Fermentacao Alcoolica M.I (1)

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Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia
Rio Grande do Norte
Disciplina: Bioquímica
Fermentação alcoólica 
Prof ª. MSc. Dayana do Nascimento Ferreira
Fermentação Alcoólica – Breve Histórico
Homem utiliza desde a mais remota antiguidade.
Há mais de 4000 anos – egípcios fabricavam o pão e produziam bebidas alcoólicas a partir de cereais e frutas.
A relação fermentação e levedura é recente – A humanidade se beneficiou das leveduras sem saber da sua existência.
Antonie Van Leewenhoek (1623 – 1723) - Primeiro a observar em amostra de cerveja.
Fermentação Alcoólica – Breve Histórico
Depois da formulação da estequiometria da fermentação por Gay-Lussac (1815), Pasteur (1863) demonstrou a natureza microbiológica da fermentação alcoólica como um processo anaeróbio.
Gay-Lussac Louis Pasteur 
Experimento de Pasteur
Fermentação Alcoólica – Breve Histórico
A partir destes experimentos, durante as duas primeiras décadas de 1900, as pesquisas culminaram com:
- 
Entendimento das reações enzimáticas;
- Transformação química do açúcar em etanol e gás carbônico no interior da célula.
Fermentação
 É um processo de transformação de uma substância em outra, produzida a partir de microrganismos (fungos, bactérias)
 Deriva do latim fervere (ferver), devido ao aparecimento das bolhas, devido a produção de dióxido de carbono pela ação das leveduras sobre o extrato de frutas ou grãos de malte.
	
A fermentação alcoólica ocorre devido ao fato de que as leveduras precisam produzir energia para sobreviver.
Na fermentação alcoólica, a levedura necessita transformar muito açúcar em álcool para assegurar suas necessidades energéticas (absorção, excreção e outros) e biossínteses, necessários á manutenção da vida, crescimento e multiplicação. 
O etanol, CO2 constituem de produtos de excreção, sem utilidade metabólica para célula.
Quebra da glicose (ou outros substratos como o amido) em piruvato, que depois é transformado em algum outro produto (álcool etílico, lactato, outros). 
A composição exata do açúcar foi determinada por Gay-Lussac. É ainda de sua autoria a equação que descreve a fermentação alcóolica: 
C6H12O6  2 C2H5OH + 2 CO2
Produtos secundários da fermentação
Formação de material necessário à formação de biomassa:
Necessário para a adaptação e sobrevivência da célula.
Polissacarídeos
Lipídeos
Proteínas
Ácidos nucléicos
Outros.
Simultaneamente ocorre o crescimento das leveduras (formação de biomassa)
Produtos secundários da fermentação
Juntamente com o etanol e CO2, o metabolismo anaeróbio permite a formação e excreção de:
Glicerol, ácidos orgânicos (succínico, acético, pirúvico e outros).
Álcoois superiores, acetaldeído, acetoína, butilenoglicol e outros compostos.
O objetivo primordial da levedura é crescer e multiplicar, sendo o etanol um produto a ser rejeitado.
O glicerol é o mais abundante dos compostos orgânicos secundários da fermentação.
Estima-se que 5% do açúcar metabolizado pela levedura seja desviado para gerar tais produtos secundários da fermentação.
Resultando num rendimento de ??? de etanol (experimentos de Pasteur).
Condições industriais: Fatores químicos, físicos e microbiológicos afetam a levedura:
Rendimentos de 90% normalmente são obtidos.
Desvios de 10% do açúcar processado (formação de outros produtos).
Quanto de etanol?
95%
 Fermentação propriamente dita
As reações ocorrem em tanques denominados dornas de fermentação, onde se misturam o caldo ou mosto e o fermento.
Os açúcares são transformados em álcool, segundo a reação simplificada de Gay Lussac:
C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2 + Energia
Ao terminar a fermentação, o teor médio de álcool nestas dornas é de 7% a 10%, e a mistura recebe o nome de vinho fermentado. 
Fases da fermentação alcoólica
O processo fermentativo inicia logo que a levedura entra em contato com o mosto, e pode ser dividido em três fases: 
Fermentação preliminar
Período entre a adição do fermento ao caldo e/ou mosto e o início do desprendimento de gás carbônico. 
Há uma intensa atividade das leveduras para formação de novas células. 
Como conseqüência há um considerável consumo de açúcar, com pouca ou quase nem uma produção de álcool. 
O processo é conduzido a temperatura de 30ºC sob aeração por um período de cerca de 4 a 6 horas. 
Fermentação principal
Inicia-se com o desprendimento intenso de gás carbônico e formação rápida de álcool. 
Há também grande desprendimento de calor e é responsável pela maior parte do álcool produzido. 
Com o desprendimento do gás carbônico há formação de espuma necessitando a adição de anti-espumante. 
Paralelamente ao desprendimento de gás carbônico há redução da densidade do mosto e elevação de acidez por causa de alguns sub-produtos formados. 
Fases da fermentação alcoólica
Fases da fermentação alcoólica
Fermentação principal
O formação intensa de gás carbônico, na presença de substâncias gomosas, bagacilhos e outros componentes, aumenta a retenção de gás, fazendo o volume aparente do líquido aumentar de 50 a 60%. 
Isso pode provoca o transbordamento das dornas, reduzindo a produtividade e o rendimento do processo.
A atividade bioquímica intensa nessa fase causa um desprendimento intenso de calor que deve ser removido. 
Nas dornas pequenas, até 30.000L essa remoção é feita pela troca de calor através da parede pelo escoamento externo de água resfriada (dornas de ferro ou aço). 
Em dornas maiores, dornas de madeira ou alvenaria há a necessidade do uso de serpentinas internas ou acoplamento de trocador de calor tubular ou placas para resfriamento do mosto.
O final da fermentação principal é caracterizado pela redução do desprendimento de gás carbônico, abaixamento da formação de calor, e diminuição na movimentação superficial do mosto. O período dessa fase da fermentação é de 12 a 16 horas.
Fases da fermentação alcoólica
Fermentação complementar ou pós-fermentação
Essa fase inicia-se com a diminuição rápida da atividade fermentativa observada pela redução do gás carbônico desprendido; 
diminuição no movimento superficial; desaparecimento da espuma; redução da temperatura; aumento da acidez; formação de álcoois superiores.
Fases da fermentação alcoólica
 A transformação do açúcar em etanol e CO2, envolve 12 reações em seqüência ordenada, cada qual catalisada por uma enzima específica (glicolíticas). 
 Tal aparato enzimático está confinado no citoplasma celular, sendo portanto nessa região da célula que a fermentação alcoólica se processa. 
 A levedura Saccharomyces é um aeróbio facultativo (habilidade de se ajustar metabolicamente, tanto em condições de aerobiose como de anaerobiose).
 O objetivo primordial da levedura, ao metabolizar anaerobicamente o açúcar é gerar uma forma de energia (ATP).
Metabolismo no interior da célula
C6H12O6 2CO2 + 2CH3CH2OH + Energia
Fermentação Alcoólica
Glicose 
Dióxido de carbono 
Etanol
Ácido pirúvico
Ou piruvato – composto orgânico (C3H4O3).
É originado ao fim da glicólise.
É o composto de menor energia que pode ser obtido da glicose sem a utilização de oxigênio. 
Características:
Líquido transparente
Odor similar ao do ácido acético
Miscível em água, álcool etílico e éter etílico
 As leveduras formam uma das mais importantes subclasses dos fungos.
 Fungos como as bactérias estão espalhadas pela natureza embora eles vivam normalmente no solo e em regiões de umidade relativamente mais alta que as bactérias.
 São unicelulares, e se reproduzem normalmente por geminação ou brotamento. 
 Diferenciam-se das bactérias por apresentarem dimensões maiores e por suas propriedades morfológicas.
FERMENTAÇÃO - MICROBIOLOGIA BÁSICA
Leveduras
Variedades
As variedades de leveduras usadas na produção de álcool são selecionadas entre:
Saccharomyces cerevisae
S. ellypsoideus
S.Fragilis
OutrasPredomina o uso da primeira.
As leveduras são selecionadas para:
Fermentação altamente produtiva;
Alto rendimento do etanol;
Tolerância ao etanol;
Ótima tolerância ao baixo pH;
Alta tolerância nas faixas de temperatura;
Alta tolerância à contaminação.
 Fatores físicos (temperatura, pressão osmótica).
 Fatores químicos (pH, oxigenação, nutrientes minerais e orgânicos, inibidores, agentes tóxicos).
 Fatores microbiológicos (espécie, linhagem e concentração de levedura, contaminação bacteriana).
 Afetam o rendimento da fermentação, ou seja, a eficiência da conversão de açúcar em etanol.
Fatores que afetam a fermentação
FERMENTAÇÃO - FISIOLOGIA DAS LEVEDURAS
Necessidades Nutricionais
As leveduras necessitam dos mesmos elementos químicos que as outras formas de vida (açúcares, sais minerais, nitrogênio).
Fatores de Crescimento
As leveduras necessitam de determinados fatores de crescimento tais como vitaminas
FERMENTAÇÃO - FISIOLOGIA DAS LEVEDURAS
Temperatura
Temperatura ideal de 20 a 30ºC.
pH
Aceita-se em geral que as leveduras crescam melhor em meios ácidos pH entre 4,5 e 5,0.
Efeito do etanol sobre as leveduras
O etanol é um elemento tóxico para as leveduras;
Recomendável utilizar variedades de alta tolerância nos processos industriais;
O efeito da inibição do etanol sobre as leveduras é pequeno em baixas concentrações:
 menor que 20g de etanol/L do fermentado
 Atividade cessa em 110g de etanol/L do fermentado
(BAZUA; WILKE, 1977)
Efeito do oxigênio sobre as leveduras
É importante se evitar a oxigenação excessiva:
Metabolismo aeróbico - atua na reprodução de células com baixa produção de etanol.
Metabolismo anaeróbico - Produção alcoólica
Reprodução das leveduras
Reproduzem-se assexuadamente por brotamento (ou gemulação) onde:
na superfície da célula adulta (célula mãe) desenvolve-se uma pequena saliência (célula-filha) que se transformará numa nova célula. 
Outras leveduras podem reproduzir-se assexuadamente por fissão binária.
FERMENTAÇÃO - FISIOLOGIA DAS LEVEDURAS
 A multiplicação do fermento é feita no inicio do processo até que se atinja a população ideal para a condução do processo.
 
 No decorrer do processo é feito o acompanhamento, verificando-se existência de mortes por envelhecimento ou condições adversas e perdas de levedura no processo (centrifugas e fundo de dorna).
Multiplicação das leveduras
	Neste caso torna-se necessário criar condições de reprodução das células, controlando o equilíbrio do percentual de células ativas, tomando cuidados especiais na condução do processo, tais como:
 teor alcoólico;
 tempo de tratamento;
 adição de bactericidas e
 antibióticos.
Multiplicação das leveduras