En los cereales, los carbohidratos presentes se pueden dividir en: estructurales y de almacenamiento (Anglani, 1998b), en donde estos últimos son los más abundantes. El almidón es sin duda el carbohidrato de almacenamiento más importante (James et al., 2003; Slattery et al., 2000) y en menor proporción los azúcares como glucosa, fructosa, maltosa y sacarosa. De acuerdo a Anglani (1998b), todos los azúcares libres se encuentran en concentraciones menores al 1.0%, a excepción de la fructosa y glucosa. Serna-Saldívar (1996) indica que la mayor proporción de azúcares sencillos se encuentra en el germen de los granos maduros y en total se encuentran en concentraciones menores al 2%.
El almidón está formado por moléculas de amilosa y amilopectina, las cuales a su vez están formadas por cadenas de glucosa unidas por enlaces α1,4 y en el caso de la amilopectina, aproximadamente el 5% de sus enlaces glucosídicos son α1,6 (James et al., 2003; Slattery et al., 2000).
El contenido de almidón en el sorgo y maíz con endospermos regulares o no cerosos oscila en un rango de 60 hasta 78% (Serna-Saldívar, 1996; Taylor et al., 2006).
La composición de carbohidratos de los mostos de fermentación obtenidos usando este tipo de materias primas varía de acuerdo a los procesos de hidrólisis realizados. Por ejemplo, en los mostos cerveceros, los azúcares más abundantes son la maltosa, maltotriosa y azúcares superiores con un 47, 15 y 25 % respectivamente (Barredo, 1999). En la obtención de bioetanol mediante etapas simultáneas de sacarificación y fermentación, la maltosa y maltrotriosa se encuentran en el mosto en cantidades que oscilan en 40 g/L en el primer caso y 7 g/L en el segundo. La glucosa en cambio se encuentra solo en 2 g/L (Montesinos y Navarro, 2004).
En esta investigación, dado que los procesos de licuefacción y sacarificación previos a la fermentación se llevaron a cabo de forma completa y como etapas separadas, era de esperarse que la glucosa se encontrara como el carbohidrato más importante (Figura 5.4.2). También se observó la presencia (en menor cantidad) de fructosa y maltosa (Figuras 5.4.3 y 5.4.4).
0 20 40 60 80 100 120 140 0 10 20 30 40 50 60 70 80
Tiempo de fermentación (horas)
G lu c os a ( g /L )
Sorgo Rolado al Vapor Sorgo Entero Maíz Rolado al Vapor Maíz Entero
Figura 5.4.2 Perfil de concentración de glucosa (g/L) durante la fermentación con Saccharomyces
cerevisiae de los tratamientos de sorgo y maíz enteros y rolados al vapor.
Al inicio de la fermentación (figura 5.4.2), debido al acondicionamiento que se realizó de los mostos, el contenido de azúcares fue similar en los cuatro tratamientos y sus réplicas (alrededor de 120 g/L). Esta cantidad es ligeramente menor a la esperada de acuerdo al ajuste de °Brix llevado a cabo antes de la fermentación.
Esta homologación en la cantidad de azúcar inicial se realizó para favorecer la fermentación con Saccharomyces cerevisiae, organismo que presenta inhibición osmótica en rangos por encima de 15% de azúcar. La inhibición ejercida por la
glucosa es mayor que otros carbohidratos como sacarosa o maltosa (Ingledew, 1995).
La fructosa detectada al inicio de la fermentación era la ya presente en forma libre en la materia prima, su concentración fue de prácticamente cero en todos los tratamientos, a excepción del experimento realizado con maíz entero, en donde al tiempo inicial se detectó menos de 1 g/L de fructosa. El contenido inicial de maltosa en la fermentación fue de alrededor de 6.5 g/L, pero en el caso del tratamiento con maíz rolado al vapor esta cantidad inicial fue de 4.5 g/L. Estas cantidades son semejantes a las reportadas por Wang et al. (2005 y 2007) utilizando maíz como materia prima.
Durante la fermentación, la glucosa fue usada de forma paulatina por la levadura durante el proceso de fermentación. En la Figura 5.4.2 se puede observar que el perfil de consumo de glucosa es semejante entre los tratamientos. Este resultado era previsible dado que las condiciones iniciales del mosto fueron estandarizadas para un mejor desempeño del organismo fermentador.
Cerca del 80% de la glucosa inicial fue usada durante las primeras 20 horas de proceso. El resto fue consumido durante las siguientes 10 horas. Este comportamiento es consistente con lo reportado en otros trabajos. Wang et al. (2005), trabajando con maíz observó que la glucosa era utilizada por completo entre la hora 30 y la 36 de fermentación.
Singh et al. (2006), trabajando también con maíz, encontraron que después de 48 horas de fermentación había aún de 2.4 a 2.5% de glucosa residual en el caldo fermentado.
En el perfil de fructosa durante la fermentación (Figura 5.4.3), se observó en todos los tratamientos (excepto en el maíz entero) un ligero incremento en la concentración hacia las 20 horas, para alcanzar después, a la hora 30 y 50 su nivel mínimo. Este ligero incremento inicial puede ser causado por la hidrólisis extracelular de la poca sacarosa existente en el medio (Boulton y Quain, 2001). En el caso del maíz entero, es probable entonces que no existiera sacarosa para hidrolizar y toda la fructosa se encontrara en forma libre.
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 Tiempo (horas) F ru cto sa (g /L )
Sorgo Rolado al Vapor Sorgo Entero Maíz Rolado al Vapor Maíz Entero
Figura 5.4.3 Contenido y consumo de fructosa (g/L) presente en mostos de maíz y sorgo durante la fermentación con Saccharomyces cerevisiae.
El proceso de inversión es realizado por la invertasa asociada a la pared celular de
Saccharomyces cerevisiae que actúa sobre la sacarosa presente en el mosto
(Barredo, 1999; López-Munguia, 1998b).
El contenido de maltosa durante la fermentación (Figura 5.4.4) osciló entre los 7 hasta los 4 g/L desde el inicio hasta el término de la fermentación. Los tratamientos con sorgo presentaron la mayor cantidad de maltosa residual a las 72 horas de fermentación (alrededor de 6 g/L). Es decir, el consumo de este disacárido no se llevó a cabo de forma completa en las 72 horas de fermentación.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 Tiempo (horas) M al tos a ( g/ L )
Sorgo Rolado al Vapor Sorgo Entero Maíz Rolado al Vapor Maíz Entero
Figura 5.4.4 Contenido y consumo de maltosa (g/L) presente en mostos de maíz y sorgo durante la
Esto puede ser a causa de las preferencias en el consumo de azúcares por parte de la levadura. De acuerdo a D’Amore et al. (1989), después del consumo de glucosa, la fructosa es el azúcar preferido por Saccharomyces cerevisiae, quien posteriormente utiliza la maltosa y después la maltotriosa. Barredo (1999) menciona que la glucosa, fructosa y sacarosa son consumidas entre las 24 y 28 horas de fermentación, seguidas por la maltosa (70 a 72 horas) y por las maltotriosas (72 horas). Como se comentó en los párrafos anteriores, el consumo de sacarosa, hace que la cantidad de fructosa presente en el medio sufra un incremento transitorio durante la fermentación (Boulton y Quain, 2001).
Esta preferencia viene determinada por la facilidad de transporte al interior de la célula, el tipo de regulación y la facilidad de uso de los carbohidratos mencionados. Por ejemplo, la glucosa y la fructosa son transportados al interior de la célula por un mecanismo de difusión facilitada (Barnett, 1997), en donde son utilizados directamente en la vía glucolítica (Embden-Meyerhof) (Ingledew, 1995; Mathews et al., 2002). En cambio los azúcares superiores requieren sistemas energéticamente más demandantes (sistemas de transporte y de hidrólisis previos a la entrada en las vías glucolíticas). En el caso de la maltosa por ejemplo, es transportada al interior de la célula a través de un sistema cotransportador de protones para luego ser hidrolizada por la maltasa intracelular (E.C 3.2.1.20) en dos unidades de glucosa, las cuales de este modo pueden ya ser utilizadas en la vía glucolítica (Novak et al., 2004; Barnett, 1997; Boulton y Quain, 2001).