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Las levaduras y el etanol: bebidas, combustibles y un poco de historia

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Los descubrimientos de Pasteur
Los hombres utilizan las fermentaciones para su provecho desde la prehistoria. El pan fermentado se conoce desde hace varios miles de años. Los jeroglíficos y otras representaciones gráficas demuestran que el hombre fabricaba bebidas alcohólicas ya varios milenios antes de Cristo. Al preparar el pan, vino o la cerveza, los hombres empleaban sin saberlo, y de una manera empírica, unos microorganismos muy útiles: las levaduras. Son hongos unicelulares capaces de transformar azúcares en alcohol.
Este proceso se denomina fermentación alcohólica y fue descubierto y descrito por Luis Pasteur recién en 1856.
En la época de Luis Pasteur, las teorías científicas reconocían la presencia de levaduras en la fermentación alcohólica, pero estas levaduras eran consideradas como un producto de la fermentación. Luis Pasteur demostró que las células viables de levaduras causan fermentación en condiciones anaeróbicas (baja concentración de oxígeno); durante dicha fermentación el azúcar de la uva es convertido en etanol y CO2. Sus ilustraciones claramente muestran auténticas levaduras vínicas y en sus escritos él las diferenciaba claramente de otros componentes.
En 1856, M. Bigo, un fabricante de alcohol en el norte de Francia sufría repetidos fracasos en obtención de sus productos. El proceso involucraba la fermentación de la caña de azúcar para producir alcohol etílico, pero frecuentemente el contenido de los recipientes se agriaba y en lugar de alcohol, se obtenía una sustancia parecida a la leche agria. M. Bigo le solicitó a Pasteur que investigara el caso, y éste accedió. Primero, analizó químicamente el contenido agrio de los recipientes y concluyó que contenían una considerable cantidad de ácido láctico en lugar de alcohol. Después comparó los sedimentos de diferentes recipientes, observó que en aquellos donde había ocurrido la fermentación alcohólica se veía una gran cantidad de levaduras, mientras que en las que había ácido láctico se veían "glóbulos mucho más pequeños que los de la levadura". Este hallazgo indicaba que se encontraba frente a dos tipos de fermentaciones (en este caso alcohólica y láctica), que involucraban a dos tipos de microorganismos (en este caso, levaduras y bacterias, respectivamente).
En los años siguientes, Pasteur identificó y aisló los microorganismos responsables de la fermentación en la producción del vino, cerveza y vinagre. Demostró además, que si calentaba el vino, la cerveza y la leche por unos minutos, podía matar a los microorganismos y así esterilizar el producto (pasteurización).
El descubrimiento de la fermentación por Luis Pasteur representó un paso gigante para la ciencia. En esa época, la ciencia estaba dominada por las leyes de los químicos (el propio Pasteur lo era), quienes suponían que el alcohol se producía por vibraciones que hacían inestables a los azúcares al punto de degradarlos a moléculas más pequeñas. Aunque reconocían la presencia de levaduras en la fermentación alcohólica, las consideraban productos o catalizadores de la fermentación. Pasteur demostró, nada más ni nada menos, que las levaduras eran la causa de la fermentación y que los microorganismos podían realizar reacciones químicas complejas.
Por sus trabajos sobre el origen de los microorganismos, la fermentación y otros (pasteurización, producción de vacunas, etc.), Luis Pasteur es considerado el creador de la microbiología.

Producción de bebidas alcohólicas
Las bebidas alcohólicas se producen a partir de diferentes sustratos, dependiendo de la región geográfica. Las materias primas de partida pueden ser azúcares simples, como los presentes en el jugo de uva (para el vino) o de alto peso molecular, como el almidón de los granos de cebada (para la cerveza). Para la obtención de las bebidas se emplean levaduras del género Saccharomyces, las que en condiciones anaeróbicas (muy baja concentración de oxígeno) metabolizan estos azúcares convirtiéndolos en etanol. Este proceso se conoce como fermentación alcohólica.
Existen dos tipos de bebidas alcohólicas: aquellas que se obtienen directamente por fermentación de los diferentes sustratos y las destiladas, producidas por destilación del producto de la fermentación. Ejemplos de sustratos que se emplean en la fermentación alcohólica para la obtención de bebidas alcohólicas:


Sustratos
Bebidas
cebada y otros cereales cerveza
arroz sake
jugo de manzana sidra
jugo de uva vino
cebada whisky escocés*
malta, trigo, centeno, avena whisky irlandés*
maíz whisky americano bourbon)*
caña de azúcar ron*
granos triturados, con saborizantes de semillas de enebro, anís, etc. ginebra*
grano o papa, aromatizado con semillas de alcaravea aquavit*
grano o papa, sin saborizantes vodka*
jugo del cactus Agave tequilana tequila*
uvas blancas de Cognac, Francia coñac*
frutas variadas brandy*
jugo de cerezas kirsch*

* Bebidas destiladas
Fuente: Alan Wiseman. 1980. Principles of Biotechnology. Surrey University Press. 

La cerveza: una larga historia

Cuaderno para docentes Nº 22: la biotecnología tradicional y la historia del vino
 

El alcohol como combustible
El etanol presenta varias ventajas sobre los derivados del petróleo para ser empleado como combustible:

  • Se produce a partir de cultivos agrícolas, que son fuentes renovables de energía
  • Puede obtenerse a partir de cultivos propios de una región, permitiendo la producción local del biocombustible
  • Permite disponer de combustible independientemente de las políticas de importación y fluctuaciones en el precio del petróleo
  • Produce mucho menos emisiones nocivas para los seres vivos, el agua y el aire
  • La producción podría realizarse a partir de desechos agrícolas, forestales, industriales o municipales.
Actualmente el alcohol se produce principalmente a partir de caña de azúcar o maíz (en algunos casos el maíz es mezclado con un poco de trigo o cebada), cuyos hidratos de carbono son fermentados a etanol por las levaduras del género Saccharomyces. La caña de azúcar es sin duda la fuente más atractiva para la producción de etanol, ya que los azúcares que contiene son simples y fermentables directamente por las levaduras. El mayor inconveniente es que resulta cara como materia prima.
Los cultivos como el maíz son ricos en almidón, un hidrato de carbono complejo que necesita ser primero transformado en azúcares simples. Este proceso se denomina sacarificación, e introduce un paso más en la producción, con el consecuente aumento en los costos.
Las materias primas ricas en celulosa, como los desechos agrícolas y forestales son las más abundantes y baratas, sin embargo la conversión de la celulosa en azúcares fermentables es un proceso complejo y costoso que hace que la obtención de etanol a partir de desechos no sea rentable, al menos por ahora.

Los principales productores de alcohol como combustible son Brasil, Estados Unidos y Canadá. Brasil lo produce a partir de la caña de azúcar y lo emplea como “hidro-alcohol” (95% etanol) o como aditivo de la gasolina (24% de etanol). Estados Unidos y Canadá lo producen a partir de maíz (con un poco de trigo y cebada) y lo utilizan en diferentes formulaciones que van desde el 5% al 85% de etanol.

Cuaderno para docentes Nº 58: los biocombustibles  

Algo más sobre las levaduras

 

Además de su papel protagónico en la producción de alimentos, la levadura de cerveza, Saccharomyces cerevisiae, es también una especie modelo para estudios biológicos y genómicos, y ha resultado una herramienta poderosa para el entendimiento de los genes de organismos eucariontes superiores, como los humanos.

La simplicidad de manipulación genética de la levadura permite que sea utilizada convenientemente para analizar la función de los productos génicos de organismos eucariontes superiores. En cuanto a su utilización biotecnológica como fábrica de moléculas recombinantes, la levadura es de gran utilización para la preparación de proteínas recombinantes de uso comercial. La importancia de esta levadura en la producción de productos por ingeniería genética puede verse en la primera vacuna recombinante aprobada para humanos (contra la hepatitis B), y el primer producto alimenticio recombinante aprobado, la renina (o quimosina) utilizada en la fabricación de queso, que fueron producidos en sistemas de levaduras. Con 12.000.000 de pares de bases y 6.000 genes en 16 cromosomas, Saccharomyces cerevisiae fue, en 1997, el primer organismo eucarionte en tener su genoma secuenciado.

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