EN LA INVESTIGACION:

Biotecnología

La biotecnología como herramienta para la mejora de procesos y productos en la industria cervecera

Cecilia Rojas de Gante y Sergio Serna Saldívar
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El término “cerveza” es una expresión genérica para designar al producto originalmente obtenido por fermentación de un extracto acuoso de malta, que abarca tanto lo que en la Gran Bretaña se denomina ale, una bebida a la que se añade lúpulo, con o sin adición de otras fuentes de carbohidratos, fabricada con levaduras altas, como a aquellas otras bebidas de malta a las que se añade lúpulo y son fermentadas con levaduras bajas. Su producción se basa en procesos biotecnológicos que incluyen la germinación de la cebada para producir malta, la maceración de adjuntos cerveceros ricos en almidón con enzimas generadas durante el malteo con la posterior aromatización del mosto dulce con lúpulo (Humulus lupulus) y, finalmente, con la fermentación del mosto aromatizado con levadura.


La química y transformaciones que ocurren durante estos procesos y a través del almacenamiento de la cerveza son de importancia primordial para la industria. El proceso de malteado se puede definir como la germinación del grano bajo condiciones controladas con el objetivo de generar la máxima actividad enzimática o diastásica posible. La malta rica en alfa y beta amilasas convierte al almidón de los adjuntos cerveceros en azúcares fermentables y dextrinas durante la etapa de maceración. Los primeros son transformados por la levadura para producir etanol y una gama de compuestos que afectan las propiedades organolépticas y los segundos son los responsables de impartir cuerpo o viscosidad a la cerveza. También se generan importantes proteasas que degradan a las proteínas en alfa amino nitrógeno, substrato esencial para la actividad de la levadura y formación de algunos compuestos saborizantes, entre los que destacan los alcoholes de fusel.


Para lograr producir cervezas ligeras o con menor contenido de calorías, es necesario romper a las dextrinas con enzimas comerciales como la amiloglucosidasa. También la industria utiliza glucanasas para decrementar la viscosidad de los mostos y mejorar su tasa de filtración. El lúpulo imparte el sabor típico a la cerveza debido a su contenido de aceites esenciales y resinas amargas. Además, contiene taninos y compuestos fenólicos los cuales coayudan en el proceso de clarificación. El sabor amargo característico de la cerveza proviene de dos compuestos clasificados como resinas: las humulonas o ácidos alfa y las lupulonas o ácidos beta.


Las levaduras bajas son aquellas que al final de la fermentación se van al fondo del tanque de fermentación y fueron empleadas por primera vez en Baviera. Estas se utilizan para producir las cervezas llamadas lagers, palabra alemana que significa “guarda o permanencia en bodega”. Además, existen las llamadas weissbier, weizenbier, fabricadas con una mezcla de cebada y centeno malteados, sin lúpulo, que se fermentan con levaduras bajas y las cuales se suelen beber con rajas de limón o zumo de fruta; por último, hay las cervezas nativas africanas, fabricadas con sorgo o mijo malteados. En estas cervezas no se hierven los mostos, ni se aromatiza con lúpulo y se fermentan con cultivos naturales lácticos y con levadura. Con sabor acídico, se sirven o consumen sin clarificar y en pleno proceso fermentativo.


Las levaduras Saccharomyces carlsbergis y S. cerevisiae de cervecería se clasifican de acuerdo con su modo de acción. S. carlsbergis es una levadura de fondo que no suele formar esporas, se adapta bien a la fermentación lenta a bajas temperaturas y es la preferida para elaborar cerveza tipo lager. La levadura de S. cerevisiae produce una fuerte fermentación a temperatura elevada y tiende a flotar en la superficie. Es preferida para la elaboración de cerveza tipo pilsner.


Fabricación de cerveza


Para la fabricación de cerveza tipo lager se utilizan cuatro grandes ingredientes y cuatro grandes procesos. Todos los procesos son clasificados como biotecnológicos. Los ingredientes cerveceros son: cebada malteada, adjuntos cerveceros, lúpulo y levadura. Los cuatro grandes pasos de preparación de cerveza son: malteado, maceración, aromatización y fermentación. La fabricación de cerveza supone básicamente:


* Remojo, germinación y secado de la cebada para obtener malta diastásica. Este proceso demora por lo general de cuatro a cinco días. Las maltas tostadas se utilizan para fabricar cervezas oscuras.


* Trituración de la cebada malteada a través de molinos de rodillos para obtener harina gruesa.


* Mezclado de la malta, adjuntos cerveceros con agua en un tanque de maceración. Aquí se estimula a los enzimas de la malta para que solubilicen al endospermo de la malta molida y a los carbohidratos del o de los adjuntos cerveceros. Este proceso se realiza bajo un perfil gradual y controlado de incremento en temperatura.


* Separación mediante filtración del extracto acuoso, denominado mosto dulce, de los sólidos agotados (bagazo o masilla).


* Hervido del mosto con lúpulo, con lo que se desnaturalizan las enzimas, se esteriliza el mosto y se coagulan algunas proteínas que causan turbidez. El lúpulo imparte al mosto sus características aromáticas propias cambiando su denominación a mosto aromatizado.


* Clarificación, enfriamiento y aereación del mosto aromatizado, de manera que se convierta en un medio ideal para la fermentación y el crecimiento de las levaduras.


* Fermentación del mosto con las levaduras de manera que gran parte de la maltosa, glucosa y maltotriosas (carbohidratos fermentescibles) se conviertan en alcohol y dióxido de carbono. Otros metabolitos de las levaduras contribuyen al aroma y al bouquet característico de la cerveza. La fermentación se realiza a temperaturas inferiores a 15C.


* Maduración, guarda y clarificación de la cerveza. Modificación del aroma y bouquet y manutención de la calidad de la cerveza.


* Envasado, generalmente tras haberla pasterizado por filtración o mediante tratamiento térmico. Alternativamente, se puede envasar en recipientes de pequeño tamaño como botellas o latas y pasterizarla post-envasado.


Desde hace algunas décadas se han venido realizado una infinidad de estudios biotecnológicos relacionados con la mejora en la calidad de la cerveza, y en los cuales se han estudiado desde aspectos como son la selección de la malta como materia prima, mejoras en el proceso de fermentación, mejoras genéticas en cepas de levadura y estabilidad del producto obtenido tanto en almacenamiento como en distribución, entre los cuales en la producción de la cerveza están:


* Selección y conocimiento de los cultivares de cebadas que cumplan con el porcentaje de germinación deseado (85%), pérdida de materia seca (< 7%) y principalmente producción de enzimas diastásicas o degradadoras de almidón. Es sumamente deseable conocer el tiempo exacto de liberación de las fitohormonas (ácido giberélico; ácido absícico) que desencadenan el evento fisiológico de la germinación y, por lo tanto, la formación de los enzimas necesarias (amilasas) para obtener la cantidad necesaria de azúcares fermentescibles.


* Búsqueda de condiciones óptimas en procesos de remojo, germinación y secado que se requieren para el malteo de la cebada.
* Uso de enzimas ajenas a la malta para la producción de cervezas ligeras y más claras. El uso de la amiloglucosidasa y B glucanasas es ampliamente practicado hoy en día. Las B glucanasas son utilizadas con los propósitos de clarificación de cerveza y coadyuvante del importante paso de filtración del mosto (cuello de botella del proceso industrial).


* Combinación de diferentes tipos de lúpulos para impartir diferentes tipos de sabor y color a las cervezas.


* Cepas de levaduras genéticamente modificadas para producción de espuma controlada y sabor especial.


No sólo deben tomarse en cuenta las condiciones de malteo, también se han estudiado aspectos importantes como son parámetros de control de tiempo de cocción, calidad de agua empleada, adjuntos y mejoras en el proceso de filtración.


Investigación biotecnológica del proceso cervecero en el Tec de Monterrey


Estudios realizados en los laboratorios del Tec han demostrado la factibilidad de producir cervezas tipo lager utilizando malta de sorgo y grits cerveceros de sorgo ceroso o regulares. Las cervezas obtenidas tienen propiedades fisicoquímicas y organolépticas similares a las cervezas regulares.
En cuanto a materias primas, se ha estudiado el empleo de otros cereales en la elaboración de cerveza tanto para la producción de malta como en forma de adjuntos cerveceros. Uno de ellos es el sorgo, que ya se emplea en Africa para elaborar las denominadas cervezas nativas o kaffir. El uso potencial en la industria cervecera de este cereal en México es por un lado para obtención de malta y por el otro, como adjunto o sucedáneo cervecero. Entre los recientes trabajos de investigación realizados en el Centro de Biotecnología relacionados sobre este aspecto se puede mencionar:


A. Selección y optimización de los parámetros para la producción de malta de sorgo en lugar de malta de cebada (1).


B. Producción de adjuntos cerveceros y mostos dulces a partir de diferentes tipos de sorgo (2).


C. La relación de sustratos con los principales productos de fermentación como etanol, alcoholes superiores y aminonitrógeno libre fermentando mostos con adjuntos 100% de sorgo en una fermentación tipo lager (3-4).


D. Establecimiento de metodologías analíticas para el estudio de la evolución de productos de oxidación provenientes del lúpulo, mediante análisis por microextracción en fase sólida y espacio libre de cabeza con cromatografía de gases-FID (5).


El primero de ellos se realizó con el objetivo de comparar el poder diastásico de algunos genotipos de sorgos con el de cebadas malteras comerciales. Se concluyó que algunos tipos de sorgos, como el Dorado, tienen aproximadamente el 70% del poder diastásico de la malta de cebada. Las ventajas de utilizar sorgo son: materia prima más barata y de más fácil adquisición, su proceso de malteo se realiza a más altas temperaturas y, por consiguiente, es más rápido. Se tiene que recordar que el sorgo es un cultivo de regiones áridas y ampliamente diseminado en el territorio nacional por lo que en la actualidad ocupa el segundo lugar en producción, solamente superado por el maíz. Las desventajas del sorgo son que pierde más materia seca durante la germinación o malteo, el mosto presenta mayor dificultad para ser filtrado o separado de la masilla debido a que carece de las glumas, no responde a las aplicaciones de giberelinas y solamente algunos genotipos llegan a tener 70% o más del poder diastásico de las maltas comerciales de cebada.


La segunda y tercera investigación contribuyen a la búsqueda de nuevas materias primas y al conocimiento de la evolución de las fermentaciones tipo lager, utilizando un sustrato alternativo que contiene adjuntos 100% de grits de sorgo. Para este caso específico se desarrollaron procesos de decorticación y molienda de sorgos de endospermo regular y ceroso para la obtención de grits cerveceros. La utilización de grits de sorgo ceroso favorece la extracción de los mostos, su calidad en términos de color y filtración indudablemente repercute directamente en el costo. Esto se debe a que todos los adjuntos cerveceros (v.gr. almidón de maíz, cebada, grits de maíz, grits de arroz) utilizados por la industria son más costosos que el de sorgo. El uso potencial del sorgo en la industria cervecera de México, tanto para el malteo como su utilización como adjunto, es importante porque reduciría las importaciones de la cebada y, por otro lado, es más barato incidiendo fuertemente en los costos de producción. Lo anterior es debido a que su cultivo se da fácilmente en cantidad aun en regiones con sequía, como en México.


En estas investigaciones se implementaron metodologías que permiten llevar a cabo el proceso en un biorreactor diseñado con un estricto control y monitoreo de la temperatura, la evolución de los azúcares y la conversión de ellos en etanol, dióxido de carbono, de alcoholes superiores que se producen y que derivan del metabolismo de aminoácidos. El sabor y aroma producidos durante la fermentación dependen principalmente del tipo de cepa, su velocidad de crecimiento y replicación, temperatura de fermentación, composición del mosto, nivel de oxígeno presente, concentración de inoculo y la geometría del fermentador. Se han identificado cerca de 400 diferentes compuestos en la cerveza que obviamente afectan su aroma y sabor. Dentro de los compuestos volátiles están el etanol y los alcoholes superiores, como el isoamílico, amílico, isobutanol, propanol y alcohol fenetílico. También se encuentran aldehídos, ésteres y ácidos orgánicos.


Los últimos trabajos de investigación (4-5) se han enfocado a la estabilidad o vida útil de la cerveza que por cierto está condicionada a numerosos factores, pero principalmente vienen impuestas por la estabilidad del aroma, la tendencia al desarrollo de turbidez y la estabilidad microbiológica. El factor más importante lo constituye el oxígeno disuelto, porque afecta a los tres aspectos debiéndose mantener en valores reducidos (por debajo de 0.3 ppm). Una de las materias primas que contribuyen grandemente al sabor de la cerveza es el lúpulo, el cual contiene alfa ácidos que son susceptibles de oxidación. En este estudio (5) se determinó la naturaleza de los compuestos de oxidación provenientes del lúpulo y si ellos se encuentran presentes en cerveza oxidada. Ello se pudo verificar estableciendo un método sensible por microextracción en fase sólida y cromatografía gaseosa-FID comparado con el análisis de volátiles de espacio de cabeza GC-FID. Lo anterior es de una aplicación inmediata para llevar a cabo un control de los puntos críticos en las materias primas, de proceso, en el envasado y almacenamiento del producto y detectar los orígenes del sabor oxidado de la cerveza.


Referencias Bibliográficas


1. Allende, K. (1995). Determinación de las condiciones óptimas en el proceso de malteado de sorgo. Tesis de Maestría en Ciencias con especialidad en Ingeniería de Alimentos. ITESM-Monterrey, N.L.


2. Osorio Morales, S., Serna Saldívar, S.O., Chávez Contreras, J. Almeida Domínguez, H.D., and Rooney, L.W. (2000). “Production of Brewing Adjuncts and Sweet Worts from Different Types of Sorghums”. Journal of the American Society of Brewing Chemists 58(1):21-25.


3. Barredo Miguel, L.H., Rojas de Gante, C., and Serna Saldívar, S.O. (2000). “Comparisons Between a Commercial and a Waxy Sorghum Wort Fermented into Lager Beer with Emphasis on Yeast Growth and Ethanol Production”. Journal of the American Society of Brewing Chemists (Enviado).


4. Barredo Miguel, L.H., Rojas de Gante, C., and Serna Saldívar, S.O. 2000. “Comparisons Between a Commercial and a Waxy Sorghum Wort Fermented Into Lager Beer with Emphasis on Alpha Amino Nitrogen and Amylic Alcohols Production. Journal of the American Society of Brewing Chemists (Enviado).


5. López Hernández, A. (1999). Análisis Comparativo entre Microextracción en Fase Sólida y Espacio Libre Estático de Productos de Oxidación Provenientes del Lúpulo (Humulus lupulus) en Cerveza Mexicana Tipo Lager. Tesis Maestría en Ciencias especialidad en Biotecnología. ITESM-Monterrey, N.L.

    


Cecilia Rojas de Gante obtuvo el Doctorado en Ciencias con especialidad en Embalaje y Acondicionamiento de Productos Alimentarios de la Universidad de Reims Champagne-Ardenne en 1988. Es profesora-investigadora del Centro de Biotecnología y del Departamento de Tecnología de Alimentos.

Sergio Serna Saldívar es Doctorado en Ciencias y Tecnología de Alimentos por Texas A&M University, Estados Unidos, en 1984 y director del Departamento de Tecnología de Alimentos así como miembro del claustro de la Maestría en Biotecnología.