La levadura necesita energía (carbohidratos) para el crecimiento y la reproducción, que obtiene principalmente de los azúcares simples de las frutas. Como se explica en el artículo 2 (Genómica de la levadura), las cepas de levadura para la elaboración de cerveza han evolucionado y se han adaptado para prosperar en el mosto de cerveza. El mosto de cerveza consiste en azúcares derivados de la descomposición del almidón que se origina en los cereales y un típico mosto de malta consistirá en:
Tabla 1 de azúcares de mosto que se encuentran en el mosto y la cerveza de un mosto de malta
La levadura absorbe los azúcares del mosto en una secuencia particular gobernada por el tamaño molecular. Dado que la levadura evolucionó junto con las frutas de las plantas, el azúcar principal que esperas encontrar es la sacarosa, que está formada por una molécula de glucosa y una molécula de fructosa. Como se explica en el artículo 4 de B2B, la levadura tiene la enzima INVERTASE en el espacio periplásmico y esta pasa al mosto donde rápidamente descompone la sacarosa, lo que produce un aumento de glucosa y maltosa. La glucosa y la fructosa, que son moléculas simples de azúcar, pueden pasar rápidamente a la célula de levadura mediante una difusión facilitada.
Figura 1 que muestra la secuencia de absorción de azúcar por la levadura de un mosto de cerveza de malta.
Solo cuando la mayoría de los azúcares simples han sido absorbidos la levadura buscara azúcares adicionales para metabolizar, en esta etapa permanecen tanto la maltosa como la maltotriosa junto con la dextrina no fermentable.
La levadura activa una serie de genes para movilizar las proteínas y enzimas necesarias para absorber maltosa y maltotriosa como se muestra en la Figura 2 a continuación.
La levadura excreta invertasa en el mosto, donde descompone la sacarosa en glucosa y fructosa. La levadura absorbe rápidamente glucosa y fructosa mediante la difusión facilitada en el gradiente de concentración. La célula requiere procesar los azúcares lo más rápido posible para poder mantener el gradiente de concentración y, por lo tanto, absorber la mayor cantidad posible de azúcares disponibles.
Una vez que la mayor parte de la glucosa (<1% permanece en el mosto) y la fructosa se ha agotado (Figura 1), la levadura querrá absorber maltosa y maltotriosa. Estos no son azúcares naturales y solo se encuentran en el mosto. La levadura de cerveza ha evolucionado para absorber y utilizar estos azúcares más complejos.
La utilización de maltosa y maltotriosa implica tres pasos genéticos a los que por conveniencia nos hemos referido como genes MAL
o MAL R - es un gen activador que detecta la presencia de azúcares en el mosto y activa los otros genes
o MAL T: produce una permeasa de transporte activa que permitirá la absorción del azúcar específico
o MAL S: produce una enzima (maltasa) que puede hidrolizar los enlaces 1,4 - 1,6 para producir moléculas individuales de glucosa que luego están disponibles para su descomposición en la vía glucolítica. La maltosa y la maltotriosa se absorben más lentamente y requieren el gasto de energía (ATP) para facilitar su absorción. En la Tabla 1 se puede ver que se utiliza casi toda la maltosa pero sólo la mitad de la maltotriosa, pero esto depende de la cepa de levadura. No hay una estructura de permeasa para absorber la dextrina (C4 o mayor) y estas permanecen en el mosto.
Figura 2 Esquema que muestra la absorción de azúcares del mosto por la levadura de cerveza.
Nota: La absorción de maltosa y maltotriosa se restringe principalmente a la levadura de cerveza Saccharomyces sp. Ciertas levaduras como Saccharomycodes ludwigii no pueden absorber estos azúcares y se utilizan en la producción de cerveza con bajo contenido de alcohol, también la capacidad de absorber estos azúcares depende de la activación de los genes MAL y esto puede perderse por mutación, en particular, lo que puede resultar en una atenuación más pobre después de un relanzamiento en serie con levadura más vieja. La absorción de maltosa no comienza hasta que la concentración de glucosa en el mosto cae por debajo del 1% y se cree que se debe a la represión del catabolito de la maltosa permeasa y la alfa 1,4 glucosidasa.
Como se explicó anteriormente, el mecanismo para la absorción de nutrientes y la célula está gobernada por la membrana celular (descrita en el artículo 4 de B2B), que actúa como una membrana selectiva que controla lo que puede entrar y ser expulsado de la célula.
Tabla 2 Sistemas de captación del mosto
Los lípidos y cualquier material soluble en solventes orgánicos no polares pueden pasar directamente a través de la membrana por difusión libre, este es un proceso lento que pasa por el gradiente de concentración.
La difusión facilitada utiliza portadores de proteínas selectivos que solo permiten que moléculas específicas se muevan hacia abajo en el gradiente de concentración, pero es muy rápido, lo que permite la rápida absorción de glucosa del mosto. Además, cierta difusión facilitada depende del movimiento de los iones para crear un diferencial de voltaje que permita que las moléculas pasen a través de los canales de difusión.
Algunas moléculas son demasiado grandes o no coinciden con los portadores de proteínas y estos pueden ser llevados a la célula a través del transporte activo que requiere el uso de energía (ATP) mediante la excreción de iones H + por la ingesta de compuestos más complejos como la maltosa.
Una vez que la glucosa ingresa a la célula, puede comenzar la descomposición enzimática en el citoplasma para liberar la energía necesaria para el metabolismo y el crecimiento celular y para la reproducción (gemación).
Bajo condiciones de respiración AERÓBICA donde está presente el oxígeno molecular, todos los componentes del azúcar se oxidan completamente para liberar energía.
C6H12O6 + 6O2 6H2O —————————>. + 6CO2 + Energía 36 ATP (F = 686 kcal)
Sin embargo, en ausencia de oxígeno, la respiración ANAERÓBICA (también conocida como fermentación), la levadura no puede oxidar completamente los componentes del azúcar y queda mucha energía en el etanol (alcohol) producido.
C6H12O6 ———————————> 2C2H5OH + 2CO2 + Energía 2 ATP (F = 54 kcal)
La vía fermentativa libera aproximadamente el 8% de la energía total atrapada en el azúcar.
Tanto la respiración como la fermentación comienzan con la reducción de glucosa a piruvato en la vía glicolítica que libera 2 ATP por molécula de glucosa, pero en ausencia de oxígeno, la levadura no puede aprovechar la energía adicional encerrada en el alcohol. Dado que la levadura en continua aireación respirará y liberará toda la energía disponible del azúcar, esta opción se aprovecha durante la propagación de la levadura para crear biomasa (crecimiento de levadura) en lugar de la producción de alcohol. Sin embargo, la levadura todavía produce algo de alcohol como se discutió en el artículo introductorio, en parte esto se debe a la absorción rápida excesiva de glucosa que se explica a continuación, pero el alcohol también tiene el beneficio adicional de proporcionar actividad bacteriostática que le da a la levadura una ventaja competitiva para acceder a los nutrientes.
Aunque la fermentación ocurre en ausencia de oxígeno (aire), los cerveceros agregan aire u oxígeno al mosto antes de lanzarlo para estimular el crecimiento de la levadura, aunque existe una clara penalización energética al usar la respiración anaeróbica (fermentación).
El efecto Pasteur
El efecto Pasteur implica la transición de la glucólisis anaeróbica (fermentación) a la respiración en presencia de O2. Su importancia radica en el hecho de que las células cambian a un modo más económico de obtener energía. Para un sustrato dado, se extrae aproximadamente 20 veces más energía durante la respiración que durante la fermentación. La tasa de utilización del sustrato, por ejemplo, glucosa, disminuye en presencia de O2.
Figura 4 Diagrama de flujo para mostrar las principales vías utilizadas en Respiración y Fermentación.
El efecto Crabtree:
El bioquímico inglés Herbert Grace Crabtree describe una situación en la que la levadura Saccharomyces cerevisiae produce etanol (alcohol) de forma aeróbica en presencia de altas concentraciones externas de glucosa en lugar de liberar toda la energía a través del ciclo del ácido tricarboxílico y el transporte de electrones. Este fenómeno se llamó originalmente el contra-Pasteur ahora llamado efecto Crabtree y se observa en la levadura cuando la glucosa está por encima del 0,4% en el medio de crecimiento. El oxígeno se utiliza para sintetizar los compuestos de esteroles necesarios para la síntesis de membranas para el crecimiento de la levadura. El "efecto Crabtree" está asociado a alteraciones en la mitocondria con la represión catabólica de ciertas enzimas como la succínica y alfa oxoglutarato deshidrogenasas.
El efecto Crabtree no ocurre en todas las levaduras, sino solo en unas pocas especies como Saccharomyces cerevisiae, S.chevalieri y S. pastorianus.
Inicialmente se pensó que este fenómeno se debía enteramente a la represión de catabolitos por glucosa y oxígeno. Recientemente se ha dado otra explicación que sugiere que el efecto puede deberse a la sobresaturación de las vías respiratorias (exceso de Piruvato) debido a la rápida captación de glucosa. La levadura no puede procesar el piruvato lo suficientemente rápido a través de la vía aeróbica y el exceso de azúcar se fermenta para entregar etanol.
Los resultados muestran que con una concentración baja de células de levadura, las vías metabólicas utilizadas son la respiración, pero cuando la concentración celular alcanza un número crítico se produce la fermentación del etanol. La teoría es que con un recuento de células bajo todavía hay suficientes enzimas para la respiración, pero la concentración de enzima no aumenta debido a la síntesis suprimida por la glucosa, por lo que la vía respiratoria es reemplazada por fermentación. Esto se observa en cultivo continuo con aireación donde se produce algo de etanol.
Figura 5 que muestra las etapas clave en la vía glicolítica y la oxidación de NADH a NAD + al reducir el acetaldehído a etanol.
Durante las etapas iniciales de la respiración, el azúcar se descompone en piruvato y se producen dos nuevas moléculas de ATP junto con dos moléculas de otra molécula de alta energía llamada NADH (nicotinamida adenina dinucleótido). El NADH se vuelve a oxidar reduciendo el acetaldehído a alcohol restaurando el grupo de NAD + y equilibrando el Redox. Otras reacciones para restaurar Redox se discutirán en el próximo artículo de Yeast Flavor Development (Artículo 5 de B2B).
La glucólisis es una vía catabólica que produce energía, poder reductor y compuestos de sabor intermedio a través de la descomposición de los carbohidratos y produce la molécula de energía ATP y NADH que sirve como receptor de electrones y que requiere ser oxidada a NAD + para mantener el equilibrio redox de las células.
La levadura también produce compuestos estructurales a partir de la glucosa a través de una vía metabólica alternativa, la vía de las pentosas (también llamada HMP de derivación de monofosfato de hexosa), que consume energía y es el proceso mediante el cual las células acumulan moléculas complejas para reparar y fabricar nuevo material celular. Requiere ATP y genera NADPH y se conoce como anabolismo.
La vía de las pentosas también se llama derivación de monofosfato de hexosa (HMP).
Sólo una proporción relativamente pequeña de la glucosa disponible pasa a través del HMP. Una pequeña parte de la glucosa se metaboliza a través de la vía de las pentosas HMP, que también se denomina vía de las pentosas fosfato.
Proporciona una fuente de NADPH para las reacciones de reducción anabólica.
Proporciona pentosa y otros azúcares necesarios para la síntesis de nucleótidos y otras vías metabólicas.
La vía de la pentosa se utiliza para generar NADPH necesario para el anabolismo y varios azúcares de diferentes tamaños, particularmente los azúcares de 5 carbonos necesarios para la síntesis de nucleótidos.
Fase oxidativa - irreversible que genera NADPH
Fase no oxidativa: reversible Genera pentosa
Cuando los niveles de NADPH son bajos, se utilizan vías oxidativas para generar ribosa-5-P para la biosíntesis de nucleótidos. Cuando los niveles de NADPH son altos, se utilizan vías no oxidativas para generar ribosa-5-P para la biosíntesis de nucleótidos a partir de fructosa-6-P y gliceraldehído-3-P. Se requieren vías oxidativas y no oxidativas para generar NADPH mientras se convierte el producto Ribulosa-5-P en una vía no oxidativa para generar gliceraldehído-3-P en piruvato.
Tabla 3 de la comparación entre los roles de NAD y NADP en la elaboración de cerveza
El glucógeno y la trehalosa son polímeros de almacenamiento de glucosa. El glucógeno es un polímero de glucosa que consta de 104 a 105 monómeros de glucosa unidos por enlaces alfa 1-4 glucósidos con ramificaciones frecuentes que surgen de enlaces alfa 1-6. Se sintetiza cuando hay un exceso de energía celular y en respuesta a una amplia variedad de factores de estrés ambiental que incluyen niveles más altos de alcohol y condiciones de falta de nutrientes, como nitrógeno, carbono, fósforo o azufre limitados.
Agradecimiento:
Me gustaría agradecer al profesor Graham Stewart, profesor emérito de la Universidad Heriot Watt, al profesor Chris Bolton de la Universidad de Nottingham, al profesor Matthew Carrigan, del Santa Fe College y a la Dra. Sylvie Van Zandycke por verificar los detalles metabólicos. Cualquier error es responsabilidad del autor.
Referencias y citas
R. Haroitt and G. K. Buckee “Carbohydrate balances and wort fermentability estimations” JIB July 1978
Ian S Hornsey “Brewing” published RSC paperback
Chris Bolton & David Quain “Brewing Yeast & Fermentation” published Blackwell Publishing