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CENTRO UNIVERSITARIO DE CIENCIAS EXACTAS E INGENIERIAS INTRODUCCIÓN A LA BIOTECNOLOGÍA PROYECTO INTEGRADOR

Aplicación de la biotecnología en la elaboración de vino tinto Equipo: Lázaro perdónanos Integrantes:

Avalos Rivera Raquel Brion Aguiar Alejandra Abigail Carvajal Aranda Camila García Bon Miguel Ángel Sandoval Plascencia Diana Rosario

Introducción (Breve introducción que mencione la relevancia del proceso biotecnológico seleccionado y el área de la biotecnología a la que pertenece.) En sus comienzos la producción del vino se dio de forma espontánea con el almacenamiento de uvas que el hombre recolectaba para su consumo. Con el paso de los años se fue conociendo con exactitud los procesos biológicos detrás de la producción del vino tinto. La fermentación alcohólica y la fermentación maloláctica son procesos biotecnológicos esenciales en su elaboración, sin estos procesos, no se formaría la bebida alcohólica. Este proceso forma parte de la biotecnología amarilla porque incluye alimentos y su desarrollo y también a la biotecnología blanca porque se emplean sistemas biológicos con aplicación industrial, empleando materias primas renovables. Parte del proceso que implica la biotecnología El uso de seres vivos para la obtención de un producto útil recibe el nombre de proceso biotecnológico. El proceso biotecnológico en la producción del vino es la fermentación alcohólica que consiste en la transformación de los azúcares de la uva en alcohol etílico, dióxido de carbono y otros compuestos mediante levaduras que según su metabolismo brindan sabor, aroma y textura al vino. En la fermentación maloláctica, el ácido málico (presente naturalmente en la pulpa de varias frutas) se convierte en ácido láctico, esto reduce la acidez del vino, mejora la calidad y proporciona un sabor característico. Los avances biotecnológicos permiten el uso de herramientas moleculares y organismos genéticamente modificados en la fabricación del vino. Biomoléculas involucradas en el proceso. Mención y descripción de los aspectos más significativos de las biomoléculas involucradas en el proceso. Las biomoléculas están presentes únicamente en los organismos vivos. La mayoría de las biomoléculas están compuestas de átomos de oxígeno, hidrógeno, nitrógeno y/o carbono. Estos átomos o elementos se llaman bioelementos, ya que son los elementos principales que forman los seres vivos. Hidrocarburos ● Están representados por glucosa y sacarosa. ● Se encuentran en el mosto a concentraciones de 150 y 250 g/L ● Son fermentables porque la levadura los convierte en alcohol

Los monosacáridos no pueden ser hidrolizados en partes más simples, la mayoría se pueden cristalizar. En el proceso de producción de vino las hexosas son fermentadas por los microorganismos. Las hexosas son monosacáridos que están formados por una cadena de seis átomos de carbono, cuya forma es: C6H12O6. Las principales hexosas utilizadas por la levadura son: ● Glucosa: Monosacárido más abundante. ● Fructosa: Se encuentra en la mayoría de las frutas, en este caso, las uvas. ● Galactosa: Es constitutiva de los tejidos nerviosos del cerebro. Los disacáridos son oligosacáridos formados por dos monosacáridos, los cuales son solubles en agua, cristalizables y dulces. El principal disacárido que utiliza la levadura y participa en la elaboración de los vinos, es la sacarosa. La sacarosa es un azúcar no reductor, lábil al calor, formada por la unión de una glucosa y una fructosa. Los polisacáridos son biomoléculas, formadas por la unión de muchos monosacáridos y cumplen funciones diversas, como reservas energéticas y estructurales. Los polisacáridos pueden descomponerse por hidrólisis de los enlaces glucosídicos. Los polisacáridos se encuentran en los vinos en cantidades entre 300 mg/l y 1000 mg/l. Se dividen en dos grupos principales: Aquellos que proceden de la uva: ● Pectinas: Las pectinas son un tipo de heteropolisacáridos, están formadas por galactosa, arabinosa, ácido galacturónico, ramnosa y glucosa. ● Alginatos: Son una familia de polisacáridos lineales que se encuentran en la pared celular de las algas, este polímero debe su carácter polianiónico a los grupos carboxilos que están presentes a lo largo de su cadena. Se emplea en la clarificación del vino. ● Goma arábiga: es un polisacárido de origen natural que se extrae de la resina de árboles del género de Acacia, está compuesto por arabinosa. Las soluciones en agua de la goma arábiga son ligeramente ácidas y tienen un pH aproximado de 4.5 a 5.5, se añade al finalizar la clarificación o filtración logrando retrasar la precipitación del bitartrato interrumpiendo la precipitación de cristales.

Aquellos que han elaborado los microorganismos durante la elaboración del vino Incluye a los que han liberado las levaduras durante y después de la fermentación, y los producidos por algunas bacterias. (manosa, arabinosa y una pequeña cantidad de proteína(heteroproteínas)) Proteínas Los aminoácidos son no hidrolizables, sólidos cristalinos y anfóteros. Los aminoácidos se encuentran en el mosto de uva en concentraciones de 1 mg/l a 3 mg/l. La mayor parte de los aminoácidos en el proceso de obtención de vino se absorben y se incorporan a la masa celular de las levaduras durante su fermentación. Los aminoácidos que se adicionan al mosto son: Valina, Leucina e isoleucina, para favorecer la formación de alcoholes superiores. Proteínas son biopolímeros de alto peso molecular. En el proceso del vino, se adicionan proteínas como clarificantes para rebajar la concentración de taninos. ● Albúmina: Empleada en la eliminación de taninos ● Caseína: La caseína es una proteína de la leche del tipo fosfoproteína que se separa de la leche por acidificación, se emplea para la clarificación del vino y la reducción de cobre (hasta 45%) y de hierro (hasta 60%). Enzimas Catalizadores biológicos de las reacciones. En el proceso de elaboración del vino, las enzimas son utilizadas para hidrolizar polisacáridos. Se utilizan enzimas inmovilizadas que son enzimas que han sido fijadas en un material inerte; este proceso puede incrementar la resistencia a cambios en las condiciones en las que se encuentra el preparado, tales como pH y temperatura: ● Proteasas: Utilizadas para la hidrólisis de las proteínas y péptidos del vino, para mejorar la estabilidad coloidal y reemplazar el uso de bentonita (utilizadas para operaciones de clarificación o de estabilización proteica de los mostos y de los vinos). ● Pectinasas: Utilizadas para la hidrólisis de pectinas, mejoran la estabilidad coloidal, para la recuperación del mosto de la primera prensada. ● Glucanasas: Utilizadas para la hidrólisis de glucano, mejoran la estabilidad, y para la recuperación de enzimas (que más adelante se utilizarán).

● Ureasas: Acelera la hidrólisis en un reactor de enzimas inmovilizadas. ● Glucosidasas: Hidrólisis de los glucósidos de los terpenos para mejorar su aroma. Vitaminas El vino contiene cantidades muy pequeñas. La vitamina C se encuentra en cantidades elevadas en el mosto, pero no en el vino. Los vinos que contienen grandes cantidades de sulfito añadido, neutralizan el efecto de determinadas vitaminas. Biotina: Necesario para el mosto y para el metabolismo de levaduras. La importancia de las biomoléculas es fundamental para los seres vivos ya que sin estas no podríamos formar las Biomoléculas Orgánicas (Glúcidos, Lípidos, Proteínas, Ácidos Nucleicos) que forman las bases de la materia viva, y gracias a estas podemos realizar los complejos procesos funcionales que caracterizan a los seres vivos. En el proceso del vino tinto nos damos cuenta que tras la adición de los diferentes tipos de biomoléculas, como la proteína que nos sirve para la eliminación de taninos, las enzimas para hidrolizar los polisacáridos y así incrementar la resistencia a los cambios de pH y temperatura, o todos los polisacáridos que se añaden en la parte de clarificación para evitar la precipitación de cristales. O no solo de la adición, sino también los que producen los microorganismos (levaduras y bacterias) que son la manosa, arabinosa y proteína. Todo lo que se añade es con el fin de que el proceso sea más eficiente y que el producto tenga un mejor color, olor, textura, una mayor calidad en general. Microorganismos Estudio del o los microorganismos participantes, así como sus características y factores de impacto relacionados con el proceso. La transformación del mosto de uva en vino es esencialmente un proceso microbiano. Los microorganismos más importantes que participan en la elaboración de vino, específicamente en el proceso biotecnológico de la fermentación (alcohólica y maloláctica), son las levaduras y las bacterias malolácticas. Bacterias: Las bacterias malolácticas son las que tienen capacidad de realizar la descarboxilación directa de ácido málico a ácido láctico, gracias a la enzima malatocarboxiliasa. Las bacterias malolácticas en las que se tiene interés son las que muestran gran tolerancia a la acidez y al etanol. Estas provienen de manera natural del mosto de la uva.

Algunas características son: •

Tienen morfología cocoide o bacilar.

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Son anaerobias facultativas y microaerófilas (pueden desarrollarse en presencia o ausencia de oxígeno).

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Necesitan como fuente de carbono principal a los carbohidratos, los cuales fermentan por dos vías: homofermentativa y heterofermentativa.

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No son capaces de realizar un metabolismo oxidativo.

Las bacterias lácticas que se pueden aislar en vinos son de los géneros lactobacillus, pediococcus, leuconostoc y oenococcus. •

Oenococcus oeni

Realizan la fermentación heteroláctica, es decir, que fermentan los azúcares produciendo otros compuestos además de ácido láctico, sobre todo CO 2 y también acético y etanol en pequeñas cantidades. Su hábitat es exclusivamente el mosto y el vino, pueden crecer al pH del vino (entre 3 y 4), y toleran el etanol, un 10 % (v/v) y más. O. oeni es la especie predominante en la FML de vinos. La bacteria láctica leuconostoc es perteneciente a Oenococcus oeni. •

Pediococcus

Es un género de bacteria del ácido láctico Gram positivas, son anaeróbicas facultativas y homofermentativas, ya que convierten la glucosa en ácido láctico sin producir CO2. Morfológicamente son esféricas, el tamaño varía de 0.6-1.0 micras. Su temperatura óptima que bajo determinadas condiciones puede alterar las propiedades organolépticas del vino, se encuentra en pH elevados (>3.5), y en azúcares fermentados a temperaturas elevadas •

Lactobacillus

Es un género de bacterias Gram positivas anaerobias facultativas, son utilizados en el proceso de fermentación del vino, por ejemplo, el Lactobacillus plantarum convierte la glucosa o la fructosa en ácido láctico, pero no en ácido acético, evitando por consiguiente un incremento de la producción de acidez volátil durante la FML. Expresa una muy alta actividad de la enzima malolácticas en mostos, lo cual desencadena una FML rápida durante la fermentación alcohólica y en vinos con características enológicas de interés.

Fermentan los azúcares produciendo otros compuestos además de ácido láctico, sobre todo CO2 (excepto género Pediococcus ), ácido acético (excepto Lactobacillus) y etanol en pequeñas cantidades. Levaduras: En la uva se encuentran varios tipos de levaduras, pero la mayoría de ellas no pueden asegurar una fermentación alcohólica normal y estable. La especie Saccharomyces cerevisiae es poco abundante sobre la uva, pero, es la especie fermentativa más utilizada porque garantiza una mejor calidad y estabilidad de los vinos. En la trituración de la uva y las condiciones ambientales del mosto: la presencia de SO2, la temperatura y la higiene bodega, todos juegan un papel en la determinación de las especies que pueden sobrevivir y crecer en el mosto. Las levaduras del mosto de uva en el inicio de la fermentación del vino se pueden dividir a grandes rasgos en dos grupos, las Saccharomyces sp. y las levaduras que no forman parte de ese grupo (no tienen mucha importancia en el proceso). Características de saccharomyces sp.: •

Presenta forma esférica o elipsoidal.

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Mide aproximadamente 8 x 7 μm.

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Son levaduras fermentativas, pero también pueden crecer oxidativamente como parte del velo superficial.

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Se reproducen asexualmente por gemación multilateral.

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La mayoría de las cepas puede producir cantidades de alcohol hasta 16%.

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En la naturaleza, la mayoría se encuentran sobre sustratos ricos en azúcares y savias dulces de algunas plantas.

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Se alimentan de azúcares y el mejor sustrato es la glucosa.

Las levaduras fermentativas se pueden clasificar en tres grandes grupos con relación a su influencia dentro del proceso de fermentación: 1. Levaduras de inicio de fermentación: Son generalmente levaduras con un bajo poder fermentativo (hasta 4-5 %Vol.). Normalmente este tipo de levaduras provienen de la uva, originan un poco de acidez en el mosto.

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Hansenula sp. Tiene metabolismo fermentativo (entre 0.2-4.5% de alcohol) y oxidativo, forman grandes cantidades de ácido acético, así como ésteres volátiles (añaden cierto sabor y buqué al vino). Además, puede oxidar el ácido málico y disminuyendo así el pH. Hansenula puede crecer a bajo pH, baja actividad de agua y alta presión osmótica. Sustrato: Glucosa.

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Kloeckera apiculata. Las levaduras apiculadas (con forma de limón) se forman por gemación repetida en ambos polos. Estas levaduras se producen en abundancia durante la primera etapa de la fermentación nativa. Es la levadura más común en la mayoría de las vinificaciones. Ayuda a una fermentación espontánea de los mostos.

2. Levaduras de poder fermentativo medio-alto: Una vez que se han superado los 4-5 %Vol. de alcohol, otras especies de levaduras dominan el proceso como es el caso de: Saccharomyces cerevisiae var . Ellipsoideus, Saccharomyces pastorianus, entre otros. 3. Levaduras de elevado poder fermentativo: Al alcanzar los 10-11%Vol de alcohol, hay otras especies de levaduras que comienzan predominar debido a que gozan de un elevado poder fermentativo como son del grupo de Saccharomyces sp.: Saccharomyces oviformis, saccharomyces bayanus, saccharomyces ellipsoideus, entre otras. 4. Levaduras post-fermentativas: Las primeras y no tan beneficiosas son levaduras aeróbicas de bajo poder fermentativo denominadas "flores del vino". Forman un delgado velo blanquecino (desde el principio de la fermentación) en la superficie de los vinos conservados en malas condiciones. Son perjudiciales debido a que forman gran cantidad de ácido acético y de acetato de etilo a partir del etanol. Se trata de Candyda micoderma, Hansenula, y Picchias. Las “levaduras de flor", son levaduras típicas de los vinos de crianza biológica. Forman un velo mucho más grueso, amarillento, muy floculante. Son levaduras con un alto poder fermentativo, forman el velo una vez ha concluido la fermentación del mosto. Se trata de Saccharomyces moltuliensis, Saccharomyces italicus y Saccharomyces beticus principalmente. Estas levaduras forman acetaldehído (aroma a almendra) a partir del etanol, y acetales a partir de etanol más acetaldehído. Consumen casi toda la glicerina y favorecen el potencial de óxido-reducción del mosto bajo el velo, esto ayuda porque se realiza la fermentación maloláctica.

Las levaduras convierten los principales azúcares de la uva (glucosa y fructosa) en dióxido de carbono y etanol durante el proceso de la fermentación alcohólica. Propuesta original del uso de la ingeniería genética para mejorar el proceso biotecnológico de estudio. Una propuesta del uso de la ingeniería genética para mejorar el proceso biotecnológico de la fermentación es mejorar las levaduras genéticamente para que den un mejor rendimiento. Aunque también se podría mejorar la uva para que tenga mejor protección ante ciertas plagas que pueden acabar con la cosecha. Analizar para qué sirve conocer los metabolismos con relación al proceso de estudio. Hablando acerca de los metabolismos, la glucólisis es la primera etapa de la fermentación y el piruvato (producto de la glucólisis) se puede seguir metabolizando para obtener energía (ATP’s) y éste toma tres rutas catabólicas, una con presencia de oxígeno (continua la glucólisis) y dos sin oxígeno, estas últimas son la fermentación maloláctica (el piruvato se reduce a lactato y acepta electrones del NADH, regenerando el NAD+ para la continuación de la glucólisis y la obtención de energía por medio de este) y la fermentación alcohólica (donde el piruvato se convierte en etanol y CO2, donde también se lleva a cabo el mismo proceso de aceptar electrones y regenerar el NAD+), estas dos fermentaciones tienen como objetivo producir energía. Ahora, ¿cómo nos ayuda conocer los metabolismos en el proceso? como podemos ver, estas reacciones son exotérmicas, lo cual nos permite conocer las condiciones a las cuales se debe llevar a cabo el proceso. Por ejemplo, se puede modificar la temperatura del ambiente o la temperatura a la cual se encuentran las barricas para que el proceso se lleve a cabo de una mejor manera, ya que es una reacción exotérmica esta libera energía y si se tiene una temperatura alta en las condiciones donde se realiza la reacción, ésta no dará un buen porcentaje de conversión, por lo que el proceso no dará buenos resultados. Esto lo podemos utilizar a nuestro favor como ingenieros, al jugar con las condiciones se puede optimizar el proceso. Conclusión sobre el impacto de la biotecnología en la vida de un ingeniero y en la industria.

La biotecnología brinda buenos elementos para el desarrollo sostenible de agricultura, pesca, actividad forestal, cuidado de salud y medio ambiente. Si se integra correctamente con otras tecnologías puede contribuir en gran medida a satisfacer las necesidades de una población en crecimiento. Un ingeniero puede ofrecer soluciones a las problemáticas de diferentes sectores como agropecuario, de salud, alimentos y ambiental mediante el diseño e innovación de producción, adecuación de procedimientos y productos de aplicación industrial o servicios que conlleven a la protección del ambiente, el aprovechamiento y conservación de recursos naturales y ayuden al desarrollo biotecnológico del país. Bibliografía: •

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