Perfiles de etanol y alcoholes superiores

A partir de 5 horas de fermentación se empezó a detectar la formación de etanol (Figura 5.4.6). No se observó diferencia significativa en el perfil de generación de este alcohol entre los tratamientos por la estandarización realizada de los mostos en cantidad de azúcar y de compuestos nitrogenados.

El perfil de generación de etanol en esta investigación siguió un comportamiento semejante a lo reportado en otros trabajos con maíz y sorgo, tales como el de Murthy et al. (2006), Wang et al. (2007) y Wu et al. (2006).

La concentración más alta de etanol se alcanzó prácticamente desde la hora 30 (Figura 5.4.6), en la cual se alcanzó también el mínimo en la cantidad de glucosa presente en el mosto (Figura 5.4.2).

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 10 20 30 40 50 60 70 80

Tiempo de fermentación (horas)

E tan ol ( m L /L

Sorgo Rolado al Vapor Sorgo Entero Maíz Rolado al Vapor Maíz Entero

Figura 5.4.6 Perfil de generación de etanol (mL/L) durante la fermentación con Saccharomyces

cerevisiae.

Además de la determinación de etanol en las muestras, se llevó a cabo la determinación de alcoholes de fusel o superiores.

De acuerdo a Boulton y Quain (2001) se ha encontrado que pueden existir hasta 40 alcoholes superiores en los mostos derivados de cereales, sin embargo, este término se usa generalmente para designar de forma colectiva al n-propanol (1- propanol), isobutanol (2-metil-1-propanol), al alcohol amílico (2-metil-1-butanol) e isoamílico (3-metil-1- butanol) (Cronk et al., 1979).

Varios son los factores que afectan la formación de alcoholes de fusel, entre las que destacan: la cantidad de oxígeno y la temperatura de fermentación, el tipo de levadura, la composición del mosto (contenido y fuente de nitrógeno y azúcares) (Barredo, 1999; Boulton y Quaid, 2001; Ingledew, 1995).

Los mecanismos de formación de alcoholes superiores están muy relacionados con las vías metabólicas de los aminoácidos y por ello con el desempeño de la levadura durante la fermentación.

Los aminoácidos del mosto, a través de reacciones de transaminación son asimilados en la célula y almacenados en un grupo de α ceto ácidos que luego sirven de base para la generación nuevamente de aminoácidos, de aldehídos y de alcoholes superiores, estos últimos relacionados con características sensoriales de las bebidas alcohólicas (Ingledew, 1995).

Como se puede observar en la Figura 5.4.7 los alcoholes amílicos son los que se generaron en mayores cantidades, seguidos del isobutanol y propanol. Los alcoholes amílicos están relacionados con la cantidad de leucina e isoleucina presente en el mosto, mientras que el isobutanol y el propanol se pueden relacionar con el contenido de valina y ácido α aminobutírico.

La concentración máxima de estos alcoholes se alcanzó entre la hora 20 y 30 de fermentación, comportamiento muy semejante al observado en la generación de etanol (Figura 5.4.6) y consistente con el consumo del principal sustrato (Figura 5.4.2).

Al completarse 72 horas de fermentación el contenido total de alcoholes de fusel fue de: 513 mg/L para el maíz entero, 354 mg/L para el maíz rolado al vapor; 420 mg/L para sorgo entero y 384 mg/L para sorgo rolado al vapor.

En los resultados también se puede observar que la cantidad final de alcoholes amílicos en los mostos de los cereales enteros estuvo por encima de los cereales rolados al vapor, esto a pesar de que la cantidad de alfa amino nitrógeno inicial fue semejante en los cuatro tratamientos. Quizás existía en los mostos de sorgo y maíz rolados al vapor más compuestos nitrogenados disponibles, pero no detectados con la prueba de ninhidrina.

Estas cantidades están por encima de los 100 a 240 mg/L reportado en mostos cerveceros (Barredo 1999; Boulton y Quaid, 2001; Ingledew, 1995) y pueden estar relacionadas, como se comentó en párrafos anteriores, principalmente a la composición del mosto y/o con la temperatura de proceso, así como con el microorganismo usado para fermentar.

Barredo (1999) menciona que la concentración de alcoholes de fusel se incrementa cuando se aumenta la temperatura de fermentación. Por lo tanto, el contenido de alcoholes amílicos en cerveza (procesada a temperaturas por debajo de los 20°C) se esperaría que fuera menor al alcanzado en procesos a 30°C (tal como el llevado a cabo en esta investigación).

En el trabajo de Cronk et al. (1979) se puede observar el efecto de la temperatura en la producción de alcoholes superiores o de fusel. En esta investigación se elaboró una bebida de arroz fermentada con Amylomyces rouxii y otros organismos (de los géneros: Candida, Hansenula y Endomycopsis), a temperaturas de 25, 30 y 35°C. En este trabajo se obtuvieron concentraciones de alcoholes de fusel que iban desde 170 hasta 558 mg/L. Las concentraciones más altas se obtuvieron a temperaturas de fermentación de 30 y 35°C en periodos de menos de 48 horas de fermentación.

En el caso de la composición del mosto, algunos autores, tales como Boulton y Quaid (2001), así como Ingledew (1995), indican que cuando existe un exceso de alfa amino nitrógeno se producen altas cantidades de alcoholes de fusel, sin

embargo, este efecto también puede ser observado en mostos con FAN muy bajo (Szlavko, 1974), ya que al existir bajas cantidades de nitrógeno se promueve la síntesis de aminoácidos y con ello se estimula la ruta anabólica de los alcoholes superiores.

Este último caso resulta muy importante sobre todo en el proceso de producción de bioetanol, ya que una reducción en el contenido de nitrógeno disponible en el mosto reduce el crecimiento celular e incrementa la formación de alcoholes de fusel.

De acuerdo a Ingledew (1995), en mostos de gravedad específica normal (12°Brix) se requieren niveles de FAN de al menos 140 mg/L para que se lleve a cabo una fermentación adecuada. Este mismo autor menciona que a concentraciones de hasta 500 mg/L (o más) se incrementa el crecimiento celular y la tasa de fermentación, aparentemente sin afectar la cantidad final de etanol.

La tasa de crecimiento celular de la levadura es muy importante ya que en condiciones anaerobias está directamente relacionada a la generación de etanol (Ingledew, 1995). Se ha encontrado que una levadura en crecimiento puede generar etanol y CO2 a tasas 33 veces más elevadas que una levadura en reposo (Kirsop, 1982).

Por lo tanto, niveles bajos de FAN al inicio de la fermentación, supondrían una producción elevada de alcoholes de fusel al final del proceso y una menor tasa de

generación de etanol. Esto último observado como consumo lento de sustrato (sobre todo al final de la fermentación).

En relación a la cepa fermentativa, se sabe que los niveles de alcoholes de fusel obtenidos con Saccharomyces cerevisiae son mayores que con otras cepas como

Saccharomyces carlsbergensis (Ingledew, 1995).

Figura 5.4.7 Perfil de generación de alcoholes de fusel (propanol, isobutanol y alcoholes amílicos) en partes por millón durante la fermentación para los diferentes tratamientos: a) maíz entero; b)

maíz rolado al vapor; c) sorgo entero, y d) sorgo rolado al vapor.

De acuerdo a los resultados obtenidos en esta investigación, se puede observar que tanto la concentración inicial de FAN, así como la cepa usada y la temperatura de fermentación pudieron haber generado concentraciones de alcoholes de fusel

a) Maíz Entero 0 50 100 150 200 250 300 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Tiempo (hrs) pp m Propanol Isobutanol Alc. amílicos

b) Maíz rolado al vapor

0 50 100 150 200 250 300 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Tiempo (hrs) pp m

d) Sorgo rolado al vapor

0 50 100 150 200 250 300 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Tiempo (hrs) pp m c) Sorgo entero 0 50 100 150 200 250 300 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Tiempo (hrs) pp m

mayores a la esperada en un mosto obtenido a partir de cereales (Barredo, 1999). Esto a su vez también pudo afectar tasa de fermentación, aunque como se verá en los siguientes apartados, no afectó de forma significativa la eficiencia de fermentación.

Por lo tanto, el contenido de compuestos nitrogenados en el mosto, la tasa de crecimiento de la levadura, así como la generación de alcoholes amílicos y etanol están íntimamente relacionados. El conocimiento de estas variables resulta sumamente importante para optimizar la producción de etanol sobre todo en fermentaciones con porcentajes altos de azúcares.