Reação

O mosto é fermentado nas dornas de fermentação utilizando microrganismos, usualmente fungos unicelulares da espécie Saccharomyces

é fermentado por um período de 8 a 13 horas dependendo do tamanho da dorna e da temperatura na qual é conduzida a fermentação, dando origem ao vinho com um teor alcoólico entre 7% e 12 % (v/v). As leveduras podem ser recuperadas do vinho por centrifugação. Desta forma, após a fermentação são guardadas para posterior utilização, e o vinho é enviado para as colunas de destilação (BNDES, 2008; COHEN, 2011; DIAS et al., 2011).

A fermentação é um bioprocesso complexo no qual os microrganismos, para viver, reproduzir e formar os produtos obtém nutrientes a partir de seus arredores, necessitam de açúcar ou de outros carboidratos como fontes de carbono, e obtém energia por quebra de ligações químicas. Amônia ou um sal de amônia (NH4Cl, (NH4)2SO4) é usado como fonte de nitrogênio, o hidrogênio pode ser obtido a partir de água ou substratos orgânicos. Outras substâncias que promovem o crescimento são P, S, K,Ca, Mg, que são adicionados como sais inorgânicos.

Segundo Basso (2011) existem duas vias pelas quais a sacarose é metabolizada por Saccharomyces cerevisiae. Uma delas é conhecida como a via extracelular, na qual a sacarose é hidrolisada no ambiente extracelular pela enzima invertase, produzindo glicose e frutose, que são subsequentemente transportadas para o interior das células e posteriormente consumidas na via glicolítica. A segunda via é a via intracelular, na qual a sacarose é primeiramente transportada através da membrana plasmática, e em seguida hidrolisada no ambiente intracelular por ação da enzima invertase intracelular ou por maltases. Dado que, a fração extracelular é a fração majoritária da atividade total de invertase (>90%), postula-se que a via extracelular seja a rota principal no metabolismo da sacarose por Saccharomyces cerevisiae.

A hidrólise da sacarose em glicose e frutose é representada pela equação:

Frutuose e Gli Enzima 6 12 6 cos12 6 6 2 11 22 12H O H O C H O C H O C +  → +

C6H12O6 Levedura→ 2C2H5OH +2 CO2

A transfomação da sacarose em etanol como resultado das reações anteriores pode ser representada por:

2

2 Etanol

Sacarose+H O_Levedura→ +CO

Outros produtos podem ser formados nas reações de fermentação, entre eles, o glicerol, os ácidos orgânicos e os outros álcoois.

Segundo Guo et al. (2011) o glicerol é um importante sub-produto na produção anaerobia de etanol. Para sua síntese, a levedura Sacharomyces

cerevisiae poderia consumir até 4% da provisão de açúcar em processos

industriales típicos de produção de etanol. A levedura Sacharomyces cerevisiae é considerada a mais importante levedura produtora de glicerol. O glicerol tem importantes funções nos processos fisiológicos desse microrganismo, como a manutenção do equilíbrio redox NAD+ / NADH (a forma oxidada é reduzida da coenzima nicotinamida adenina dinucleótido) e a resposta ao estresse osmótico, que é causado por elevadas concentrações de açúcares ou sais no mosto, contaminação bacteriana, presença de sulfito no mosto e temperatura elevada (DIAS, 2008). Uma das consequências do estresse hiperosmótico é a rápida difusão de água da célula para o meio circundante (SCANES et al.,1998).

O ácido succinico é outro subproduto nas reações de fermentação e posssui atividade antibacteriana (DIAS, 2008).

A fermentação alcoólica é afetada por vários fatores, entre eles estão: 1) A temperatura.

2) As inibiçoes da taxa de crescimento celular 3) Outros fatores.

A temperatura na qual é conduzida a fermentação tem efeitos críticos sobre a atividade dos microorganismos. Em geral, as leveduras são capazes de promover a fermentação alcoólica eficientemente entre 28°C e 35°C.

Temperaturas elevadas afetam o comportamento da levedura e diminuem o teor alcoólico do vinho, o que aumenta o consumo de energia durante a etapa de destilação e a razão volume de vinhaça/ volume de álcool produzido (DIAS, 2008). O efeito do aumento da temperatura é diverso e afeta a composição dos ácidos graxos na membrana lipídica, de maneira que, os ácidos graxos saturados se incrementam às custas dos insaturados, modificando a fluidez da membrana como resposta da célula de levedura que tenta se adaptar à mudança na temperatura (D’AMORE, 1991). Por outro lado a proteina nativa é mantida por um delicado balanço de forças não covalentes, como ligações de hidrogênio, pareamento de íons, interações hidrofóbicas e força de Van der Waals. Com o aumento da temperatura, essas interações são rompidas e a proteína se desdobra, produzindo-se a desnaturação, que na maioria dos casos é irreversível (GOMES

et al., 2007).

Outros fatores que afetam o desempenho da levedura são: qualidade da matéria-prima utilizada na fermentação pH do processo; aditivos químicos, tais como ácidos, biocidas, antibióticos, íons Ca e P; contaminação microbiana, que leva à formação de ácidos e outros compostos; floculação celular; qualidade da centrifugação do fermento; tipo de processo fermentativo (batelada alimentada, contínuo); dimensionamento da planta; limpeza e assepsia (NETO, 2008).

As inibições da taxa de crescimento celular são devidas ao produto, ao substrato e aos subprodutos. Segundo Maiorella et al. (1983), na fermentação com

Sacharomyces cerevisiae, a inibição pelo produto etanol começa em torno de 25

g/l e é total em 95 g/l. Os danos causados pelo etanol à levedura resultam em alterações na permeabilidade e organização da membrana plasmática das células e das membranas de organelas celulares, resultando no vazamento de cofatores essenciais e coenzimas. Outros mecanismos propostos para os efeitos inibitórios do etanol incluem a alteração dos fluxos de prótons, a inibição e desnaturação de várias proteínas intracelulares e enzimas glicolíticas, e a inibição do transporte de açúcar e de aminoácidos (D’AMORE, 1991).

Em referência à inibição pelo substrato, Maiorella et al. (1983) reporta que um alto nível de inibição (80% de redução na massa celular) ocorre com concentrações de glicose de 380 g/l. As altas concentrações de substrato inibem o crescimento da levedura e o seu desempenho na fermentação como resultado da pressão osmótica elevada e baixa atividade de água (D’AMORE, 1991).

A inibição produzida por vários subprodutos da fermentação com extração contínua de produto utilizando vácuo (vacuum fermentation) foi estudada por Maiorella et al. (1983) A Tabela 2.1 mostra as concentrações dos subprodutos para um estado inicial de inibição que corresponde a 20% de redução na produção de massa celular, e para um estado de alta inibição identificado por 80% de redução na produção de massa celular.

Tabela 2.1. Inibição por subprodutos na fermentação com Sacharomyces cerevisiae para a produção de etanol.

Subproduto Estado de inibição

inicial. Concentração (g/l)

Estado de alta inibição. Concentração (g/l) 2,3-Butanodiol Glicerol Acetaldeido Ácido fórmico Ácido acético Ácido láctico 1-Propanol 2-Metil-1-butanol 55 200 2,8 1,2 0,9 17 2,0 2,8 90 450 5,0 2,7 7,5 38 12 3,5 Fuente: Maiorella et al. (1983).

Os resultados da Tabela 2.1 foram obtidos sob condições experimentais detalhadas em Maiorella et al. (1983), que correspondem ao processo de fermentação com extração contínua de produto utilizando vácuo. Este é um processo que seletivamente concentra produtos não voláteis no caldo de fermentação, e onde os produtos secundários podem concentrar-se até o ponto que eles chegam a ser tóxicos para a levedura, afetando a produtividade do processo de produção de etanol.