Fermentazione alcolica

Alla base di una bevanda alcolica vi è la fermentazione alcolica, processo metabolico anaerobico di cui si servono molti microrganismi per ricavare energia dai carboidrati, producendo come sottoprodotto etanolo, alcole semplice il quale se prodotto oltre una certa concentrazione può rivelarsi mortale anche per essi.

C6H12O6 => 2CO2 + 2C2H6O + (energia)

Le specie che si servono di questa fermentazione sono soprattutto i lieviti, funghi appartenenti alla famiglia dei saccharomycetaceae oppure al genere dei schizosaccharomices. E oltre ai lieviti esistono alcuni batteri che hanno scelto questa via metabolica come lo zymomonas mobilis.

Come con tutti i processi metabolici si parte dalla glicolisi, processo enzimatico che scinde i carboidrati in piruvato. La cui reazione è riassunta sottostante:

Glucosio + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi => 2Piruvato + 2NADH-H+ + 2ATP + 2H2O

Essendo la fermentazione anaerobica e di conseguenza avviene in assenza di ossigeno, come agente riducente del NADH-H+ si utilizza lo stesso piruvato prodotto dalla glicolisi.

In questo processo il piruvato viene inizialmente decarbossilato, per avere l'acetaldeide la quale a sua volta viene poi ridotta in etanolo. Questa reazione può essere osservata nell'immagine sovrastante [4] ed è riassunta con la seguente espressione:

Piruvato + NADH-H+ => Etanolo + CO2 + NAD+

Quindi la fermentazione alcolica si può riassumere con la seguente reazione:

Glucosio + 2ADP + 2Pi => 2Etanolo + 2CO2 + 2(ATP + H2O)

Si può dire allora, che così come la respirazione viene chiamata glicolisi aerobica, la fermentazione alcolica e le altre, possono rientrare nella categoria di glicolisi anaerobica. Nella quale per ogni molecola di glucosio si ricavano solo due molecole di ATP, più un sottoprodotto parzialmente ossidato del glucosio.

Va anche detto che i lieviti sono organismi anaerobici facoltativi, cioè in base alle condizioni ambientali possono passare dal ricavare l'energia dal loro substrato attraverso la respirazione o attraverso la fermentazione. Ma allora perché spesso favoriscono la seconda che da due molecole di ATP rispetto la prima che ne potrebbe dare 38 per ogni molecola di glucosio? 

Questa scelta è causata dall'effetto Crabtree, infatti, se il substrato di crescita dei nostri microrganismi supera una certa soglia di concentrazione di glucosio, 0.25g/l nel caso del s. cerevisieae, essi tendono a reprimere la respirazione cellulare per favorire la fermentazione. Ciò è causato dalla repressione del complesso citocromo a-a3 [2], il quale si trova nella parte terminale della catena di trasporto degli elettroni, e di conseguenza non permettendo la riduzione dell'ossigeno e la rigenerazione della NADH-H+.

L'effetto Crabtree avviene gradualmente ed è reversibile, cioè il lievito mentre fermenta respira pure, perché non tutti i citocromi vengono repressi e una volta che la concentrazione di glucosio si abbassa esso ricaverà energia esclusivamente respirando sempre se c'è abbastanza ossigeno. Quest'ultimo gioca un ruolo fondamentale, infatti, la sua concentrazione può inibire la fermentazione per favorire la respirazione e questo fenomeno è conosciuto come effetto Pasteur, il tutto è schematizzato nell'immagine sovrastante [5].

Fermentazione glicero-piruvica

Come detto all'inizio, se l'etanolo è presente in una certa quantità, esso si può dimostrare dannoso per i nostri microrganismi fermentatori. A risentirne maggiormente è l'enzima alcool deidrogenasi, responsabile della conversione dell'acetaldeide in etanolo attraverso la riduzione della NADH-H+.

Avviene così la fermentazione gliceropiruvica [3], che vede un intermedio della glicolisi prendere una strada diversa rispetto al solito. Il diidrossiacetone fosfato normalmente verrebbe convertito in gliceraldeide-3-fosfato dall'enzima trioso fosfato isomerasi e produrre piruvato (per una maggiore comprensione guardare lo schema della glicolisi del post sulla respirazione cellulare). Questo passaggio viene omesso perché la NADH-H+ prodotta con il piruvato, non viene rigenerata sull'acetaldeide, ma si rigenera sul diidrossiacetone fosfato. Così facendo si produce glicerol-3-fosfato, il quale andrà a produrre a sua volta glicerolo.

Quindi avremo tre passaggi, riassumibili con le seguenti reazioni:

Glucosio + 2ATP => Gliceraldeide-3-fosfato + Diidrossiacetone fosfato + 2ADP

Gliceraldeide-3-fosfato + NAD+ + 2ADP + Pi => Piruvato + NADH-H+ + 2ATP + H2O

Diidrossicetone fosfato + NADH-H+ + H2O => Glicerolo + NAD+ + Pi

Le quali sommate danno la seguente reazione globale:

Glucosio => Glicerolo + Piruvato

Il glicerolo prodotto viene espulso dalla cellula, questo essendo polialcole darà dolcezza alla bevanda alcolica. Mentre il piruvato può prendere diverse strade per essere smaltito, schematizzato sopra [3], producendo tutta una serie di sotto prodotti come:

Piruvato => Acetaldeide + CO2

2Piruvato => Acetolattato + CO2

Acetolattato => Diacetile + CO2

Acetolattato => Acetoino + CO2

Acetoino + NADH-H+ <=> 2,3-butandiolo + NAD+

Acetoino + NAD+ <=> Diacetile + NADH-H+

Questi sottoprodotti contribuiscono al bouquet di aromi delle bevande alcoliche e vengono prodotti in base alla disponibilità di NAD+ o di NADH-H+. L'acetaldeide o etanale (C2H4O) come visto in precedenza è un prodotto intermediario della fermentazione prima di essere convertita in etanolo, e presenta un odore fruttato. L'acetolattato (C5H8O4) è un intermedio prodotto dalla fusione di due molecole di piruvato e che tende a ossidarsi e decarbossidarsi spontaneamente in diacetile oppure essere decarbossidata enzimaticamente in acetoino. Il diacetile (C4H6O2) è un dichetone che presenta un aroma di burro, che può tendere al caramello se presente in alte quantità, viene prodotto dal s. pastorianus, se lavora a temperature troppo basse. L'acetoino o acetoina (C4H8O2) è un ossichetone,  presenta un odore burroso che si avvicina a quello delle mandorle. Il 2,3-butandiolo (C4H10O2) è un polialcole, che presenta un odore tendente al burroso o meglio al "pannoso", comunque minore del diacetile.

Un altro sottoprodotto della fermentazione gliceropiruvica del s. cerevisiaea è l'acido succinico (C4H6O4), un acido bicarbossilico generato dalla modifica del ciclo TCA, come si può vedere nell'immagine sopra [1]. E il tutto può essere riassunto con la seguente reazione:

Piruvato + CO2 + 2NADH-H+ => Succinato + H2O + 2NAD+

Questo acido è molto importante per la regolazione del pH, contribuendo in parte all'acidità della bevanda fermentantata. Comunque tutte le molecole elencate sono prodotte in piccole quantità e permettono di dare complessità alla bevanda fermentata, infatti, senza di esse, i vini e le birre sarebbero tutti sensorialmente più spenti.

La via di Entner-Doudoroff

Come detto in precedenza, oltre ai lieviti vi sono i batteri del genere zymomonas in grado di fermentare gli zuccheri e produrre etanolo.

Solo che questo genere non è in grado di scindere i carboidrati attraverso la glicolisi e come si può osservare nell'immagine sopra [6], utilizzando la via di Entner-Doudoroff per la produzione di acido piruvico da fermentare, questa via metabolica parte dal glucosio-6-fosfato il quale viene ossidato inizialmente in acido 6-fosfogluconico e successivamente disidrato in acido 2-cheto-3-deossi-6-fosfogluconico. Questo prodotto attraverso l'enzima aldosi viene scisso in acido piruvico e in gliceraldeide-3-fosfato.

Ora il primo segue la normale fermentazione alcolica il secondo viene convertito in acido piruvico e poi in etanolo. L'intero processo da la seguente reazione:

Glucosio + ATP + 2ADP + Pi + 2NAD+ + 2NADH-H+ => 

2Etanolo + 2CO2 + ADP + 2ATP + 2NADH-H+ + 2NAD+ + H2O

La quale si può riassumere nel seguente modo:

Glucosio  + ADP + Pi => 2Etanolo + 2CO2 +  ATP + H2O

Questa fermentazione è sicuramente più svantaggiosa rispetto quella attuata dai lieviti, in quanto energeticamente rende una molecola di ATP per ognuna di glucosio, ma utilizza meno enzimi per la scissione di quest'ultimo, rendendola una via più pratica.

Bibliografia

[1] Daojiang Yan, Caixia Wanga, Jiemin Zhou, Yilan Liu, Maohua Yang, Jianmin Xing; Construction of reductive pathway in Saccharomyces cerevisiae for effective succinic acid fermentation at low pH value; Bioresource Technology 156 (2014) 232–239;

[2] Tomoko Ohnishi; Mechanism of electron transport and energy corservation in the site I region of the respiratory chain; Biochimica et Biophysica Acta, 301 (1973) 105-128;

[3] Victoria Moreno-Arribas M., Carmen Polo M.; Wine chemistry and biochemistry;  Springer Science+Business Media, LLC 2009;

[4] https://commons.wikimedia.org/

[5] https://oncohemakey.com/the-metabolism-of-cell-growth-and-proliferation/

[6] https://textbookofbacteriology.net/metabolism_3.html

Le informazioni presenti su questo blog sono a scopo informativo, quindi mi esento da qualsiasi responsabilità per i danni che potreste causare.

Chicha

Così come in Europa e Medioriente dalla coltivazione di orzo e frumento nasce la birra, nelle Ande dalla coltivazione di mais nasce la chicha. Questa è per l'appunto un vino o meglio un fermentato di mais e cambia di regione in regione o di famiglia in famiglia, poiché è un prodotto prettamente artigianale al quale si possono addizione spezie e frutta.

La chicha (si pronuncia cicia) nasce nel 5000 a.C., questo è quello che ci viene testimoniato dalle numerose ceramiche, usate per la conservazione di essa, rinvenute negli scavi andini. La bibita era molto apprezzata dagli Incas, i quali credevano che lo stato di ebrezza permettesse di comunicare con gli spiriti e a ciò si lega il fatto che il mais stesso fosse sacro, visto che esso era la base alimentare di tutta la popolazione [2].

Questa bevanda cambiando in base al luogo di produzione, cambia la ricetta e il modo di produrla, avendo così i seguenti tipi.

Chicha (muko)

Per permettere la saccarificazione del mais, tradizionalmente, esso veniva masticato. Questa pratica consiste nel cuocere il mais, macinarlo e poi masticarlo a piccoli bocconi, in modo che questi si impregnino di ptialina, un enzima distatico presente nella nostra saliva. 

I Conquistadores quando sbarcarono sul Nuovo Mondo rimasero disgustati nel vedere questa bevanda prodotta con lo sputo o meglio masticando il mais cotto. Infatti, storicamente è la vera chicha, anche se il nome fu utilizzato dagli spagnoli per descrivere qualsiasi bevanda alcolica a base di cereali e frutta. Essi a loro volta appresero il termine dal caraibico (Arawak) che significava "acqua che fermenta", mentre in lingua Quechua veniva chiamata acca o akka, oppure ancora in lingua Aymara cusa, spesso erroneamente trascritto come cufa, poiché scritta con la s lunga [1] [3].

La produzione di questa chicha storica avveniva grazie alle muccupuccuk, le donne anziane della tribù addette alla masticazione di bocconi di mais cotto, chiamato muko, il quale andava a costituire la metà dell'impasto di cereali. Infatti, una volta impregnato per bene il mais di enzimi, ad esso veniva aggiunta una parte di acqua per renderlo liquidi e lasciato fermentare per qualche giorno.

Una curiosità, fonti storiche raccontano che gli Aztechi producevano una bevanda alcolica con il mais nixtamlizzato molto simile alla chicha, anziché simile al pulque, bevanda simile all'idromele prodotta con l'agave.

Chicha de yuca o Masato

Prodotta dalle tribù amazzoniche dell'entroterra ecuadoregno, è la chicha che ancora mantiene la tradizione di utilizzare la saliva come agente diastatico, ma che prevede al posto del mais l'utilizzo della yuca o manioca. 

Per la sua produzione si parte dai rizomi tuberosi di questa pianta, che vengono lavati, sbucciati e cotti attraverso la loro bollitura. Effettuato questo passaggio i rizomi vengono pestati e masticati. Il composto ricco di amidi gelatinizzati e ptialina viene sciolto in acqua e il quale tenderà con il tempo a maltarsi, va ricordato che l'enzima è attivo a temperatura ambiente con il picco di attività a 37.0°C, e nel frattempo il mosto ricco di zuccheri semplici verrà fermentato da lattobacilli e lieviti selvatici. Per tanto il prodotto finito è una bevanda inebriante e acidula, molto corposa, di colore lattiginosa [5].

Chicha de jora

Questa chicha è una versione più evoluta della tradizionale e viene prodotta in Perù, Bolivia ed Ecuador, utilizzando la jora, cioè il mais maltato. Questa nasce molto probabilmente dall'influenza europea dei Conquistadores, sostituendo la vera chicha prodotta con la saliva.

La ricetta prevede di infondere 1.0kg di jora per ogni 6.0l di acqua calda, lasciando riposare il tutto per 30 minuti e successivamente si fa bollire il tutto per un'oretta. 

Il mosto risultante, lo si filtra con un colino a maglie larghe e si lascia raffreddare. Raggiunta la temperatura ambiente si aggiunge 80.0ml di borra per kg di jora, questa altro non è che il fondo di lievito di una precedente chicha. Dopo tre giorni di fermentazione può essere consumata [7].

Chicha de guiñapo

Chicha peruviana originaria della regione di Arequipa, viene prodotta con la farina di mais morado maltato chiamato per l'appunto guiñapo. 

La ricetta prevede per ogni kg di guiñapo si utilizzano 6.7l di acqua, nella quale fare infondere la farina fino a portarla a bollore, insieme a spezie a piacere come anice, chiodi di garofano e cannella. Dopo di che si filtra il composto si aggiungono 0.7kg di zucchero e 0.8l di concho, questo altro non è che il fondo di fermentazione di una precedente chicha, cioè il lievito [6]. Dopo dodici giorni di fermentazione la bevanda può essere consumata.

Chicha morada

Prodotta in Perù, non è una vera chicha o almeno non dovrebbe esserlo, poiché questa è una bevanda analcolica prodotta dalla bollitura di mais morado, cioè viola scuro.

Viene servita in vari chioschetti presenti su tutto il territorio peruviano e la si può trovare aromatizzata con frutta essiccata o fresca.

Bibliografia

[1] Bonavia Duccio; Maize. Origin, Domestication, and its Role in the Development of Culture; Cambridge University Press; 2013

[2] https://www.homebrewersassociation.org/beyond-beer/chew-spit-brew-how-to-make-chicha-beer/

[3] https://perpendiculum.blogspot.com/2018/10/la-chicha-storia-cultura-ed-etimologia.html

[4] https://soundsandcolours.com/articles/ecuador/chicha-an-ancestral-beverage-to-feed-body-and-soul-7430/

[5] https://www.youtube.com/watch?v=dio7OskNGRo&ab_channel=comuntierra

[6] https://www.youtube.com/watch?v=0yEKFpIe7xM&ab_channel=LaLuchita

[7] https://www.youtube.com/watch?v=2o9sj3a3Q8Y&ab_channel=VictoriaSourBeer

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