Biotecnología

 

Caracterización fermentativa de levaduras productoras de etanol a partir de jugo de Agave cupreata en la elaboración de mezcal

 

Fermentative characterization of producers ethanol yeast from Agave cupreata juice in mezcal elaboration

 

E. Pérez^1,2,3, J.C. González-Hernández¹*, M.C. Chávez-Parga³ y C. Cortés-Penagos²

 

¹ Laboratorio de Bioquímica del Departamento de Ing. Bioquímica del Instituto Tecnológico de Morelia, Av. Tecnológico # 1500, Colonia Lomas de Santiaguito, C. P. 58120, Morelia, Michoacán, México. *Corresponding author. E-mail: jcgh1974@yahoo.com Tel. (+52-443) 3121570. Ext. 231., Fax (+52-443) 3121570. Ext. 231.

² Facultad de Químico Farmacobiología de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Morelia, Michoacán, México.

³ Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Morelia, Michoacán, México.

 

Recibido 17 de Marzo 2013
Aceptado 1 de Mayo 2013

 

Resumen

Las cepas de levaduras convencionales y no convencionales son capaces de producir etanol bajo distintas condiciones operativas y nutricionales, con distintos rendimientos en la producción de biomasa y etanol. En el presente trabajo se estudió el comportamiento cinético de biomasa y etanol nivel matraz y nivel biorreactor durante la fermentación alcohólica. Se utilizó jugo de Agave cupreata y se establecieron como variables de estudio: tipo de levadura, concentración de azúcares y temperatura, a nivel matraz (Diseño Box-Behnken). En biorreactor, se estudió la aireación y agitación (Diseño factorial). Las variables de respuesta evaluadas en cada ensayo fueron el crecimiento celular; la cantidad producida de etanol; el consumo de azúcares y el pH. Ya destilado el producto, se procedió a realizar la identificación de compuestos volátiles (metanol, etanol y alcoholes superiores) por cromatografía de gases. Se encontró que la interacción concentración de azúcares-temperatura fue la variable con mayor influencia sobre el incremento en el porcentaje de etanol. La cepa de Kluyveromyces marxianus presentó el mayor rendimiento de etanol (12.46% v/v), en concentraciones de azúcares de 12 °Brix y una temperatura de 28 °C, y a nivel biorreactor, con agitación de 150 rpm y aireación de 0.1 vvm. El destilado presentó una concentración de metanol y etanol de 1.89% y 47.75% respectivamente.

Palabras clave: cepa de levadura, Agave cupreata, diseño experimental, fermentación alcohólica.

 

Abstract

Conventional and unconventional yeast strains possess the ability to produce ethanol under different operating and nutritional conditions showing different yields in biomass and ethanol production. In the present work, the kinetics of biomass and ethanol productions were studied at flask and bioreactor levels during the fermentation of Agave cupreata juice. The established variables in a Box-Behnken design were: type of yeast, sugars concentration and temperature (at flask level). At biorreactor level, aeration and agitation were studied by using a factorial experimental design. The response variables evaluated in each test were biomass, ethanol and pH. Volatiles compounds (methanol, ethanol and higher alcohols) were quantified in the distilled fermented must by gas chromatography. It was found that the temperature-sugars interaction was the most significant factor influencing the ethanol concentration. Kluyveromyces marxianus yielded the highest ethanol concentration (12.46% v/v) at 12 °Brix and 28 °C, in bioreactor level, with agitation of 150 rpm and aeration of 0.1 vvm. The fermented must was distillated containing methanol and ethanol concentrations of 1.89% and 47.75% respectively.

Keywords: yeast strain, Agave cupreata, experimental design, alcoholic fermentation.

 

DESCARGAR ARTÍCULO EN FORMATO PDF

 

Referencias

Arrizon, J. y Gschaedler, A. (2002). Increasing fermentation efficiency at high sugar concentrations by supplementing an additional source of nitrogen during the exponential phase of the tequila fermentation process. Canadian Journal of Microbiology 48, 965-970.         [ Links ]

Arrizon, J. y Gschaedler, A. (2006). Effects of the addition of different nitrogen sources in the tequila fermentation process at high sugar concentration. Journal of Applied Microbiology 102, 1123-1131.         [ Links ]

Botello, A. J. E., Cárdenas, M. M., Estrada, B. A., Molina, G. J. A., Jiménez, I. H., Navarrete, B. J. L., y Rico, M. M. (2006). Compuestos volátiles en el mezcal. Revista Mexicana de Ingeniería Química 6,41-50.         [ Links ]

Carbó, R., Ginovart, M. y Vias, M. (2008). Influencia de Brettanomyces/Dekkera en la evolución de la fermentación alcohólica. Presentación. 5-7 de noviembre. Barcelona, España: II Congreso Iberoamericano sobre Seguridad Alimentaria, V Congreso Español de Ingeniería de Alimentos.         [ Links ]

Cedeño, C. M. (1995). Tequila Production. Critical Reviews in Biotechnology 15, 1-11.         [ Links ]

Cole, V. C. y Noble, A. C. (2003). Flavor chemistry. In: Fermented Beverage Production. (Kluwer Academic/Plenum Publishers), Pp. 393-396. New York.         [ Links ]

Damián, R. R. M., Álvarez, J. L., Chávez, P. M. C., González-Hernández, J. C. y Ortiz, L. F. (2012). Aislamiento, caracterización molecular y bioquímica del consorcio microbiano asociado a la fermentación alcohólica en la producción de mezcal en Michoacán. Tesis de Maestría en Ciencias Biológicas, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, México.         [ Links ]

De León, R. A., González, H. L., Barba de la Rosa, A. P., Escalante, M. P. y López, M.G. (2006). Characterization of volatile compounds of mezcal, an ethnic alcoholic beverage obtained from Agave salmiana. Journal of Agricultural and Food Chemistry 54, 1337-1341.         [ Links ]

Díaz-Montaño, D. M., Délia M.L., Estarrón, E. M. y Strehaiano, P. (2008). Fermentative capability and aroma compound production by yeast strains isolated from Agave tequilana Weber juice. International peer-reviewed Journal Enzyme and Microbial Technology 4, 608-616.         [ Links ]

Díaz-Montaño, D. M., Córdova-López, J. A. y Valle, Rodríguez, J. O. (2011). Efecto interactivo de las fuentes de nitrógeno orgánico e inorgánico en la fermentación de jugo de Agave con Kloeckera africana: Presentación. 21-26 Junio, Acapulco Guerrero, México: XIII Congreso Nacional de Biotecnología y Bioingeniería y VII Simposio Internacional de Produccioín de Alcoholes y Levaduras.         [ Links ]

Fleet, G.H. y Heard, G.M. (1993). Yeast growth during fermentation, In: Wine Microbiology and Biotechnology, (Ed. G.H. Fleet) Pp. 27-54. Harwood Academic Publishers, Switzerland.         [ Links ]

Fleet, G.H., Lafon-Lafourcade, S. y Ribéreau-Gayon, P. (1984). Evolution of yeasts and lactic acid bacteria during fermentation and storage of Bordeaux wines. Applied Environmental Microbiology 48, 1034-1038.         [ Links ]

Gallardo, V. J., Gschaedler, M. A. C., Cházaro, B. M., Tapia, C. E., Villanueva, R. S., Salado, P. J. H., Villegas, G. E., Medina, N. R., Aguirre, O. M. y Vallejo, P. M. (2008). La producción de mezcal en el estado de Michoacán. Gobierno del Estado de Michoacán y Centro de Investigación y Asistencia Tecnológica y Diseño del Estado de Jalisco. Michoacán, México.         [ Links ]

Galindo E., Peña C. y Serrano C. L. (2008). Domesticar microorganismos en un biorreactor: Los retos del bioingeniero. Una ventana al quehacer científico. Instituto de Biotecnología, Universidad Autónoma de México. Pp. 131-144.         [ Links ]

Galindo F. E. (2008). Aspectos de ingeniería en fermentaciones: como mezclar gases, líquidos y sólidos. México. 1-5.         [ Links ]

González-Hernández, J. C., Pérez, H. E., Damián, R. R. M. y Chávez, P. M. C. (2012). Isolation, molecular and fermentative characterization during mezcal elaboration. Revista Mexicana de Ingeniería Química 11, 389-400.         [ Links ]

Heard, G. M. y Fleet, G. H. (1986). Occurrence and growth of yeast species during fermentation of some Australian wines. Food Technology in Australia 38, 22-25.         [ Links ]

Kunkee, R. E. y Amerine, M. (1970). Yeasts in winemaking. In: The Yeasts Technology, Vol. 3. (Eds. A.H. Rose and J.S. Harrison), Pp. 5-72. Academic Press, London.         [ Links ]

Kunkee, D. (1984). Selection and modification of yeasts and lactic acid bacteria for wine fermentation. Food Microbiology, Vol. 1. Department of Viticulture and Enology, University of California. Pp. 1:315-332.         [ Links ]

Lachenmeier, D. W., Sohnius, E. M. y Lopez, M. G. (2006). Quantification of selected volatile constituents and anions in Mexican Agave spirits (tequila, mescal, stool and bacanora). Journal of Agricultural and Food Chemistry 54, 3911-3915.         [ Links ]

Lafon, L. S. (1983). Wine and brandy. In: Biotechnology, Vol 5: Food and Feed Production with Microorganisms. (Eds. H.J. Rehm y G. Reed) Pp. 81-163. Verlag, Chemie, Weinheim.         [ Links ]

Longo, E., Cansado, J., Agrelo, D. y Villa, T.G. (1991). Effect of climatic conditions on yeast diversity in grape musts from northwest Spain. American Journal of Enology and Viticulture 42, 141-144.         [ Links ]

López, M. C. (1999). Tequila Aroma. In: Flavor Chemistry of Ethnic Foods. F. Shahidi, Ch Ho (eds). Kluwer Academic/Plenum Publishers, New York, Pp. 211-217.         [ Links ]

López, M. G. y Guevara, Y. (2001). Authenticity of three Mexican alcoholic beverages by SPME-GCMS. Annual Meeting of Institute of Food Technologists. New Orleans, L. A. 10-3.         [ Links ]

Querol, A., Jiménez, M. y Huerta, T. (1990). A study on microbiological and enological parameters during fermentation musts from poor and normal grape-harvest in the region of Alicante (Spain). Journal of Food Science 55, 114-122.         [ Links ]

Ribéreau, G. J., Peynaud, E., Ribéreau-Gayon, P. y Sudraud, P. (1975) Sciences et Techniques du Vin, vol. 2. Dunod, Paris.         [ Links ]

Ribéreau, G. P. (1985). New developments in wine microbiology. American Journal of Enology and Viticulture 36, 1-10.         [ Links ]

Santiago, G. P. A., López, M. G. y Vera, G. A. M. (2009). Compuestos volátiles aromáticos generados durante la elaboración de mezcal de Agave angustifolia y Agave potatorum. Revista Fitotecnia Mexicana 32, 273-279.         [ Links ]

Schütz, M. y Gafner, J. (1994). Dynamics of the yeast strain population during spontaneous alcoholic fermentation determined by CHEF gel electrophoresis. Letters and Applied Microbiology 19, 253-257.         [ Links ]

Téllez, P. (1998). El cocimiento una etapa importante en la producción de tequila. Bebidas Mexicanas 7, 19-20.         [ Links ]

Torija, M. M. J. (2002). Ecología de levaduras: Selección y adaptación a fermentaciones vínicas. Tesis de Doctorado en Bioquímica, Universidad Pública de Tarragona, España.         [ Links ]

Valle, R. J.O., Hernandez-Cortes, G., Cordova J.A., Estarron, E. M. y Díaz-Montaño, D. (2012). Fermentation of Agave tequilana juice by Kloeckera africana: influence of amino-acid supplementations. Antonie van Leeuwenhoek 101, 195-204.         [ Links ]

Vallejo, C. y González C. (1999). Identificación de los compuestos volátiles del tequila. Bebidas Mexicanas 8, 1-17.         [ Links ]

Vera, G. A. M., Santiago, G. P. A. y López, M. G. (2009). Compuestos volátiles aromáticos generados durante la elaboración de mezcal de Agave Angustifolia y Agave potatorum. Revista Fitotecnia Meíxicana 32, 273-279.         [ Links ]

Zambonelli, C. (1988). Microbiologia e Biotecnologia dei Vini. Edagricole, Bologna, Italy.         [ Links ]