Reações de Fermentação: aquilo que vale a pena saber a respeito delas (Parte 2)

Ulysses Fagundes Neto

Diretor Médico do IGASTROPED

(www.igastroped.com.br)

Fermentação Alcoólica

O termo fermentação vem do latim “fervere”, que significa ferver.

Foi Pasteur, há pouco mais de um século, quem demonstrou que a fermentação alcoólica é realizada por micro-organismos na ausência de oxigênio. Atualmente, por fermentação alcoólica entende-se um conjunto de reações bioquímicas provocadas por micro-organismos chamados leveduras, que atacam fundamentalmente os carboidratos da uva (glicose e frutose), transformando-os principalmente em álcool etílico e gás carbônico. Na superfície da casca da uva, existe uma grande quantidade destes fungos. O bagaço da uva não é liso, sua epiderme é recoberta por uma matéria cerosa chamada previna, que retém os micro-organismos. Na previna, junto às leveduras úteis, encontram-se diversos outros micro-organismos, sendo alguns deles desfavoráveis do ponto de vista técnico, como é o caso da bactéria acética (Figura 10).

Figura 10- Fase inicial do processo de vinificação.

O processo de fermentação alcoólica caracteriza-se como uma via catabólica, na qual há degradação das moléculas do carboidrato (glicose ou frutose), no interior da célula dos micro-organismos (levedura ou bactéria) até a formação de etanol e CO₂, acarretando liberação de energia química e térmica.

O piruvato (proveniente da glicólise) sofre descarboxilação em uma reação irreversível catalisada pela enzima piruvato descarboxilase. É uma reação de descarboxilação simples e não envolve a oxidação do piruvato. A piruvato descarboxilase requer Mg₂+ e possui uma coenzima firmemente ligada, a tiamina pirofosfato (TPP), que é um cofator essencial para a piruvato-descarboxilase. Esse cofator irá proporcionar estabilidade à reação de troca de carga negativa.

Por meio da ação da álcool-desidrogenase, o acetaldeído é reduzido a etanol, com o NADH, derivado da atividade da gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase, fornecendo o poder redutor. Portanto, os produtos finais da fermentação alcoólica são:

Glicose + 2ADP + 2 Pi = 2 etanol + 2 CO₂ + 2 ATP + 2 H₂O

É importante ressaltar que, como a quantidade de NADH é limitada e ele é necessário estar presente na sua forma oxidada (NAD+) na glicólise e, consequentemente, na continuação do processo de produção de energia, o NADH tem que ser oxidado. Essa é a importância da realização da fermentação.

O CO₂ produzido na descarboxilação do piruvato pelas leveduras é o responsável pela carbonatação caraterística do champanhe e da cerveja, assim como pelo crescimento da massa do pão e do bolo (Figura 11).

Figura 11– Fermentação alcoólica na produção do pão.

O processo de fabricação da cerveja, cujos subprodutos álcool etílico e CO₂ (gás carbônico) são obtidos a partir do consumo de açúcares presentes no malte, é realizado através da cevada germinada. Este é o mesmo processo usado no preparo da massa do pão e do bolo, onde as leveduras ou fungos consomem o carboidrato obtido do amido da massa do trigo, liberando CO₂ (gás carbônico), o que aumenta o volume da massa.

A enzima álcool-desidrogenase está presente em muitos organismos que metabolizam o álcool, incluindo o ser humano. No fígado humano esta enzima catalisa a oxidação do etanol, quer ele seja ingerido quer ele seja produzido por micro-organismos intestinais, com a concomitante redução do NAD+ para NADH.

As leveduras que se destacam como produtoras do etanol são as espécies do gênero Saccharomyces, Schizosaccharamyes, Pichia e outras (Figura 12).

Figura 12 - Saccharomyces cerevisiae

Os critérios tecnológicos que fazem com que uma levedura seja utilizada comercialmente na fermentação alcoólica são o alto rendimento e a elevada produtividade, ou seja, rápida conversão de açúcar em álcool, com baixa produção de componentes secundários. A espécie mais importante de levedura alcóolica é a Saccharomyces cerevisiae, que possui um largo espectro de utilização, sendo empregada na produção de pães, bebidas alcoólicas, etanol, etc. Sua biomassa pode ser recuperada como subproduto da fermentação e transformada em levedura seca, que se constitui em matéria-prima para a fabricação de ração animal ou suplemento vitamínico para o ser humano.

A bactéria Zymomonas mobilis, que inicialmente foi isolada em mostos fermentadores de cidra, sucos fermentados de palmeiras, em cervejarias e engenhos de aguardente, apresentou habilidades promissoras de transformar açúcares em etanol e gás carbônico, em condições comparáveis a aquelas exibidas pelas leveduras. Zymomonas mobilis apresenta alto rendimento, tolerância a altas concentrações de glicose, habilidade de crescer em total anaerobiose, características que potencializam seu emprego em escala industrial.

Mecanismo da fermentação alcoólica

Atualmente a indústria enológica vai se direcionando cada vez mais para a utilização de fermento selecionado (leveduras selecionadas), no processo de vinificação (Figura 13).

Figura 13

A fermentação alcóolica ocorre devido ao fato de que as células do levedo produzem a energia que lhes é necessária para sobreviver, através de dois fenômenos de degradação da matéria orgânica: 1- a respiração que necessita do O₂ do meio ambiente, ou 2- a fermentação que ocorre na ausência de O₂.

Como anteriormente assinalado, em virtude de a fermentação alcóolica corresponder a uma baixa produção de energia, a levedura necessita transformar muito açúcar em álcool, para poder assegurar suas necessidades energéticas. Nessas condições a capacidade de multiplicação da levedura é baixa. Por outro lado, o rendimento da transformação do açúcar em álcool é grande em relação ao peso da levedura. A composição exata do açúcar foi determinada por Gay-Lussac. É ainda de sua autoria a equação que descreve a fermentação alcóolica:

C6H12O6 (glicose) = 2 C2H5OH (álcool etílico) + 2 CO₂  

Ou seja, para cada 180g de glicose, resultam 92g de álcool etílico e 88g de CO₂. Esta reação, apesar de representar a parte fundamental do processo não é, porém, completa, pois outras substâncias se formam além do álcool etílico e CO₂.

A proporção de álcool contida no vinho é medida em graus alcoólicos, segundo o princípio de Gay-Lussac. Assim, por exemplo, quando se diz que um vinho tem 11ºGL significa que contém 11% do seu volume em álcool, ou seja, que em 100 ml do vinho considerado, 11 ml são álcool puro (anidro) (Figura 14).

 Figura 14- Representação esquemática das fases da produção do vinho.

Produção de etanol

Depois da água, o álcool é o solvente mais comum, além de representar a matéria-prima de maior uso no laboratório e na indústria química.  Na biossíntese do etanol são empregadas linhagens selecionadas de Saccharomyces cerevisae, que realizam a fermentação alcoólica, a partir de um carboidrato fermentável. É muito importante que a cultura da levedura possua um crescimento vigoroso e uma elevada tolerância ao etanol, pois desta forma a fermentação irá apresentar um grande rendimento final. 

O etanol, em altas concentrações, é inibidor e a tolerância das leveduras é um ponto crítico para uma produção elevada deste metabólito primário. A tolerância ao etanol varia consideravelmente de acordo com as linhagens de leveduras. De modo geral, o crescimento cessa quando a produção atinge 5% de etanol (v/v), e a taxa de produção é reduzida a zero, na concentração de 6 a 10% de etanol (v/v).   

O etanol pode ser produzido a partir de qualquer carboidrato fermentável pela levedura, a saber: sacarose, sucos de frutas, milho, melaço, beterrabas, batatas, malte, cevada, aveia, centeio, arroz, sorgo, entre outros (necessário hidrolisar os carboidratos complexos em açúcares simples fermentáveis, pelo uso de enzimas da cevada ou fúngicas, ou ainda pelo tratamento térmico do material acidificado).

Material celulósico, como madeira e resíduos da fabricação da pasta de papel podem ser utilizados. Por causa da grande quantidade de resíduos de material celulósico disponível, a fermentação direta desses materiais quando hidrolisados por enzimas celulolíticas pode ser de grande importância econômica.

Culturas mistas de Clostridium thermocellum e Clostridium thermosaccharolyticum podem ser usadas. Hemiceluloses e celuloses são hidrolisadas em monossacarídeos (hexoses e pentoses) por essas bactérias e os monossacarídeos são fermentados diretamente a etanol.

O etanol é também usado como combustível, e, no Brasil, a maior parte da produção de etanol é destinada para a indústria de combustíveis. Essa preferência é pelo fato de o etanol não produzir dióxido de enxofre quando é queimado, ao contrário da gasolina que polui a atmosfera.  

A produção de etanol feita a partir da cana-de-açúcar obedece aos seguintes procedimentos:  

1.   Moagem da cana: A cana passa por um processador, nessa etapa obtém-se o caldo de cana, também conhecido como garapa que contém um alto teor de sacarose, cuja fórmula é: C12H22O11.  

2.   Produção de melaço: O produto obtido no primeiro passo, a garapa, é aquecido para se obter o melaço, que consiste numa solução de aproximadamente 40% em massa, de sacarose. O açúcar mascavo é produzido quando parte dessa sacarose se cristaliza.  

3.   Fermentação do melaço: Neste momento, fermentos biológicos são acrescentados ao melaço, como por exemplo, o Saccharomyces, que é um tipo de levedura que faz com que a sacarose se transforme em etanol. A ação de enzimas é que realiza esse trabalho. Após esse processo, se obtém o mosto fermentado, que já contém até 12% de seu volume total em etanol.  

4.   Destilação do mosto fermentado: Nesta fase o produto, que no caso é o mosto, vai passar pelo processo de destilação fracionada e vai dar origem a uma solução cuja composição será: 96% de etanol e 4% de água. Existe uma denominação que é dada em graus, é o chamado teor alcoólico de uma bebida. No caso do etanol é de 96° GL (Gay-Lussac).

A cachaça é produzida da mesma forma que o álcool, com a única diferença, pois a coluna de destilação fracionada usada não precisa ser tão eficiente, podendo deixar passar mais água (em geral 60%, pois a cachaça tem teor alcoólico aproximadamente de 40º GL). A cachaça é considerada uma bebida alcoólica destilada (Figura 15).

Figura 15 –Processo de produção da cachaça.

Figura 16– Foto panorâmica de uma destilaria de cachaça.

Figura 17– Foto da cachaça recém produzida jorrando da bica de destilação.

Por outro lado, o vinho é uma bebida alcoólica não-destilada. O suco de uva sofre fermentação, após o que o líquido é filtrado e colocado em barris e garrafas. Pelo fato de não sofrer destilação, o sabor e o aroma de um vinho dependem muito do tipo de uva utilizado, pois as substâncias responsáveis pelo aroma e sabor da uva estarão presentes também no vinho, uma vez que não são separadas por destilação.

As bebidas não-destiladas apresentam teor alcoólico inferior ao das destiladas. Isso ocorre porque, quando o teor alcoólico chega a cerca de 15ºGL, os micro-organismos morrem e a fermentação se encerra. Na destilação, como o álcool é mais volátil que a água, o teor alcoólico aumenta.

Fermentação Malo-láctica

Muitos vinhos sofrem uma fermentação secundária, após a primeira que é a alcoólica.

Essa fermentação é provocada por bactérias lácticas, como por exemplo: Leuconostoc oinos, que transformam o ácido málico (dicarboxílico) em ácido láctico (monocarboxílico), de sabor mais aveludado, e em CO₂. Em várias regiões do mundo, por motivos de origem climática, frequentemente são obtidos vinhos tintos com elevada acidez, que irão desta forma se beneficiar com essa segunda fermentação, posto que esta provoca uma redução na acidez (desacidificação biológica). Essa fermentação é normalmente desejável nos vinhos tintos, porém, nem sempre o é para os vinhos brancos.