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LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA IV
Práctica de fermentación
OBJETIVO GENERAL
Obtener la mejor calidad de cerveza casera posible, analizando parámetros de respuesta de calidad del proceso y del producto obtenido, basado en condiciones de operación y materias primas, especificadas por cada grupo de trabajo.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
- Encontrar los mejores parámetros organolépticos posibles de la cerveza obtenida (olor, sabor, color, amargura, espuma, etc.).
- Evaluar parámetros propios de la calidad del proceso (rendimientos, crecimiento celular de la levadura y pérdidas).
- Medir características físico-químicas de la cerveza obtenida (pH, grado alcohólico, viscosidad, densidad, etc.).
- Determinar los costos de las materias primas para obtener 25 litros diarios de cerveza durante un año
INTRODUCCIÓN
La fermentación es un proceso biotecnológico donde se aprovecha el metabolismo de microorganismos de interés industrial (levaduras, hongos, bacterias, etc.) con el fin de obtener metabolitos de alto valor agregado como el caso del alcohol, fármacos o biomasa. El proceso fermentativo puede llevarse a cabo en presencia (aerobio) o ausencia (anaerobio) de oxígeno, lo que le permitirá al microorganismo seguir una ruta específica al consumir la fuente de energía primaria en el medio de cultivo, un caso especial es de las levaduras, las cuales en presencia de oxígeno producen biomasa, es decir crecen exponencialmente (levadura para panadería), mientras que en el caso contrario producen alcohol; todo esto ligado a condiciones óptimas de crecimiento como lo son pH, temperatura, presencia de micronutrientes, entre otras.
Uno de los productos pioneros en la industria biotecnológica es la cerveza, considerada como una bebida alcohólica destilada elaborada por medio de la fermentación de una solución de cereales (mosto), donde el almidón ha sido parcialmente hidrolizado y se le ha conferido por infusión el sabor del lúpulo, la adición al mosto de levaduras del género Saccharomyces cerevisiae realiza la descomposición de hexosas (monosacáridos de seis carbonos) lo que permite la formación de dióxido de carbono y alcohol, como se identifica en la siguiente reacción [1]:
C (^) 6H12O 6 (glucosa) -> 2CO 2 + 2C (^) 2H5OH (etanol)
En la producción de cerveza se utilizan cuatro materias primas principales, las cuales confieren características especiales al producto final, además de que son indispensables para que ocurra la fermentación [2], estas materias primas son:
- Cebada, trigo u otro cereal: normalmente son las que aportan el almidón (fuente de carbono), los proveedores se encargan de limpiar y seleccionar los granos, que luego hacen germinar, la secan y tuestan.
- Lúpulo: es una flor que le da aroma y el sabor característico a la cerveza. Los efectos proceden de los componentes resinosos del aceite de flor de lúpulo.
- Agua: el agua utilizada en el proceso debe tener niveles bajos de cloración para evitar la inhibición en el crecimiento de las levaduras, es indispensable contar con sistemas de carbonatación.
- Levadura: su adición al medio fermentativo permite la formación de etanol el cual se encuentra entre el 1 y 5% normalmente, pero puede llegar a 15% en otros tipos de cervezas. Debido a que las células se multiplican durante la fermentación, parte este cultivo de iniciación puede ser reutilizado en otras fermentaciones con el fin de obtener las mismas condiciones de producción de una cerveza.
El proceso de elaboración cumple tres fases: preparación de la malta (realizada por los proveedores del cereal), cocción del mosto y fermentación, a continuación, se detallan la importancia de estas operaciones [2]:
- Preparación de la malta: la malta verde por si sola es perecedera, para evitar su degradación, se seca, incrementando la temperatura lentamente obteniendo así la malta tostada.
- Macerado: la malta tostada y triturada se mezcla con agua para obtener la cebada (mosto de malta), a temperaturas entre 65 y 75°C. En este proceso las moléculas de almidón son transformadas en azúcares. Los almidones amilosa y amilopéctina son cadenas de glucosa que las enzimas rompen hasta llevarlas a su expresión más simple, moléculas de glucosa (azúcar).
- Cocción del mosto: después de separar los componentes sólidos, el líquido se cocina con lúpulo. Al cocer se disuelve los componentes amargos del lúpulo. Al mismo tiempo el mosto queda libre de otros microorganismos y además las enzimas se destruyen y las proteínas precipitan. Después de filtrar las partículas sólidas, el mosto se enfría hasta los 10 a 20°C.
Se debe controlar el pH del macerado debido a que este afecta la actividad de las amilasas, las cuales son las responsables de la transformación de los almidones de la malta en azúcares reductores, empleados en el proceso de la fermentación. Las amilasas presentes en el mosto intervienen en la maceración a diferentes niveles de pH, se recomienda entonces tener un valor entre 5.2 y 5.5. Tener este rango de pH durante todo el proceso de producción de la cerveza garantiza una buena hidrólisis de los almidones, la transformación del lúpulo durante la cocción, la precipitación de proteínas, la clarificación del mosto y el rendimiento de la fermentación.
Para permitir un correcto metabolismo de la levadura, se recomienda que el mosto, después de ser enfriado, tenga los siguientes parámetros dentro de los rangos expuestos a continuación [3]:
Parámetro Rango Densidad [1050- 1060] kg/m 3 Maltosa [68-73] (g/L)
- (^) Proceso de fermentación: al mosto se añade la levadura, durante el proceso de fermentación, se disocia parte del azúcar del mosto en los productos principales del proceso: dióxido de carbono y etanol. Para las levaduras es imprescindible que
Tabla de variaciones
IBUs calculados Tiempo 1 [min] Masa 1 [g] Tiempo 2 [min] Masa 2 [g] Tiempo 3 [min] Masa 3 [g] Tipo de material usado (Ej. Malta Pilsen) [g] Porcentaje de malta caramelo [%m] Tiempo de fermentación [días] Aromatizantes (Especifique cuál) [g] Aditivos (Especifique cuál) [g] Controlador de espuma (Especifique cuál) [g] Forma de maceración Alpha-ácidos del lúpulo Levadura Cantidad de levadura por litro de mosto [g/l]
Tabla de datos
Cantidades iniciales de materias primas Malta Pilsen [g] Malta caramelo [g] Agua [l] Cantidad de cerveza obtenida [l] y de residuos Concentración de maltosa Al final de la maceración [g/l] Justo antes de fermentar [g/l] Al final de la fermentación [g/l] pH del mosto antes de fermentar Densidad del mosto [kg/m 3 ] Conteo de levaduras Al inicio de la fermentación Al final de la fermentación
Tabla de cálculos
Costo de la materia prima
Costo para obtener 25l de cerveza diaria por
un año Rendimiento de la hidrólisis del hervor [%]
Consumo de maltosa [g] y crecimiento celular Rendimiento de la fermentación [%] Masa de materias primas por masa de cerveza producida y pérdidas
Tabla del producto
Tipo de cerveza Porcentaje de alcohol [%v] pH y densidad Grados brix Concentración de maltosa [g/l] Viscosidad [Pa s]
Se pueden modificar todos los factores de esta práctica. No obstante, se recomienda variar lo siguiente:
Parámetro Rango Observaciones IBU 25 - 30 No varíe los tiempos, sólo las cantidades de lúpulo. Tiempo de fermentación 8 – 15 días Tenga en cuenta la disponibilidad de los miembros del grupo. Porcentaje de malta caramelo 1 – 4 % Este porcentaje de la cantidad de malta pilsen será la masa agregada de malta caramelo.
Procedimiento
Un día antes de la práctica se debe hacer lo siguiente:
Los siguientes pasos serán realizados por los dos grupos en conjunto.
- Pesar la cantidad deseada de malta pilsen. La relación entre la masa de malta pilsen (en kg) con la cantidad de producto (en L) es de 1 a 5, es decir, por cada 5 litros de cerveza a producir se debe utilizar 1 kilo de malta pilsen. Estos granos se deben dejar en contacto con la atmósfera durante un día para que se humedezcan.
- Medir el volumen requerido de agua. Por cada 7 litros de agua se obtienen 5 litros de cerveza. El agua no debe contener cloro; si no se dispone de agua con esta característica, se puede dejar la cantidad deseada de agua clorada abierta a la atmósfera durante 24 horas antes del proceso de producción.
Lo siguiente será hecho por cada grupo de forma separada:
- Cuando termine el proceso de fermentación envase la cerveza que obtuvo y guarde una botella rotulada en el laboratorio del grupo GruBioc.
Recomendaciones
- Si se produce la rotura de la cáscara de la malta, se pueden presentar sustancias no deseadas en el mosto, afectando el sabor, y se pierde la capacidad de filtrado que genera la torta.
- Si el pH de la mezcla durante algún punto del proceso no se encuentra dentro del rango estipulado se podría corregir empleando algún ácido (acético, cítrico o láctico).
- Durante el macerado es importante que la temperatura no salga del rango 62 - 74 °C, debido a que es donde actúan las amilasas.
- Durante el hervor, es necesario vigilar constantemente ya que se puede crear espuma y desbordarse.
- Cuando el mosto se acerque a la temperatura de ebullición, se formará una capa de espuma. Se recomienda retirar parte de ella debido a que son proteínas que podrían dificultar el trabajo de la levadura.
ANEXO 1: GLOSARIO [4]
Cebada: grano de cereal que germina controladamente para ser molido y convertirse en puré en la elaboración de cerveza. Suele usarse este cereal porque posee mayor cantidad de almidón y mayores proteínas que favorecen el crecimiento de la levadura.
Clarificantes: son principalmente sustancias que propician la sedimentación de las moléculas que originan la turbidez, y se añaden en general al final de la fermentación o pocos días antes de embotellar o embarrilar. De esta forma, la fermentación tiene el tiempo suficiente para terminar y los clarificantes también disponen del tiempo necesario para sedimentar las partículas.
Grados Brix: escala que indica la densidad de los azúcares en el mosto, de esta manera se puede determinar la cantidad de sólidos disueltos en una solución, para el caso de soluciones azucaradas, representa los gramos de azúcar en 100 ml de solución.
IBU: International Bitterness Units (unidades internacionales de amargor). Es un sistema para indicar el amargor del lúpulo en la cerveza terminada. A más IBUs, más amarga es la cerveza.
Malta: proveniente de cereales crudos que contienen los azúcares necesarios para que la levadura se alimente y poder garantizar la fermentación. Para ello, se deja germinar ligeramente el cereal y, en un momento dado, se para en seco la germinación y se tuesta. La malta suele ser de cebada, pero también puede ser de otros cereales, como el trigo. Dependiendo del tipo de tueste, obtendremos una cerveza pálida, tostada o incluso negra.
Malta caramelo: es un tipo de malta dulce de color cobrizo. La malta caramelo o cristal imparte color y sabor a la cerveza, además posee una alta concentración de azúcares fermentables que endulzan la cerveza y contribuyen a su retención.
Maltosa: azúcar soluble y fermentable que se encuentra en la malta.
Mosto: solución de azúcares obtenidos tras moler la malta y mezclarla con agua, se le aromatiza con lúpulo y posteriormente se fermenta. Se denomina mosto por su sabor dulce y la ausencia de alcohol en él.
Levadura: microorganismo unicelular, que produce alcohol y gas carbónico a partir de azúcares. Elemento básico para la fermentación en la fabricación de la cerveza.
Airlock: es una trampa de aire que permite la salida del CO 2 producido por la fermentación y a su vez impide la entrada de cualquier producto contaminante dentro del fermentador.
ANEXO 2: DETERMINACIÓN DE LA CANTIDAD DE LÚPULO
Durante el hervido del mosto se realiza el lupulado, se recomienda hacerlo en 3 etapas. Todos los valores a continuación descritos son orientativos. La principal finalidad de la cocción es la adición del lúpulo, que dará amargor, sabor y aroma a el mosto, en función del tiempo de adición.
Se emplea la calculadora “Cerveceros artesanales españoles - calculadora ibus” disponible en la página web http://www.cerveceros-caseros.com/index.php/calculadora-acce/ibus, la cual usa la fórmula de Glenn Tinseth para determinar el grado de amargor de la cerveza. La
Realizar el ajuste a cero del refractómetro.
- La temperatura del agua destilada utilizada para el ajuste a cero deberá ser la misma que la temperatura de la muestra. De no ser así, se debe dejar enfriar la muestra a temperatura ambiente.
- Limpiar la superficie del prisma con paño suave.
- (^) Colocar aproximadamente 0.3mL de agua destilada sobre la superficie del prisma, no desbordar.
- Presionar la tecla START. Aparecerá “---”, y entonces la medida de valor, así como la temperatura de la muestra en el momento de realizar la medida se mostrará.
- Si la pantalla indica “0.0%”, retirar el agua de la superficie del prisma con un pañuelo de papel. a partir de ese momento el refractómetro digital estará listo para utilizarse.
- Si el valor indicado no es “0.0%”, presione la tecla ZERO con el agua destilada sobre el prisma.
- Después de que haya parpadeado 2 veces, se mostrará en pantalla “000”. Si la pantalla lee “AAA”, añada más agua sobre la superficie del prisma y presione ZERO de nuevo. Retirar el agua del prisma limpiando con un pañuelo de papel. El refractómetro está preparado para utilizarse.
Método de medición.
- Limpiar la superficie del prisma.
- Colocar aproximadamente 0.3mL de muestra sobre la superficie del prisma a temperatura ambiente.
- Presionar la tecla START.
- Aparecerá “---”, y entonces la medida del valor, así como la temperatura de la muestra en el momento de realizar la medida se mostrará.
- El valor de la medición permanecerá en la pantalla durante aproximadamente 2 minutos. Para apagar la pantalla, mantenga presionada la tecla START aproximadamente 2 segundos.
- Quite la muestra con un pañuelo de papel. Use agua para quitar cualquier resto de la muestra. Seque cuidadosamente con un pañuelo de papel seco.
Instrucciones de uso del equipo empleado para la determinación de maltosa (azúcar reductor)
El equipo ubicado en el laboratorio de la escuela de Ingeniería Química de la Universidad del Valle, cuenta con un tutorial interactivo que le permitirá al analista determinar la cantidad de maltosa presente en la muestra.
Determinación de la presencia de almidones en el mosto
Es importante realizar el test de yodo, consiste en tomar una porción (1mL) del mosto, depositarlo en una placa de cerámica, agregarle unas gotas de yodo y observar la coloración que presenta. Si la solución se torna marrón es porque todavía hay almidón, es decir la hidrólisis no ha concluido. Cuando la hidrólisis es total, el color del yodo permanece amarillo/naranja.
ANEXO 4: PROTOCOLO PARA LA CUANTIFICACIÓN DE LEVADURAS
VIABLES EN MOSTOS FERMENTADOS
El azul de metileno es considerado un reactivo adecuado para establecer el porcentaje de
células viables en una población dada la levadura. Las células de levadura muertas tienden a
colorearse al ser tratadas con azul de metileno mientras que las células viables permanecen
incoloras.
Materiales:
♦ Solución de azul de metileno (ver instructivo)
♦ Cámara de Neubauer y cubre objetos (ver instructivo)
♦ Microscopio
♦ Pipeta de 1 mL
♦ Micropipeta 10 a 100 μL
♦ Pipeta de 10 mL
♦ Tubos plásticos c de 20 mL con tapa
