Biotecnología en tu ensalada: el vinagre.

Volvemos a la sección más biotecnológica del blog, con un alimento ampliamente utilizado en los menús y mesas de nuestras casas, pero del cuál, poco se conoce sobre su naturaleza y método de fabricación. Estoy hablando del vinagre, un producto que junto con el pan, la cerveza y/o el queso, forman parte de los alimentos de origen biotecnológico que más habitualmente consumimos en nuestras dietas. Así pues, es bien merecedor de dedicarle una entrada en este blog. Vayamos entonces, a ver que es y cómo se hace, uno de los principales aliños de nuestras ensaladas.

Vinagre de manzana

El vinagre (del latín vinum acre que significa vino agrio), es una solución de ácido acético (4 gramos de ácido acético en cada 100ml de solución), elaborado por fermentación, a partir de sustratos alcohólicos de diferentes orígenes. Según el Real Decreto  661/2012, de 13 de abril, por el que se establece la norma de calidad para la elaboración y la comercialización de los vinagres, se define el vinagre como: el líquido apto para el consumo humano, resultante de la doble fermentación alcohólica y acética de productos de origen agrario, que contengan azúcares o sustancias amiláceas, con una riqueza mínima de 50 g/l.  El vinagre, así concebido, puede ser utilizado como acidulante natural, condimento, conservador natural, neutralizante de olores, agente medicinal o como ingrediente versátil en procesos de limpieza. El primer vinagre conocido, se remonta a la época babilónica en el año 5000 a.C aunque, no se conocen antecedentes, de quién fue el primero en obtener este líquido fermentado, puesto que se supone, que su formación fue consecuencia de un descuido, al dejar abandonado aire libre, una barrica de vino. Este proceso se conoce comúnmente, con el nombre de “picado del vino” y en él, la formación de ácido acético tiene mucho que ver.

Barricas de vino

Dada la importancia agroalimentaria y económica que suponía el picado del vino, fueron muchos los científicos que trataron de describir los procesos que transformaban el vino en vinagre, y por tanto, lo hacían inapropiado para su consumo como bebida. Entre los muchos que intervinieron, podemos destacar como dos “escuelas”; la de los defensores de la teoría química oxidativa, que asumían que el vinagre se formaba únicamente por una reacción química abiótica oxidativa, destacando en esta escuela, los químicos, Jöns Jacob von Berzelius, sir Humphry Davy, Justus von Liebig; mientras que en la otra escuela, la de los defensores de la teoría fisiológica, éstos asumían que el vinagre se formaba por una reacción química biótica oxidativa (dónde, además de reactivos y productos, también participaban microorganismos), destacando como defensores el ingeniero Charles Cagniard de la Tour y el biólogo Friedrich Traugott KützingPasteur y el vinagre Sin embargo, sería finalmente Louis Pasteur en 1862,  quién a través de su artículo titulado “Sobre los micodermos y un nuevo procedimiento industrial de la fabricación del vinagre“, el primero en describir un proceso de fabricación industrial del vinagre, que conseguía romper así, con las diversas corrientes científicas establecidas al respecto hasta ese entonces. En este escrito, Pasteur explicaba que: “los micodermos servían de medios de transporte del oxígeno del aire sobre una multitud de sustancias orgánicas, y que producían su combustión con una rapidez a veces sorprendente, siendo ésta, una propiedad apropiada para el establecimiento de un nuevo procedimiento de fabricación de los vinagres“. Todos estos conocimientos y otros, fueron recopilados por el mismo Pasteur en su libro “Études sur le vinagre” en 1868.

Decíamos que el vinagre, es un líquido apto para el consumo humano procedente de una doble fermentación, ocurrida sobre sustancias alcohólicas de diverso origen (zumo de uvas, peras, ciruelas, naranja, piñas, cerezas, hidromiel, malta, cerveza y/o vino). La primera reacción que tiene lugar en la formación del vinagre, es la fermentación alcohólica, durante la cuál, levaduras del género Saccharomyces spp. en condiciones anaeróbicas (ausencia de oxígeno), oxidan los hidratos de carbono del Doble fermentaciónmedio líquido, produciendo etanol, CO2 y agua. Gracias a este etanol producido en la primera fermentación y a la presencia de bacterias de la familia Acetobacteraceae (descubiertas por Gerhard Henrick Armauer Hansen, en 1878), tiene lugar la segunda fermentación: la fermentación acética.  En este caso, y a diferencia de la fermentación alcohólica, se trata de una oxidación parcial del etanol o C2H5OH (no se generan como productos CO2 y auga) en condiciones aeróbicas, lo que lleva a que en realidad, no se trate de una fermentación teórica.  No obstante, también puede llevarse a cabo la fermentación acética en ausencia de oxígeno por medio de bacterias del género Clostridium (Clostridium thermoaceticum o Clostridium acetobutylicum) y Acetobacterium; capaces además, de transformar directamente la glucosa en ácido acético, sin requerir la presencia de etanol Bacterias acéticascomo producto intermedio. Las principales especies de la familia Acetobacteracea que participan en la oxidación del etanol, son del género Acetobacter (Acetobacter aceti, Acetobacter pasteurianus, Acetobacter xylinium (únicas productoras de celulosa) y Acetobacter peroxydans) y del género Gluconobacter (Gluconobacter oxydans), presentes en los alimentos, flores, agua y suelos. Otras bacterias acéticas que se conocen, son las del género Gluconacetobacter (Gluconacetobacter hansenii), Acidomonas, Asaia, Kozakia, Swaminathania, Neoasia, Granulibacter y Saccharibacter, aunque estas terminaciones están en constante cambio taxonómico. Globalmente, las bacterias acéticas son Gram negativa, aerobias estrictas, oxidasa negativo y catalasa positivo, con una temperatura óptima de 30ºC, un valor de pH óptimo entre 5,4 y 6,3, alta tolerancia a concentraciones altas de ácido acético, bajo requerimiento de nutrientes y cierta incapacidad para metabolizar el ácido ácetico o CH3COOH (en el caso del género Acetobacter, esto depende de la presencia de etanol en el medio ya que es más resistente a este compuesto que G. oxydans; concentraciones bajas facilitan la sobreoxidación). Además de metabolizar el etanol, las bacterias acéticas pueden pueden metabolizar algunas hexosas como manitol, manosa, glucosa (a ácido glucónico), fructosa (a oxofructosa) o ribosas.

Reacciones de fermentación acética 2

Se trata de una reacción global exotérmica (se libera energía en forma de calor), en donde intervienen dos enzimas, la alcohol deshidrogenasa NAD+ y la aldehído deshidrogenasa, que llevan a cabo dos deshidrogenaciones (etanol-acetaldehído y acetaldehído-ácido acético) en condiciones aeróbicas; la presencia de un sistema enzimático ligado a la membrana de las bacterias, la citocromo C533 reductasa, especialmente en Gluconobacter oxydans y en A. peroxydans, permite que se genere una reacción de dismutación (el mismo etanol es oxidado y reducido, como ocurre con el peróxido de agua) y se ralentice la tasa de oxidación del etanol. El resultado de todas estas reacciones, es un rendimiento de 1,10 gramos de ácido acético  por cada Reacciones fermentacióngramo de etanol oxidado (14- 18% de ácido acético en el líquido final, a partir de un 10-13% de etanol presente en el líquido a fermentar). No obstante, además de producirse ácido acético como producto, también se liberan otras sustancias que contribuyen al aroma del vinagre, como la glicerina, el ácido succínico, ácido tartárico, ácido cítrico, varios ésteres, pentosas, sales minerales, metales (mercurio, arsénico, plomo, cobre o zinc en cantidades casi traza) y otros compuestos volátiles. Además de en el vinagre, el ácido acético resultante en esta fermentación, puede usarse como aditivo alimentario (E-260) con función de condimento y para la regulación de la acidez de los alimentos.

Otros factores que intervienen en la fermentación acética son: el tipo y la densidad de bacterias presentes (diferentes cepas generan diferentes rendimientos; las bacterias acéticas deben estar en la fase exponencial de su crecimiento, superando las 105 CFU/ml), la temperatura (proceso termorregulado; a un aumento de temperatura, se provoca una muerte celular elevada, se reduce la tasa de oxidación y se facilita la evaporación del etanol y del ácido acético), la concentración de etanol (a partir de una composición inicial del 13% de etanol, parte de este etanol, no se oxidará), de ácido acético y la concentración y pureza del oxígeno disuelto (mayor difusión, mayor tasa de oxidación del etanol; además, las bacterias acéticas son sensibles a los contaminantes del aire). Otro posible factor que puede afectar, es la presencia de nutrientes en el tipo de materia prima utilizada, una de las principales influencias en las características organolépticas del vinagre producido.

Tipos de vinagres

Entre los métodos de fabricación del vinagre más conocidos, encontramos dos tipos, según cómo se distribuyan las bacterias acéticas en el medio o líquido a fermentar. Este tipo de métodos de fabricación del vinagre, constituyen el 10% de los métodos de producción mundial de ácido acético. Así pues, podemos destacar:

A) Métodos superficiales

En ellos, la fermentación acética se produce en la interfase líquido- gas, a través de la formación de una película o velo sobre la superficie del líquido alcohólico a fermentar. Esta película gelatinosa, denominada como sustrato madre o Mycoderma aceti (como la denominó Pasteur, puesto que creía que eran hongos), está formada por colonias de bacterias acéticas, que al contacto con el oxígeno situado por encima, serán capaces de transformar el etanol presente en el líquido a fermentar. Estos métodos, denominados como estacionarios o continuos por las características de la distribución de la fermentación, pueden dividirse en:

A1. Método tradicional: se usan barriles abiertos semi-llenos, donde el líquido alcohólico a fermentar, está directamente en contacto con el oxígeno del aire de la superficie. Todo el líquido alcohólico inicial, se transforma en vinagre; por tanto, se trata de un método muy lento (puede llevar hasta años) pero de una alta eficiencia en cuanto a la calidad final del vinagre. Era el método empleado habitualmente por los romanos y los productores de vino de la antigüedad.

A2. Método de Orleans o  francés : método datado en el año 1670 y basado en el llenado de barriles de 200 litros de capacidad, en los que se vierte, el producto a fermentar y un inóculo de bacterias acéticas o, un 1/4 de la capacidad del barril de solución de vinagre madre (producido con anterioridad y sin pasteurizar) y ¾ con el líquido a fermentar. Con estos vólumenes, se crea así una cámara de aire que mantiene en contacto con el aire exterior, dicha mezcla, mediante diversos tipos de abertura (la propia boca del barril y dos orificios situados a ambos lados de dicha boca, por encima del nivel del líquido) protegidas por una rejilla. En la superficie del líquido, se forma una película o velo de carácter mucilaginoso que será, donde se va transformando el líquido a fermentar en vinagre, desde la superficie hacia el fondo. Esta película va engordando hasta caer al fondo, a la vez que se sigue produciendo otro velo en la superficie, permitiendo así que continúe la acetificación de todo el líquido (método continuo).

Método de Orleáns

Acetificador Método de Orleáns

Como el proceso de aireación es limitado, es necesario realizar una renovación de 2/3 del producto fermentado (pie de cuba)se agrega la misma cantidad de líquido a fermentar, que de líquido fermentado que se retira por un orificio del fondo del barril, repitiéndose el proceso hasta alcanzar el valor de acidez deseado (4,6% o 1,4º); para ello, se deben conocer las concentraciones de etanol y ácido acético presentes en el medio a fermentar, que se mantendrán constantes a lo largo del proceso, para minimizar el efecto tóxico de la acidez sobre las bacterias del velo o película. En este proceso de renovación, se debe ser muy cuidadoso intentando no remover el velo formado, para evitar que se rompa la continuidad del proceso. El resultado, es un método de fermentación lento (se producen entorno a 10-15 litros de vinagre, al mes del inicio de la fermentación), pero muy efectivo tanto en rendimiento (de 100 litros de líquido a fermentar, se obtienen 95 litros de vinagre) como en calidad final del vinagre resultante (gran complejidad organoléptica). Tras este período, se filtra el contenido para eliminar los sedimientos y residuos producidos, se clarifica, se embotella y se pasteuriza (a 74º durante 15 minutos; sino se hace, aparecerán los nematodos llamados “anguilillas del vinagre“) el vinagre producido, que ya estará listo para su consumo. Existe una variedad, el método Orleáns modificado, en donde la renovación del líquido fermentado, tiene lugar por medio de un tubo que llega al fondo del barril, para evitar que la película o velo, se vea removida, interrumpida o se hunda en el fondo, paralizando así las reacciones de fermentación superficiales.

Acetificador Orleáns modificado

Acetificador Orleáns modificado

A3. Método Schutzenbach o alemán: este método, datado en 1823, utiliza barriles de madera con doble fondo; sobre el primer fondo, agujereado, se disponen una serie de capas de virutas de madera de encina o de haya, impregnadas en vinagre madre o con inóculos de bacterias acéticas, encontrándose éstas, inmovilizadas (método estacionario). Sobre esta zona, será por la que se esparcirá mediante goteo el líquido a fermentar, a períodos regulares, desde la parte superior del barril. Aquí es dónde tiene lugar la fermentación acética, puesto que, se experimenta un contacto íntimo entre el líquido a fermentar y las virutas de madera impregnadas con las bacterias acéticas, a la vez que, todo ello queda rodeado por el aire que se burbujea durante el goteo a través de los agujeros del primer fondo, y del aire contenido entre las virutas de madera del fondo.

Método rápido

Acetificador Método alemán

El segundo fondo, situado en la parte inferior, será desde donde se recoge el vinagre producido en la fermentación; cuando la concentración de etanol sea próxima al 0%, el líquido fermentado será recirculado desde la parte inferior a la superior, donde será goteado sobre la cama de virutas impregnadas con las bacterias acéticas, empezando de nuevo las reacciones de fermentación (método continuo), hasta alcanzar el valor de acidez adecuado, o la transformación completa del líquido a fermentar en vinagre. Gracias a este mecanismo, se puede producir un trasvase de líquido del primer barril a un segundo, y de éste, a un tercero.  Es un método más rápido que el de Orleáns, puesto que aumenta la superficie de formación de ácido acético por medio de la inmovilización de las bacterias acéticas en las virutas de madera, obteniéndose sobre 100 hectolitros en aproximadamente una semana. Sin embargo, por problemas que pueden surgir en la disipación del calor generado en la fermentación, se puede ver modificada la concentración de los compuestos volátiles, responsables del aroma y por tanto, de la calidad final del vinagre. Se recomienda entonces, para líquidos a fermentar con un bajo grado alcohólico o con pobreza en sustancias extractivas. Un tipo de método alemán modificado, es el método flamenco, en donde el líquido que se gotea desde la parte superior, atraviesa el doble fondo y se mezcla con los sedimentos de la parte inferior, repitiéndose este proceso tras cada extracción de vinagre producido o hasta completar la fermentación acética.

Acetificador

Acetificador método Michaelis

A4. Método luxemburgués, de Michaelis o semi- rápido: se trata de un mix de los métodos Orleans y el método alemán. En un barril similar al del método alemán, se dispone una capa de virutas impregnadas con las bacterias acéticas, en el primer fondo, a la vez que, sobre el líquido a fermentar que se dispone sobre este compartimento, se forma una película o velo mucilaginoso formado por las colonias de bacterias acética. Este barril, será girado sobre un caballete de forma periódica. Así, se produce una doble acetificación en ambas zonas, aumentando la velocidad de la fermentación y evitando la pérdida de aromas, por la presencia del film o película de bacterias acéticas en la parte superior del barril.

B) Métodos sumergidos

B1. Método sumergido o de Frings: desarrollado en 1949, por Otto Hromatka y Heireich Esner, se lleva a cabo en un tanque o biorreactor de 100 a 300 hectolitros de capacidad, en dónde las bacterias crecen en suspensión sobre el líquido a fermentar e interaccionan con el oxígeno, presente en las burbujas dispersadas finamente (mejor distribución del O2) a gran velocidad y por toda la sección transversal, gracias a la acción del agitador. De esta forma, se garantiza la máxima transferencia posible, desde la fase gaseosa a la fase líquida, del oxígeno hacia las bacterias acéticas. El líquido a fermentar entra al tanque a través de una bomba de alimentación y el vinagre producido, sale por medio de una bomba de descarga.

Acetificador Frings y Cavitador

Acetificador Frings y Cavitador

Existen dos tipos de acetificadores de este tipo, el acetificador de Frings (Acetator), el acetificador de Mackin (con un atomizador como agitador) o el cavitador (presenta un tubo central vertical hueco, que gira sobre el rotor vertical del fermentador haciendo que las burbujas, se formen por succión desde la superficie al fondo). Se trata de un método semicontinuo y totalmente automatizado (presenta dispositivos de medida de las concentraciones de etanol y ácido acético en solución, para determinar cuando debe realizarse la descarga del producto y la renovación del líquido a fermentar; el control de la refrigeración y aireación también son automáticos) que garantiza una fermentación acética rápida y uniforme a lo largo de todo el tanque. No dispone de una capa de virutas que actúe como soporte,  como ocurre en el caso del método alemán, pero esta capa sí está presente, en una modificación de este método sumergido, el conocido como método de inmersión. En este método, una cesta llena de virutas impregnadas con bacterias acéticas, se sumerge en la parte superior del tanque. Cuando se sumerge la cesta, se produce la descarga del vinagre producido y se renueva el líquido a fermentar; cuando se mantiene a flote o fuera de todo contacto con el líquido, se produce la rápida oxidación del etanol, haciendo así que los rendimientos de la transformación del etanol en ácido acético, sean más altos en el menor tiempo posible (24-48 horas).

Método semicontinuo

Acetificador Método semicontinuo

Cómo resultado de la aireación a la que son sometidos en su fabricación, estos vinagres presentan una coloración mas amarillenta, producida por el mayor pardeamiento enzimático que sufren durante la fermentación acética (en el método Orleáns, al verse limitado el aireamiento, el pardeamiento enzimático no será tan abrupto). Desde el punto de vista organoléptico, es un vinagre más ácido (se alcanzan valores de acidez de entre 9 a 6%) pero con menores matices organolépticos (apenas se forman compuestos volátiles, siendo mayoritarios los flavanoles) y por tanto, de una menor calidad y de un precio más barato. Todos estos problemas, están en continuo estudio de mejora. 

Antes de terminar con el post, deciros que, el vinagre balsámico procede de la fermentación de un licor de mosto de uva de preferencia Trebbiano, con una riqueza del 30% en azúcares, debido al cocinado previo de ese mosto. La fermentación acética se lleva a cabo por el método tradicional, conjuntamente con la fermentación alcohólica, siendo por tanto su rendimiento, muy bajo (de ahí su precio). El vinagre de malta, se produce por medio de la fermentación sin destilación, de una infusión de malta de cebada o de otros cereales, dónde la fuente de azúcares para la primera fermentación, es la maltosa. En el caso del vinagre de manzana, resulta de la adición de zumo concentrado de manzana, al vinagre de sidra dando lugar, a un vinagre dulce con un contenido mínimo de azúcar total de 150 g/l procedente exclusivamente, del zumo concentrado de manzana.

Pues hasta aquí, llegamos por hoy. Espero que hayáis aprendido algo más acerca del vinagre y de cómo se fabrica este aliño tan importante para las ensaladas y los productos escabechados.

¡Nos “leemos” en la próxima entrada!

TatianaDC

Fuentes

Garnai, M.C “The influence of culture media on acetic fermentation with selected acetobacter strains” Scientific Study & Research Chemistry & Chemical Engineering, Biotechnology, Food Industry (2012)  ;  Raspo, P.  Goranovič, D. “Biotechnological applications of acetic acid bacteria in food production” Biotechnology – Vol. VII Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS)  ;  Hernández, A. “Microbiología industrial” EUNED (2003)  ;  Fraizer, W.C et al. “Microbiología de los alimentos” 4º Edición Ed. Acribia ;  Parés i Farràs, R. et al. “Bioquímica de los microorganismos” Ed. Reverte (1997) ; Martinez Moltalvo, M.C. “La elaboración del vinagre en el S.XIX. Discordia y enfrentamiento Químico-Biológico” Actas VIII Congreso de la Sociedad Española de Historia de las Ciencias y las Técnicas  ;   Nomura et al. “Acetic Acid Production by an Electrodialysis Fermentation Method with a Computerized Control System” Applied and environmental microbiology (1988) ; http://www.acenologia.com/cienciaytecnologia/vinagre_vino_cienc1213.htm 4/5     http://en.wikipedia.org/wiki/Acetic_acid http://es.wikipedia.org/wiki/Fermentaci%C3%B3n_ac%C3%A9tica

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