La levadura es un miembro de los ascomicetos que se compone principalmente de saprófitos y obtiene su energía (alimento) de material orgánico en descomposición. Es un hongo unicelular eucariota con orgánulos contenidos por membranas.

La célula por si sola puede realizar todas las funciones de crecimiento y metabolismo.

Envoltura celular

La célula de levadura está rodeada por una "envoltura celular" que consiste en una pared celular que es en gran parte tejido muerto para proteger a la célula de levadura del daño mecánico, y una membrana selectiva que controla el flujo de materiales hacia la célula con un espacio intermedio, el periplasma. .

La pared celular proporciona a la célula resistencia mecánica para resistir los cambios de presión osmótica impuestos por el medio ambiente u otras tensiones, y para preservar la forma e integridad de la levadura durante el crecimiento y la división celular. Representa el 26 - 32% de la célula y está compuesto por 30 - 60% de polisacáridos (polímeros de betaglucano y manano azúcar), 15 - 30% de proteínas, 5 - 20% de lípidos con una pequeña cantidad de quitina. La proteína que está ligada a los manano-oligosacáridos (MOS) se llama complejo manoproteico.

Floculación

La floculación es una característica importante de la levadura que se produce al final de la fermentación y es un mecanismo cooperativo para proteger la célula contra tensiones como el pH y las bajas de temperatura, la falta de nutrientes y un alto contenido de etanol. Permite que las células reduzcan el impacto de un ambiente adverso al aglutinarse y asentarse por sedimentación. Es útil para los cerveceros separar la levadura de la cerveza al final de la fermentación, lo que proporciona un método conveniente de recolección (cultivo) de levadura para la siguiente fermentación. La floculación está controlada por interacciones de pared celular a pared celular, específicamente la unión de zimolectinas (lectinas) a azúcares manosa en la pared celular de la levadura.

Hay dos fenotipos principales en las cepas de elaboración de cerveza definidos por el tipo de zimolectina.

La levadura Ale flocula mediante la acción de lectinas controladas por el fenotipo Flo 1 que se unen a los azúcares manosa. La floculación es inducida por etanol al comienzo de la fermentación y puede ser inhibida por azúcares manosa, pero no depende de la disponibilidad de iones calcio.

Está controlado por:

• cambio de la superficie celular.

• aumento de la concentración de etanol.

Las cepas de levadura de cultivo superior (Ale) tienen macromoléculas hidrófobas en la superficie de la pared celular que se unen a burbujas de dióxido de carbono permitiendo que los grumos de levadura floten hasta la parte superior del recipiente de fermentación; cuando las burbujas llegan a la superficie, revientan y la levadura se hunde de nuevo en el mosto para seguir fermentando. Cuando ya no se produce dióxido de carbono, o se enfría la cerveza, o se aplica presión al recipiente, el dióxido de carbono gaseoso ya no está presente y la levadura de cerveza se deposita en el fondo del recipiente de fermentación.

Levadura Lager: flocula mediante la acción de lectinas controladas por el fenotipo NewFlo que se unen a los azúcares de manosa y glucosa en la superficie de la pared celular y son inhibidas por la presencia de manosa, glucosa, maltosa y sacarosa. Como resultado, la floculación solo ocurre al final de la fermentación (final de la fase exponencial y fase estacionaria) cuando los azúcares simples ya no están presentes.

La floculación está controlada:

• por la aparición de lectinas en la superficie celular

• cuando la concentración de azúcar cae por debajo de un nivel inhibitorio

• requiere la presencia de iones de calcio solubles

La superficie de las células Lager no tiene el mismo nivel de macromoléculas hidrófobas, por lo que la levadura no se une al dióxido de carbono sino que se deposita por gravedad en el fondo de los recipientes de fermentación. Solo se deposita en el fondo del recipiente de fermentación cuando la fermentación es terminada por completo y, una vez que se asienta, es difícil volver a suspender para reanudar la fermentación.

La co-floculación ocurre cuando una cepa floculante y no floculante se usan juntas. La combinación de las dos cepas de levadura puede provocar la floculación de ambas cepas porque las lectinas de la cepa floculante se unen a los mananos de la cepa no floculante.

Floculación prematura: (PYF) es una condición esporádica que se encuentra en fermentaciones en las que la levadura decanta y se separa del mosto en fermentación antes de que se haya logrado la atenuación completa. Se debe a los compuestos de la malta (polisacáridos de alto peso molecular y péptidos antimicrobianos) y conduce a fermentaciones incompletas.

Factores que favorecen la floculación:

Oxigenación

• La baja aireación del mosto al inicio de la fermentación puede resultar en una floculación temprana o incompleta

• Una aireación adecuada da como resultado una atenuación completa y una floculación más intensa

• La síntesis de esteroles y ácidos grasos afecta la hidrofobicidad de la superficie celular

Temperatura

• Diferentes cepas de elaboración floculan bajo diferentes condiciones de temperatura.

• Los choques de temperatura pueden causar una floculación repentina, particularmente para la levadura de cultivo superior (Ale).

pH:

• El rango óptimo es de 3,5 a 4,8

• El pH óptimo depende de la cepa

Concentración de etanol:

• Los ensayos de laboratorio han demostrado que tanto los aumentos como las disminuciones en los niveles de etanol mejoran la floculación

• Depende de la cepa

Tasa de inoculación:

• Un estudio de una cepa NewFlo mostró que la floculación aumentó del 58% al 71% cuando la tasa de inoculación se incrementó gradualmente de 1 millón a 15 millones de células / ml

• Las tasas de inoculación más altas pueden producir poblaciones con porcentajes más altos de células más viejas que floculan antes.

Generación:

• La floculencia de una cepa de levadura cambiará con el relanzamiento en serie. Esto se debe a cambios en la composición de la pared celular y a la variación genética.

• Dependiendo de la cepa, algunas cepas son mucho más estables genéticamente que otras.

Trub:

• Las observaciones muestran que el aumento de los niveles de trub aumenta la floculencia en algunas cepas de levadura. 

Azúcares de mosto y sales minerales

• La manosa bloquea la floculación en cepas de levadura Ale y Lager

• Otros azúcares, glucosa, fructosa, maltosa bloquean la floculación en cepas de levadura Lager que no comienza hasta que se agotan todos los azúcares simples

• Se requieren iones de calcio para abrir lectinas para la floculación de levadura lager

Lavado ácido

• Se pueden usar adiciones de ácido para romper la floculación que probablemente se deba a cambios en la pared celular y la hidrofobicidad de la superficie celular (CSH). Estos cambios en la floculación pueden llevarse a fermentaciones posteriores.

Espacio periplásmico

El periplasma no es un orgánulo sino un espacio donde se almacena el glucógeno, que es el primer carbohidrato utilizado al inicio de la fermentación. Es el lugar de una serie de importantes enzimas de la levadura, como los fosfatos ácidos y la invertasa, que se excreta de la célula de levadura y descompone la sacarosa del mosto en glucosa y fructosa, lo que permite una adsorción más fácil y rápida en la célula. En las cepas de levadura lager, la enzima melibiosa también está presente, que puede degradar la melibiosa del azúcar.

Membrana plasmática (membrana celular)

Cada célula está unida por una membrana plasmática que es una barrera altamente selectiva (guardianes de la puerta) que permite que el oxígeno y los nutrientes ingresen a la célula y excreten los productos de desecho. La membrana plasmática es una bicapa de fosfolípidos hidrófobos intercalados con proteínas globulares (permeasa) que permiten el intercambio de materiales del exterior e incluye una variedad de compuestos lipídicos:

• Fosfolípidos que dan fluidez a la estructura.

• Los esteroles (incluidos los ergosteroles y el zimosterol y otros esteroles menores), críticos para la división celular y la levadura, requieren oxígeno (proporcionado por la oxigenación inicial del mosto) para poder sintetizar estos compuestos.

• La bicapa de labios real (que se muestra en la Fig. 4B) comprende una cabeza hidrófila que permanece en la capa acuosa y una cola hidrófoba que excluye el agua.

• También hay ATPasa hidrolasa para generar ATP para proporcionar un gradiente de protones electroquímico necesario para el transporte de medios.

• Ancla para la red de soporte (citoesqueleto) que se analiza más adelante, que le da rigidez a la célula.

Citoplasma

El espacio debajo de la membrana plasmática contiene material semilíquido llamado citosol en el que están suspendidos todos los orgánulos intracelulares. Contiene sales disueltas, metabolitos celulares y enzimas y es el lugar de muchas reacciones bioquímicas, como la vía glucolítica, que descompone los azúcares fermentables en piruvato y, en condiciones anaeróbicas, se descompone en alcohol y dióxido de carbono.

Mitocondrias

Las mitocondrias es la potencia de la célula que en condiciones totalmente aeróbicas y con una baja concentración de azúcar, contienen las vías responsables de generar energía en forma de trifosfato de adenosina (ATP). Las vías involucran el ciclo de Krebs y la cadena de transporte de electrones en el proceso llamado fosforilación oxidativa. Las mitocondrias contienen su propio ADN y controlan otras vías como la síntesis de esteroles que son importantes en la elaboración de cerveza, y la vía responsable de la síntesis de algunos aminoácidos como la isoleucina y la valina (vía ilv) que indirectamente contribuyen al diacetilo en la cerveza.

El número de mitocondrias se correlaciona con el nivel de actividad metabólica de la célula. Tienen entre 1 y 10 m de largo y están unidas por una doble membrana. La membrana externa es lisa, pero la interna es enrevesada, con pliegues llamados crestas. Algunos de los pasos de la respiración celular ocurren en las crestas, otros en la matriz de la mitocondria. Tienen un papel esencial en la captura de oxígeno y la liberación de energía en la respiración aeróbica, pero aún realizan funciones importantes durante el crecimiento anaeróbico.

Aunque su función principal es la liberación de energía durante la respiración aeróbica, las mitocondrias realizan otras funciones en la levadura en condiciones anaeróbicas: 

• síntesis y desaturación de ácidos grasos y lípidos, - biosíntesis de ergosterol, 

• respuestas al estrés y adaptación al estrés, 

• enzimas para la síntesis de aminoácidos, incluida la valina 

• movilización de glucógeno, 

• producción de algunos componentes del sabor, incluidas dicetonas vecinas (diacetil y 2,3-pentano-diona).

Sin embargo, durante la fermentación, la levadura encuentra una reducción de oxígeno que hace que las mitocondrias sean redundantes en estas condiciones, pierden el número de christae y su eficiencia se convierte en "pro-mitocondrias", lo que puede conducir a“mutantes Petite”, deficientes respiratorias que aparecen como pequeñas células de levadura, de ahí su nombre y que a menudo producen sabores desagradables de fenol y diacetilo.

Tráfico celular y partículas de almacenamiento

Los materiales producidos en el citoplasma y las mitocondrias deben moverse hasta el punto correcto de la célula para que funcione y lleve a cabo su función metabólica requerida. Cuando los nutrientes son abundantes, las células de levadura almacenarán el exceso de lípidos, como los esteroles y los ácidos grasos, y las reservas energéticas de carbohidratos, glucógeno en partículas del citoplasma. Los lisosomas también están presentes en el citoplasma que contienen enzimas hidrolíticas que se utilizan para digerir macromoléculas como grasas, proteínas, carbohidratos y ácidos nucleicos. Si una célula tiene poca energía, los lisosomas pueden descomponer los orgánulos para usar sus componentes como fuente de energía. Los lisosomas también se utilizan para degradar materiales extraños como bacterias y otros invasores. Una función adicional de los lisosomas es descomponer la célula cuando muere, liberando las enzimas digestivas en el citoplasma donde digieren la propia célula.

Retículo endoplásmico (ER)

Este es un sistema de membranas huecas que se extienden por todo el citoplasma desde el núcleo hasta la membrana plasmática.

Hay dos tipos de membranas: 

1. RE lisos que son tubos involucrados en la síntesis de lípidos, metabolismo de carbohidratos y desintoxicación de la célula. 

2. Los ER rugosos son estructuras aplanadas adheridas a la superficie externa. Los ribosomas forman parte de una "carretera" para transportar proteínas, producidas por los ribosomas, a la ubicación dentro de las células donde se requieren.

Ribosomas

Los ribosomas son los sitios donde se sintetizan proteínas como las enzimas. Se encuentran en grandes cantidades en el citoplasma adherido al retículo endoplásmico rugoso y dentro de las mitocondrias. Están formados por ARN y proteínas. El ARN mensajero (ARNm) producido en el nucleolo se encuentra en los ribosomas y se elabora a partir de una copia del ADN codificado en los cromosomas. Se transcribe, traduce y forma una plantilla en los ribosomas que se empareja con una sección de ARN de transferencia (ARNt) que entrega un aminoácido seleccionado a los ribosomas donde se combinan con el aminoácido adyacente para construir una cadena de proteína.

Aparato de Golgi

Después de salir del ER, los productos sintetizados en los ribosomas se transportan al aparato de Golgi donde el contenido se modifica, almacena y luego se envía a otros destinos. El aparato de Golgi es especialmente extenso en células especializadas en secreción.

Núcleo

La mayor parte del ADN o genoma de la célula se almacena en el núcleo. En la levadura de cerveza, esto toma la forma de 16 cromosomas. Aunque normalmente no son visibles, los cromosomas se duplican cuando las células se dividen y producen una nueva copia del ADN que pasa a la yema. El núcleo está unido por una membrana que está perforada por poros para permitir la comunicación con el resto de la célula. Dentro del núcleo hay un cuerpo llamado nucleolo donde los ribosomas se sintetizan para producir ADN nuevo y para la síntesis de proteínas.

Vacuola

La vacuola participa principalmente en el reciclaje de moléculas grandes, como proteínas redundantes, en aminoácidos donde se pueden almacenar hasta que se necesiten para producir nuevas proteínas. También sirve como cámaras de almacenamiento y papelera. El citoplasma de la célula es principalmente agua salada, y las vacuolas tienen una membrana lipídica para mantener esta agua salada fuera. Durante la división celular (gemación), la vacuola junto con una copia del núcleo se comparte con la célula hija.

Cicatriz de yema

Cada vez que una célula de levadura experimenta la gemación, se deja una cicatriz característica en la superficie de la pared celular. La cicatriz es permanente y es una estructura circular con un borde elevado y que es rica en quitina polisacárida. La nueva célula hija también tiene una marca donde estaba unida a la célula madre, en este caso es conocida como cicatriz de nacimiento, que es menos rica en quitina y desaparece gradualmente con el tiempo. La quitina es un polímero formado por largas cadenas de moléculas de N-acetil-D-glucosamina unidas por β-1,4 lineales.

Red citoesquelética

El esqueleto es una serie de microtúbulos y microfilamentos que proporcionan estructura y organización a la célula y le dan capacidad para ordenar sus orgánulos. Son varillas rectas y huecas compuestas de tubulina y que miden aproximadamente 25 nm de diámetro y de 200 nm a 25 micrones de longitud. Son el componente principal del citoesqueleto, importante en los movimientos cromosómicos, la motilidad celular, el movimiento de los orgánulos y el mantenimiento de la forma celular. 

• Requerido para la división de levadura Mitosis 

• Dar estructura y organización celular 

• Proporcionar vías entre los orgánulos 

• Mantenga los orgánulos separados 

• Ayuda con el desarrollo de las yemas

Referencias y citas

1.  Graham G. Stewart Yeast Flocculation—Sedimentation and Flotation   Fermentation — Open Access Journal

2. Ahmed Touhami, Barbara Hoffmann, Andrea Vasella, Frederic, A. Denis and Yves F. Dufre Aggregation of yeast cells: direct measurement of discrete lectin–carbohydrate interactions Microbiology 2003 149 

3. Chris Boulton, and David, Quain Brewing yeast and fermentation, 2nd ed. Oxford, England: Blackwell Science Publishing, 2006. 

4. Virve Vidgren and John Londesborough 125th Anniversary Review: Yeast Flocculation and Sedimentation in Brewing J. Inst. Brew. 117(4), 475–487, 2011

5. Verstrepen, K. J.Derdelinckx, G.,Verachtert, H., and Delvaux, F. R. Yeast flocculation: What brewers should know. Applied Microbiology and Biotechnology 61 (2003):197–205.

6. Pascale B. Dengis and Paul G. Rouxhet - Flocculation - Mechanism of top and bottom fermenting brewing yeast J. Inst. Brew., July-August 1997, Vol. 103, pp. 257-261