La Fermentazione Alcolica: Un Processo Biochimico Fondamentale

La fermentazione alcolica è un processo biochimico che riveste un ruolo cruciale nella produzione di bevande alcoliche e non solo. Si tratta di una trasformazione operata da microrganismi, principalmente lieviti, che convertono gli zuccheri in alcol etilico e anidride carbonica. Questo processo, che avviene in assenza di ossigeno (anaerobico), è sfruttato da secoli per la produzione di vino, birra e altre bevande fermentate, ma trova applicazioni anche in altri settori, come quello alimentare e dei biocarburanti.

I Fondamenti della Fermentazione Alcolica

La fermentazione alcolica è un processo anaerobico in cui i carboidrati vengono convertiti in alcol etilico, anidride carbonica e calore. Coinvolge una serie di reazioni enzimatiche complesse che convertono i carboidrati, come il glucosio, il fruttosio o il malto, in alcol etilico (etanolo) e anidride carbonica come prodotti principali.

Le Fasi del Processo

Il processo di fermentazione alcolica avviene in più fasi:

1. Glicolisi: Il glucosio viene convertito in due molecole di piruvato.
2. Fermentazione del Piruvato: Il piruvato prodotto durante la glicolisi viene convertito in alcol etilico e anidride carbonica. Questa reazione è catalizzata dall’enzima piruvato decarbossilasi, che rimuove una molecola di anidride carbonica dal piruvato, generando l’acetaldeide.

Il Ruolo del Lievito

Il lievito è un fungo unicellulare, un organismo abbastanza sofisticato, che presenta discrete capacità di adattamento a condizioni ambientali diverse e può vivere sia in aerobiosi che in anaerobiosi, cioè sia in presenza che in assenza di ossigeno. Il lievito possiede una capacità che è molto importante per chi si occupa di birra e, in generale, di fermentazioni ed è quella di trasformare lo zucchero o gli zuccheri (poi vedremo quali, in che velocità e in che misura) prevalentemente in alcol e anidride carbonica.

Se andiamo a vedere la bibliografia scientifica, troviamo autori i quali sostengono che il lievito è responsabile della presenza di circa 400 composti, che possono essere più o meno volatili e che quindi possono essere più o meno percepiti all’olfatto e che possono essere coinvolti nella formazione di quelle che sono le caratteristiche organolettiche della birra. I ricercatori sono concordi nel definire il lievito come uno dei fondamentali ingredienti che concorrono alla formazione e alle caratteristiche finali della birra, ovviamente senza nulla togliere all’importanza che il malto, il luppolo e l’acqua rivestono.

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Una cellula di lievito ha una dimensione che è compresa grosso modo tra i 5 e i 10 micron (il micron è un millesimo di millimetro) e quindi ovviamente una cellula non è visibile ad occhio nudo. E’ una dimensione cellulare tutto sommato abbastanza ragguardevole se paragonata, ad esempio, a quella delle cellule batteriche, le quali hanno delle dimensioni intorno a 0,5-2 micron e quindi le cellule di lievito sono molto più grosse.

Nomenclatura dei Lieviti

I lieviti innanzitutto sono tantissimi, abbiamo decine di generi, noi ci soffermiamo subito su un genere, quello che poi ci interessa, il genere dei Saccharomyces, che letteralmente vuol dire fungo dello zucchero, proprio in virtù della sua capacità di utilizzare gli zuccheri per il proprio metabolismo. Nei testi, nelle riviste, negli articoli vengono indicati coi nomi Saccharomyces carlsbergensis e Saccharomyces cerevisiae, per indicare rispettivamente i lieviti a bassa fermentazione e quelli ad alta fermentazione; questa è una terminologia tuttora in uso nell’ambiente birrario, però dobbiamo anche rendere giustizia al fatto che in realtà questo tipo di nomenclatura, da un punto di vista sistematico, non è corretta. Sarebbe quindi corretto dire Saccharomyces cerevisiae razza fisiologica cerevisiae per indicare i lieviti di alta fermentazione, Saccharomyces cerevisiae razza fisiologica uvarum o carlsbergensis per indicare i lieviti di bassa fermentazione.

Metabolismo del Lievito in Presenza e Assenza di Ossigeno

Il lievito può svilupparsi sia in presenza che in assenza di ossigeno; questa diversa condizione ambientale determina un diverso comportamento metabolico da parte della cellula del lievito. Se il lievito, per assurdo, potesse scegliere di moltiplicarsi o vivere in un ambiente ricco di ossigeno o privo di ossigeno, sicuramente sceglierebbe la prima ipotesi e cioè un ambiente ricco di ossigeno che gli consente di moltiplicarsi molto più rapidamente; la presenza di ossigeno consente anche al lievito di svolgere un metabolismo che gli permette di sintetizzare molti composti che sono importanti per la corretta funzionalità della sua membrana cellulare, che come vedremo è una parte fondamentale per il lievito. Quindi la mancanza di ossigeno è una situazione che il lievito è costretto ad affrontare, che riesce comunque a tollerare, tant’è che abbiamo comunque una moltiplicazione del lievito anche in assenza di ossigeno.

Tramite la fermentazione il lievito, partendo dal glucosio o da altri zuccheri produce CO2 ed alcol etilico, che, come sapete, sono i prodotti della fermentazione che a noi interessano. Se siamo in presenza di ossigeno, si attivano altri cicli metabolici che portano alla produzione di CO2, acqua e di energia (ATP). Il rendimento energetico della fermentazione è molto più basso rispetto al rendimento energetico del metabolismo aerobico. Partendo da 100 gr. di carboidrati, cioè di zuccheri, nel caso di un metabolismo respiratorio (aerobico) la massa di lievito che si forma è di circa 45 g rispetto a quella che abbiamo nel caso della fermentazione, pari a 2-4 g. Prima che inizi il processo fermentativo il lievito utilizza l’ossigeno disciolto nel mosto e questa è una parte molto importante nel metabolismo del lievito.

Fattori di Crescita e Esigenze Nutrizionali del Lievito

La cellula di lievito necessita di un insieme di sostanze nutritive che possono supplire a quelle che sono tutte le sue richieste e le sue esigenze nutrizionali.

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• Acqua: pur non essendo una sostanza nutritiva, la sua assenza è incompatibile con lo sviluppo del lievito.
• Fonti di carbonio: sono gli zuccheri, necessari, come abbiamo visto, al fabbisogno energetico del lievito.
• Ossigeno/lipidi: cioè ossigeno e grassi, che sono fondamentali nel processo di biosintesi della membrana cellulare. Un corretto, regolare funzionamento della membrana cellulare del lievito è fondamentale per una successiva e regolare fermentazione.
• Fonti di azoto: come noi abbiamo bisogno di proteine, che contengono azoto, anche il lievito necessita di azoto in forme diverse. Partiamo dall’azoto in forma ammoniacale, che è l’azoto inorganico più elementare ed è quello che il lievito predilige, perché viene utilizzato rapidamente; poi abbiamo gli amminoacidi, che sono le singole unità costitutive delle proteine, che vengono metabolizzate con meccanismi diversi, cioè ci sono delle preferenze che il lievito ha per un amminoacido rispetto ad un altro.
• Fattori di crescita: sono rappresentati dalle vitamine. Queste, ed in particolare quelle del gruppo B, sono molto rappresentate nella cellula di lievito e sono fondamentali per il regolare svolgimento delle reazioni metaboliche.
• Ioni inorganici: cioè i sali minerali, quali magnesio, zinco, manganese e altri, permettono, regolando l’attività enzimatica, il corretto svolgimento delle reazioni metaboliche.

Nel mosto di birra ci sono sufficienti sostanze nutrizionali per far fronte alle richieste del lievito. L’ossigeno svolge un ruolo fondamentale nel processo fermentativo. Il lievito, non appena viene inoculato nel mosto utilizza rapidamente l’ossigeno in esso disciolto. La solubilità dell’ossigeno in un liquido è molto bassa, con dei valori che si aggirano intorno agli 8-10 mg/L, quindi sono quantità molto basse che però sono sufficienti per garantire una buona attività metabolica da parte del lievito. L’ossigeno è importante per il lievito in questa fase prefermentativa perché il lievito utilizzerà questo ossigeno per la biosintesi di costituenti cellulari, della membrana cellulare. Avviene la sintesi di sostanze che appartengono al gruppo degli steroli, in particolare l’ergosterolo e la sintesi di acidi grassi, composti che consentono un regolare funzionamento della membrana cellulare. La membrana cellulare è fondamentale, come dicevo prima, perché è la barriera, il punto di contatto tra lievito e mondo esterno, quindi un corretto e buon funzionamento della membrana cellulare significa una successiva regolare fermentazione.

Fasi di Crescita del Lievito

Il lievito quando viene inoculato nel mosto ha una cosiddetta fase di latenza, durante la quale si deve adattare al nuovo ambiente in cui si trova. Per la propria sopravvivenza utilizzerà le riserve di uno zucchero che contiene all’interno e che si chiama glicogeno, il quale chimicamente è un polimero del glucosio. Il contenuto di glicogeno in una cellula dà anche una misura della sua vitalità, di quanto quella cellula sia più o meno vecchia. Successiva alla fase di latenza abbiamo la fase di crescita esponenziale che comprende inizialmente la fase di moltiplicazione del lievito in cui si assiste ad una rapidissima moltiplicazione cellulare. Possiamo avere un aumento del numero delle cellule del lievito da 3 a 5 volte rispetto all’inoculo iniziale, con una forte moltiplicazione per gemmazione. Il lievito arriva poi ad una fase stazionaria, perché il numero di cellule è aumentato molto e le sostanze nutritive hanno cominciato a diminuire. Ad un certo punto nel mosto di birra siamo in presenza di tante cellule e le sostanze nutritive scarseggiano e quindi si verifica un rallentamento dello sviluppo fino al raggiungimento di una fase stazionaria. L’alcol, che il lievito stesso produce, essendo un prodotto del suo catabolismo, rappresenta una sostanza tossica per il lievito stesso. La fase stazionaria dipende anche dalla diversa tolleranza all’alcol. Alla fase stazionaria segue un decadimento in quanto le cellule, arrivate al massimo della loro attività, cominciano a precipitare o comunque a perdere la loro vitalità. Assistiamo a fenomeni di autolisi cellulare, cioè la cellula muore e la membrana cellulare perde completamente le sue caratteristiche di permeabilità, la cellula collassa rilasciando nel mezzo tutte le sue componenti.

La Fermentazione Alcolica nella Produzione di Bevande

La fermentazione alcolica è un processo fondamentale nella produzione di bevande alcoliche, poiché trasforma i carboidrati in alcol etilico, generando una varietà di aromi e sapori unici.

Produzione del Vino

Nella produzione del vino, la fermentazione alcolica si verifica dopo la pigiatura delle uve e l’estrazione del mosto. I lieviti presenti naturalmente sulla buccia dell’uva o quelli aggiunti come coltura iniziale fermentano i zuccheri presenti nel mosto in alcol etilico e anidride carbonica.

La produzione del vino è un'antica arte che coniuga tradizione e scienza. Ogni dettaglio nel processo può incidere significativamente sul risultato finale. In linea generale, il processo di vinificazione si articola nelle seguenti fasi:

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1. Selezione dell'uva: la selezione di uve di eccellente qualità, bianche o rosse è il primo passo per ottenere un ottimo vino fatto in casa.
2. Diraspatura e pigiatura: dopo la selezione, le uve vengono diraspate e pigiate per separare il mosto dalle parti solide. Questo procedimento può essere eseguito manualmente o tramite un torchietto. A seconda del tipo di vino, le bucce restano a contatto con il mosto (per i vini rossi) o vengono separate (per i vini bianchi).
3. Scelta dei lieviti: dopo la pigiatura, il mosto viene trasferito in fermentatori nei quali vengono aggiunti lieviti secchi attivi che danno inizio la fermentazione. Quest’ultima può anche avvenire in modo spontaneo, grazie alla presenza naturale di lieviti nelle bucce delle uve.
4. Fermentazione del vino fatto in casa: la fermentazione alcolica del vino si articola in una fase iniziale di 1-2 giorni, seguita da una fase tumultuosa di 7-10 giorni e una fase più lenta che continua fino a quando gli zuccheri si trasformano in alcol e l'acidità del vino diminuisce. In questa fase, il fermentatore che raccoglie il mosto deve essere chiuso con un tappo per gorgogliatore, per evitare l'accumulo di gas. Durante la fermentazione dei vini rossi la formazione di anidride carbonica spinge verso l'alto le parti solide, creando un "cappello" di vinacce che deve essere periodicamente reimmerso nel mosto per garantire una fermentazione uniforme (follatura). Alla follatura segue il rimontaggio del vino, che permette ai lieviti di distribuirsi omogeneamente. Nei vini secchi, la fermentazione continua fino a quando tutti gli zuccheri non sono stati convertiti in alcol; nei vini dolci, viene invece interrotta prima per preservare il sapore dolce del vino.
5. Chiarifica del vino e filtrazione: la chiarifica è il processo di rimozione delle particelle solide presenti nel vino (impurità, proteine, tannini) per migliorarne il gusto, viene effettuata attraverso agenti di chiarifica (bentonite, gelatina, albumina, ecc.). Nel caso dei vini bianchi, il processo avviene prima della fermentazione alcolica; nei vini rossi, subito dopo.
6. Imbottigliamento: l'imbottigliamento in bottiglie da vino è la fase più semplice dell'intero processo, da eseguire correttamente e con molta attenzione.

Durante la vinificazione, il lievito trasforma gli zuccheri (glucosio e fruttosio) del succo d’uva in etanolo. Il ceppo utilizzato di solito è Saccharomyces cerevisiae. I lieviti producono dei composti aromatici in grado di influire sul gusto del vino. Nutrendosi, i lieviti producono effettivamente dell’alcol, ma rilasciano anche aromi di fermentazione: aromi floreali (rosa ad esempio) e fruttati (pesca o banana, tra gli altri).

Produzione della Birra

Nella produzione della birra, la fermentazione alcolica avviene dopo il processo di maltozione e bollitura dell’orzo. L’orzo maltato viene macinato e mescolato con acqua calda per attivare l’enzima amilasi, che trasforma l’amido dell’orzo in zuccheri fermentabili. Questi zuccheri vengono quindi fermentati dai lieviti aggiunti alla miscela per produrre alcol etilico e anidride carbonica.

La fermentazione della birra è un processo chiave nella preparazione della bevanda cult realizzata con il malto. Le varie tipologie in cui si distingue la birra hanno a che vedere anche con le caratteristiche di questo processo, oltre che con i tipi di lieviti impiegati, i tempi, le temperature e le modalità di lavorazione.

La fermentazione della birra, dunque, è un passaggio fondamentale per caratterizzare la bevanda prodotta con il malto. Viene considerata il cuore del brewing e si compone di differenti stadi. Il momento in cui il mosto si trasforma è propriamente quello della fermentazione alcolica della birra. È un processo chimico in cui le cellule di lievito metabolizzano gli zuccheri trasformandoli in alcol etilico ed anidride carbonica. I tempi variano da 3 a 7 giorni.

Il processo di produzione della birra inizia con la macerazione dei cereali (come orzo) che sono riscaldati con acqua per attivare gli enzimi. Dopo la macerazione, si filtra il mosto per separare i solidi (grani) dai liquidi. Dopo la bollitura, il mosto caldo deve essere raffreddato rapidamente prima di aggiungere il lievito. Una volta raffreddato, si trasferisce il mosto in un fermentatore e si aggiunge il lievito. Durante questa fase, che può durare da pochi giorni a diverse settimane, si verifica la produzione di anidride carbonica, che provoca la schiuma in superficie. Dopo la fermentazione primaria, la birra può essere trasferita in un secondo fermentatore per chiarificare e sviluppare ulteriormente il sapore. Se la birra non viene carbonata artificialmente, si può aggiungere una piccola quantità di zucchero prima dell’imbottigliamento.

Durante la fermentazione, le cellule del lievito trasformano gli zuccheri presenti nei cereali in etanolo e CO2. Tale trasformazione provoca il rilascio di centinaia di metaboliti secondari che incidono anche sul sapore e l’aroma della birra. Nelle fabbriche di birra, vengono utilizzati due tipi principali di lievito, ciascuno corrispondente a una delle due grandi famiglie della birra, le birre ad alta fermentazione (“ale”) e le birre a bassa fermentazione (“lager”).

• Birra ad alta fermentazione (Ale): si ottiene da lieviti della famiglia dei Saccharomyces cerevisiae, comunemente detto “lievito di birra”. Questo lievito lavora bene a temperature tra i 12 e i 23°C. Il processo di fermentazione è più rapido a temperature più alte, solitamente quattro o cinque giorni. Una volta esaurito il loro lavoro, il residuo dei lieviti verso l’alto, sotto l’effetto dell’anidride carbonica, e galleggia sulla superficie. Da questo origina il termine di “alta” fermentazione. Le birre ad alta fermentazione comprendono molti stili, tra i quali Stout, Porter, Barley wine, Oud bruin oltre a tutte quelle birre che riportano nel loro nome la dicitura “Ale” come le IPA, APA, Brown Ale, Cream Ale, Wheat Ale, Belgian Ale.
• Birra a bassa fermentazione (Lager): si utilizzano lieviti della famiglia dei Saccharomyces uvarum, pastorianum o carlbergensis, come il Weihenstephan o il Czech pils. Questi lieviti richiedono temperature di lavorazione piuttosto basse, tra i 7 e i 9 °C. La fermentazione a bassa temperatura è più lenta ed il processo si compie in sette-dieci giorni. Questi lieviti, una volta terminata la loro azione, si depositano sul fondo, da cui la “bassa” fermentazione. Gli stili di birra a bassa fermentazione vengono detti Lager e rispetto a quelli Ale tendono ad essere più puliti e neutri e a rispecchiare più fedelmente le caratteristiche del luppolo o del malto utilizzati nel mosto. Tra le birre a bassa fermentazione rientrano molti stili, tra cui le Bock e le loro derivazioni (Doppelbock, Maibock etc.) le Dunkel, le Pilsner, le Kellerbier e molte altre.
• Birra a fermentazione spontanea: è un tipo di fermentazione completamente diversa dalle altre due, perché sfrutta i lieviti della famiglia Saccharomyces presenti nell’ambiente. Per favorire la loro azione, dopo la bollitura il mosto si mette a raffreddare in vasche grandi e poco profonde, massimizzando la superficie a contatto con l’aria. Il mosto viene poi pompato in botti di castagno o di rovere, dove fermenta. Questo tipo di birre sono generalmente prodotte solo nei mesi freddi e la birra può essere bevuta già alla fine dell’estate seguente.

Altre Applicazioni

La fermentazione alcolica non è limitata alla produzione di bevande alcoliche. Trova impiego anche nella produzione di:

• Pane: Il lievito è l’ingrediente con proprietà fermentanti più famoso. Durante la fermentazione, l’anidride carbonica si accumula nella rete di glutine, sviluppando bolle d’aria che fanno lievitare l’impasto.
• Kefir: Alcuni lieviti giocano un ruolo essenziale nella produzione di alimenti fermentati che non contengono alcol. Per esempio, Saccharomyces boulardii è un lievito probiotico che trova impiego in prodotti per la salute intestinale come integratori e alcuni tipi di kefir.
• Biocarburanti: I diversi ceppi di lievito possono essere impiegati nella produzione di birra, vino, nell’industria farmaceutica, come additivi e persino nell’industria dei carburanti (biocarburanti a base di etanolo).
• Altri alimenti: cioccolato, cacao e caffè, varie bevande come il kefir, bibite gassate, limonate, ma anche l’aceto.

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