Química de la cerveza

Los compuestos químicos de la cerveza le dan un sabor, un olor y una apariencia distintivos. La mayoría de los compuestos de la cerveza provienen de las actividades metabólicas de las plantas y la levadura , por lo que se tratan en los campos de la bioquímica y la química orgánica . ^[1] La principal excepción es que la cerveza contiene más del 90% de agua y los iones minerales del agua (dureza) pueden tener un efecto significativo en el sabor. ^[2]

Para elaborar cerveza se utilizan cuatro ingredientes principales en el proceso de elaboración : carbohidratos (de la malta ), lúpulo , levadura y agua .

La fuente de carbohidratos es una parte esencial de la cerveza porque los organismos de levadura unicelulares convierten los carbohidratos en energía para vivir. La levadura metaboliza la fuente de carbohidratos para formar una serie de compuestos, incluido el etanol . El proceso de elaboración de la cerveza comienza con el malteado y el macerado , que descompone los carbohidratos largos del grano de cebada en azúcares más simples . Esto es importante porque la levadura solo puede metabolizar cadenas muy cortas de azúcares. ^[3] Los carbohidratos largos son polímeros , grandes enlaces de ramificación de la misma molécula una y otra vez. En el caso de la cebada, vemos principalmente polímeros llamados amilopectina y amilosa que están hechos de enlaces repetidos de glucosa . En escalas de tiempo muy grandes (termodinámicamente), estos polímeros se descompondrían por sí solos y no habría necesidad del proceso de malteado. ^[4] El proceso normalmente se acelera calentando el grano de cebada. ^[3] Este proceso de calentamiento activa enzimas llamadas amilasas . La forma de estas enzimas, su sitio activo , les da la capacidad única y poderosa de acelerar estas reacciones de degradación a más de 100.000 veces más rápido. La reacción que tiene lugar en el sitio activo se llama reacción de hidrólisis , que es una ruptura de los enlaces entre los azúcares. La hidrólisis repetida rompe los polímeros largos de amilopectina en azúcares más simples que pueden ser digeridos por la levadura. ^[4]

El lúpulo es la flor de la planta Humulus lupulus , que contiene más de 440 aceites esenciales que contribuyen al aroma y los sabores no amargos de la cerveza. ^[4] Sin embargo, el amargor distintivo, especialmente característico de las cervezas pálidas, proviene de una familia de compuestos llamados alfa-ácidos (también llamados humulonas ) y beta-ácidos (también llamados lupulonas ). En general, los cerveceros creen que los alfa-ácidos le dan a la cerveza un amargor agradable, mientras que los beta-ácidos se consideran menos agradables. ^[4] Los alfa-ácidos se isomerizan durante el proceso de ebullición en la reacción que se muestra en la imagen. El anillo de seis miembros de la humulona se isomeriza en un anillo de cinco miembros, pero no se suele hablar de cómo esto afecta el amargor percibido.

En la cerveza, los productos de desecho metabólicos de la levadura son un factor significativo. En condiciones aeróbicas, la levadura utilizará en la glucólisis los azúcares simples obtenidos del proceso de malteado y convertirá el piruvato , el principal producto orgánico de la glucólisis, en dióxido de carbono y agua a través de la respiración celular . Muchos cerveceros caseros utilizan este aspecto del metabolismo de la levadura para carbonatar sus cervezas. Sin embargo, en condiciones anaeróbicas industriales, las levaduras no pueden utilizar el piruvato, los productos finales de la glucólisis, para generar energía en la respiración celular. En cambio, dependen de un proceso llamado fermentación . La fermentación convierte el piruvato en etanol a través del intermediario acetaldehído .

El agua puede desempeñar, directa o indirectamente, un papel muy importante en el sabor de la cerveza, ^{[2] [4]} ya que es el ingrediente principal. Las especies iónicas presentes en el agua pueden afectar las vías metabólicas de la levadura y, por lo tanto, los metabolitos que se pueden saborear. Por ejemplo, los iones de calcio y hierro son esenciales en pequeñas cantidades para que la levadura sobreviva, porque estos iones metálicos suelen ser cofactores necesarios para las enzimas de la levadura . ^[4]

En condiciones aeróbicas, la levadura convierte los azúcares en piruvato y luego convierte el piruvato en agua y dióxido de carbono . Este proceso puede carbonatar las cervezas. En la producción comercial, la levadura trabaja en condiciones anaeróbicas para convertir el piruvato en etanol y no carbonata la cerveza. La cerveza se carbonata con CO2 presurizado _. Cuando se vierte la cerveza, el dióxido de carbono disuelto en la cerveza se escapa y forma pequeñas burbujas. Estas burbujas crecen y se aceleran a medida que suben al alimentarse de burbujas más pequeñas cercanas, un fenómeno conocido como maduración de Ostwald . Estas burbujas más grandes dan lugar a una espuma "más gruesa" en la parte superior de la cerveza vertida.

_{Las cervezas pueden} carbonatarse con CO2 o hacerse espumosas con un gas inerte como el nitrógeno (N2 ₎ , el argón (Ar) o el helio (He). Los gases inertes no son tan solubles en agua como el dióxido de carbono, por lo que forman burbujas que no crecen durante la maduración de Ostwald . Esto significa que la cerveza tiene burbujas más pequeñas y una espuma más cremosa y estable. ^[6] Estos gases inertes menos solubles le dan a la cerveza una textura diferente y más plana. En términos de cerveza, la sensación en boca es suave, no burbujeante como las cervezas con carbonatación normal. La cerveza nitro (para la cerveza con nitrógeno) podría tener un sabor menos ácido que la cerveza normal. ^[7]

Las cervezas contienen muchas sustancias aromáticas. Hasta ahora, los químicos, utilizando instrumentos analíticos avanzados como cromatógrafos de gases y líquidos de alto rendimiento acoplados a espectrómetros de masas , han descubierto más de 7.700 compuestos químicos diferentes en las cervezas. ^[8]

La estabilidad de la espuma de la cerveza depende, entre otras cosas, de la presencia de iones de metales de transición ( Fe²⁺
, Co²⁺
, Ni²⁺
, Cu²⁺
...), macromoléculas como polisacáridos , proteínas y compuestos de isohumulona del lúpulo en la cerveza. La estabilidad de la espuma es una preocupación importante para la primera percepción de la cerveza por parte del consumidor y, por lo tanto, es objeto del mayor cuidado por parte de los cerveceros y los camareros encargados de servir cerveza de barril o de verter correctamente la cerveza en un vaso desde la botella (con una buena retención de espuma y sin exceso de espuma o chorros al abrir la botella).

En las últimas décadas, las cervecerías y la industria agroquímica han presentado numerosas patentes para diversos tipos de estabilizadores de espuma de cerveza. Las sales de cobalto añadidas en concentraciones bajas (1 – 2 ppm ) eran populares en los años sesenta, pero plantearon la cuestión de la toxicidad del cobalto en caso de una sobredosis accidental no detectada durante la producción de cerveza. Como alternativa, los estabilizadores de espuma orgánicos se producen mediante hidrólisis de subproductos recuperados de la fabricación de cerveza, como granos usados ​​o residuos de lúpulo . ^[9]

Entre el amplio espectro de aditivos alimentarios naturales purificados o modificados disponibles en el mercado, también se han investigado como estabilizadores de espuma la carboximetilhidroxietilcelulosa soluble , [ 10 ^] el alginato de propilenglicol (PGA, aditivo alimentario con número E E405), ^[11] las pectinas y la goma gellan .

En 1957, dos químicos cerveceros, Thorne y Helm, descubrieron que el Co²⁺
El catión fue capaz de estabilizar la espuma de la cerveza y evitar la formación de espuma excesiva y los chorros. ^[12] La adición de una pequeña cantidad de iones de cobalto en el rango de 1 a 2 mg/L ( ppm ) fue eficaz. Concentraciones más altas serían tóxicas y las más bajas ineficaces.

El cobalto es un metal de transición cuyos orbitales atómicos son capaces de interactuar con ligandos , o grupos funcionales (–OH, –COOH, –NH ₂ ), unidos a moléculas orgánicas presentes de forma natural en la cerveza, formando complejos de coordinación macromolecular que estabilizan la espuma de la cerveza. El cobalto podría comportarse como un puente inter o intramolecular entre diferentes moléculas de polisacáridos (modificando su forma o tamaño), o provocar algunos cambios conformacionales ^[13] de diferentes tipos de moléculas presentes en solución, afectando a su configuración absoluta y por tanto a la estructura molecular de la espuma y su comportamiento.

Thorne y Helm (1957) también formularon la hipótesis de que el cobalto, al formar complejos con ciertos componentes nitrogenados de la cerveza (por ejemplo, aminoácidos de las proteínas de la malta ), podría producir sustancias tensioactivas que inactivan los núcleos gaseosos responsables de la formación excesiva de espuma y los chorros. ^[12]

El chorreo es un problema específico que también estudiaron con más detalle Rudin y Hudson (1958). ^[14] Estos autores descubrieron que el chorreo también es promovido por otros iones de metales de transición como los de níquel y hierro , pero no por los iones de cobalto . La isohumulona (un ácido isoalfa responsable del sabor amargo del lúpulo ) y sus combinaciones con Ni o Fe también favorecen el chorreo, mientras que los iones de Co puros o su combinación con isohumulona no presentan chorreo ni sobreespuma. Esto explica por qué las sales de cobalto se seleccionaron específicamente a una concentración de 1 – 2 mg/L como agente anti-chorreo para la cerveza. Rudin y Hudson (1958) y otros autores también descubrieron que los iones de Co, Ni y Fe se concentran preferentemente en la propia espuma. ^[14]

En los años sesenta, después de su aprobación por la FDA de Estados Unidos , el sulfato de cobalto se empezó a utilizar comúnmente en baja concentración en Estados Unidos como aditivo para estabilizar la espuma de la cerveza y evitar que brotara después de que la cerveza se expusiera a vibraciones durante su transporte o manipulación.

Aunque el cobalto es un micronutriente esencial necesario para la síntesis de vitamina B12 , los niveles excesivos de cobalto en el cuerpo pueden provocar intoxicación por cobalto y deben evitarse. Esto motivó el desarrollo de métodos de análisis cualitativos y cuantitativos para determinar con precisión el cobalto en la cerveza a fin de prevenir la sobredosis accidental y la intoxicación por cobalto. ^[15]

Se sabe que los niveles demasiado altos de cobalto son responsables de la miocardiopatía en los bebedores de cerveza . Los primeros problemas mencionados en la literatura se informaron en Canadá a mediados de los años sesenta después de una sobredosis accidental en las cervecerías Dow en la ciudad de Quebec .

En agosto de 1965, una persona se presentó en un hospital de la ciudad de Quebec con síntomas que sugerían una miocardiopatía alcohólica . Durante los siguientes ocho meses, aparecieron cincuenta casos más con hallazgos similares en la misma zona, veinte de ellos mortales. Se observó que todos eran grandes bebedores que bebían principalmente cerveza y preferían la marca Dow ; treinta de ellos bebían más de 6 litros (12 pintas) de cerveza por día. ^[16] Los estudios epidemiológicos encontraron que las cervecerías Dow habían estado agregando sulfato de cobalto a la cerveza para estabilizar la espuma desde julio de 1965 y que la concentración agregada en la cervecería de la ciudad de Quebec era diez veces mayor que la de la misma cerveza elaborada en Montreal, donde no hubo casos reportados. ^{[17] [18]}

Un problema particular con la cerveza es que, a diferencia del vino , su calidad tiende a deteriorarse a medida que envejece. ^[20] Un olor y sabor a orina de gato llamado ribes , llamado así por el género de la grosella negra, tiende a desarrollarse y alcanzar su punto máximo. ^[21] Luego domina un olor a cartón que se debe a la liberación de 2-nonenal . ^[22] En general, los químicos creen que los "sabores desagradables" que provienen de las cervezas viejas se deben a especies reactivas de oxígeno. Estos pueden venir en forma de radicales libres de oxígeno , por ejemplo, que pueden cambiar las estructuras químicas de los compuestos en la cerveza que les dan su sabor. ^[22] Los radicales de oxígeno pueden causar mayores concentraciones de aldehídos a partir de las reacciones de degradación de Strecker de los aminoácidos en la cerveza. ^[23]

La cerveza es única en comparación con otras bebidas alcohólicas porque es inestable en el paquete final. Hay muchas variables y compuestos químicos que afectan el sabor de la cerveza durante los pasos de producción, pero también durante el almacenamiento de la cerveza. La cerveza desarrollará un sabor extraño durante el almacenamiento debido a muchos factores, incluida la luz solar y la cantidad de oxígeno en el espacio libre de la botella. Además de los cambios en el sabor, la cerveza también puede desarrollar cambios visuales. La cerveza puede volverse turbia durante el almacenamiento. Esto se llama estabilidad coloidal (formación de turbidez) y generalmente es causada por las materias primas utilizadas durante el proceso de elaboración. La reacción principal que causa la turbidez de la cerveza es la polimerización de polifenoles y la unión con proteínas específicas. Este tipo de turbidez se puede ver cuando la cerveza se enfría por debajo de 0 grados Celsius. Cuando la cerveza se eleva a temperatura ambiente, la turbidez se disuelve. Pero si una cerveza se almacena a temperatura ambiente durante demasiado tiempo (aproximadamente 6 meses), se formará una turbidez permanente. ^[24] Un estudio realizado por Heuberger et al. (2012) concluye que la temperatura de almacenamiento de las cervezas afecta la estabilidad del sabor. Descubrieron que el perfil de metabolitos de la cerveza almacenada a temperatura ambiente y a temperatura fría difería significativamente del de la cerveza fresca. También tienen evidencia que respalda una oxidación significativa de la cerveza después de semanas de almacenamiento, lo que también tiene un efecto en el sabor de la cerveza. ^[25]

El sabor desagradable en la cerveza, como un gusto a cartón o manzana verde, a menudo se asocia con la aparición de aldehídos rancios . Los aldehídos de Strecker responsables del cambio de sabor se forman durante el almacenamiento de las cervezas. Philip Wietstock et al. realizaron experimentos para probar qué causa la formación de aldehídos de Strecker durante el almacenamiento. Encontraron que solo la concentración de aminoácidos ( leucina (Leu), isoleucina (Ile) y fenilalanina (Phe), específicamente) y la concentración de oxígeno disuelto causaron la formación de aldehídos de Strecker. También probaron las adiciones de carbohidratos y Fe ²⁺ . Se encontró una relación lineal entre los aldehídos de Strecker formados y el oxígeno envasado total. Es importante que los cerveceros lo sepan para que puedan controlar el sabor de su cerveza. Wietstock concluye que tapar las cervezas con corchos corona con barrera de oxígeno disminuirá la formación de aldehídos de Strecker. ^[23]

En otro estudio realizado por Vanderhaegen et al. (2003), se probaron diferentes condiciones de envejecimiento en una cerveza embotellada después de 6 meses. Encontraron que una disminución en los ésteres volátiles era responsable de un sabor afrutado reducido. También encontraron un aumento en muchos otros compuestos, incluidos compuestos carbonílicos, ésteres etílicos, compuestos de Maillard, dioxolanos y éteres furánicos . ^[26] Los compuestos carbonílicos , como se indicó anteriormente en los experimentos de Wietstock, crearán aldehídos de Strecker, que tienden a causar un sabor a manzana verde. Se sabe que los ésteres causan sabores frutales como peras, rosas y plátanos. Los compuestos de Maillard causarán un sabor tostado y malteado.

Un estudio realizado por Charles Bamforth y Roy Parsons (1985) también confirma que los sabores rancios de la cerveza son causados ​​por varios compuestos carbonílicos. Utilizaron ácido tiobarbitúrico (TBA) para estimar las sustancias que provocan el envejecimiento después de utilizar una técnica de envejecimiento acelerado. Descubrieron que el envejecimiento de la cerveza se reduce mediante depuradores del radical hidroxilo ( ^• OH), como el manitol y el ácido ascórbico . También probaron la hipótesis de que los extractos de soja incluidos en el mosto en fermentación mejoran la vida útil del sabor de la cerveza. ^[27]

• Levadura de cerveza
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• Defectos de la cerveza
• Fabricación de cerveza
• Cerveza brillante
• Carbonatación
• Cerveza Lightstruck
• Sensación en boca
• Isohumulona
• La levadura en la elaboración de cerveza

• Barth, Roger (2013), La química de la cerveza: la ciencia de la espuma , John Wiley & Sons , ISBN 978-1-11873-379-0
• Baxter, Denise; Hughes, Paul (2001), Cerveza: calidad, seguridad y aspectos nutricionales , Royal Society of Chemistry , ISBN 978-0-85404-588-4
• Hopkins, R (2011), Bioquímica aplicada a la elaboración de cerveza: química general de las materias primas para el malteado y la elaboración de cerveza , Tobey Press, ISBN 978-1-44654-168-5
• Hornsey, Ian (2003), Una historia de la cerveza y la elaboración de cerveza , Royal Society of Chemistry, ISBN 978-0-85404-630-0
• Janson, Lee (1996), Química de la cerveza 101 , Storey , ISBN 978-0-88266-940-3
• Verhagen, Leen (2010), "Sabor a cerveza", Comprehensive Natural Products II: Chemistry and Biology , vol. 3: Desarrollo y modificación de la bioactividad, Newnes , págs. 967–998, ISBN 978-0-08045-382-8
• Verzele, M; De Keukeleire, D (2013), Química y análisis de los ácidos amargos del lúpulo y la cerveza , Elsevier , ISBN 978-1-48329-086-7

• Aprovechando la química de la cerveza y su elaboración: una conferencia en línea a cargo de Charles Bamforth, profesor de Ciencias de la malteada y la elaboración de cerveza en la Universidad de California
• Química de la cerveza: un curso en línea sobre el tema en la Universidad de Oklahoma