El hombre ha tenido una asociación con el alcohol a lo largo de su evolución. Incluso antes de que el hombre caminara por la tierra, los animales se estaban adaptando para aprovechar el alcohol producido naturalmente.
Se cree que la levadura, Saccharomyces sp, probablemente evolucionó hace unos 250 millones de años en China junto con el desorrollo de la floración de las plantas, que crecen en la corteza, la fruta y la savia de la planta (1).
Incluso en la naturaleza, en una atmósfera de aire (oxígeno), la levadura produce etanol. Se cree que esto le otorga una ventaja competitiva al inhibir el crecimiento de otros microorganismos, que no son tolerantes al alcohol (2).
La capacidad de las levaduras para producir alcohol ha sido explotada por algunas plantas que la utilizan para producir olores que atraen a los polinizadores. El mejor caso documentado es de la musaraña arborícola de cola plumosa, que es atraído por la savia fermentada de las palmeras para ayudar a la polinización. La musaraña bebe grandes cantidades de alcohol, pero esto no parece afectar su movilidad. El alcohol es una fuente rica de energía y hay muchos otros ejemplos de animales que consumen alcohol con consecuencias psicotrópicas limitadas.
Hace unos 10 millones de años hubo un cambio en la base de la enzima ADH4 (alcohol deshidrogenasa, esencial para el metabolismo del alcohol) en los antepasados de los Grandes Simios, lo que les da un aumento de 50 veces en la tasa de metabolismo del alcohol. Esto representó un gran cambio en la capacidad de consumo de alcohol y fue heredado por todas las especies subsiguientes de homínidos. (4) Esto resultó en un aumento en la cantidad de alcohol consumido, que al principio provenía de la fruta o savia de fermentación natural, y luego del Homo Sapiens. Desarrolla la capacidad de fermentar frutas y cereales.
La levadura fermentadora, Saccharomyces cerevisiae crece felizmente en los azúcares simples disponibles en la fruta y la savia, pero a medida que se alejaba del ecuador hacia el hemisferio norte, la fruta se hacía más limitada y generalmente solo estaba disponible en el otoño cuando madura, lo que lleva a que la levadura se vuelva más especializada y adecuada a su fuente de alimento. El crecimiento de la levadura tiende a florecer localmente adyacente a su fuente de azúcar y no se dispersa fácilmente. La mayor distribución de la levadura ocurre en las entrañas de los insectos, particularmente las avispas.
El crecimiento de la levadura es más prolífico durante el clima más cálido del verano y el otoño, que coincide con la alta disponibilidad de fruta que es conveniente para las fermentaciones de vino y sidra. La levadura también ha tenido que evolucionar y adaptarse para metabolizar los azúcares más complejos que se encuentran en el mosto de la cerveza.
Tradicionalmente, la elaboración de cerveza, el uso de cereales, se limitaba a los meses de invierno después de la cosecha y se producía cuando la temperatura era más baja. Los materiales de elaboración de la cerveza, como cereales y lúpulos, no son el entorno ideal para soportar el crecimiento de la levadura y el proceso de malteado que usa temperaturas más altas para el horneado eliminará las células de la levadura en la superficie del grano. Si la elaboración de cerveza se basó en la distribución de levadura en los estómagos de los insectos, el invierno es la estación en la que la actividad de los insectos es más baja.
El proceso de elaboración consiste en una etapa de ebullición que esteriliza el mosto, por lo que parece probable que gran parte de la inoculación de la levadura provenga de equipos como ollas y barriles de barro (que no fueron estériles), o de la adición de otros materiales como Fruto o miel, después del mosto hirviendo, que llevan un inóculo de levadura. También desalentaría activamente a los cerveceros a que limpien sus instalaciones y equipos para garantizar que la levadura que queda atrás esté disponible para inocular la próxima infusión.
La levadura no se puede ver a simple vista, y fue solo la invención del microscopio por Antonie van Leeuwenhoek (1632 - 1723) quien primero observó y dibujó células de levadura en una fermentación. En esta etapa no los reconoció como organismos vivos ni asoció su presencia con la fermentación. La levadura fue la ayuda invisible esencial para la producción de alcohol en la elaboración de cerveza.
En la década de 1830, tres observadores llegaron casi simultáneamente al secreto de la fermentación y declararon que la levadura era un organismo vivo, Charles Cagniard-Latour (1777 -1859), Theodor Schwann (1810-1882) y Friedrich Traugott Kutzing (1807-1893). Sin embargo, a esta opinión se opusieron dos eminentes químicos alemanes, Friedrich Wohler (1800 - 1882) y Justus von Liebig (1803 - 1873) que se negaron a aceptar esta teoría y produjeron una descripción "falsa" de la levadura para ridiculizar la teoría de una base biológica de fermentación. Aunque la Figura 1 es una imagen mucho más entretenida de la célula de levadura que la Figura 2, la estructura real, lamentablemente no es cierta (5).
A pesar de la influencia de los químicos alemanes, muchas personas continuaron creyendo las bases biológicas de la fermentación; en 1857, Louis Pasteur realizó un elegante experimento para demostrar finalmente que la levadura era fundamental para el proceso de fermentación.
El experimento de Louis Pasteur.
Louis Pasteur hervió dos matraces de mosto. Uno permaneció sellado donde no había crecimiento, mientras que el cuello del otro se rompió, lo que permitió el deterioro y, por lo tanto, mostró deterioro y la fermentación fue el resultado de la actividad de los microorganismos.
Este experimento ilustra el hecho de que el deterioro fue causado por partículas en el aire en lugar de la descomposición química del sustrato y constituye una base importante para respaldar la teoría de los gérmenes de la enfermedad.
Afortunadamente, los argumentos científicos no influyeron en los Cerveceros y Cerveceros de la época, quienes encontraron empíricamente que recolectar la espuma (levadura) en una fermentación final y agregarla a una nueva fermentación mejoró en gran medida la nueva fermentación, en un proceso llamado "back slopping". , un método de inaculación que aún practicamos hoy. Para ellos, la fermentación era "mágica" y describían los componentes de la espuma como "Dios es bueno", porque daba mucho placer a lo que de otra manera seria una vida muy austera.
Salvar la levadura de una cerveza a otra comenzó el proceso de selección o "domesticación" de la levadura, ya que se adapta a las condiciones de la fermentación y conduce a una diferencia entre las cepas de elaboración de cerveza y las cepas silvestres originales. Además, dado que en los últimos años, la elaboración de cerveza se practicó durante todo el año, a diferencia de la producción de vino y sidra que siguió a la cosecha, hizo más fácil mantener con vida las cepas de levadura elegidas. La levadura había evolucionado naturalmente para fermentar azúcares de frutas simples como la glucosa, fructosa y sacarosa (una combinación de moléculas de glucosa y fructosa), no puede fermentar el almidón, que se debe descomponer en azúcares simples antes de ser fermentado. Los azúcares derivados de la descomposición del almidón, la maltosa y la maltotriosa, normalmente no se encuentran en la naturaleza y, por lo tanto, la levadura tuvo que desarrollar la capacidad de utilizar estos azúcares, parte de su domesticación. La levadura no puede fermentar azúcares más complejos (más de 3 unidades de glucosa) que forman las maltodextrinas o residuos no fermentables en la cerveza.
Esto todavía dejó el considerable problema de acceder y liberar la energía almacenada como almidón en el grano de cereal. Cuando se producía cerveza (una bebida alcohólica producida a partir de cereales), había que encontrar una forma de descomponer el almidón y convertirlo en azúcares simples para que estuviera disponible para el crecimiento de la levadura.
Se han desarrollado varios métodos para descomponer el almidón en azúcar, incluido el uso de enzimas salivares, la fitasa, para descomponer el almidón en el cereal hervido, o el uso de diferentes especies de hongos, como Aspergillus oryzae y Amylomyces rouxii, que también contienen enzimas que pueden romper el almidon, Ambos métodos pasan por alto los procedimientos tradicionales de la sala de cocción, que requieren malteado y macerado para liberar y romper los gránulos de almidón en el cereal.
Cualquiera que sea el método seleccionado, la elaboración de la cerveza no sucedió por accidente.
En cuanto a las prácticas actuales, los cereales, en particular la cebada y el trigo, deben procesarse para descomponer el almidón antes de la fermentación.
La primera etapa es el malteado, un proceso de crecimiento del grano en condiciones controladas para descomponer la estructura de las células del endospermo. La descomposición de la estructura de la pared celular se puede ver fácilmente en micrografías electrónicas del endospermo de cebada y malta. Las Figuras 3 y 4 se muestran a continuación.
Micrografías electrónicas que muestran la estructura de la cebada (izquierda) y la malta después de que las paredes celulares se rompieron (derecha)
Durante el proceso de malteado, se producen las enzimas naturales (alfa y beta amilasa), que actuarán en el macerador para romper los gránulos de almidón accesibles de la malta en azúcares fermentables. Sin embargo, antes de que las enzimas puedan funcionar, los gránulos de almidón deben hacerse accesibles y son "gelatinizados", lo que requiere una temperatura superior a 60 ° C en la malta de cebada.
La malta que contiene almidón con enzimas desarrolladas se entrega a la fábrica de cerveza y durante el proceso de conversión de la mezcla, el almidón se hidrata (gelatiniza), lo que permite que las enzimas que degradan el almidón rompan los almidones en azúcar simple. Para realizar esta reacción (descomposición del almidón en azúcar) en un tiempo aceptable (de una hora y media ), el sustrato (almidón) debe ser fácilmente accesible al ataque de la enzima. Los gránulos de almidón de diferentes cereales tienen diferentes temperaturas de gelatinización.
Figura 5 que muestra las etapas de la descomposición del almidón durante el machacado (Dibujo modificado de Kunze, 2007)
Se puede ver que el almidón está contenido como gránulos de almidón en la malta molida antes de ser triturado (mezclado con agua). Una vez que los gránulos de almidón se hidratan y se gelatinizan a más de 60° C, se hinchan y desenrollan, haciéndolos fácilmente accesibles a las enzimas degradantes de la malta (amilasas).
Hay dos enzimas principales que degradan el almidón.
1. Alfa amilasa, que es una enzima licuadora que rompe las cadenas de almidón en el medio, lo que lleva a una rápida caída de la viscosidad, pero aún deja cadenas de azúcares razonablemente largas.
2. Beta amilasa, que es una enzima sacarificante que actúa como un "pacman" que ataca el almidón desde el extremo no reductor y divide los azúcares en pares de unidades de maltosa fermentables.
Las dos enzimas que hidrolizan el almidón actúan en tándem, se complementan entre sí, y en condiciones normales de maceración reducirán rápidamente las moléculas de almidón a azúcares. Algunas moléculas de almidón son ramificadas (amilopectina) y estas ramas no se pueden descomponer por amilasa y dan como resultado azúcares complejos residuales que quedan en el mosto que no pueden ser fermentados por la levadura y contribuyen a la gravedad final y la sensación en la boca de la cerveza.
En el campo, los callos de cebada germinan y crecen a temperatura ambiente (alrededor de 8 - 15 C) utilizando la energía (almidón) almacenada en el endospermo para crecer. La cebada produce las enzimas naturales necesarias para desagregar el endospermo y para descomponer los gránulos de almidón durante varias semanas. La elaboración de la cerveza utiliza los mismos procesos bioquímicos para liberar los azúcares del almidón, pero completa este proceso en aproximadamente una hora a temperaturas mucho más altas.
El almidón de la cebada malteada tiene una temperatura de gelatinización entre 60 y 62 °C, por lo que la temperatura del macerado generalmente es superior a 62 ° C, mientras que la de otros cereales como el arroz y el maíz se gelatenan a temperaturas entre 76 y 85 ° C.
El otro requisito en el macerado es tener las enzimas de la malta disponibles para descomponer el almidón en azúcares simples, típicamente alfa y beta amilasa, que tienen una temperatura de operación máxima de menos de 70 a 72C.
Como resultado, el macerado moderno se produce en una ventana de temperatura entre 62 y 70 ° C llamada "Ventana de elaboración", una vez que el sustrato, el almidón, se ha vuelto accesible para las enzimas, pero está por debajo de la temperatura de desactivación de las enzimas, que generalmente está arriba. 72 C.
Figura 6 La ventana de temperatura de maceración muestra que no se produce una rápida descomposición del almidón hasta que se gelatiniza por encima de 60 - 62C, pero debe ocurrir por debajo de la temperatura de desactivación de las enzimas que degradan el almidón a 68 - 70C
El resto del proceso de elaboración de la cerveza depende principalmente de las actividades físicas de la separación de líquidos y sólidos, eliminando los sólidos no deseados de la malta gastada (granos gastados), el material vegetativo de los lúpulos, la levadura al finalizar la fermentación y los sólidos suspendidos, particularmente las proteínas precipitadas. El otro proceso físico principal consiste en calentar y enfriar el mosto, como se muestra en la Figura 7 a continuación.
Perfil de los cambios de temperatura a lo largo del proceso de elaboración.
Figura 7 Un perfil de temperatura típico para una cervecería provisto por Paul Kidger7
Resumen
La elaboración de la cerveza es un proceso complejo que requiere varios cambios bioquímicos.
1. Desglose de la estructura del maíz de cebada (endospermo) para hacer accesibles los gránulos de almidón, logrados durante el malteado.
2. Producir las enzimas hidrolizantes necesarias para modificar la estructura del grano y descomponer las proteínas y el almidón.
3. Las enzimas actúan hidrolizando el almidón gelatinizado en el puré para producir azúcares simples.
4. La levadura metaboliza los azúcares simples en alcohol, dióxido de carbono y energía en condiciones anaeróbicas.
Estas complejas reacciones bioquímicas requieren un conjunto de pasos esenciales y es muy poco probable que hayan ocurrido por accidente. Necesitaban una organización inteligente y cuidadosa por parte de nuestros ancestros humanos que disfrutaban de las recompensas de la cerveza.
Reconocimiento:
Me gustaría agradecer al Dr. David Rider de Miller Brewing y al Dr. Ray Anderson Brewing Historyian, al Profesor Matthew Carrigan, al Sante Fe College, con la genética evolutiva del alcohol y al Sr. Paul Kidger por el perfil de temperatura del proceso de elaboración de la cerveza.
Referencia / Lectura Adicional
Shou-Fu Duan et al “The origin and adaptive evolution of domesticated populations of yeast from Far East Asia” pub Nature Communication 2018
Nicholas P Money “The Rise of Yeast” pub Oxford University Press 2018
James & Linda Barnett “Yeast Research” pub AMS Press 2011
Matthew A Carrigan “Why do we drink alcohol” presented at British Academy London 2018
R. G. Anderson “Yeast and the Victorian Brewers” J Inst Brew Vol 95 1989
Anonymous (thought to be Wohler) “The demystified secret of alcoholic fermentation” published in an article defending yeast as responsible for fermentation by Turpin (1838) in Annalen der Pharmacie
Tim O’Rourke “Enzymes in Brewing” Brewer and Distiller International 2015
Paul Kidger Personal Communication from IBD lecture notes 2010.
NOTA
Este artículo es una introducción a una serie planificada de artículos de elaboración de cerveza bajo el título general " Back to Basics 2" que cubre todo el proceso de elaboración de cerveza, desde la cebada hasta la cerveza brillante. Se basa en mi serie anterior de Back to Basics publicada en Brewers Guardian entre 1998 y 2000, pero ha sido totalmente reescrita y actualizada.
Está dirigido a cualquier persona interesada en Practical Brewing and Brewing Science, pero tiene un enfoque particular para los estudiantes que se preparan para rendir exámenes. Por esta razón, se han utilizado dibujos lineales simples de muchos de los materiales de elaboración de cerveza y el equipo de elaboración de cerveza, en lugar de gráficos de alta calidad, que facilitan la reproducción de los alumnos en sus exámenes.
Después de la publicación, estos artículos estarán disponibles de forma gratuita en la biblioteca en www.brilliantbeer-college.com, donde ya están disponibles los Regreso a lo básico originales.