Una breve historia del desarrollo de la tecnología de fermentación y elaboración de cerveza.
I. Historia de la fermentación de alimentos y la elaboración de cerveza
La palabra inglesa "fermentation" proviene de las palabras latinas "ferment" (fermentación), "foaming" (espumar) y "batido" . Y "fervor" proviene del latín "ferver", que significa "espuma" y "surgimiento", porque durante el proceso de fermentación se producirán burbujeos y fenómenos similares de ebullición y oleaje.
Por ejemplo, la elaboración de vino de arroz chino y la fermentación de cerveza europea utilizan el fenómeno de la formación de espuma como señal del proceso de fermentación.
Se puede decir que el uso de microorganismos para la fermentación de alimentos y la elaboración de cerveza tiene una historia de miles de años. Sin embargo, el fenómeno de la fermentación ha sido descubierto y dominado por la gente desde la antigüedad. comprensión de los protagonistas de la fermentación y la elaboración de cerveza: los microorganismos, la esencia de la fermentación y la elaboración de cerveza no se ha revelado durante mucho tiempo y siempre ha estado llena de misterio.
Por tanto, el desarrollo de la fermentación y la elaboración de cerveza fue extremadamente lento antes de mediados del siglo XIX.
La persona que hizo una contribución importante al descubrimiento de los microorganismos fue Leewenhoch en la segunda mitad del siglo XVII. Usó lentes caseras pulidas a mano para crear con éxito el mundo. Se utilizó el primer microscopio y, por primera vez en la historia de la humanidad, se descubrieron organismos unicelulares (microorganismos) a simple vista a través de un microscopio. -microorganismo.
Debido a la prevalencia de la "teoría de la generación espontánea" en ese momento, su descubrimiento no recibió la atención que merecía.
Durante los siguientes 100 años, las observaciones de varios microorganismos continuaron, pero la relación entre los microorganismos y la fermentación siguió siendo difícil de alcanzar.
No fue hasta mediados del siglo XIX cuando Pasteur, tras una larga y meticulosa investigación, anunció de manera convincente que la fermentación es el resultado de la acción de microorganismos.
Pasteur añadió salsa a la botella de Pasteur y descubrió que la salsa no fermentaba después de calentarla, sino que fermentaba cuando no se calentaba. También observó en detalle el crecimiento de muchas criaturas pequeñas en el líquido de fermentación. lleva a la conclusión de que la fermentación es un cambio químico llevado a cabo por microorganismos.
Después de sucesivos estudios sobre tipos de fermentación como la fermentación láctica, la fermentación azúcar-alcohol invertida, la elaboración de vino y la elaboración de vinagre, Pasteur se dio cuenta de que estos diferentes tipos de fermentación son causados por microorganismos específicos, y estos microorganismos pueden distinguirse morfológicamente.
Sin embargo, en la investigación de Pasteur, se realizaron cultivos mixtos naturales y la tecnología de control microbiano no se ha dominado bien.
Poco después, Koch estableció la tecnología de aislamiento y cultivo puro de microorganismos individuales, y utilizó esta tecnología para estudiar el ántrax y descubrió que la enfermedad infecciosa en los animales era causada por bacterias específicas.
A partir de esto, la gente aprendió que los microorganismos, al igual que las plantas superiores, se pueden distinguir claramente basándose en las relaciones entre especies.
Desde entonces, la tecnología de cultivo puro de varios microorganismos ha tenido éxito uno tras otro. Los seres humanos han ido dominando gradualmente los métodos de control de los microorganismos basándose en la sabiduría. Se han utilizado cepas microbianas únicas en varios productos fermentados. han jugado un papel importante en la conservación del producto, la mejora del rendimiento y la estabilidad de la calidad y otros aspectos han jugado un papel importante.
Por lo tanto, el establecimiento de la tecnología de aislamiento de un solo microorganismo y cultivo puro es el primer punto de inflexión en el desarrollo de la tecnología de fermentación y elaboración de cerveza.
Durante este período, gigantes científicos como Pasteur y Koch sentaron una base sólida para la moderna industria cervecera y de fermentación. Revelaron la esencia de la fermentación, pero aún no se dieron cuenta de la naturaleza química de la fermentación.
No fue hasta 1897 cuando Buchner dilucida la naturaleza química de las reacciones microbianas.
Para utilizar el extracto de levadura con fines médicos, molió células de levadura con arena de cuarzo para obtener jugo de levadura y añadió una gran cantidad de azúcar para conservarlo. Inesperadamente, descubrió que el jugo de levadura también fermentaba. produciendo dióxido de carbono y etanol, que fue el primer ejemplo de fermentación utilizando un sistema sin células.
A partir de esto, la gente se dio cuenta de que cualquier ser vivo tiene enzimas que provocan la fermentación.
Desde entonces, la gente ha utilizado la fricción de las células vivas para estudiar reacciones, lo que llevó al nacimiento de la bioquímica contemporánea y vinculó la bioquímica y la microbiología, ampliando enormemente el alcance de la fermentación y la elaboración de cerveza, y enriqueciendo la fermentación y la fermentación. productos cerveceros.
Sin embargo, no fue hasta la década de 1940, con el auge de la industria de los antibióticos, que se mejoró específicamente la tecnología de fermentación y elaboración de cerveza y se establecieron cultivos agitados ventilados.
Debido a que era la Segunda Guerra Mundial en ese momento, la gente necesitaba urgentemente producir penicilina a gran escala debido a las necesidades de la guerra. Por lo tanto, utilizaron tecnología de fermentación anaeróbica pura de acetona butanol para establecer con éxito una. Método de cultivo de aireación profunda y un conjunto completo de métodos de cultivo. El proceso incluye introducir una gran cantidad de aire estéril en el tanque de fermentación, agitar para distribuir uniformemente el aire, esterilización e inoculación aséptica del medio de cultivo, etc., para que la temperatura. , pH, temperatura, pH, temperatura, pH, pH, pH, pH, pH. Durante el cultivo de microorganismos, la temperatura, el pH, la ventilación y el suministro de cultivo se controlan estrictamente.
Estas tecnologías han promovido en gran medida el desarrollo de las industrias cervecera y de fermentación de alimentos. Por lo tanto, se pueden producir en masa varios ácidos orgánicos, enzimas, vitaminas y hormonas con la ayuda de la fermentación aeróbica. Se ha convertido en la industria de la fermentación y el segundo punto de inflexión en el desarrollo de la tecnología cervecera.
Sin embargo, la tecnología de fermentación y elaboración de cerveza durante este período se basó principalmente en el control de factores ambientales externos para lograr sus objetivos, lo que estaba lejos de satisfacer las necesidades de productos fermentados de las personas. Por lo tanto, se desarrolló una nueva tecnología: la mutagénesis artificial y la cría. La tecnología de ingeniería de fermentación de control metabólico surgió en un momento histórico.
Basándose en los principios de la bioquímica dinámica y la genética microbiana, las personas realizan mutagénesis artificial de microorganismos para obtener cepas mutantes adecuadas para la producción de ciertos productos, y luego las cultivan en condiciones controladas artificialmente para una producción masiva selectiva de materiales. que la gente necesita.
Esta nueva tecnología tuvo éxito primero en la producción de aminoácidos y posteriormente se aplicó a la producción de otros productos como nucleótidos, ácidos orgánicos y antibióticos.
Se puede decir que la tecnología de ingeniería de fermentación de control metabólico y reproducción por mutación artificial es el tercer punto de inflexión en el desarrollo de la tecnología de fermentación y elaboración de cerveza.
Con el rápido desarrollo de los recursos minerales y la industria petroquímica, los productos de fermentación microbiana competirán inevitablemente con los productos de síntesis química.
Los recursos minerales y el petróleo proporcionan materias primas abundantes y baratas para la síntesis química, lo que favorece mucho el uso de estas materias primas para producir algunos compuestos orgánicos de bajo peso molecular.
Al mismo tiempo, la producción mundial de alimentos es muy limitada y costosa.
Por ello, una parte considerable de los productos fermentados en los países desarrollados alguna vez recurrieron a la producción sintética.
Sin embargo, debido a las preocupaciones sobre la toxicidad de los productos químicos, los alimentos sintetizados químicamente no pueden ser aceptados por los consumidores y es difícil tener un mercado amplio, además, la síntesis química no puede hacer nada con algunas sustancias complejas; .
Los fabricantes no sólo quieren utilizar la síntesis química para reducir los costes de producción, sino que también quieren fabricar productos de mayor calidad, por lo que utilizan un método que combina la síntesis química con la fermentación microbiana.
Por ejemplo, si se produce un determinado ácido orgánico, primero se sintetizan sus sustancias precursoras mediante síntesis química, y luego se obtiene el producto final mediante transformación microbiana.
De esta manera, se estableció una tecnología de ingeniería que combina orgánicamente la síntesis química con la fermentación microbiana, constituyendo el cuarto punto de inflexión en el desarrollo de la tecnología de fermentación y elaboración de cerveza.
Además de la fermentación microbiana convencional, muchos productos durante este período adoptaron la conversión enzimática en un solo paso, es decir, utilizando únicamente enzimas producidas por microorganismos para realizar una única reacción química.
Por ejemplo, el jarabe de fructosa se produce convirtiendo la glucosa en fructosa mediante la glucosa isomerasa.
Por lo tanto, para ser precisos, este período es el período de aplicación de la combinación de biosíntesis y síntesis química de reacciones enzimáticas microbianas.
Con el rápido desarrollo de la industria moderna, la fermentación de alimentos y la tecnología de ingeniería cervecera durante este período también se desarrollaron rápidamente, principalmente en los tanques de fermentación a gran escala, diversificados, continuos y automatizados.
Todos los parámetros básicos durante el proceso de fermentación, incluida la temperatura, el valor de pH, la presión del tanque, el oxígeno disuelto, el potencial redox, el flujo de aire, el contenido de dióxido de carbono, etc., se pueden registrar y controlar automáticamente para grandes cantidades. Escala de fermentación continua automática. El tanque ya está en uso.
La continuidad y automatización del proceso de fermentación también se convirtió en un avance importante durante este período.
En la década de 1970, el desarrollo de la tecnología de ADN recombinante impulsó en gran medida el desarrollo de la tecnología de fermentación y elaboración de cerveza.
Primero, mediante la tecnología de fusión celular, se obtuvieron muchas cepas nuevas con funciones especiales y multifuncionalidad, y luego se obtuvieron muchas nuevas sustancias útiles mediante fermentación convencional.
Por ejemplo, mediante la fusión de células vegetales, se pueden obtener células vegetales multifuncionales y se pueden producir productos para el cuidado de la salud y medicamentos mediante el cultivo de células vegetales.
En los últimos años, la tecnología de ingeniería genética se ha desarrollado rápidamente. Puede recombinar los genes de células biológicas in vitro y clonarlos en células microbianas para formar bacterias diseñadas. Los microorganismos originales no pueden producir, como la insulina, los factores de interferencia, etc., aumentan considerablemente la cantidad de productos de fermentación microbiana.
Se puede decir que la tecnología de fermentación y elaboración de cerveza ya no es una simple fermentación microbiana, sino que se ha extendido al campo de las células animales y vegetales, incluidos microorganismos naturales, bacterias artificiales recombinantes, células animales y vegetales y otros. cultivos de células biológicas.
Con la llegada de los animales y plantas genéticamente modificados, los equipos de fermentación - biorreactores ya no son equipos de acero en el sentido tradicional: incluyen cadáveres de insectos, glándulas mamarias de células animales y raíces, tallos y frutos de plantas. Las células, etc. pueden considerarse como un biorreactor.
Por lo tanto, con el desarrollo de la ingeniería genética, la ingeniería celular, la ingeniería enzimática y la ingeniería bioquímica, la industria tradicional de fermentación y elaboración de cerveza ha recibido nuevos contenidos, y la fermentación y elaboración de cerveza modernas ha abierto un nuevo campo.
La historia del desarrollo de la industria de la fermentación
1. Descripción general del desarrollo de la industria de la fermentación extranjera
La historia del desarrollo de la industria de la fermentación se puede dividir en cinco etapas.
La primera etapa fue anterior al siglo XIX.
En aquella época se limitaba a la producción de bebidas alcohólicas y vinagre.
Aunque la cerveza se elaboraba en el antiguo Egipto, no fue hasta el siglo XVII cuando se elaboró por primera vez a gran escala en barriles de madera con una capacidad de 1.500 barriles (un barril equivale a 110 litros).
Ya en los inicios de la elaboración del vino se intentó controlar el proceso de elaboración del vino.
Según los registros históricos, el termómetro se utilizó en 1757; el intercambiador de calor original estaba disponible en 1801.
A mediados del siglo XVIII, Cagniard-Latour, Schwann y Kutzing demostraron patrones de actividad de las levaduras en la fermentación alcohólica.
Pastor finalmente convenció a la comunidad científica de las leyes que seguían las levaduras durante la fermentación.
A finales del siglo XVIII, Hansen inició su trabajo pionero en la cervecería Carl *** Erg.
Estableció la tecnología de aislamiento y propagación de células individuales de levadura, proporcionó tecnología de cultivo puro y desarrolló un conjunto complejo de tecnología de cultivo inicial de producción.
Los cultivos de pura raza no se utilizan en la elaboración de cerveza británica.
De hecho, muchos pequeños procesos tradicionales de elaboración de cerveza todavía utilizan levaduras mixtas hasta el final.
El vinagre se elabora originalmente en recipientes poco profundos o en barriles de madera sin llenar, y el vino restante se oxida lentamente para producir vinagre, que le imparte su sabor natural.
La gente reconoció la importancia del aire en la producción de vinagre e inventó el "generador".
El generador está lleno de materiales inertes (como coque, carbón y diversas astillas de madera) y de él gotea vino lentamente.
Se puede decir que el generador de vinagre es el primer generador aeróbico.
A finales del siglo XVIII y principios del XIX, el medio de cultivo basal se pasteurizaba y luego se inoculaba con un 10% de vinagre de alta calidad para acidificarlo y evitar así la contaminación con bacterias infecciosas.
Esto constituye un buen inóculo.
A principios del siglo XX, las industrias cervecera y vinagrera establecieron el concepto de control de procesos.
Los principales productos nuevos entre 1900 y 1940 fueron la levadura, la glicerina, el ácido cítrico, el ácido láctico, el butanol y la acetona.
Entre ellos, la tecnología de fermentación de levadura de panadería y masa fundida orgánica ha logrado avances muy significativos.
La producción de levadura de panadería es un proceso aeróbico.
La levadura crece rápidamente en abundancia de nutrientes, agotando el oxígeno del medio de cultivo.
Formación de etanol al tiempo que reduce el crecimiento bacteriano.
Limitar la concentración inicial de nutrientes para que el crecimiento celular esté limitado por fuentes de carbono en lugar de por falta de oxígeno; luego agregue pequeñas cantidades de nutrientes al medio de cultivo;
Esta tecnología, ahora conocida como feed-batch, se utiliza ampliamente en la industria de la fermentación para prevenir la hipoxia y también para mejorar la introducción temprana de aire en el cultivo de levadura a través del método de introducción de aire del tubo. .
La tubería de distribución de gas se puede lavar con vapor.
Durante la Primera Guerra Mundial, Weizmann fue pionero en el método de fermentación de butanol-acetona y estableció un método de fermentación verdaderamente estéril.
El proceso utilizado aún puede considerarse un método que proporciona un buen material de inóculo, cumple con los estándares higiénicos y tiene menos posibilidades de contaminación.
Aunque la fermentación de butanol-acetona es una fermentación anaeróbica, todavía es susceptible a la contaminación por bacterias aeróbicas en las primeras etapas de la fermentación, en etapas posteriores todavía es susceptible a la contaminación por bacterias anaeróbicas productoras de ácido en condiciones anaeróbicas; condiciones.
Un fermentador es un tambor fabricado en acero dulce con una parte superior e inferior semicirculares.
Puede esterilizarse con vapor bajo presión para minimizar la contaminación bacteriana.
Sin embargo, resulta complicado ampliar el inóculo y mantener la esterilidad utilizando un fermentador de 200 M3 de volumen.
El desarrollo de la tecnología de fermentación con disolventes orgánicos en la década de 1940 supuso un avance importante en la tecnología de fermentación.
Al mismo tiempo, también allana el camino para la implementación exitosa de procesos aeróbicos asépticos.
La tercera etapa de progreso en la industria de la fermentación fue la producción de penicilina mediante cultivo profundo utilizando tecnología de cultivo puro basada en las necesidades de tiempos de guerra.
La penicilina se produce en un proceso aeróbico y es extremadamente susceptible a la contaminación por diversas bacterias.
Aunque se han obtenido conocimientos valiosos de la fermentación con disolventes, aún deben resolverse los problemas de introducir grandes cantidades de aire estéril en el medio de cultivo y agitar el líquido de cultivo de alta viscosidad.
La producción temprana de penicilina también era diferente de la fermentación con solventes. La capacidad de producción de penicilina era muy baja, lo que promovió el proceso de mejora de la cepa y jugó un papel importante en la industria posterior.
La industria de la fermentación se desarrolló aún más con el surgimiento de plantas piloto, que permitieron probar nuevas tecnologías a escala de semiproducción.
Mientras tanto, la recuperación a gran escala de penicilina durante el proceso de extracción es otro gran avance.
Durante este período se produjeron cambios significativos en la tecnología de fermentación, que permitieron establecer muchos procesos nuevos, incluida la conversión de otros antibióticos, giberelinas, aminoácidos, enzimas y esteroides.
A principios de la década de 1960, el progreso tecnológico fue impulsado por la decisión de muchas empresas multinacionales de centrarse en la producción de células microbianas como fuente de proteína alimentaria.
Este período puede considerarse como la cuarta etapa de la industria de la fermentación.
La capacidad del tanque de fermentación con agitación mecánica más grande se ha ampliado de 80M3 en la tercera etapa a 150M3.
Dado que las proteínas microbianas se venden por menos, requieren una producción a mayor escala que otros productos fermentados.
Si se utilizan hidrocarburos como fuente de carbono, la demanda de oxígeno durante la fermentación aumenta, siendo necesario el desarrollo de fermentadores de inyección a alta presión y circulación forzada que no requieran agitación mecánica.
Este proceso es más económico si se realiza de forma continua.
En esta etapa, el cultivo por lotes y el cultivo por lotes alimentados se utilizaban habitualmente en la industria.
La fermentación continua se refiere a inyectar continuamente medio de cultivo fresco en el tanque de fermentación para inducir el crecimiento continuo de microorganismos y eliminar continuamente parte del cultivo del tanque de fermentación, pero su aplicación en industrias a gran escala es extremadamente limitada. .
Mientras tanto, se ha estudiado el potencial de la fermentación continua en la industria cervecera, pero su uso en la industria ha sido extremadamente efímero.
Por ejemplo, ICI todavía utiliza un fermentador de circulación forzada continua a escala de 3000 M3.
El ciclo operativo de la fermentación continua a gran escala supera los 100 días y existe un problema de contaminación bacteriana.
Es mucho más grave que la producción de antibióticos en la década de 1940.
La esterilización de estos fermentadores se logra mediante una construcción altamente estandarizada del fermentador, la esterilización continua del alimento y el uso de ciclos operativos y de esterilización controlados por computadora para minimizar el error manual.
La quinta etapa en la historia de la industria de la fermentación comenzó con la manipulación in vitro de genes microbianos, comúnmente conocida como ingeniería genética.
La ingeniería genética permite no sólo la transferencia de genes entre organismos no relacionados, sino también el intercambio muy preciso de genomas de organismos.
Así, las células microbianas pueden estar dotadas de la capacidad de producir compuestos producidos por células de organismos superiores.
Esto ha dado lugar a nuevos procesos de fermentación, como la producción de insulina e interferones, permitiendo a los microorganismos industriales producir compuestos más allá del alcance del microorganismo original.
Para mejorar aún más la capacidad de los microorganismos industriales para producir productos convencionales, también se pueden utilizar técnicas de manipulación genética.
Lo que sí es seguro es que la tecnología de manipulación genética supondrá una revolución en la industria de la fermentación y producirá un gran número de nuevos procesos.
Pero la creación de nuevos procesos dependerá de la tecnología de cultivo celular a gran escala, que se ha utilizado en todo, desde levaduras y fermentaciones fundidas hasta fermentaciones antibióticas y cultivos bacterianos continuos a gran escala.