Durante la fermentación, la levadura absorbe los nutrientes del mosto y excreta subproductos metabólicos que dan a la cerveza su aroma y sabor característicos.
Los compuestos de sabor se pueden agrupar en familias según su sitio activo, que se conectan con nuestros receptores olfativos y dan la impresión de aromas como se describe a continuación.
Tabla 1 Subproductos orgánicos producidos por levaduras durante la fermentación.
Nota: R - es un grupo orgánico como CH3, C2H5 o C3H7, etc., que tiene un efecto menor sobre la naturaleza del aroma que el grupo activo resaltado en la tabla.
La levadura absorbe los nutrientes del mosto para crecer y producir más levadura que libera energía a partir de los carbohidratos, como se describe en el Artículo 4 (Metabolismo de los carbohidratos). En condiciones anaeróbicas, la levadura produce concentraciones aproximadamente iguales de etanol y dióxido de carbono.
Tabla 2 Principales nutrientes y subproductos del mosto producidos durante la fermentación
Además de energía, la levadura requiere y produce proteínas y enzimas estructurales para su crecimiento.
En el mosto de cerveza, los aminoácidos están disponibles a partir de la descomposición de las proteínas (expresados como nitrógeno amínico libre de FAN) durante el malteado y el macerado y todos, excepto la prolina, son absorbidos por la levadura.
Al igual que los carbohidratos, la levadura absorbe los aminoácidos disponibles en una secuencia particular dependiendo de la estructura.
Tabla 3 Clasificación de 20 aminoácidos según su velocidad de absorción del mosto durante la fermentación
La levadura requiere la gama completa de aminoácidos a lo largo de su etapa de crecimiento para producir las diferentes proteínas requeridas y, si bien estas podrían sintetizarse a partir de sales de NH4, requiere más energía que convertir un aminoácido existente y reemplaza el grupo estructural [R] con otro grupo disponible en un cetoácido en un proceso llamado transformación que se muestra a continuación.
Figura 2 Cambio de aminoácido (Grupo R1) en un aminoácido diferente (R2) mediante transaminación con cetoácidos.
La levadura tiene una gran reserva de cetoácidos, la "reserva de cetoácidos" a la que puede acceder para producir los aminoácidos necesarios para la síntesis de proteínas.
Figura 3 Los cetoácidos recién producidos no tienen más uso en el metabolismo de la levadura y se descomponen.
El cetoácido recién producido no tiene ninguna función adicional en el metabolismo de la levadura y representa una amenaza para la célula en términos de equilibrio iónico (potencial Redox). Por lo tanto, la célula lo elimina mediante descarboxilación (eliminación de CO2) para producir el aldehído equivalente.
Durante el catabolismo, la levadura produce energía en forma de ATP que se utiliza para el crecimiento. Durante el anabolismo, se sintetizan nuevas moléculas de crecimiento utilizando energía de ATP que se recicla a ADP.
Como parte del metabolismo de los carbohidratos, la levadura también produce otro compuesto de alta energía NADH (de NAD). La levadura produce un exceso de NADH que debe reciclarse. Durante la respiración aeróbica, esto se logra mediante la oxidación con oxígeno molecular. Bajo fermentación anaeróbica, la levadura debe reducir el NADH a través de otros compuestos.
Se utilizan una variedad de reacciones químicas para oxidar NADH a NAD, generalmente reduciendo los dobles enlaces que se muestran a continuación. Todas las reacciones, además de la reducción de fumarato a succinato, implican la reducción de grupos carbonilo (C O) a grupos alcohol o aldol (HC OH) con la oxidación de dos NADH.
Figura 4 Regeneración de NAD + por la fermentación de levadura. Todos los compuestos de la izquierda son compuestos intermedios que seran reducidos por la levadura para producir los compuestos de la derecha que a menudo persisten en la cerveza proporcionando textura y sabor (copiado de Lewis & Young Fermentation Second Edition)
Una importante familia de compuestos activos de sabor producidos durante la fermentación son los aldehídos (que tienen un sabor a manzana acida y cruda) que la levadura reduce durante las etapas finales de la fermentación (y maduración en caliente) a alcoholes como se muestra a continuación.
Figura 5 reducción de cetoácidos a aldehídos y luego alcoholes
En fermentaciones efectivas, los aldehídos se reducen rápidamente a alcoholes que tienen un aroma de sabor a fruta más suave o leve. Los niveles más altos de aldehído indican una fermentación defectuosa. Estos alcoholes "superiores" (con un peso molecular más alto que el etanol) a menudo se describen como "alcoholes de Fusel" y, junto con el aldehído, se cree que son responsables de las "resacas".
El ciclo de Krebs (también conocido como ciclo del ácido cítrico) es un paso esencial en la descomposición de azúcares en CO2 y agua durante la respiración aeróbica, pero tiene una función menor durante la respiración anaeróbica (fermentación) donde es parte de la vía metabólica para la síntesis de aminoácidos esenciales y ácidos orgánicos que se excretan para reducir el pH de alrededor de 5,2 en el mosto a 4,0 en la cerveza terminada.
Figura 6 Diagrama del ciclo de Krebs para la fabricación de aminoácidos esenciales por levadura durante la fermentación junto con importantes desechos (subproductos)
Además de proporcionar una fuente de aminoácidos, el ciclo de Krebs emite CO2 y produce NADH que debe oxidarse a NAD.
Uno de los compuestos más activos de sabor en la cerveza son las dicetonas vecinales que consisten en 2,3 butanodiona (diacetil) y el compuesto relacionado 2,3 pentanodiona. Se forman por descarboxilación de un cetoácido para formar compuestos activos de sabor. Diacetilo y 2,3 pentanodiona, estos luego son rápidamente reducidos por la levadura para reciclar NADH adicional.
Figura 7 Vía metabólica por la cual la levadura produce los aminoácidos Valina e Iso-Leucina y como subproducto produce 2,3 butanodiona (diacetilo) y 2,3 pentanodiona (VDK) que se reducen fermentando la levadura en la regeneración de NADH a NAD.
Existen aminoácidos a base de azufre, metionina (grupo B) y cisteína (grupo C) que se sintetizan por transaminación de otros aminoácidos utilizando sales sulfato derivadas de malta, agua o yeso añadido y como un subproducto de este metabolismo la levadura produce dióxido de azufre. (SO2), sulfuro de hidrógenos (H2S).
Figura 8 Vía metabólica por la cual la levadura produce los aminoácidos Cisteína y Metionina al incorporar azufre de fuentes de sulfato provenientes de adiciones de malta, agua o yeso. El dióxido de azufre (SO2) y el sulfuro de hidrógeno (H2S), así como los mercaptanos, se producen como subproductos.
Muchos de estos subproductos persisten en la cerveza terminada, pero algunos reaccionan para formar otros compuestos activos de sabor significativos.
Los alcoholes reaccionan con los ácidos para formar ésteres.
Figura 9 - Los ésteres se producen a través de la condensación entre un ácido y un alcohol.
El acetil CoA es el ácido más abundante y este reacciona con el alcohol más abundante, el etanol, para producir dos ésteres principales:
Acetato de etilo que tiene un umbral de sabor de 18 mg / l que le da un sabor a fruta que a menudo se describe como quitaesmalte.
Acetato de iso-amilo que tiene un umbral de sabor de 1.8 ppm que le da un sabor a fruta que a menudo se describe como plátano.
También se trata de una gama de ésteres menores producidos por la condensación de acetil COA con alcoholes superiores (más complejos) para dar a la cerveza una gama de agradables sabores afrutados. Muchos ésteres están presentes en niveles por debajo de su umbral de detección de sabor individual, pero se combinan para dar una impresión afrutada a la cerveza.
La acetil CoA se destaca en la Figura 4 como un metabolito intermedio para muchas reacciones. Aunque la fermentación implica respiración anaeróbica (en ausencia de oxígeno), se agrega aire u oxígeno al comienzo de la fermentación para promover el crecimiento de la levadura.
Como se discutió en B2B2 “Yeast Structure” publicado en enero de 2021, la levadura utiliza el oxígeno para producir ácidos grasos insaturados y esteroles para la síntesis de membranas. Esto tiene prioridad sobre la síntesis de ésteres que utiliza la enzima AAT (alcohol acil-CoA transferasa). La producción de esta enzima se inhibe en presencia de oxígeno y ácidos grasos insaturados reduciendo la expresión del gen ATF1 responsable de la producción de ésteres.
Figura 9A en presencia de oxígeno Acetil CoA produce esteroles y ácidos grasos insaturados necesarios para la síntesis de la membrana de levadura a expensas de la producción de éster.
Figura 9B cuando se agota el oxígeno, la levadura ya no produce lípidos. El AAT se puede expresar completamente y se producen ésteres.
El desarrollo de sabores durante la fermentación está delicadamente equilibrado y depende de la cepa de levadura y las condiciones de fermentación, por ejemplo, el nivel de oxidación afectará la cantidad de ésteres junto con la temperatura y presiones de fermentación. Le da al cervecero formas de controlar los sabores de la cerveza que se discutirán en una edición posterior de esta serie.
Como se explicó en un artículo anterior, la levadura de cerveza está altamente adaptada para crecer en el mosto proporcionado y puede asegurar su futuro al bajar rápidamente el pH (a través de la excreción de ácidos orgánicos), producir alcohol tóxico y hacer la fermentación en un ambiente anaeróbico sofocando así a muchos de sus competidores microbianos.
Esto hace que la cerveza fermentada sea un gran lugar para que la levadura críe a sus hijos y durante la fase de crecimiento produce una gran cantidad de subproductos (metabolismo de desbordamiento), algunos contribuyen al sabor positivo de la cerveza, mientras que otros tienen una contribución negativa al sabor que se reducen principalmente en una vigorosa fermentación secundaria (Maduración en caliente).
Los principales compuestos aromáticos y las vías metabólicas se resumen a continuación.
Figura 10 Un diagrama de flujo metabólico simple que destaca los ingredientes principales (en rojo) y los compuestos principales del sabor (en verde) cuya síntesis se ha tratado en el texto.
Agradecimiento:
Me gustaría agradecer al profesor Graham Stewart, profesor emérito de la Universidad Heriot Watt y a la Dra. Sylvie Van Zandycke de Lallemand por comprobar los detalles metabólicos. Cualquier error es responsabilidad del autor.
Referencias y citas
G Stewart - com. Pers.
Michael Lewis y Tom Young "Brewing - segunda edición"
Ian S Hornsey "Brewing" publicó RSC en rústica
Chris Bolton y David Quain "Brewing Yeast & Fermentation" publicaron Blackwell Publishing