Fermentatia alcoolica

Fermentatia alcoolica

Fermentatia alcoolica este una dintre cele mai importante fermentatii industriale, deoarece alcoolul se intrebuinteaza in industria alimentara, chimica, farmaceutica, a parfumurilor si a cauciucului.

Materiile prime folosite pentru producerea fermentativa a alcoolului sunt reprezentate de: materii prime amidonoase^* (cartof, porumb, orz, secara, grau etc.), utilizabile dupa conversia hidrolitica a amidonului, in zaharuri simple fermentescibile de catre levuri; materii prime zaharoase (trestie de zahar, sfecla de zahar, sucuri de fructe, melase (deseuri de la fabricarea zaharului) si lesii sulfitice (solutii reziduale de la fierberea lemnului utilizat la fabricarea hartiei, ce contine 1-25% zahar); materii prime celulozice (lemn si stuf), care prin fierbere cu acizi sub presiune, se hidrolizeaza si elibereaza glucide simple, fermentescibile.

Levurile nu produc amilaze sau celulaze. De aceea, inainte de utilizarea lor in fermentatiile industriale, materiile prime amidonoase si celulozice sau hemicelulozice trebuie hidrolizate sau convertite la glucide simple fermentescibile. Hidroliza se realizeaza cu preparate enzimatice de origine vegetala (maltul^** de cereale), cu enzime produse de microorganisme (amilaza din Aspergillus oryzae) sau prin hidroliza acida (cu HCl sau H₂SO₄ diluati). Zaharificarea cu acizi are avantajul ca permite sterilizarea solutiei zaharoase, dar reduce randamentul productiei de alcool si scade valoarea nutritiva a borhotului ramas dupa fermentatie.

^**Maltul este un produs enzimatic preparat de obicei din orz de buna calitate, selectionat pentru capacitatea de germinare de minimum 95% si o mare putere de germinare. in timpul germinarii, in bobul de orz incoltit se produc multe modificari biochimice. Esentiala este formarea unei cantitati mari de enzime sau activarea celor existente. inainte de a fi utilizat pentru hidrolixa materiei amidonoase, maltul, care nu se poate pastra in stare proaspata, este uscat si macinat.

a.      Obtinerea alcoolului etilic din cartofi si cereale

Materia prima amidonoasa este tratata in prealabil, pentru a deveni un mediu favorabil multiplicarii levurilor, adica sa contina zaharuri simple, fermentescibile. In acest scop, ea este supusa unui proces de fierbere sub presiune (o ora la 2,5-3 atmosfere), urmata de decompresarea brusca. Celulele se sparg, iar granulele de amidon se dezagrega, transformandu-se intr-un terci (clei de coca) de amidon. Amidonul este supus in prealabil, unui proces de zaharificare cu malt.

Pentru zaharificare, masa de amidon este tratata timp de 90 de minute, la 60-62^o, cu malt macinat si amestecat cu apa. Amilaza hidrolizeaza amidonul si se formeaza maltoza (25-30% din plamada) si dextrine. Plamada dulce este un mediu adecvat pentru cresterea levurilor (Saccharomyces), care realizeaza fermentatia alcoolica.

Fermentatia alcoolica poate fi spontana - sub actiunea levurilor "salbatice", prezente in sol si contaminante ale materiei prime - sau dirijata, prin introducerea in materialul de fermentat, a unor culturi de levuri selectionate din grupul celor de fermentatie superioara^*.

^*Levurile de profunzime (S. carlsbergensis), in timpul fermentatiei nu se ridica la suprafata si formeaza o spuma cu aspect sticlos. Depozitul format este aderent si se resuspenda greu. Temperatura optima de dezvoltare este de 5-l0^o. Aceste levuri fermenteaza total molecula de rafinoza, deoarece au atat invertaza cat si melibiaza. Sporuleaza greu sau de loc. Sunt mai rare in mediile naturale si se folosesc la obtinerea berii.

Fermentatia alcoolica dureaza 72 de ore si are trei faze succesive: a)faza preliminara - de fermentatie lenta, cu o durata de circa 20 de ore la 28^o, caracterizata prin degajarea slaba a CO₂ si care corespunde perioadei de multiplicare a levurii; b)faza principala de fermentatie, cu o durata de circa l8 ore, in care multiplicarea levurii inceteaza, dar fermentatia are o rata maxima, insotita de o degajare intensa de CO₂ si formarea unui strat de spuma; c)faza de fermentatie complementara, cu degajare lenta de CO₂, care la 28^o dureaza 24-30 de ore.

Produsul rezultat contine alcool, in concentratie de l0-l2% si diferiti produsi secundari (acetaldehida, glicerina, acizi organici volatili si alcooli superiori, care-i confera gust si miros neplacut). Prin distilarea lui se obtine spirtul brut (concentratie in alcool etilic de 75-85%) si borhotul (reziduul dupa distilare). Alcoolul brut contine nu numai alcool etilic, dar si o cantitate mica de glicerol - denumit ulei de fuzel.

Pentru eliminarea acestor impuritati, alcoolul este supus rafinarii sau rectificarii prin distilare fractionata. Uleiul de fuzel care se separa prin distilarea ultimei portiuni din distilatul de rafinare, este format dintr-un amestec de alcooli amilic, izoamilic, propilic si butilic, acizi acetic si butiric, diferiti esteri etc. El este folosit in industria chimica ca materie prima pentru prepararea solventilor necesari in industria lacurilor si in prepararea unor esente alimentare.

Fermentatia alcoolica are numeroase aplicatii practice in industrie, fiind utilizata in productia spirtului si a bauturilor spirtoase, la producerea vinului, a berii, a sucurilor de fructe si in panificatie.

Bauturile alcoolice naturale se prepara prin distilarea produselor rezultate in urma fermentatiei alcoolice a diferitelor fructe (prune, mere, cirese, visine, piersici, dude etc.). Fermentatia este facuta de levurile naturale de pe fructe sau de tulpini selectionate. Produsul rezultat din fermentatie, este concentrat prin distilare si redistilare, pana la un continut de 40-50% alcool. In cursul fermentatiei, pe langa alcool se formeaza si alti alcooli si esteri, in proportii variabile, dupa cantitatea de aminoacizi din materia prima, care dau bauturilor, aroma si "buchetul" caracteristice.

b. Utilizarea levurilor in vinificatie

Vinul este o bautura alcoolica nedistilata, obtinut prin fermentatia mustului de struguri. Mustul de struguri este un produs cu compozitie chimica foarte complexa si variabila: contine l8-25% zahar (glucoza, levuloza, zaharoza, pentoze, pentozani), 0,3-l,5% acizi (tartric, malic, citric, oxalic, gluconic, glucuronic etc.), aminoacizi, taninuri, vitamine, pigmenti, substante minerale etc.

Fermentatia mustului, obtinut prin spargerea strugurilor recoltati la maturitate, se face in recipiente speciale deschise. Levurile folosite in fermentatia mustului sunt de doua feluri: a)levuri salbatice, prezente in mod natural pe tegumentul boabelor de struguri (S. ellipsoideus); b)levuri cultivate si selectionate, care se adauga la mustul de struguri pentru a incepe fermentatia.

O diferenta majora intre levura salbatica si cea cultivata este toleranta la alcool. Majoritatea levurilor salbatice pot tolera numai o concentratie de 4% alcool, dupa care activitatea lor fermentativa inceteaza. Levurile selectionate pot tolera pana la l2-l4% alcool.

De multe ori este posibila obtinerea unui vin de calitate, prin fermentatia produsa de levurile salbatice existente pe bobul de strugure. De cele mai multe ori, levurile salbatice, pe langa continutul alcoolic scazut, nu confera nici aroma produsului final. De aceea, prezenta levurilor salbatice in procesul fermentativ nu este de dorit. Ele se indeparteaza prin adaugarea SO₂ (l00 ppm) la mustul de strugure. Mustul se insamanteaza cu "starteri" de fermentatie, reprezentati de o cultura pura, crescuta pe suc de strugure sterilizat sau pasteurizat.

Fermentatia parcurge trei faze succesive: a)faza de multiplicare a levurii, in cursul careia au loc cresterea si multiplicarea pe seama O₂ dizolvat in must; b)etapa fermentatiei zgomotoase incepe dupa ce O₂ a fost consumat in faza multiplicarii si s-au creat astfel conditii de anaerobioza. Se degaja caldura, care poate sa urce temperatura, peste nivelul optim fiziologic al levurii. De aceea, temperatura trebuie controlata si tinuta sub 29^o. Cele mai fine vinuri se obtin printr-o fermentatie la 21-24^o; c)faza de fermentatie finala, de mica intensitate.

Fermentorul trebuie construit astfel incat sa permita degajarea cantitatii mari de CO₂, dar sa impiedice patrunderea aerului.

In cursul fermentatiei, concentratia zaharului scade, dar creste concentratia de alcool. Se formeaza o serie de produsi secundari de fermentatie: glicerina, acetaldehida, acizi (lactic, acetic, succinic, citric), alcooli superiori (izoamilic, izobutilic etc.) si diferiti esteri. Vinul astfel obtinut, poate fi "sec", cand toata cantitatea de zahar din must a fost fermentata, sau "dulce", atunci cand fermentatia nu este dusa pana la capat. Vinul contine o parte din zaharul initial, sau zaharul adaugat suplimentar, care se simte la gust.

Dupa incheierea procesului de fermentatie, vinul se separa de sedimentul format din celulele levurii si din substante organice precipitate. Vinul se depoziteaza pentru maturare, dobandirea aromei si clarificare. Clarificarea (limpezirea) poate fi grabita prin adaugarea taninurilor, bentonitei sau se filtreaza prin pamant de diatomee, azbest sau membrane filtrante.

In procesul maturarii, au loc oxidari, reduceri, esterificari, pe durata catorva luni, pana la doi ani. In acest timp, celulele de levura se lizeaza, ceea ce stimuleaza dezvoltarea lactobacililor. Acestia atenueaza asprimea, prin diminuarea aciditatii, ca urmare a transformarii acidului malic in acid lactic si fac sa dispara gustul de levura. In aceasta faza, "buchetul" se amelioreaza prin esterificarea alcoolilor superiori si a unei parti din alcoolul etilic, cu diferiti acizi existenti, iar culoarea vinului se modifica.

c. Utilizarea levurilor in industria berii

Berea este o bautura alcoolica nedistilata, obtinuta prin fermentarea mustului de malt de orz, cu un continut redus de alcool, dextrina, maltoza, peptone si aminoacizi, care ii confera si o valoare nutritiva.

Denumirea provine de la cuvantul latinesc baere, care inseamna orz. Producerea berii cuprinde trei etape principale: a)prepararea maltului; b)producerea mustului; c)fermentatia.

Materia prima - bobul de orz - contine polizaharide care devin accesibile echipamentului enzimatic al levurii, numai dupa o degradare prealabila la molecule mici. De aceea, prepararea maltului sau maltajul, are ca scop activarea enzimelor din bobul de orz, care produc hidroliza amidonului (etapa de zaharificare). In acest scop, boabele de orz sunt mai intai inmuiate de apa timp de doua zile si apoi puse la germinat la temperatura de l0-l5^o, fie in strat subtire pe o suprafata neteda, fie in dispozitive speciale care asigura aerarea si intoarcerea lor periodica, pentru a preveni alterarea. In acest timp, boabele germineaza, proces insotit de acumularea enzimelor amilolitice si proteolitice si de o dezagregare partiala a celulelor, care face bobul friabil si usor de broiat. Produsul obtinut dupa 6-9 zile (maltul verde) se usuca la cald. Embrionul plantei este omorat, dar enzimele raman active. Uscarea maltului se face l0 ore la 85^o pentru berea blonda, sau 36 de ore la 90-l00^o (maltul "brun" caramelizat), in care o parte din enzime au fost inactivate. Radacinile plantulei sunt indepartate, deoarece confera gust neplacut, iar boabele sunt sfaramate prin macinare. Rezulta maltul uscat.

Prepararea mustului sau brasajul are ca scop obtinerea plamezii zaharificate, care serveste ca mediu de cultivare pentru levura fermentativa. Apa calda extrage din malt, diferite molecule solubile: glucide, coloranti, tanin, iar enzimele hidrolitice degradeaza macromoleculele si rezulta glucide simple, peptide, aminoacizi care trec in solutie. Cand zaharificarea este completa, produsul se filtreaza pentru indepartarea borhotului, iar mediului steril i se adauga 200-300 g/hl hamei (Humulus lupulus). Hameiul aduce in mustul de malt, lupulina, un complex de substante secretate la baza bracteelor inflorescentei femele sau a conurilor, care dau berei gustul amar caracteristic, aroma speciala si o usoara putere antiseptica. Dupa fierbere timp de 2,5 ore, care asigura sterilizarea si clarificarea lichidului, mustul racit brusc, este gata pentru fermentatie.

Fermentatia incepe dupa insmantarea mustului de malt cu o tulpina de S. cerevisiae sau S. carlsbergensis. Prima este de fermentatie superioara, iar cea de a II-a, de fermentatie inferioara. Pentru producerea berii tari (in Marea Britanie) se foloseste levura de fermentatie superioara. Cele de fermentatie inferioara se folosesc pentru obtinerea berii cu concentratie mica de alcool.

Faza principala a fermentatiei are loc in bazine deschise, in prezenta aerului, la temperatura de 6-l2^o si dureaza 6-l0 zile. Faza secundara a fermentatiei se realizeaza in atmosfera de CO₂, la temperatura de 1-3^o, dupa decantarea lichidului in vase. Masa celulara care ramane dupa decantare, este folosita pentru insamantarea unui alt lot de must, pentru extragerea de vitamine sau pentru prepararea autolizatului de levura (utilizabil la prepararea unor medii nutritive). Supernatantul care va fermenta lent, timp de 2-6 luni in tancuri de fermentatie are putine celule de levura. In aceasta ultima faza, producerea de alcool este foarte slaba, dar lichidul de fermentatie se satureaza cu CO₂ care ramane dizolvat in cantitate mare, isi amelioreaza calitatile de gust si aroma si se limpezeste prin sedimentarea resturilor de levura, a substantelor insolubile, a rasinilor etc. Inainte de comercializare, berea este limpezita prin filtrare, la nevoie este imbogatita artificial cu CO₂ si, in unele fabrici, chiar pasteurizata.

d. Utilizarea levurilor in panificatie

Producerea levurii de panificatie. In tehnologia panificatiei, dospirea aluatului inainte de coacere este o etapa esentiala. In acest scop, mult timp s-a folosit levura de la fabricile de bere. Astazi, levura de brutarie este produsa dupa o metodologie proprie. Levura se cultiva in fermentoare de mare capacitate, aerate, pe mediul reprezentat de melasa de la fabricile de zahar. Melasa contine zaharoza, aminoacizi, vitamine, substante minerale. Se adauga acid fosforic ca sursa de P si sulfat de amoniu ca sursa de N si S.

Producerea biomasei de levura pentru panificatie este un proces aerob. Mentinerea conditiilor de aerare este esentiala. Cresterea masei celulare a levurii are loc numai in conditiile unui metabolism aerob. In anaerobioza, cresterea ei inceteaza si incepe fermentatia alcoolica. In scopul asigurarii desfasurarii metabolismului aerob, cantitatea de melasa se adauga treptat, dupa o rata exponentiala, corespunzatoare ratei de crestere a levurii.

La sfarsitul perioadei de crestere, celulele de levura se separa de bulionul de crestere, prin centrifugare. Depozitul celular se spala cu apa si se recentrifugheaza. Rezulta un depozit celular de culoare deschisa, care se prelucreaza prin presare in cuburi sau ca pulbere uscata.

Levura compresata se obtine prin amestecul levurii centrifugate, cu agenti de emulsificare, amidon si alti aditivi, care confera produsului o consistenta adecvata. Un cub de levura contine circa 70% apa si circa 2 x l0^lo celule/gram. Levura presata poate fi conservata prin congelare, deoarece isi pastreaza viabilitatea.

Levura prelucrata prin uscare, pastreaza o proportie mai mica de celule viabile, comparativ cu levura presata. Dupa spalare, levura se amesteca cu aditivi si se usuca in vid la 25-45^o, timp de 6 ore, pana cand umiditatea diminua la 8%. Se pastreaza in containere inchise ermetic, chiar in atmosfera de azot.

Fermentatia alcoolica produsa de levuri este esentiala pentru tehnologia panificatiei. Prin actiunea enzimelor, ele fermenteaza zaharul din faina, cu formare de alcool si degajarea CO₂. Aluatul devine astfel bine afanat, este "crescut" (are volum mai mare). Painea "crescuta" are miezul elastic, cu pori desi si uniformi. Are gust si aroma placute, datorita produsilor secundari rezultati din fermentatie.

Inaintea fermentatiei alcoolice produsa de levuri, in aluat incepe o fermentatie lactica sub actiunea bacteriilor lactice. Acidul lactic nu are rol direct in panificatie, dar este foarte important, deoarece creeaza conditii de pH favorabile dezvoltarii levurilor si totodata impiedica multiplicarea microorganismelor daunatoare, care ar putea altera gustul si aroma painii si ar putea intra in competitie cu levurile. In acelasi timp, fermentatia lactica influenteaza gustul painii si provoaca umflarea glutenului sub actiunea CO₂ degajat, care astfel este retinut in porii aluatului.

Activitatea micoorganismelor intervine in diferite faze ale procesului de panificatie:

a) prima faza este prepararea aluatului - o pasta subtire obtinuta din amestecul unei cantitati mici de faina, apa si levura. Aluatul se lasa in repaus catva timp, pentru multiplicarea levurilor si a bacteriilor lactice, dupa care i se adauga restul de faina si apa si se framanta. In cursul acestei faze, principalele proteine din faina, gliadina si glutenina formeaza cu apa, o masa legata, elastica numita gluten. Framantarea asigura omogenizarea si aerarea aluatului, fapt ce favorizeaza cresterea levurilor;

b) faza a II-a este dospirea aluatului (un proces fermentativ) si are loc la temperatura de circa 30^o. Enzimele amilolitice din faina, hidrolizeaza o parte din amidon, pana la maltoza. Sub actiunea maltazei, maltoza este hidrolizata la glucoza. Glucoza este fermentata la alcool etilic si CO₂. In acest timp continua si fermentatia lactica, cu formare de CO₂. Sub actiunea CO₂, glutenul elastic se umfla si astfel painea creste si devine poroasa;

c) in faza initiala a coacerii, procesele metabolice ale bacteriilor lactice si ale levurilor continua. Pana la 45-50^o, levurile au activitate intensa, prin care realizeaza un proces fermentativ, insotit de cresterea aluatului. Peste 50^o, levurile mor, dar actiunea enzimelor amilolitice continua pana la 80^o, cu formare de CO₂, ceea ce mareste porozitatea painii.

In cursul acestor procese, in paine se formeaza produsi chimici noi, ca diacetilul, care ii confera aroma placuta.

Levurile metabolizeaza glucidele simple (glucoza, fructoza, melibioza si maltoza) prezente in faina, in timp ce enzimele diastatice din faina actioneaza asupra amidonului, marind cantitatea de zahar fermentescibil. Cea mai mare parte a alcoolului format se elimina in timpul coacerii painii, iar CO₂ este aproape in intregime retinut, datorita proprietatilor de structura fizico-chimica a aluatului.