quarta-feira, 16 de dezembro de 2009

Fermentação:

FERMENTAÇÃO

Uma mudança química em matéria animal e vegetal provocada por leveduras microscópicas, bactérias, ou mofos é chamada de fermentação. Exemplos de fermentação são o azedamento de leite, o crescimento da massa de pão, e a conversão de açúcares e amidos em álcool. Muitas substâncias químicas industriais e vários antibióticos usados em medicamentos modernos são produzidos através de fermentação sob condições controladas.

O resultado da fermentação é que uma substância seja quebrada em compostos mais simples. Em alguns casos a fermentação é usada para modificar um material cuja modificação seria difícil ou muito cara se métodos químicos convencionais fossem escolhidos. A fermentação é sempre iniciada por enzimas formadas nas celas dos organismos vivos. Uma enzima é um catalisador natural que provoca uma mudança química sem ser afetado por isto.

A levedura comum é um fungo composto de minúsculas celulas tipo vegetais similares às bactérias. Suas enzimas invertase e zimase quebram açúcar em álcool e gás carbônico. Elas crescem o pão e transformam suco de uva em vinho. Bactérias azedam o leite produzindo ácidos láctico e buturico. Celulas do corpo humano produzem enzimas digestivas, como pepsina e renina que transformam comida em uma forma solúvel.
Fermento - ingrediente fundamental para o pão

Não é possível produzirmos um pão, na forma como estamos acostumados a consumi-lo, sem a utilização de fermento, pois é este elemento o responsável para que a massa fique leve e macia, diferente dos pães pesados e massudos (pães ázimos) fabricados pelos povos antigos, há milhares de anos atrás.

O conhecido "fermento biológico" nada mais é do que uma grande quantidade de células de Saccharomyces cerevisiae, um grupo de leveduras muito utilizado na fabricação de bebidas alcoólicas, pão, bolos, biscoitos, ... Este grupo faz parte dos fungos, e engloba organismos unicelulares com nutrição heterotrófica por não possuírem pigmentos fotossintetizantes. De todos os seres vivos, os fungos são os que possuem a mais rica coleção de enzimas. Esta variedade de enzimas permite que eles "ataquem" praticamente qualquer tipo de material.

O fermento, ou as leveduras, atacam os açúcares da massa, transformando-os em dióxido de carbono (CO2). Durante o descanso da massa o gás formado dobra de volume, provocando o crescimento do pão.

É muito importante diferenciar-se o fermento biológico do fermento químico, utilizado para bolos e biscoitos.

Os produtos de fermentação foram usados desde a antiguidade. Habitantes das cavernas descobriram que a carne emvelhecida tem um sabor mais agradável que a carne fresca. Vinho, cerveja, e pão são tão velhos quanto a agricultura. Queijo, que envolve a fermentação de leite ou creme é outra comida muito antiga. O valor medicinal de produtos fermentados é conhecido de há muito tempo. Os chinêses usavam coalho de feijão-soja mofado para curar infecções de pele há 3.000 anos atrás. Os índios da America Central tratavam feridas infetadas com fungos.

A verdadeira causa de fermentação, porém, não era compreendida até o século XIX. O cientista francês Louis Pasteur, enquanto estudando problemas dos cervejeiros e vinicultores da França, encontrou que um tipo de levedura produz vinho bom, mas um segundo tipo torna-o azedo. Esta descoberta conduziu à teoria da origem de doenças de Pasteur .

A química das fermentações é uma ciência nova que ainda está em suas fases mais iniciais. É a base de processos industriais que convertem matérias-primas como grãos, açúcares, e subprodutos industriais em muitos produtos sintéticos diferentes. Cepas cuidadosamente selecionadas de mofos, leveduras e bactérias, e são usadas.

A Penicilina é um antibiótico que destrói muitas bactérias causadoras de doenças. É derivado de um mofo que cresce em uma mistura fermentativa de substâncias cuidadosamente selecionadas para este propósito. A Penicilina industrial e muitos outros antibióticos se tornaram uma área muito importante da indústria farmaceutica.

O Ácido cítrico é uma das muitas substâncias químicas produzidas por microorganismos. É usado em limpadores de metal e como um preservativo e agente de sabor em alimentos. O Ácido cítrico é responsável pelo sabor azedo de frutas cítricas. Poderia ser obtido delas, mas necessitaria muitos milhares de frutos para produzir a quantia de ácido cítrico atualmente feita pela fermentação de melado com o mofo Aspergillus niger.

Um produto de fermentação, Terramicina, é adicionado a rações animais para acelerar o crescimento dos animais e os proteger de doenças. Certas vitaminas são feitas através de fermentação de mofos; e as próprias enzimas, extraídas de vários microorganismos, têm muitos usos na fabricação de alimentos e medicamentos.
FERMENTAÇÃO ACÉTICA

A fermentação acética é realizada por um conjunto de bactérias do gênero Acetobacter ou Gluconobacter, pertencentes a família Pseudomonaceae.

O ácido acético produzido por bactérias desse gênero é o composto principal do vinagre, condimento obtido a partir da fermentação alcoólica do mosto açucarado e subsequente "fermentação acética".

As bactérias acéticas foram descritas por alguns autores no século passado: Pasteur, Hansen, Brown, Beijerinck e Hennenberg.
CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE O PROCESSO
Microrganismos

As bactérias acéticas utilizadas neste processo são aeróbias e alguns gêneros possuem como importante característica a ausência de algumas enzimas do ciclo dos ácidos tricarboxílicos, tornando incompleta a oxidação de alguns compostos orgânicos (baixa oxidação).

Por isso, são úteis não apenas para a bioconversão, produzindo ácido acético, mas, também, para outras, como ácido propiônico a partir do propanol, sorbose a partir de sorbitol, ácido glucônico a partir da glicose, além de outros.

Esta propriedade de baixa oxidação é explorada na produção de ácido ascórbico (vitamina C).

O ácido ascórbico pode ser formado a partir de sorbose, mas este composto é de difícil síntese química.

Portanto, é convencional a sua obtenção microbiologicamente via bactéria do ácido acético, que oxida a molécula do sorbitol (um álcool açúcar de fácil obtenção) a sorbose, através de um processo de bioconversão.

O uso de bactéria do ácido acético torna a manufatura do ácido ascórbico economicamente viável.

As bactérias do ácido acético, assim originalmente definidas, compreendem um grupo de microrganismos aeróbios, Gram -, bastonetes, que apresentam motilidade, realizam uma oxidação incompleta de alcoóis, resultando no acúmulo de ácidos orgânicos como produto final.

Com o etanol como substrato, ácido acético é produzido, daí originando o nome deste grupo de bactérias.

Outra propriedade é a relativamente alta tolerância à condições ácidas, a maioria das linhagens são capazes de crescer a valores de pH menores que 5.

O nome do gênero Acetobacter foi originalmente utilizado para denominar todas as bactérias do ácido acético, mas hoje já se sabe que as bactérias do ácido acético compreendem um grupo bacteriano heterogêneo, compreendendo organismos que apresentam flagelos polares ou peritrícos.

Atualmente, o gênero Acetobacter, compreende as bactérias acéticas que apresentam flagelos peritrícos, com capacidade para oxidar ácido acético.

Um outro gênero presente no grupo das bactérias do ácido acético, denominado primeiramente Acetomonas e mais recentemente Gluconobacter, apresentam flagelos polares, e são incapazes de oxidar o ácido acético, devido a ausência do ciclo dos ácidos tricarboxílicos completo.

Outra característica interessante de algumas espécies do grupo das bactérias acéticas, aérobias estritas, é a capacidade para sintetizar celulose.

A celulose formada não difere significantemente da celulose dos vegetais

O A. xylinum forma sobre a superfície de um meio líquido, uma capa de celulose, o que pode ser uma forma do organismo assegurar a sua permanência na superfície do líquido, onde o O2 está mais disponível.
Características gerais do gênero Acetobacter

As bactérias do gênero Acetobacter são bastonetes elipsoidais, retos ou ligeiramente curvos.

Quando jovens são Gram - e as células velhas são Gram variáveis.

Apresentam a capacidade para oxidar a molécula do etanol e do ácido acético a CO2 e H2O (superoxidação).

São comumente encontrados em frutas e vegetais e estão envolvidos na acidificação bacteriana de sucos de frutas e bebidas alcoólicas, cerveja, vinho, produção de vinagre e fermentação de sementes de cacau.

Os Acetobacter são capazes de fermentar vários açúcares, formando o ácido acético, ou ainda, utilizam este ácido como fonte de carbono, produzindo CO2 e H2O.

As espécies capazes de oxidar o ácido acético, estão subdivididos em dois grupos: organismos capazes de utilizar sais de amônio como única fonte de nitrogênio e um outro grupo sem esta capacidade.

O Acetobacter xylinum, A. rancens, A. pasteurianus e A. kuentzingianus não possuem tais características.

A espécie representativa do gênero Acetobacter é o A. aceti, que é capaz de utilizar sais de amônio como única fonte de nitrogênio, juntamente com outras espécies: A. mobile, A. suboxidans, etc.
Características gerais do gênero Gluconobacter

As bactérias acéticas deste gênero são bastonetes elipsoidais Gram - ou Gram + fracos quando as células estão velhas.

As células desse gênero apresentam-se em pares ou em cadeias.

São aérobios estritos e oxidam a molécula do etanol a ácido acético.

O nome Gluconobacter vem da característica do gênero de oxidar a glicose em ácido glucônico.

A espécie representante do gênero Gluconobacter é o G. oxydans, encontrado em alimentos, vegetais, frutas, fermento de padaria, cerveja, vinho, cidra e vinagre.
Requerimento nutricionais

Na década de 50, as bactérias acéticas foram classificadas de acordo com seus requerimentos nutricionais:

-Grupo lactafílico: metabolismo predominante do lactato, e utilizam sulfato de amônio como única fonte de nitrogênio.
Ex.: A. aceti. A. mobile, A. suboxidans, etc.

- Grupo glicofílico: metabolismo predominante da glicose, e utilizam sulfato se amônio como fonte de nitrogênio, ou de forma limitada num meio com glicose.
Ex.: A. gluconicus, A. viscus e A. turbidans.
Fatores de crescimento

As espécies do gênero Acetobacter tem algumas exigências nutricionais.

Exigem algumas vitaminas do complexo B tais como tiamina, ácido pantotênico e nicotínico. E algumas espécies demonstram a necessidade de ácido p-aminobenzóico.

As necessidades vitamínicas podem ser supridas com o uso de água de maceração de milho, extrato de leveduras, lisado de leveduras, malte ou extrato de malte.

Algumas espécies necessitam que sejam colocados no meio, aminoácidos como fontes de nitrogênio: A. oxydans e A. rancens necessitam de valina, cistina, histidina, alanina e isoleucina; A. melanogenus não tem essas mesmas necessidades.

De acordo com Lima et al., 1975, o hidrolisado de caseína supria de modo satisfatório, como fonte de nitrogênio as necessidades de várias espécies.
Mosto

Para a produção do vinagre, são utilizados membros do gênero Acetobacter.

Os Gluconobacter, apesar de produzirem ácido acético, o fazem de forma pouco eficiente e não são usados na produção de vinagre.

A bactéria Acetobacter aceti utiliza o etanol, produzindo ácido acético, por isso é de grande interesse tecnológico.

Outras espécies como o A. suboxydans, A. melanogenus, A. xylinum e A. rancens comportam de modo semelhante. desde que sejam adicionados ao meio, inicialmente, em pequenas quantidades, glicose, frutose, glicerol ou manitol.
Mecanismo de fermentação

Bioquimicamente, os Acetobacter realizam processos catabólicos e anabólicos por aerobiose e anaerobiose.

É de interesse industrial, o catabolismo oxidante aeróbio de álcoois e açúcares, realizado por microrganismos, usado na produção de ácido acético ou de vinagre.

O mecanismo de produção do ácido acético ocorre em duas etapas:

- 1º) É formado o acetaldeído por oxidação; - 2º) O acetaldeído é convertido a ácido acético.
75% do acetaldeído é convertido a ácido acético e os 25% restantes a etanol. A reação sugerida está na figura em anexo.
PRODUÇÃO DE VINAGRE

Vinagre é o produto resultante da conversão do álcool etílico a ácido acético por bactérias do ácido acético, membros do gênero Acetobacter ou Gluconobacter (Brock e Madigan, 1991).

Vinagre de álcool é o produto proveniente da fermentação acética de um mosto constituído de álcool etílico, convenientemente diluído e adicionado de elementos nutritivos para os fermentos acéticos (Intituto Adolfo Lutz, 1975).
A produção de um bom vinagre depende de uma série de fatores como:

- a linhagem e a seleção do microrganismo; - a matéria-prima; - a concentração do álcool; - a temperatura de fermentação; - a quantidade de O2; - a temperatura de fermentação (na faixa de 20º a 30ºC); - o pH ótimo na faixa de 5 e 6; - a maturação e a conservação; - a clarificação, o envase, a pasteurização; - materiais de construção de tubulações, recipientes e depósitos.
Matéria-prima

As melhores matérias-primas são o vinho, o suco de maçãs e a sidra.

O vinho é bastante usado na França, Itália, Grécia e Espanha; nos EUA utiliza-se a sidra e, na Inglaterra, o malte. No Brasil, usam-se o vinho e o álcool.

A matéria-prima é inoculada com uma levedura selecionada, para obtenção de vinho.

Terminada a fermentação, separam-se a levedura e os materiais em suspensão e deixa-se em repouso por três dias. O líquido claro é decantado e acidificado com vinagre. Corrige-se o teor alcoólico, em funçao da quantidade de vinagre adicionado, isto é, colocam-se de 10 a 25% de vinagre forte.

A acidez da mistura fica entre 3,0 a 3,5%, em ácido acético. O álcool é calculado de modo que a acidez, após o término da fermentação, seja 0,6%.

Em seguida, passa-se à fermentação acética, com a inoculação de B. schuetzenbachii ou B. curvum ou B. orleanense, espécies próprias para a fabricação de vinagre.

Depois de fermentado, podem ser encontrados no meio Acetobacter aceti, A. pasteurianus, A. xylinum, A. ascendens e A. acetigenum.
Processo de Fermentação

As fermentações para produção de vinagre podem ser realizadas pelo processo lento ou pelo rápido.
Processo Lento

Entre os processos lentos, o processo francês de Orleans é o mais antigo.

Realiza-se em barricas de 200 litros com oríficios, na tampa, fechados por tela fina. Os tanques tem um terço de seu volume com vinagre de boa qualidade.

Em seguida, adicionam-se 15 litros de vinho. Semanalmente adicionam-se quantidades de vinho iguais à primeira e assim, até a quarta semana. a partir da quinta semana separam-se 15 litros de vinagre e adiciona-se a mesma quantidade de vinho. Daí em diante, semanalmente, essas operações vão se repetindo e tornando o processo periódico. Com o tempo, a película superficial vai se espessando e terminando por cair no fundo do tanque. Para evitar que isso aconteça, deverá existir na superfície do líquido, um suporte de tela ou malha que mantenha a capa gelatinosa suspensa. Quando aparece A. xylinum, a película superficial das fibras de celulose é forte.
Processos rápidos

Os processos rápidos são bastante utilizados atualmente. Foram idealizados por Boerhave, ao descobrir que a transformação do vinho de maçãs em vinagre era bastante rápida quando deixava passar o vinho, através de um recipiente cheio de bagaços de maçã. Atualmente é utilizado recipientes geradores, empacotados com material de enchimento dos mais diversos (por exemplo a madeira). As bactérias acéticas colonizam a superfície do material e oxidam etanol a ácido acético.

Os geradores tem tamanho e formas diferentes. O tamanho varia entre 15 a 30 cm de diâmetro por 20 a 60 cm de altura. Geralmente são de forma cilíndrica e tem, no fundo, um suporte perfurado que sutenta o material de enchimento. Pelos oríficios de suporte, passa o ar a ser utilizado na oxidação. O material de enchimento deve formar grande superfície, para permitir o contato íntimo entre líquido e ar, facilitando as trocas, sendo utilizadas fibras de côco, carvão-coque, sabugo de milho ou outras. Sobre o material de enchimento descansa uma placa crivada, para permitir uma perfeita distribuição do vinho que cai de um torniquete hidráulico ou de um bico aspersor, colocado na parte superior.

A acidez aumenta progressivamente conforme o líquido vai sendo passado, sucessivamente, duas ou três vezes pelo mesmo gerador ou através de geradores em série. Sendo o processo exotérmico, o líquido deve ser resfriado antes de entrar novamente para o gerador.
Produção de vinagre por meio de cultura submersa

As pesquisas sobre a produção do vinagre por meio de fermentação submersa iniciaram-se por volta de 1950. O aumento da produção de ácido, em relação ao tempo de fermentação, dá uma função exponencial. O substrato alcoólico, por esse processo, pode ser fermentado 30 vezes mais rapidamente que por qualquer outro processo. Neste processo, o ar deve ser controlado cuidadosamente, pois um decréscimo da pressão parcial de oxigênio altera o metabolismo bacteriano.

Em 1949, Hromatka e Ebner, desenvolveram um processo para a produção de vinagre por meio de cultura submersa, onde o acetificador ou vinagreira é um tanque cilíndrico dotado de aeração e instrumentação de controle como qualquer fermentador. São necessários os controles de acidez, teor de álcool e aeração. os dois primeiros podem realizar-se automaticamente, possibilitando a indicação de carga e descarga do tanque. Dentro do tanque podem se utilizados elementos de contato para facilitar as trocas. A eficiência do processo vai depender do estado de divisão das bolhas de ar.

O processo de acetificação é exotérmico e assim, deve permitir, através de serpentina, a dissipação térmica, possibilitando, dessa forma, o controle da temperatura dentro de uma faixa conveniente. O ótimo de temperatura de fermentação depende da concentração do substrato, sendo a mesma por volta de 27ºC. Um disco giratório no espaço livre do tanque evita a formação de excessiva espuma.

Foi verificado que a transformação de etanol por fermentação em profundidade aumenta numa função exponencial com o decorrer do tempo. Por isso, mesmo uma quantidade igual de substrato pode ser fermentado 30 vezes mais rapidamente, em relação ao tempo gasto nos mais modernos métodos industriais.
O processo de fermentação submersa apresenta uma série de vantagens:

- Alta eficiência: diariamente podem-se produzir cerca de 6% ou mais, de vinagre;

- Rendimentos: calculados em relação ao teórico, alcançam de 90 a95%;

- Praticidade: dispensa tratamentos de clarificação e de filtração, via de regra, onerosos e demorados.
Rendimentos: calculados em relação ao teórico, alcançam de 90 a95%;

- Praticidade: dispensa tratamentos de clarificação e de filtração, via de regra, onerosos e demorados.
Envelhecimento

Após terminada a fermentação, o vinagre é estocado em tanques, completamente cheios, para se evitar a aeração do produto.

De acordo com a matéria-prima utilizada, vinho ou suco de frutas, o vinagre deve ser envelhecido por um tempo superior, às vezes, a um ano. Durante esse tempo, ocorrem reações de esterificação, responsáveis pelo desenvolvimento de aromas agradáveis. Alguns vinagres necessitam de clarificação, o que pode ser feito por filtração ou por outro método corrente com adsorventes.
Embalagem

O vinagre deve ser embalado em material resistente que não sofra corrosão e que não transmita cor ou odores desagradáveis ao produto. Após o enfrascamento , é feita uma pasterurização a 60-66ºC, durante 30 min. Pode-se fazer a pasteurização contínua e embalar subsequentemente.
Contaminações do vinagre

Anguillula aceti, um nematóide proveniente de frutos mal selecionados, ou através da poeira do ar, provoca um aumento da viscosidade, acarretando uma perda organoléptica. Sob luz intensa, o organismo pode ser visto a ollo nu. A anguillula é destruída, por pasteurização, a 55ºC, podendo, em seguida, ser separada do meio, por filtração.

Drosophyla melanogaster, é a mosca-do-vinagre que aparece em frutos e no vinagre. Como precaução devem-se telar todos os orifícios do tanque e janelas da sala de fermentação

Os metais podem ser atacados pelo ácido acético, formando substâncias que alteram a cor do vinagre. O ferro e o cobre são os metais que provocam essas alterações.

O ferro, já na concentração de 100 mg/L, pode dar uma coloração escura ao vinagre. Essa cor pode se eliminada por aeração e sedimentação do tanato de ferro.

O cobre, na concentração de 25 mg/L escurece o vinagre e, na concentração de 5 mg/L ataca a clorofila dos vegetais, substituindo o magnésio desta.

Acetobacter aceti, contaminando o vinagre é prejudicila, pois este oxida ácido acético, gás carbônico e água, alterando o rendimento.

A. xylinum forma uma capa celulósica que altera a limpidez do vinagre e, também, obstrui as tubulações e válvulas, impermeabilizando o material de enchimento.
Aspectos fermentativos

As reações que ocorrem são duas:

1º) C6H12O6 = 2 C2H5OH + 2 CO2
glicose (180g) etanol (46g)

2º) 2 C2H5OH + 2 O2 = 2 CH3COOH + 2 H2O
etanol (32g) ácido acético (60g)
Rendimentos

Nas condições favoráveis de fermentação, o rendimento em ácido acético é de 50 a 55 partes, tomando-se como base de cálculo 100 partes de açúcar. Em relação ao etanol em massa, cada 100g de etanol fornecerá 126g de ácido acético.
Emprego do vinagre

O vinagre é usado, em sua totalidade, como condimento ou como constituinte de condimentos. Assim, é usado em saladas, maioneses, molhos picantes, picles, catchup, molho de mostarda, etc.

Pode ser usado em panificação para evitar crescimento de fungos filamentosos em pães.

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