, 1998). La
temperatura optima de crecimiento de las levaduras especialmente
de la Saccharomyces cerevisiae es de 30 a 35°C. La temperatura
afecta al organismo de manera notable ya que los organismos de
una especie dada solo pueden crecer en un rango de temperatura y
esto afecta de manera notable al organismo (Fajardo & Sarmientos,
2007).

5. 2.1.1.2. PH
La acidez o alcalinidad de una solución se expresa por su índice de
pH en una escala de 0 a 14. Es importante recordar que el pH es
una función logarítmica, un cambio en una unidad de pH representa
un cambio de diez veces en la concentración de iones hidrogeno
(Brock & Madigan, 1982). El pH tiene un marcado efecto en la
velocidad de crecimiento y en el rendimiento. El pH óptimo para
algunos organismos en especial para las levaduras se encuentra en
un rango de 4.0 a 6.0. Un cambio en el valor de pH puede afectar
su composición o su naturaleza de la superficie microbiana al
disociarse ácidos y bases. Este último 21 puede afectar la
floculación de la biomasa o la adhesión a las paredes. El pH tiene
una gran influencia en los productos finales del metabolismo
anaerobio (Fajardo & Sarmientos, 2007).
2.1.2. AIREACIÓN
La ausencia o abundancia de oxígeno permite una selección tanto de
microorganismo como de productos metabólicos. Cuando el cultivo se
produce en presencia de oxígeno molecular, la fermentación se
denomina fermentación aeróbica y cuando se realiza en ausencia de
oxígeno molecular se denomina anaeróbico. Si la fermentación es
anaeróbica, la mayor parte del carbono se emplea como energía y solo
el 2% se asimila como material celular. Saccharomyces cerevisiae es
una levadura que posee alta actividad metabólica, por lo que en un
proceso fermentativo en base aeróbica se caracteriza por la producción
de biomasa y en base anaeróbica generalmente por la producción de
etanol (Fajardo & Sarmientos, 2007).