ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DE CHIMBORAZO FACULTAD DE CIENCIAS CARRERA: BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL ASIGNATURA: BIOTECNOLOGIA AMBIENTAL Informe N° 1 1. TEMA DE LA PRÁCTICA Obtención de cerveza casera o artesanal 2. INTRODUCCIÓN La cerveza es un producto que podemos encontrar en cualquier supermercado, pero para ello ha sido necesario una serie de procesos que van desde la germinación del cereal (cebada), pasando por un proceso de maceración (hidrolisis enzimática) hasta la cocción y su fermentación. Se trata de un proceso muy sensible y caracterizado por todos y cada uno de los ingredientes que empleamos en su elaboración, así como de la forma en la que se realicen cada uno de los procesos. Es por ello que en el mercado nacional y mundial encontramos una gran variedad. En la práctica realizada intentaremos a partir de experiencias anteriores realizadas en la facultad, diseñar todo un proceso para la obtención de cerveza casera o artesanal. 3. OBJETIVO GENERAL Obtener cerveza casera o artesanal a través del proceso de fermentación alcohólica de la Hordeum vulgare (cebada) para estar al tanto de los procesos biotecnológicos que se dan durante en el proceso. 4. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Realizar la germinación de la cebada, evitando que se generen reacciones no deseadas Identificar los residuos que se generan de los procesos durante la fabricación de la cerveza Conocer las alternativas de reutilización de los productos que se generan en cada proceso. 5. MATERIALES Y EQUIPOS 5.1. Materiales y reactivos 5.1.1. Materiales 1 Bandeja plástica para el germinado 1 Bandeja de acero inoxidable para el tostado 1 Cuchara de palo o de acero inoxidable 1 Molino 1 Termómetro 2 Ollas de 15 a 20Ltrs 1 cocina 1 fermentador o un barril 1 tanque de gas 1 cernidero Guantes Cofia Mascarilla 1 manguera 1 botella de 3Ltrs 5.1.2. Reactivos Agua 2,5 kg Cebada Levadura Lúpulo 5.1.3. Equipos Equipo de molienda Sistema de secado y tostado Sistema de fermentador Sistema controlador de CO2 6. Procedimiento experimental 6.1. Diagrama experimental Esquema 1: Diagrama del proceso de obtención de la harina de malta Esquema 2. Proceso de elaboración de elaboración de la cerveza 7. Marco teórico y experimental 7.1. Marco experimental La práctica de “Obtención de cerveza casera o artesanal” se llevó acabo el día 27 de noviembre del 2020 en el domicilio de la familia Pino Castillo ubicada en las calles Colon y Venezuela de la ciudad de Esmeraldas, provincia de Esmeraldas, cuyas coordenadas son 0°57′N 79°39′ W y una altura de 20 msnm. 7.2. Marco teórico 7.2.1. Historia de la cerveza No se sabe con exactitud el origen de la cerveza. Probablemente su existencia sea tan antigua como el origen del hombre. (Grannaria, 2018) Los primeros datos que se conocen datan de la época de los sumerios, en la baja Mesopotamia, allá por el año 4000 antes de Cristo. Hoy correspondería con lo que es una parte de Irak. Los sumerios elaboraban una especie de cerveza que llamaba “bebida fuerte” con extracto de cebada. (Grannaria, 2018) Sabemos de su existencia porque se hallaron unas pequeñas tablas de arcilla donde se mencionaba tal licor. Probablemente fueron los sumerios quienes por casualidad dejaron germinar algunos granos de cebada que al combinarlos con agua y levaduras salvajes dieron como resultado una incipiente cerveza. (Grannaria, 2018) La antigua Mesopotamia se transformó con el tiempo en el Imperio Babilónico, y los conocimientos sobre la elaboración de la cerveza se fueron ampliando. De hecho, los babilonios elaboraban diferentes tipos de cerveza. (Grannaria, 2018) La primera receta conocida se encuentra en el Código de Hammurabi. En el Museo Británico se encuentran dos piedras grabadas con más de 5.000 años de antigüedad donde se puede ver una ofrenda de cerveza a la diosa Nin-Harra. Se trata del Monumento Azul. (Grannaria, 2018) Al mismo tiempo, los egipcios también bebían un licor a base de cebada que llamaba “zytum”. Esta bebida era aromatizada en ocasiones con miel, dátiles, canela, entre otros. (Grannaria, 2018) Se sabe que los trabajadores de las pirámides cobraban parte de sus salarios en cerveza. Recibían entre cuatro y seis litros de cerveza al día. (Grannaria, 2018) Los egipcios exportaron la cerveza a los griegos, quienes a su vez la exportaron a los romanos y éstos a los galos y germánicos. Sin embargo, los romanos no estaban muy interesados en este licor. Lo consideraban una bebida inferior, ya que ellos daban muchísima más importancia al vino. (Grannaria, 2018) Fueron los galos y germánicos quienes empezaron a elaborar la cerveza con malta de cebada y avena. Para dar aroma usaban el comino. (Grannaria, 2018) En honor al Dios Ceres, Dios de la agricultura, los galos dan al licor que elaboraban el nombre de “cerevisa”. De ahí el nombre de origen latino de “cerveza” que nosotros conocemos. (Grannaria, 2018) Durante la Edad Media fueron las Abadías de Centro Europa las guardianas de la cerveza, mejorando la calidad de las recetas. (Grannaria, 2018) Los monjes guardaron celosamente sus recetas y lograron mejorar el aspecto, el aroma y el sabor de las cervezas que elaboraban. (Grannaria, 2018) Hacia el Siglo XV se empieza a utilizar el lúpulo como aromatizante. Pronto se dieron cuenta que la cerveza a la que se le añadía lúpulo se conservaba durante mucho más tiempo. Sin querer habían encontrado un conservante natural debido a las propiedades antisépticas que posee. La cerveza se popularizó tanto en algunos países que pronto se crearon leyes para su regulación. (Grannaria, 2018) El 23 de Abril de 1516 el Emperador Guillermo IV de Baviera decreta la Ley de Pureza donde decreta que la cerveza solamente se debía elaborar a partir de tres ingredientes: agua, malta de cebada y lúpulo. Evidentemente aún no se conocía el ingrediente fundamental, el cual había estado desde el origen de la cerveza y que es el que realmente elabora la cerveza. Nos referimos a la levadura. (Grannaria, 2018) Es en el siglo XVIII cuando la cerveza consigue su gran expansión. Cerveceros bávaros almacenaban sus cervezas en sótanos, y cuevas a los que llaman Lagern (almacén) donde dejaban que su cerveza madurara lentamente con el frío a temperaturas constantes, normalmente entre 8 y 10 grados. Utilizaban levaduras de baja fermentación. (Grannaria, 2018) La cerveza se comenzaba a industrializar a finales del siglo XIX. Los principales centros productores en Europa eran Burton-on Trent en Inglaterra, München en Alemania y Pilsen en Bohemia. Cada uno de ellos tenía un estilo propio de elaboración de cerveza. (Grannaria, 2018) Es en el Siglo XX cuando la cerveza nace con una vocación global de ser industrializada. Aparecen las grandes compañías cerveceras que fagocitan a las pequeñas industrias artesanales. (Grannaria, 2018) En el Siglo XXI parece que se está invirtiendo un poco esa tendencia, y asistimos a un florecimiento de la pequeña industria cervecera con carácter artesano que da a la cerveza un toque de calidad y exclusividad que había perdido. (Grannaria, 2018) 7.2.2. La cebada La cebada (Hordeum vulgare L.) es uno de los cultivos más importantes de la sierra ecuatoriana. La provincia de Chimborazo registra la mayor superficie dedicada al cultivo de cebada con 18 000 has de las 48 000 has que producen a nivel nacional, seguido de la provincia de Cotopaxi (10 000 ha). Es importante señalar que gran parte de la cebada cultivada en las comunidades indígenas de estas provincias es utilizada para el autoconsumo. La forma de consumirla puede ser semi-molida (arroz de cebada) en sopas, o en forma de harina (máchica) para hacer coladas o mezclarla con leche (chapo) o agua en el desayuno. Los excedentes son comercializados para obtener ingresos económicos. Razones fundamentales por lo que la cebada se constituye en un cultivo muy importante en los sistemas de producción comunitarios de la sierra ecuatoriana. (Instituto Nacional de Investigaciones Agropecuarias , 2018) 7.2.3. Levadura empleada en la cerveza La levadura que se utiliza en la elaboración de la cerveza (Saccharomyces cerevisiae) forma parte del Reino Fungi. Ha sido usada durante millones de años, tanto para la fermentación como para el horneado, y es única entre todas las especies, pues puede crecer y reproducirse tanto con o sin oxígeno. (Cerveza artesana, 2014) En la elaboración de cerveza se usan dos tipos principales de levadura, la ale (o de alta fermentación) y la lager (o de baja fermentación). Estas denominaciones hacen referencia a su tendencia de formar grumos o flocular en la parte superior o la parte inferior del fermentador antes de finalizar la fermentación. Ambos tipos tienen diferentes características que afectan al sabor, el aroma y la sensación en boca de la cerveza terminada: (Cerveza artesana, 2014) Levadura ale (Saccharomyces cerevisiae). La levadura de alta fermentación trabaja a una temperatura de fermentación templada, entre 18 y 24ºC. A temperaturas más bajas, la levadura se iría ralentizando hasta pasar a estado latente. Esta cálida fermentación promueve la creación de subproductos que afectan el sabor y el aroma de la cerveza de forma positiva. El subproducto principal son los ésteres, que dan a la cerveza sabores afrutados y fenoles, que a su vez otorgan sabores especiados. Cuanto más alta sea la densidad de la cerveza, más fácil será que las altas temperaturas propicien que la levadura cree alcoholes fusel, traduciéndose en indeseadas notas a solvente. La levadura ale, además, no fermenta según qué cadenas de azúcares (tal y como sí hace la lager), hecho que implica la obtención de cervezas con una sensación en boca más plena y redonda. (Cerveza artesana, 2014) Levadura lager (Saccharomyces pastorianus). La levadura de baja fermentación fue la primera en ser identificada en el Carlsberg Laboratory de Dinamarca. A medio camino entre la S. cerevisiae y la S. bayanus, este híbrido probablemente nació en el siglo XVI, cuando la levadura se adaptó al acondicionamiento en frío, en las cavernas de almacenaje alemanas. Las levaduras lager fermentan a bajas temperaturas, entre 7 y 12ºC. Además, son capaces de fermentar ciertas cadenas largas de azúcares que las ales no pueden fermentar. Ello da a las lager una sensación en boca mucho más ligera. Asimismo, las temperaturas bajas de fermentación inhiben la producción de ésteres y fenoles, dando a las cervezas un perfil limpio, sin notas especiadas o afrutadas derivadas de la levadura. Sin embargo, el proceso de fermentación de la levadura es más lento, por lo que requiere un condicionamiento mucho más largo, a temperaturas cercanas a 0ºC. (Cerveza artesana, 2014) 7.2.4. Tipos de cerveza Lager y Pilsen: Elaborada con malta pálida, de aspecto rubia y de baja fermentación y baja graduación alcohólica. Abadía: Elaborada con cebada, de fermentación y graduación elevada. De fabricación artesanal en abadías o pequeñas cervecerías. Gueuze-Lambic: Mezcla de trigo y cebada, de fermentación natural sin necesidad de levadura. Blanca: Contiene únicamente trigo, es muy pálida, más clara que la Pilsen. Posee fermentación alta y bajo contenido alcohólico, tiene un con un sabor ligero a la par que marcado. Ale: Fermentación rápida a altas temperaturas generan sabor afrutado, fermentado con varias levaduras. Tanto el color como la fuerza son variables. Hay diferentes tipos: See Bitter, Brown Ale, Cream Ale, Indian Pale, Mild, PaleAle, Scotch Ale. Stout: Elaborada con malta tostada con proceso de alta fermentación. Suele ser dulce y su graduación alcohólica es baja. 7.2.5. Procesos biotecnológicos en el proceso 7.2.5.1. Fermentación La fermentación es otra vía anaeróbica (no que requiere oxígeno) para degradar la glucosa, esta se realiza en muchos tipos de células y organismos. En la fermentación, la única vía de extracción de energía es la glucólisis, con uno o dos reacciones extras al final. (Academy, 2016) 7.2.5.2. Fermentación alcohólica En esta ruta el Piruvato se degrada a alcohol liberando CO2, es un proceso que desarrollan algunos microorganismos como la levadura de cerveza. (Jesús Merino Pérez; María José Noriega Borge, 2015) 7.2.5.3. La Glucólisis en el proceso de la cerveza La glucolisis es el proceso donde se degrada una molécula de glucosa en una serie de reacciones catalizadas enzimáticamente, dando dos moléculas del compuesto de tres carbono Piruvato. Durante la secuencia de la glucólisis, parte de la energía libre cedida por la glucosa se conserva en forma de ATP y NADH. (Albert Lehninger; Michael Cox; David L. Nelson, 2016) La glucolisis es una ruta central, casi universal del catabolismo de la glucosa. (Albert Lehninger; Michael Cox; David L. Nelson, 2016) Esquema 3: Ruta metabólica de la glucosa (Glucólisis) Balance global de la glucólisis Glucosa + 2ATP + 2 NAD+ + 4 ADP + 2Pi →2 Piruvato + 2 ADP + 2 NADH + 2 H+ + 4 ATP + 2 H2O La ecuación global de la glucólisis sería: Glucosa + 2 NAD+ + 2ADP + 2 Pi →2 Piruvato + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP De toda la energía producida en la degradación de la glucosa a Piruvato, 35 Kcal/mol, se aprovecha sólo una parte en forma de energía metabólica, 14,6 Kcal/mol, lo que supone un rendimiento de aproximadamente un 42 %, el resto se disipa como energía calórica y sirve, al igual que muchas otras reacciones, para mantener la temperatura corporal. (Jesús Merino Pérez; María José Noriega Borge, 2015) 7.2.5.4. Reacciones presente en la cerveza La degradación de la glucosa por la vía glucolítica produce Piruvato, en este condicionamiento se producen condiciones anaeróbicas las que pueden generar fermentación y producen etanol, lactato y en condiciones aeróbicas se producirían una oxidación completa, degradándose hasta CO2 y agua. (UAH, 2015) Esquema 4: Ruta metabólica simplificada para obtener etanol, lactato, agua y CO2 (Jesús Merino Pérez; María José Noriega Borge, 2015) En condiciones anaeróbicas se había indicado que los microorganismos fermentativos producen alcohol. Esto mediante una serie de reacciones que se ilustran en el esquema 5. En la cual se da un acoplamiento de la oxidación del NADH a NAD + con la reducción del acetaldehído a etanol. (UAH, 2015) Esquema 5: Ruta metabólica del Piruvato a etanol 7.2.6. Técnicas aplicada durante la fabricación de la cerveza Tabla 1: Mejores técnicas disponibles en el área industrial de producción de cerveza (Intituto Tecnológico agroalimentario, 2019) Etapa del proceso Tecnología disponible Recepción y almacenamiento de Sistemas de recepción abiertos materia prima Sistemas de recepción cerrados Transporte de malta Sistemas neumáticos Sistemas mecánicos Filtrado Cuba – filtro Filtro de mosto A presión atmosférica A baja presión Cocción Clarificación Whirpool Fermentación Sistemas de Sistemas de refrigeración directos refrigeración Sistemas de refrigeración indirecta Emisión de CO2 Recuperación de CO2 producido No recuperación de CO2 producido Retirada de Tanques cilindro cónicos levadura Tanques de otras geometrías Limpieza de Fermentación y guarda en el mismo tanques tanque Tanques distintos para fermentación y guarda Separación de levaduras Sistemas tradicionales (centrifugación, filtros de placas, filtros rotativos de vacío) Mejores técnicas disponibles (MTD´s) Sistemas de recepción cerrados con aspiración del aire interior, equipos de retención de partículas (ciclón y filtrado de mangas) y adecuación de medidas de seguridad Ambas tecnologías siempre que minimicen la emisión de polvo. Recogida en seco de la malta caída durante el transporte y posterior reutilización en el proceso Desde el punto de vista medioambiental ambos sistemas son similares, por lo que los dos se consideran MTD´s Sistema de baja presión con acumulación de energía, (para instalaciones ya existentes se consideran MTD´s los sistemas a presión atmosféricas siempre que cuenten con sistemas de recuperación) Reintroducción del turbio en las fases previas (filtrado del mosto) de forma que los sólidos se eliminan junto con el bagazo y se recupera mosto Ambas tecnologías se consideran MTD´s siempre que cuenten con un sistema de detección de fugas y las medidas de seguridad adecuadas Recuperación del CO2 producido Eliminación máxima de levaduras antes de la limpieza Un único tanque para la fermentación y guarda siempre que la calidad de la cerveza no se vea afectada Filtración de flujo tangencial, para instalaciones nuevas Estabilización microbiana Antes envasado Después envasado Limpieza de equipos de Ambos sistemas se consideran MTD´s tanto para instalaciones existentes como para nuevas del Túnel del pasterización Sistemas de optimización de energía Manual CIP Limpieza de instalaciones mantenimiento Tratamiento procesos Filtración de flujo tangencial del Ultrafiltración Pasterización agua Gestión de agua y energía de Manual CIP (Cleaning in place) para Columnas intercambio iones Osmosis inversa Electrodiálisis Columnas intercambio iones Osmosis inversa Electrodiálisis Limpieza CIP Buenas prácticas de limpieza de equipos como por ejemplo: Estandarización de los tiempos de limpieza La dosis de productos utilizados Control operacional Reutilización de soluciones de limpieza Limpieza CIP Buenas prácticas de limpieza de instalaciones, como por ejemplo: Poner por escrito las operaciones o procedimientos Evitar la entrada de sólidos en el sistema de evacuación de aguas residuales Utilización de cierre automático en mangueras de limpieza Utilización de sistemas que permitan el uso combinado de agua y vapor Utilización de productos de limpieza menos peligrosos Osmosis inversa Electrodiálisis Instalación de contadores de agua y energía Gestión integral del agua caliente Recirculación del agua de los vamos del túnel de pasteurización Recuperación de los vahos de cocción Recuperación de condensados Otras medidas de ahorro y optimización del consumo de agua y energía 7.2.7. Proceso de la elaboración de la cerveza El proceso de elaboración de la cerveza casera o artesanal, producto generado por una serie de procesos a la que se somete el cereal “Cebada”, se detallan a continuación. 7.2.7.1. GERMINACIÓN Es el proceso a través del cual los granos desarrollan los enzimas necesarios para el posterior proceso de maceración. Para ello, necesitan tener un grado de humedad próximo al 45%, lo cual se consigue sometiendo a las semillas a procesos de remojado; con agua a 16 ºC y a los procesos de drenado; en los cuales se deja el grano al aire, minimizando los posibles cambios bruscos de temperatura. Alternando la exposición al aire y agua se evita que los granos consuman todo el oxígeno del agua de remojado con lo que detendrían su proceso de germinación, con lo cual no se formarían los enzimas. Y además se minimizan los focos térmicos que producen los propios granos durante su actividad metabólica. Industrialmente se puede llevar el proceso sobre el suelo de grandes almacenes y se va regando el grano con agua y se va removiendo con palas o rastrillos (figura 1 dcha.) con el objetivo de que los granos inferiores no acumulen todo el calor desprendido durante la aparición de la raicilla. En las industrias más modernas se recurre a germinadores de torre (figura1 izqda.) que reaprovechan el agua y el calor de cada una de las etapas de forma muy eficiente. Por el contrario, si se disponen de pocos medios, poco espacio y el proceso se va a llevar a cabo a pequeña escala, bastará con una cuba donde se dejarán las semillas sumergidas unas 8 h y en aireación durante unas12 horas . (Verdú, 2015) Figura 1: Sistema para la germinación del grano: en torre (izada.) y de silo y rastrillo (drcha.) 7.2.7.2. SECADO Y TOSTADO Las semillas germinadas o malta son transportadas hasta el molino. La molienda puede ser seca o húmeda. Se recurre al secado para eliminar la mayor cantidad de agua de los granos consiguiéndose así una humedad próxima al 5 % esto sirve para prolongar los tiempos de almacenado del grano si no se va a moler inmediatamente después de germinar. Asimismo, el tostado también es empleado para reducir la cantidad de agua de los granos pero a la vez que se le da una cierta tonalidad al grano que puede ir desde su color original hasta un color marrón oscuro, el objetivo que se persigue con el tostado es otorgar sabores diferentes a los granos, lo cual posteriormente dará una cerveza con un sabor más amargo y/o un color más oscuro. (Verdú, 2015) 7.2.7.3. MOLIENDA La finalidad de la molienda es la producción de partículas de pequeño tamaño que puedan ser rápidamente atacadas por los enzimas en la cuba de maceración. La molienda ideal podría resumirse como: No deben quedar granos sin moler. La mayoría de las cascarillas deben partirse de extremo a extremo. El endospermo (reservas de almidón) debe quedar libre de la cascarilla. Homogeneizar el tamaño del endospermo. Minimizar la cantidad (<10 %) de harina. Industrialmente se emplean los molinos de rodillos ajustables (figura 2) (Verdú, 2015) Figura 2: Molina de cebada con rodillos ajustables Existen alternativas caseras como la utilización de morteros, batidoras, molinillos de café o como último recurso se puede colocar el grano dentro de una bolsa y golpearlo enérgica y repetidamente contra el suelo. (Verdú, 2015) 7.2.7.4. MACERACIÓN En la maceración, los cereales, se introducen en una cuba, a los cuales se les añade agua previamente acidificada hasta un pH de 5.5. La cantidad de agua se basa en una relación de tres litros de agua por kilo de cereales. Esta mezcla remueve hasta que se forma una pasta consistente. El proceso más simple es precalentar el agua hasta los 70ºC temperatura que descenderá hasta los 65 ºC (temperatura de trabajo óptimo de los enzimas) al introducir el grano, el cual se deja durante una hora y media o dos horas según si quedase o no almidón en el mosto. Las enzimas son los responsables de la hidrolisis de los azucares contenidos en el grano. Se trata de biocatalizadores que encuentran su actividad favorecida a determinadas temperaturas, en este caso, y para las enzimas de interés los rangos están comprendidos entre 55 y 68 ºC de modo que, para la realización de la mejor maceración, es decir, aquella que asegure la máxima conversión en glúcidos fermentables, se trabaja en estos márgenes de temperaturas. Los perfiles térmicos del macerado deben escogerse en función del material a utilizar, así como, de las propiedades de la cerveza a producir o en función de la actividad enzimática que se desee priorizar. Industrialmente, los procesos de malteado son largos y su único fin es la generación de enzimas, por esta razón muchas empresas emplean enzimas ajenas al grano que son inoculadas al inicio de la maceración, con lo que tiempo total del proceso se ve reducido lo cual se traduce en mayores producciones y en menores tiempos, lo cual supone mayores beneficios. Las principales enzimas del proceso las podemos encontrar la tabla 1 donde se facilitan los nombres comunes de las enzimas, así como, su código por el que son conocidas internacionalmente. (Verdú, 2015) Tabla 2: Principales enzimas del proceso para la elaboración de cerveza. (Verdú, 2015) ENZIMA α – amilasa bacteriana α – amilasa fúngica Amilo glucosidasa Pululasana β- glucanasa bacteriana β- glucanasa fúngica Xilanasa Proteasa neutras α – acetodescarboxilasa CODIGO 2.4.2.n2 1.1.99.13 3.2.1.3 3.2.1.3 3.2.1.6 OTROS NOMBRES D – aldohexopyranosidedehydrogenase Glucosidexylosyltransferase Amylo – (1,4 to 1,6)trasnsglucosidase α – dextrin endo-1,6- α – glucosidase β- glucosidekinase 3.2.1.8 3.4.21.12 4.1.1.4 Endo-1,4- β- xylanase α –lyticendopeptodase ALDC La alfa amilasa, el amilo glucosidasa y la pululanasa son enzimas cuya función es transformar los azúcares pesados (almidón) en glucosa y otros azucares fermentables. Los efectos de la beta glucanasa y de la xilanasa se aprecian en las propiedades físicas del producto final, ya que hidrolizan los coloides que se encuentran en el fluido reduciendo así su viscosidad. Las proteasas afectan directamente al proceso productivo y se emplean para controlar la captación del nitrógeno de los aminoácidos por parte de la levadura, es decir, que controlan el crecimiento de la biomasa. Y por último, el ALDC que acelera el proceso de maduración de la cerveza verde. Los parámetros cinéticos de las enzimas es una información muy valiosa para la industria bioquímica, pero pueden conocerse de forma muy aproximada si se plantean una serie de ensayos en los que, fijando la cantidad de sustrato y de enzima, con lo cual, midiendo el tiempo de reacción y analizando los productos con un espectrofotómetro o con un HPLC se determinarían dichos parámetros. Los enzimas como la mayoría delas proteínas, son muy sensibles a los cambios de temperatura y a los cambios de pH, condiciones que pueden llegar a desnaturalizarlas haciendo que pierdan sus propiedades conformacionales y por tanto que dejen de participar en las actividades metabólicas pertinentes. El régimen de trabajo varía según la cerveza a producir o según las enzimas de interés por ello encontramos diferentes vías macerativas. Existen variantes a la infusión simple, en las que se lleva a cabo el proceso mediante rampas de temperaturas (figura 3). (Verdú, 2015) Figura 3: Maceración por rampas (izqda.) y por decocción (dcha.) como alternativa a la infusión simple 7.2.7.5. ASPERCIÓN El objetivo de este proceso, es recircular el mosto varias veces a través del grano, de esta forma se consigue arrastrar cualquier traza de glúcidos que pueda haber quedado retenida en el grano a la vez que se va clarificando el mosto. Posteriormente se repite el proceso, con agua caliente (70 ºC) de esta forma se maximiza la concentración de azucares en el extracto. Ha de tenerse la precaución de no usar agua demasiado caliente, nunca mayor a los 80 ºC, para no extraer sustancias perjudiciales para el sabor de la cerveza como dextrinas o taninos (Verdú, 2015) Fuente 4: Aspersión de mosto sobre el lecho de granos La aspersión se suele realizar con canalizaciones de acero perforadas o con aspersores industriales, aunque se puede improvisar con piezas de ducha y/o de jardinería (Verdú, 2015) 7.2.7.6. COCCIÓN Una vez tenemos el mosto, un líquido dulce, de color caramelo (aunque dependerá del grado de tostado del grano y del tiempo de aspersión) se procederá con una cocción, donde haremos que la mezcla hierva 90 minutos, durante los cuales se añadirá el lúpulo y el Irish Moss. Para la cocción se puede inocular el lúpulo directamente sobre el mosto y luego filtrarlo o añadirlo mediante recipientes de acero inoxidable perforado o con sacos de tela, tal y como podemos ver en la siguiente figura 5. (Verdú, 2015) Figura 5: Sistema para la elaboración del hervido del mosto Con el hervido se consigue: (Verdú, 2015) Esterilizar el mosto (agentes patógenos). Detener toda actividad enzimática remanente Destrucción de las proteínas de gran tamaño (turbidez). Aumentar la concentración de azucares (10% mayor). Coagulación de los taninos extraídos. Aportar el sabor amargo al mosto Intensificación del color 7.2.7.7. Enfriamiento El enfriamiento del mosto se lleva a cabo por un sistema de refrigeración que consiste en un intercambiador de hélice por el que fluye agua a 20 ºC en el caso de las levaduras aleo a 8ºC si se va a utilizar una lager. Una vez la disolución alcance el valor deseado, ya se podrá inocular la levadura sin peligro, puesto que de ser una temperatura superior a la indicada se corre el riesgo de matar a la cepa con lo que no se producirá fermentación. (Verdú, 2015) El sistema más empleado industrialmente es el del serpentín de acero inoxidable (figura XIV) a través del cual se hace circular una corriente de agua fría o en el caso de las empresas más grandes, se recurre a gases como el nitrógeno líquido. Su alternativa son los tanques con camisa, pero el funcionamiento es el mismo. (Verdú, 2015) Figura 6: Sistema de enfriamiento de mosto 7.2.7.8. FERMENTACIÓN El mosto una vez enfriado es apto para comenzar la etapa de fermentación. Aunque la cantidad de levadura inicial sea un valor propio de cada empresa, la variación en el inoculo hará que el resultado final variara enormemente, puesto que si la cantidad inicial es insuficiente se produce una fermentación inicial lenta que alarga el proceso, con las consecuentes re-percusiones económicas que esto supondrá. (Verdú, 2015) Por otro lado, un exceso de levadura en la siembra supondrá una competición por los nutrientes, lo que suele producir un desarrollo de la biomasa pobre y favorece la aparición de esteres, que producen mal sabor en la cerveza. (Verdú, 2015) Durante la fermentación se genera una gran cantidad de calor que puede llevar al metabolismo de las levaduras a la generación de subproductos indeseables; además de existir riesgo de infección. Para la evacuación del calor se emplean generalmente, intercambiadores de hélice por los que fluye agua a la temperatura que precisa la levadura. (Verdú, 2015) La fermentación lager requiere ambientes especialmente fríos, por lo que en muchas fábricas instalan estos tanques, en sótanos o cualquier otro lugar fresco y sin humedad para mantener estable la baja temperatura del proceso. Si no es posible, el intercambiador de calor constará de una camisa por la que fluirá nitrógeno, agua o incluso gases (figura 7) (Verdú, 2015) Figura 7: Ejemplo de fermentación alta en el tanque (superior derecha) o baja (superior izquierda) 7.2.7.9. TERMINACIÓN Cuando la cerveza ya ha alcanzado un grado de fermentación adecuado se la transfiere a la cuba de maduración, donde, a la temperatura adecuada según el estilo la cerveza madura y produce mayor volumen de gas carbónico. Los procesos que se incluyen en la terminación son: A. El afinamiento del flavor, que supone la eliminación, por parte de la levadura, de la máxima cantidad de productos indeseables que se hayan podido formar destacando entre ellos los compuestos sulfurados, así como del acetaldehído y del diacetilo. Se trata de un proceso metabólico lento, que recibe el nombre de purga B. La clarificación de la cerveza, la cual contiene una gran cantidad de células de levadura, por lo que es necesario reducir su número, para evitar cualquier posible problema sanitario o de aspecto final. La forma de clarificar la cerveza reside en un almacenado estático para facilitar la eliminación del excedente de levadura, por medio de la sedimentación. La eliminación no debe prematura o la cerveza perderá cualidades. C. Como se necesita que el producto tenga una vida útil prolongada, y además se debe asegurar que el producto no cambie una vez salga de la fábrica, a esta etapa se la conoce como estabilización. Uno de los mayores problemas es la turbidez del producto. El material responsable de esta turbidez precipita junto con la levadura durante el estacionamiento a baja temperatura y podemos diferenciar dos tipos de turbidez a. En frío, es el descenso en la claridad de la cerveza que se debe a los enlaces entre proteínas, taninos y/o carbohidratos, enlaces débiles (van der Waals y dipolo-dipolo) se ven fortalecidos con el descenso de la temperatura. b. Permanente en este caso son los enlaces químicos (entre proteínas y taninos). Se trata de enlaces fijos y que no se ven afectados por la temperatura (puentes de hidrogeno) de modo que otorgan una turbidez a la cerveza que difícilmente se verá afectada por mucho que se haga D. Aunque el CO2 se forme de manera natural en la reacción de fermentación, en muchas ocasiones su concentración final no es suficiente por lo que se recurre a una carbonatación forzada, donde se inyecta artificialmente el dióxido (Verdú, 2015) 8. RESULTADOS 8.1. Tabla de cantidades empleadas para la obtención de la cerveza Tabla 3. Sustancias empleadas para obtener la cerveza Cantidad Sustancia 2,5 kg Cebada 15 Ltrs. Agua 60 gr Levadura 8 gr Lúpulo aroma 13 gr Lúpulo sabor (amargo) 8.2. Tabla de los subproductos y sus aplicaciones biotecnológicas Tabla 4. Subproductos generados (Torrente, 2019) Sustancia Aplicación biotecnología o ambiental Agua Se la puede emplear como agua de riego para nuestras plantas o huertos de casa Cascarillas de la Recientemente se ha comenzado a aprovechar esta cascarilla en el cebada envasado de pescado congelado. Mediante un proceso químico es posible obtener un extracto natural con alta capacidad antioxidante y antimicrobiana. El extracto, aplicado a modo de barniz a la película de plástico en la que se envuelve el pescado congelado, se ha demostrado eficaz a la hora de retrasar el proceso de oxidación de especies como el salmón, el bacalao o la merluza Bagazo del filtrado Como residuo vegetal, se utiliza en la producción de energía, a través de la elaboración de carbón, combustión directa o bien mediante la producción de biogás. Raicillas Se ha utilizado en el pasado para cultivar especies de Rhizobiumo más recientemente se ha agregado como fuente de nitrógeno en otros medios de cultivo. Masa de levadura A partir de levadura se producen saborizantes de agradable tono de sabor cárnico de amplio uso sobretodo en sopas en polvo y sazonadores para carnes líquidos o secos. 8.3. Cálculos de producción de CO2 y etanol producido 8.3.1. Producción de CO2 𝐿𝑒𝑣𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎 𝐶6 𝐻12 𝑂6 → 2𝐶𝐻3 𝐶𝐻2 𝑂𝐻 + 2𝐶𝑂2 0,1 𝑘𝑔 𝐶𝑒𝑏𝑎𝑑𝑎 → 0,735 𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝐺𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎 (Todo alimento , 2019) 𝑔𝑟 𝐶6 𝐻12 𝑂6 = 2,5 𝑘𝑔 ∗ 0,735 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝐶6 𝐻12 𝑂6 = 18,375 𝑘𝑔 𝐶6 𝐻12 𝑂6 0,1 𝑘𝑔 = 𝟏𝟖𝟑𝟕𝟓 𝒈𝒓 𝑪𝟔 𝑯𝟏𝟐 𝑶𝟔 18375 𝑔 𝐶6 𝐻12 𝑂6 ∗ 2 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶6 𝐻12 𝑂6 44 𝑔 𝐶𝑂2 ∗ ∗ = 8983,33 𝑔 𝐶𝑂2 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶6 𝐻12 𝑂6 180 𝑔 𝐶6 𝐻12 𝑂6 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2 = 𝟖, 𝟗𝟖 𝑲𝒈 𝑪𝑶𝟐 8,98 𝐾𝑔 𝐶𝑂2 ∗ 1𝐿 = 𝟒𝟗𝟖, 𝟖𝟖 𝑳𝑪𝑶𝟐 0,018 𝑘𝑔 8.3.2. Producción de etanol 𝐿𝑒𝑣𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎 𝐶6 𝐻12 𝑂6 → 18375 𝑔 𝐶6 𝐻12 𝑂6 ∗ 2𝐶𝐻3 𝐶𝐻2 𝑂𝐻 + 2𝐶𝑂2 2 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻3 𝐶𝐻2 𝑂𝐻 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶6 𝐻12 𝑂6 46 𝑔 𝐶𝐻3 𝐶𝐻2 𝑂𝐻 ∗ ∗ 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶6 𝐻12 𝑂6 180 𝑔 𝐶6 𝐻12 𝑂6 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻3 𝐶𝐻2 𝑂𝐻 = 9391,66 𝑔 𝐶𝐻3 𝐶𝐻2 𝑂𝐻 = 𝟗, 𝟑𝟗 𝒌𝒈 𝑪𝑯𝟑 𝑪𝑯𝟐 𝑶𝑯 1 𝑚3 1000 𝐿 9,39 𝑘𝑔 𝐶𝐻3 𝐶𝐻2 𝑂𝐻 ∗ ∗ = 𝟏𝟏, 𝟗𝟎 𝑳 𝑪𝑯𝟑 𝑪𝑯𝟐 𝑶𝑯 789 𝑘𝑔 1 𝑚3 8.3.3. Rendimiento del proceso en la obtención de CO2 y de etanol 𝐿𝑒𝑣𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎 𝐶6 𝐻12 𝑂6 → 2𝐶𝐻3 𝐶𝐻2 𝑂𝐻 + 2𝐶𝑂2 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 (𝑚𝑒) ∗ 100 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎 (𝑚𝑡) 𝑔 𝑚𝑒 = 𝜌𝑒 ∗ 𝑉𝑒 = 1,80 ∗ 498,88 𝐿 𝐶𝑂2 𝐿 %𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = 𝒎𝒆 = 𝟖𝟗𝟕, 𝟗𝟖 𝒈𝒓 𝑪𝑶𝟐 𝑚𝑡 = 18375 𝑔𝑟 𝐶6 𝐻12 𝑂6 ∗ 88 𝑔𝑟 𝐶𝑂2 180 𝑔𝑟 𝐶6 𝐻12 𝑂6 𝒎𝒕 = 𝟖𝟏𝟖𝟑, 𝟑𝟑𝒈𝒓 𝑪𝑶𝟐 % 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐶𝑂2 = 897,98 𝑔𝑟 𝐶𝑂2 ∗ 100 8183,33 𝑔𝑟 𝐶𝑂2 % 𝑹𝒆𝒏𝒅𝒊𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐 𝑪𝑶𝟐 = 𝟏𝟎, 𝟗𝟕 % %𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = % 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐸𝑡𝑂𝐻 + % 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐶𝑂2 100 = % 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐸𝑡𝑂𝐻 + % 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐶𝑂2 100 = % 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐸𝑡𝑂𝐻 + 10,97 % 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐸𝑡𝑂𝐻 = 100 − 10,97 𝑹𝒆𝒏𝒅𝒊𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐 𝑬𝒕𝑶𝑯 = 𝟖𝟗, 𝟎𝟑% Tabla 5. Producto generado Cantidad Producto 13 Ltrs. Cerveza 2 Kg Afrecho o precipitados 11,90 L Etanol 498,88 L CO2 Tabla 6. Propiedades organolépticas del mosto y la cerveza elaborada Propiedad Característica Mosto Cerveza Olor Agradable Agradable al paladar Sabor Dulce Amargo ligero Frutal – cereal Color Caramelo Claro 9. CONCLUSIONES Se obtuvo la cerveza casera o artesanal a través de la fermentación alcohólica de la Hordeum vulgare (cebada) y con ello se identificaron las diferentes etapas en la que interviene la biotecnología. Durante la realización del proceso de germinación de la cebada, se controló mucho el proceso de mantener la humedad, temperatura y se mantuvo la asepsia del proceso. Se identificaron los residuos que se generan de los diferentes procesos que en su mayor parte fue agua tanto en forma líquida, como gaseosa que se desprendió en el proceso de secado, tostado y hervido; además de el bagazo y la masa de levadura del proceso de filtración Se identificó una de las alternativas viables de reutilización del agua producto de esta fase para aplicarlo a las plantas o huertos caseros ya que estos contienen de una u otra manera sustancias disueltas para mejorar la calidad del suelo y de las plantas; además de otras prácticas que se mencionaban en las tablas presentadas en este documento. 10. RECOMENDACIONES Durante el proceso de germinación cuidar que no se produzcan reacciones no agradables que afecten el proceso de la obtención de la harina o a su vez de toda la cerveza Mantener la calma durante todo el proceso de la elaboración de la cerveza ya que es un proceso muy sencillo pero se necesita serenidad en cada uno de los procesos que se llevan a cabo Mantener la asepsia durante todo el proceso de elaboración de la cerveza 11. Bibliografía Academy, K. (2016). es.khanacademy.org. Recuperado el 25 de Diciembre de 2020, de Fermentación y respiración anaeróbica: https://es.khanacademy.org/science/apbiology/cellular-energetics/cellular-respiration-ap/a/fermentation-and-anaerobicrespiration Albert Lehninger; Michael Cox; David L. Nelson. (2016). Lehninger Principles of Biochemistry. 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Pérez Ponce, J. (1998). Propagación y mejora genética de plantas por Biotecnología. Todo alimento . (Agosto de 2019). Recuperado el 07 de Enero de 2021, de Tabla Nutricional: Cebada: http://www.todoalimentos.org/cebada/ Torrente, S. E. (Julio de 2019). Aprovechamiento de los subproductos generados en la industria cervecera. Recuperado el 25 de Diciembre de 2020, de http://147.96.70.122/Web/TFG/TFG/Memoria/SANDRA%20ESTEBAN%20TORRENTE.p df UAH. (2015). Recuperado el 25 de Diciembre de 2020, de http://www3.uah.es/bioquimica/Tejedor/BBM-II_farmacia/T4-piruvato-pagina.pdf Verdú, M. G. (2015). Diseño del Proceso Industrial para la elaboración de la cerveza. Universidad Politécnica de Valencia - Campus D´Alcoli. Valencia: E.P.S.A. 12. ANEXOS a. NOTAS: a. Semilla de cebada germinada al 3 día b. Obtención de la malta misma que paso por el secado y tostado c. Sistema para moler la malta b. LABORATORIO DE BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL Aprobado Preliminar Certificado Por aprobar Información Por calificar c. TEMA: Obtención de harina de malta ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DE CHIMBORAZO FACULTAD DE CIENCIAS ESCUELA DE CIENCIAS QUIMICAS ELABORADO POR: Héctor Pino Castillo LÁM: 1 ESC: 1:1 FECHA: 08/01/2021 d. NOTAS: d. Proceso de molienda de la malta e. Integración de los miembros de la familia en el proceso de molienda f. Obtención de la harina de malta lista para continuar con el proceso de maceración y de fermentación e. LABORATORIO DE BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL Aprobado Preliminar Certificado Por aprobar Información Por calificar f. TEMA: Obtención de harina de malta ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DE CHIMBORAZO FACULTAD DE CIENCIAS ESCUELA DE CIENCIAS QUIMICAS ELABORADO POR: Héctor Pino Castillo LÁM: 2 ESC: 1:1 FECHA: 08/01/2021 g. h. LABORATORIO DE BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL Aprobado g. Lúpulo de amargos, aroma Preliminar y levadura (S. cerevisiae) Certificado h. Agua hirviendo para el Por aprobar proceso de maceración Información i. Malta en maceración Por calificar i. NOTAS: TEMA: Elaboración de la cerveza ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DE CHIMBORAZO FACULTAD DE CIENCIAS ESCUELA DE CIENCIAS QUIMICAS ELABORADO POR: Héctor Pino Castillo LÁM: 3 ESC: 1:1 FECHA: 08/01/2021 j. NOTAS: j. Removiendo cada 10 minutos para extraer la mayor cantidad de azucares k. Proceso de filtrado de la primera maceración l. Realización del lavado de la malta k. LABORATORIO DE BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL Aprobado Preliminar Certificado Por aprobar Información Por calificar l. TEMA: Elaboración de la cerveza ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DE CHIMBORAZO FACULTAD DE CIENCIAS ESCUELA DE CIENCIAS QUIMICAS ELABORADO POR: Héctor Pino Castillo LÁM: 3 ESC: 1:1 FECHA: 08/01/2021 m. NOTAS: m. Obtención del mosto tras la realización de la maceración y del filtrado n. Mosto hirviendo al cual se le agrego el lúpulo durante los 10 min de hervor o. Agregando el lúpulo del aroma n. LABORATORIO DE BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL Aprobado Preliminar Certificado Por aprobar Información Por calificar o. TEMA: Elaboración de la cerveza ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DE CHIMBORAZO FACULTAD DE CIENCIAS ESCUELA DE CIENCIAS QUIMICAS ELABORADO POR: Héctor Pino Castillo LÁM: 3 ESC: 1:1 FECHA: 08/01/2021 p. NOTAS: p. Proceso de clarificado de la cerveza previo a que se enfrió q. Extracción de los últimos residuos generalmente del lúpulo r. Solución de levadura (activando la levadura) q. LABORATORIO DE BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL Aprobado Preliminar Certificado Por aprobar Información Por calificar r. TEMA: Elaboración de la cerveza ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DE CHIMBORAZO FACULTAD DE CIENCIAS ESCUELA DE CIENCIAS QUIMICAS ELABORADO POR: Héctor Pino Castillo LÁM: 3 ESC: 1:1 FECHA: 08/01/2021 s. NOTAS: s. t. Equipo de fermentación junto al equipo de captación de CO2 Embotellamiento de la cerveza para su segunda fermentación LABORATORIO DE BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL Aprobado Preliminar Certificado Por aprobar Información Por calificar Firma de responsabilidad del informe t. TEMA: Elaboración de la cerveza ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DE CHIMBORAZO FACULTAD DE CIENCIAS ESCUELA DE CIENCIAS QUIMICAS ELABORADO POR: Héctor Pino Castillo LÁM: 3 ESC: 1:1 FECHA: 08/01/2021
