Optimización DEL Proceso DE Fermentación Utilizando Fuentes DE Nitrógeno PDF

Preview

Summary

UNIVERSIDAD NACIONAL SANLUIS GONSAGAFACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICAOPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE FERMENTACIÓN UTILIZANDO FUENTES DENITRÓGENO (ÚREA Y SULFATO DE AMONIO) PARA MEJORAR LA CALIDAD EN LAPRODUCCIÓN DE VINOINTEGRANTE:SAMAMÉ CORONADO ANDREAASESOR:Ing. Juan Francisco Robles RuizCICLO:VIAÑO:2019I...

Description

UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONSAGA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE FERMENTACIÓN UTILIZANDO FUENTES DE NITRÓGENO (ÚREA Y SULFATO DE AMONIO) PARA MEJORAR LA CALIDAD EN LA PRODUCCIÓN DE VINO

INTEGRANTE:

SAMAMÉ CORONADO ANDREA ASESOR: Ing. Juan Francisco Robles Ruiz

CICLO: VI

AÑO: 2019

I. I.1.

INFORMACIÓN GENERAL Título:

Optimización del proceso de fermentación utilizando fuentes de nitrógeno (urea y sulfato de amonio) para mejorar la calidad en la producción de vino I.2.

Autor (es):

- Alva Rocha Yessica Kateryn (170529C) - Angeles Torres Josselyn Pamela (170527K) I.3.

Asesor de especialidad:

Ing. Juan Francisco Robles Ruiz I.4.

Línea de Investigación:

Tecnología de Alimentos I.5.

Lugar:

Lambayeque I.6.

Duración estimada del proyecto:

3 meses I.7.

Fecha de inicio:

30 de setiembre I.8.

Fecha de término:

30 de diciembre II. II.1.

PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN Síntesis de la situación problemática

La carencia de nitrógeno es uno de los principales problemas encontrados en la elaboración del vino, especialmente relacionados con fermentaciones lentas e incompletas. En condiciones de vinificación, bajos niveles iniciales de nitrógeno limitan el crecimiento y la producción de biomasa, provocando una baja tasa de fermentación. Los compuestos nitrogenados presentes en el mosto también influyen en la producción de metabolitos volátiles y no volátiles que son los que regulan el perfil sensorial y la calidad del vino. Actualmente, el método más común utilizado para tratar carencias de nitrógeno en la fermentación, es la adición de nitrógeno. Sin embargo, el efecto de estas adiciones se rige

por los requerimientos específicos nitrogenados de cada cepa y de las condiciones de fermentación. Para dar una solución al problema planteado se trabajará con 2 fuentes de nitrógeno asimilables (urea y sulfato de amonio) que serán agregadas antes de realizar la siembra de la levadura activada. Se tendrá una batería de vino sin adición de fuente de nitrógeno (muestra patrón), otra batería con urea (1 %), y la última muestra con fosfato de amonio (1 %); a las cuales se les denominará T1, T2 y T3 respectivamente, y las que tendrán 28°Brix inicial después de la adición de azúcar, para así garantizar las mismas condiciones iniciales en cada tratamiento. En cada batería se evaluará progresivamente °Brix, % Acidez, pH y Grados alcohólicos. Se cortará la fermentación cuando el vino haya llegado a 14 °Brix y se evaluará el tiempo que tomó cada tratamiento, determinando cuál fue el más efectivo. Por último, se hará una evaluación sensorial del vino obtenido en cada tratamiento, además de una encuesta para determinar la preferencia del público. Formulación del problema de investigación:

II.2.

Ante la problemática planteada: ¿Se puede optimizar el proceso de fermentación utilizando fuentes de nitrógeno (úrea y sulfato de amonio) para mejorar la calidad en la producción de vino? Hipótesis/ solución del problema:

II.3.

Sí se puede optimizar el proceso de fermentación utilizando fuentes de nitrógeno (úrea y sulfato de amonio) para mejorar la calidad en la producción de vino. Objetivos:

II.4.

Objetivo General: -

Mejorar la calidad de la producción de vino utilizando fuentes de nitrógeno (úrea y sulfato de amonio)

Objetivos Específicos - Incrementar la concentración de nitrógeno del medio, para así mejorar la eficiencia en la producción. - Determinar la cantidad óptima de nitrógeno asimilable en forma de sales de amonio y urea que se adicionara al medio.

- Determinar el tiempo de fermentación haciendo uso del sulfato de amonio y la urea en diferentes concentraciones. III. DISEÑO TEÓRICO III.1. Antecedentes

Telléz, Peraza, Feria y Andrade (2012), elaboraron un proyecto de investigación que tuvo como objetivo la optimización de la concentración de azúcar, nitrógeno y fosforo del medio, para incrementar la eficiencia en la producción de tequila y establecer la influencia de los macronutrientes indicando la normativa Mexicana (NOM -006-SCFI-2005). Se pudo concluir que la influencia del nitrógeno sobre el medio de fermentación ha sido reportada en varios aspectos del metabolismo de la levadura, así como la relación fuente de Carbono-Nitrógeno que ha sido reportada como influyente en cepas evaluadas sobre la producción de alcoholes superiores. También se determinó las condiciones óptimas para cada cepa en las distintas concentraciones de cada medio (Agave 100% y mosto mixto). En el trabajo de Gutiérrez, y otros (2012) nos habla acerca de las deficiencias de nitrógeno en los mostos de uva, siendo una de las principales causas de fermentación de vino atascadas o lentas. Sugiriendo como solución agregar nitrógeno suplementario, que puede optimizar el proceso de fermentación utilizando fuentes de nitrógeno para mejorar la calidad en la producción de vino optimizar el proceso de fermentación utilizando fuentes de nitrógeno para mejorar la calidad en la producción de vino optimizar el proceso de fermentación utilizando fuentes de nitrógeno para mejorar la calidad en la producción de vino ser sulfato de amonio, fosfato de amonio o urea. Sin embargo, también es importante tener en cuenta el requerimiento específico de nitrógeno de cada cepa. En esta tarea se llevó a cabo utilizando técnicas de modelado estadístico, teniendo como conclusión, que la necesitad de nitrógeno se correlaciona positivamente con las tasas de crecimiento y absorción de nitrógeno; la concentración adecuada de nitrógeno aumenta la biomasa y la tasa de fermentación. González (2014), en un trabajo presentado para optar el título de Máster en Química Avanzada,

titulado

“Caracterización

bioquímica

y

biotecnológica

de

la

levadura

Saccharomyces Cerevisiae GL15”, analiza el metabolismo del nitrógeno y en que fuente nitrogenada (Urea, peptona o peptona bacteriológica) la levadura tendría un mejor crecimiento. Se hizo la prueba de la glicemia a los ensayos para asegurar que la levadura había consumido toda la glucosa y había crecido bien. Teniendo como resultados que GL 15 es una cepa que puede crecer en presencia de cualquiera de las fuentes de nitrógeno. III.2. Bases Teóricas

III.2.1. Fuentes de nitrógeno en el mosto de uvas para vinificación

El nitrógeno en el mosto puede estar presente en dos formas claramente diferenciadas: la inorgánica, básicamente como amonio, y la orgánica formada por aminoácidos, péptidos y proteínas. No todas estas formas son igualmente disponibles para la levadura ya que, por ejemplo, los péptidos y las proteínas no se suelen considerar como auténticas fuentes de nitrógeno, y los aminoácidos son muy variables como fuentes nitrogenadas ya que mientras algunos son consumidos ávidamente (glutamina, por ejemplo), otros no lo son en absoluto en condiciones anaerobias, como la prolina. Curiosamente la prolina, junto con la arginina, son los dos aminoácidos mayoritarios en mostos de uva.[ CITATION Mas14 \l 10250 ] III.2.2. Contenido de nitrógeno en mostos de uvas para la vinificación Nitrógeno inorgánico: Catión asimilable

+¿¿ NH 4 es la forma más directamente asimilable

para las levaduras. - Representa el 5-10% del nitrógeno total en mosto (> 50 mg/L) - Interviene en la fermentabilidad del mosto. Nitrógeno Orgánico: - Aminoácidos (1-4 g/L; 30-40% del nitrógeno total): alanina, arginina, prolina, serina, ácido glutámico y glutamina. Formula:

2−¿ COOH R−CHNH ¿

(M < 200)

Función: Intervienen en el desarrollo de microorganismos. - Péptidos: glutatión (M < 10000) - Proteínas (20-100 mg/L mosto): M > 10000 su precipitación por los taninos causa quiebra proteica en vinos blancos, ya que los vinos tintos no contienen proteínas en estado libre. III.2.3. Factores que afectan el contenido de nitrógeno en mosto de uva para vinificación Dentro de los factores que afectan el contenido de nitrógeno asimilable, se encuentran variedad de uva, factores ambientales, madurez de los granos, fertilización nitrogenada, patrón o porta injerto, infecciones con hongos, tipo de suelo, método de cosecha y maceración carbónica.

Los dos factores manejables más importantes que afectan el

contenido de nitrógeno del mosto son, la cosecha a madurez óptima para el contenido de nitrógeno, y la fertilización del viñedo. La concentración de amonio en las bayas decrece durante la maduración. [CITATION Peñ \l 10250 ]

III.2.4. Metabolismo

nitrogenado

de

Saccharomyces

cerevisiae

durante

la

fermentación vínica La transformación de la uva es un proceso biotecnológico en el que los microorganismos presentes, principalmente la levadura, utilizan nutrientes del mosto para su crecimiento. El mosto es un medio muy complejo, con una variedad de compuestos que van desde los azucares, que son los que más abundan, hasta los compuestos en muy pequeñas cantidades, pero no menos importantes, tanto desde el punto nutricional (vitaminas, minerales) como organolépticos (aromas y precursores). No obstante, difiere mucho de ser un medio óptimo, ya que en realidad se convierte en un medio selectivo. [ CITATION Mas14 \l 10250 ] Esta selectividad es consecuencia, por un lado, del elevado contenido en azúcares presente en concentraciones equimolares de glucosa y fructosa que oscilan entre 170 y 280 g/L, aunque en determinados casos pueden llegar hasta concentraciones muy superiores y por otro, del fuerte desequilibrio con la fracción nitrogenada, con concentraciones 3 órdenes de magnitud inferiores (concentraciones entre 70 y 600 mg/L. El nitrógeno en el mosto puede estar presente en dos formas claramente diferenciadas: la inorgánica, básicamente como amonio, y la orgánica formada por aminoácidos, péptidos y proteínas. No todas estas formas son igualmente disponibles para la levadura ya que, por ejemplo, los péptidos y las proteínas no se suelen considerar como auténticas fuentes de nitrógeno, y los aminoácidos son muy variables como fuentes nitrogenadas ya que mientras algunos son consumidos ávidamente (glutamina, por ejemplo), otros no lo son en absoluto en condiciones anaerobias, como la prolina. Curiosamente la prolina, junto con la arginina, son los dos aminoácidos mayoritarios en mostos de uva. El amonio suele ser altamente disponible para las levaduras, por lo que es una forma química que se suele utilizar de forma abundante en la industria enológica. La presencia de nitrógeno en cualquiera de estas formas químicas es fuertemente variable, dependiendo de diversos factores, entre ellos la variedad de uva, su grado de maduración, características edafoclimáticas y diversos aspectos tecnológicos (tipo de vinificación, prensado, etc.). No obstante, y como parte de una estrategia adaptativa a la fermentación del mosto, la levadura vínica Saccharomyces cerevisiae no consume este nitrógeno asimilable de manera aleatoria, sino que tiene un orden de preferencia por las distintas fuentes de nitrógeno. S. cerevisiae ha desarrollado diferentes mecanismos moleculares que le permiten utilizar preferentemente aquellas fuentes que mantienen un mejor crecimiento. Este mecanismo de selección de la fuente de nitrógeno se conoce como represión catabólica por nitrógeno (NCR).[ CITATION Mas14 \l 10250 ]

III.2.5. Mecanismos de utilización del nitrógeno por las levaduras Los compuestos nitrogenados en el mosto tienen alguno de los siguientes tres destinos: 1) Utilizados directamente en biosíntesis; 2) Convertidos a compuestos relacionados y utilizados en biosíntesis; 3) Degradados y liberando nitrógeno como ión amonio libre o realizando una reacción de transmisión.

En este caso el esqueleto carbonado del

compuesto nitrogenado puede ser un producto de desecho. El momento en que se utilice un compuesto nitrogenado depende de dos factores, la necesidad por ese compuesto directamente en biosíntesis con respecto a su concentración inicial, y la preferencia por ese compuesto como una fuente de nitrógeno una vez que las reservas celulares se han saturado. La mayoría de los compuestos nitrogenados son transportados por mecanismos activos debido a que, en general, la concentración celular de cada uno de estos componentes necesitará ser más alta que en el exterior de la célula. [CITATION Gón00 \l 10250 ] III.2.6. El nitrógeno y el desarrollo de la fermentación La concentración de nitrógeno asimilable es el factor más influyente sobre la cinética en la mayoría de las fermentaciones. Durante la fase de crecimiento de las levaduras, el nitrógeno es rápidamente absorbido para sustentar la actividad anabólica, luego, en la fase no proliferativa, los requerimientos de nitrógeno son relativamente bajos. Un abundante nivel original en nitrógeno aumenta las tasas de crecimiento y rendimiento en biomasa y estimula la actividad fermentativa, adiciones más tardías de nitrógeno asimilable, tendrán un efecto más fuerte sobre la cinética del final de fermentación que el nivel original, pero no sobre las máximas poblaciones de levaduras. III.3.

Fermentación

Es un proceso en el que se potencia deliberadamente el crecimiento de los microorganismos que consumen una cantidad de sustrato y enriquecen, por medio del cultivo los productos de su metabolismo[ CITATION Bai12 \l 3082 ]. La palabra fermentación ha sufrido también una evolución, primero este término se utilizó para describir el burbujeo que se produce durante la vinificación, antes que se descubriera la existencia de las levaduras.[ CITATION Cas03 \l 3082 ] Los procesos fermentativos se utilizan actualmente no sólo para la conservación de los alimentos en el estricto sentido del término, sino también para conferirles un mejor aroma y una mayor digestibilidad. El proceso fermentativo, en la mayor parte de los casos, permite la prolongación de la vida útil no tanto del alimento tal cual, sino de sus principios nutritivos,

dando así origen a un producto cuyo estado físico se ha modificado para presentar características organolépticas propias y típicas.[ CITATION Cas03 \l 3082 ] III.4.

Levaduras en la fermentación

Para [ CITATION Cas03 \l 10250 ], entre las más importantes están:  Saccharomyces cerevisiae, variedad ellipsoideus, es la levadura por excelencia, resistente al alcohol etílico hasta 16. 8º y al SO2.  Saccharomyces rosei: no forma muchos ácidos volátiles, pero no es muy resistente al alcohol y al SO2.  Saccharomyces bayanus u oviformis: es el más resistente al alcohol (hasta 18, 4º).  Saccharomyces ludwigi: es interesante por su elevada resistencia al SO2.  Schizosaccharomyces pombe: capaz de trasformar el ácido málico en alcohol etílico, por medio de la fermentación maloalcohólica. III.4.1. Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces cerevisiae es la levadura más ampliamente utilizada en las fermentaciones industriales, metaboliza los azúcares: sacarosa, glucosa, fructosa, maltosa y maltotriosa en distinto orden. [ CITATION Cas03 \l 10250 ] III.5.

Vino

El vino es una bebida obtenida de la uva mediante la fermentación alcohólica de su mosto o jugo. La fermentación se produce por la acción metabólica de las levaduras que transforman los azúcares del fruto en alcohol etílico y gas en forma de dióxido de carbono. El azúcar y los ácidos que posee la fruta, hace que sean suficientes para el desarrollo de la fermentación. No obstante, el vino es una suma de un conjunto de factores ambientales: clima, latitud, altitud, horas de luz, temperatura, etc. III.6. Definición y operacionalización de variables

Independiente: Uso de fuentes de nitrógeno (úrea y sulfato de amonio) en el proceso de fermentación. Dependiente: Mejorar la calidad en la producción de vino. IV. DISEÑO METODOLÓGICO IV.1. Diseño de contrastación de hipótesis:

Se requiere optimizar el proceso de fermentación en la producción de vino, por lo cual se utilizará 2 fuentes de nitrógeno distintas (urea y fosfato de amonio) que serán agregadas antes de realizar la siembra de la levadura activada.

Se tendrá una batería de vino sin adición de fuente de nitrógeno (muestra patrón), otra batería con úrea (1 %), y la última muestra con fosfato de amonio (1 %); a las cuales se les denominará T1, T2 y T3 respectivamente, y las que tendrán 28°Brix inicial después de la adición de azúcar, para así garantizar las mismas condiciones iniciales en cada tratamiento. En cada batería se evaluará progresivamente °Brix, % Acidez, pH y Grados alcohólicos. Se cortará la fermentación cuando el vino haya llegado a 14 °Brix y se evaluará el tiempo que tomó cada tratamiento, determinando cuál fue el más efectivo. Por último, se hará una evaluación sensorial del vino obtenido en cada tratamiento, además de una encuesta para determinar la preferencia del público. IV.2. Población y muestra

Muestra: 15 k de uva IV.3. Materiales, técnicas e instrumentos de recolección de datos

IV.3.1. Materiales  Materia prima: 15 k de uva fresca  Levadura (microorganismo): Saccharomyces cerevisiae  Insumos: o

Metabisulfito de sodio

o

Sorbato de potasio

o

Bentonita

o

Azúcar

 Equipo: Balanza analítica  Materiales de laboratorio: o

Vasos de precipitado

o

Baguetas

o

Probetas

 Otros materiales: o

3 baldes

o

Manguera

o

3 botellas plásticas

o

Botellas de vidrio para envasar

IV.3.2. Instrumentos de recolección de datos  Refractómetro: °Brix  PH metro: pH

 Alcoholímetro: °Alcohólicos  Soporte universal  Bureta  NaOH

%Acidez

 Fenolftaleína V. V.1.

ACTIVIDADES Y RECURSOS Cronograma

Tabla 1. Cronograma de Actividades para la ejecución del Proyecto de Investigación

Actividades FASE DE PLANEAMIENTO Revisión Bibliográfica Elaboración del avance del proyecto Presentación del avance del proyecto Aprobación del proyecto FASE DE EJECUCIÓN Recolección de materiales Elaboración del proyecto Recolección de muestras Estadístico de datos Interpretación de datos FASE DE COMUNICACIÓN Elaboración del informe Presentación del proyecto final Fuente: Elaboración propia (2019).

OCTUBRE

NOVIEMBRE

DICIEMBRE

V.2.

Presupuesto

Tabla 2. Presupuesto para la elaboración del proyecto

Material Uva Levadura Metabisulfito de sodio Sorbato de potasio Bentonita NaOH 3 baldes 3 botellas Botellas de vidrio para envasar producto final Volt 3 vasos de precipitación Laptop Impresora Balanza analítica Soporte universal Bureta Refractómetro pH metro Alcoholímetro Pasajes Total

Costo S/. 60.00 S/. 15.00 S/. 5.00 S/. 5.00 S/. 5.00 S/. 45.00 S/. 30.00 S/. 6.00 S/. 30.00 S/. 15.00 S/. 72.00 S/. 1 700.00 S/. 850.00 S/. 80.00 S/. 315.00 S/. 260.00 S/. 100.00 S/. 879.00 S/. 243.00 S/. 38.00 S/. 4 753.00

Fuente: Elaboración propia (2019).

V.3.

Fuente de financiamiento

Propia. V.4.

Productos y difusión

Revista Científica Functional Food Science and Technology Journal.

BIBLIOGRAFÍA Bailón, R. (2012). Texto: Fermentaciones Industriales. Universidad Nacional del Callao, Facultad de Ingeniería Pesquera y de Alimentos. Callao: Perú: Instituto de Investigación. Casp, A., & Abril, J. (2003). Procesos de conservación de alimentos (Segunda ed.). Madrid, España: Mundi-Prensa. González Lázaro, M. (2014). Cracterización bioquímica y biotecnológica de la levadura "Saccharomyces Serevisiae" GL 15. ...