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Introducción
Levaduras y su empleo en la industria alimentaria
Las levaduras son la fuente fermentativa más usada en la historia desde la dinastía XI (2000 a.C) [1]. Estos organismos han sido empleados como medio de conservación, elaboración de productos como vinos, panes, cervezas e incluso como terapéuticos médicos. Sus variedades y características le han permitido ser empleadas en diversos medios, pero hasta en el siglo XVII d.C fue que lograron estudiarse con el fin de clasificarlas de acuerdo a su origen, propiedades, morfología y usos en diversos ambientes alimentarios y no alimentarios [2]. Las levaduras se clasifican como hongos unicelulares de reproducción asexual por gemación o fisión y sexualmente, por esporas. Actualmente, se conocen más de 500 especies de levaduras en más de 50 géneros, donde en su mayor parte pertenecen a Ascomycotina o Basidiomicetos. En la producción de bebidas alcohólicas el género que más resalta por su amplio uso y versatilidad es Saccharomyces en sus distintas especies [3]. Este género se caracteriza por ser la levadura de azúcar, ya que ésta es capaz de sintetizar los azúcares del medio y transformarlos en productos derivados como etanol y dióxido de carbono. Es la especie más predominante en la industria alimentaria, pionera en la elaboración de cervezas, vinos, bebidas destiladas, la industria panadera [2,4] y biocombustibles [5-7]. En la elaboración de bebidas alcohólicas, esta cepa ha permitido mejorar los procesos de fermentación [8], lograr mejores propiedades sensoriales [9] y generar bebidas con mayor calidad fisicoquímica [10]. Las levaduras Saccharomyces y sus variedades han sido obtenidas en su mayoría de mostos de uva, dado a que es el fruto de mejores condiciones para su adaptación. Dentro de las levaduras aisladas a partir de la fermentación de la uva, se encuentran las obtenidas a partir de las variedades Tannat y Merlot, encontrándose más de 10 géneros distintos. Estos aislados se han realizado con el fin de obtener diversas cepas que confieran cualidades especificas a las bebidas. Por esta razón, es que las levaduras comerciales se adaptan con facilidad a mostos de uva, teniendo una actividad fermentativa menor en mostos distintos a este fruto [11]. Así mismo, este género se ha asociado a un sinfín de atributos del vino mediante la liberación de moléculas de bajo peso molecular como glicerol, acetato, succinato, piruvato y varios ésteres; todos ellos contribuyendo a las propiedades sensoriales del vino. Dado lo anterior, las biomasas son aisladas de uvas seleccionadas, las cuales confieren mayores cualidades a las bebidas en comparación a otras variedades de uvas o frutas. Los enólogos indican que la selección de levaduras, en especial las autóctonas de las uvas, permiten obtener bebidas estables, evitando así lo que se conoce como fermentaciones lentas, atascadas o defectuosas desde una perspectiva sensorial [12-16].
Estrés fermentativo del género Saccharomyces
Las cepas de levaduras autóctonas cambian de una región a otra, presentando una enorme variabilidad genética y fenotípica dependiendo de la variedad de uva, la geografía, el clima y muchos otros factores del lugar de cultivo [17,18]. Es por esto que la respuesta de estas a la fermentación varía, afectando directamente su capacidad de adaptación al medio. Durante la fermentación, las levaduras están sometidas a varios tipos de estrés como el estrés osmótico [19], oxidativo, ácido, de nutrientes, presencia de etanol y otras moléculas tóxicas [20-23] que afectan la tolerancia de la levadura frente al medio [24,25]. Las células de levadura se enfrentan a múltiples tensiones ambientales de forma simultánea y secuencial, lo que puede afectar potencialmente a la viabilidad celular, el crecimiento y el rendimiento de la fermentación [26]. Para sobrevivir a estos ambientes estresantes, las células de levadura pueden mantener su homeostasis biológica a través de la regulación de la transcripción, activando genes asociados con la supervivencia celular y la restauración de la función [27]. Por ejemplo, el estrés ácido es una condición desafiante que las células de levadura deben superar durante la fermentación. Mejorar la tolerancia inherente de Saccharomyces cerevisiae al estrés por ácidos orgánicos es crucial para aumentar la eficiencia de la fermentación y generar alternativas de industrialización en frutas cítricas [26]. Algunos estudios han explorado los efectos del estrés múltiple y secuencial, y han demostrado que la levadura sometida a estrés leve seguido de estrés letal presenta poca superposición en los genes implicados en la respuesta. Otros análisis de la memoria celular de la levadura en respuesta al estrés hiperosmótico pulsado y breve también demostraron un comportamiento genético diverso [27]. Lo anterior está directamente relacionado con la capacidad de adaptación que presente la cepa junto con el metabolismo de la misma frente al medio fermentativo. Zylstra & Heinemann [28] manifiestan que la dinámica metabólica de las levaduras está iniciada por el metabolismo primario, el cual mediante la disponibilidad de carbohidratos y energía hacen que la dinamina del metabolismo sea acelerada causando así una biosíntesis celular que da paso a los productos de la fermentación tal como se observa en la Figura 1.
Fuente: Adaptada de Zylstra & Heinemann [28].
Figura 1 Dinámica metabólica que se presenta en el metabolismo celular de las levaduras.
Dado lo expuesto, la industria ha tenido que identificar dichas cepas y tras el aislamiento, los enólogos vieron la necesidad de separar, seleccionar y caracterizar las cepas de levaduras encontradas, pues estas aportaban diversas características aromáticas en los mostos [29]. Por lo cual, los parámetros de selección se deben basar en la resistencia de la cepa, su dinámica metabólica y pre-disponibilidad al estrés [30-34]. El objetivo de investigación de la presente revisión fue exponer los factores de incidencia de estrés fermentativo del género Saccharomyces. Permitiendo al lector conocer los factores de mayor relación y las alteraciones genómicas reportadas en el estado de conocimiento actual, con el fin de optimizar los procesos fermentativos en la industria vinícola.
Mecanismos de búsqueda y selección de estudios
Para dar cumplimiento al objetivo planteado, se realizó una búsqueda y selección de la información con una ventana de observación del 2015 al 2024 para el reporte de modificaciones genómicas y factores de estrés en la fermentación reportados por la comunidad científica. Sin embargo, se tuvieron en cuenta algunos artículos de años anteriores para la fundamentación teórica de la revisión. Dentro de las estrategias de búsqueda, se crearon ecuaciones empleando operadores boleanos según lo expuesto por Lowe et al. y Pourreza & Ensan [35,36]. Los descriptores, palabras clave y tesauros empleados se observan en la ecuación de búsqueda: ("yeast wine") AND ("fermentation stress") AND ("alcoholic fermentation" OR biomass) AND ("stress yeast") and (Saccharomyces). La anterior ecuación de búsqueda se dispuso en bases de datos científicas como Sciencedirect, Scopus, Springerlink y MDPI (foods, yeast, microbiology y biotecnology). La selección de manuscritos se realizó teniendo en cuenta que la investigación presentara relación con el objetivo de investigación y contribuyera al estado del conocimiento actual.
Factores de incidencia de estrés fermentativo de saccharomyces
De acuerdo con la literatura actual, se hace necesario documentar los factores que causan el estrés fermentativo en la levadura Saccharomyces durante los procesos de fermentación. La literatura indica ciertas causales las cuales se agruparon de acuerdo con estudios reportados. De la revisión, se identificaron seis (6) factores de relevancia como causales de estrés, lo anterior, permite asociar las variantes en los procesos a dichos factores. A continuación, se expone de manera detallada cada una de estos factores y los nuevos aportes encontrados en la literatura.
Factores genéticos
Los factores genéticos son los principales precursores de estrés fermentativo dado a que las bases genéticas del microrganismo definen la producción de ácidos orgánicos que generan estrés [37]. Dentro de los principales genes relacionados con el estrés fermentativo se encuentran: clp, grpE, groES, hsp18, hdc, ftsH, cfa y trxA [8]. Dado lo anterior, las diferencias genéticas de las cepas de vino de Saccharomyces generalmente se discriminan mediante el uso de una variedad de métodos basados en el ADN, incluido el polimorfismo de la longitud del fragmento de restricción del ADN mitocondrial (mtDNA-RFLP), inter-delta PCR [17].
Las tendencias genéticas han incursionado en la modificación de los genomas propios de las levaduras con el fin de generar mayor resistencia al medio y de esta manera suprimir su incidencia al estrés fermentativo. Para lograr tales modificaciones, se ha hecho uso de procesos biotecnológicos, causando así que se produzcan metabolitos significativos y mejores rendimientos fermentativos. La creación de nuevas cepas con características específicas mejoran los procesos de selección de levaduras de acuerdo al proceso y características de los productos a realizar [38]. Dentro de las modificaciones de mayor impacto se encuentra la hibridación interespecífica, como una herramienta prometedora para combinar fenotipos de interés e idealmente, lograr la heterosis. Dando como resultado cepas con cualidades específicas como por ejemplo diversidad aromática, resistencia a medios agresivos y mayores rendimientos en la fermentación [1].
En estudios recientes, se han realizado modificaciones en la pared celular de las levaduras con el fin de generar mayor resistencia al estrés osmótico. Cuando se realiza modificación genómica de los polisacáridos presentes en la membrana celular en cepas de Saccharomyces pastorianus para la elaboración de una bebida alcohólica, se observa mayor resistencia al medio por parte de la levadura, dado a que la membrana presenta mayor grosor y menor porosidad [39]. Zhang et al. [26] construyeron una cepa SWY85S de Saccharomyces cerevisiae con tolerancia mejorada al estrés por ácido cítrico mediante la modificación del segundo alelo PEP4. Esta modificación fue lograda dado al estrés por ácido málico de la cepa SWY85S en comparación con la de una cepa con un PEP4-alelo interrumpido, encontrando que la cepa SWY85S demostró una mayor tolerancia al estrés por ácido málico tras la modificación genética del alelo interrumpido. Gracias a estas modificaciones, se ha logrado establecer que los genes SYM1 , STF2 y HSP y los factores de transcripción Adr1 y Usv1 pueden desempeñar un papel en esta respuesta al estrés en cepas BT0510 de Saccharomyces cerevisiae [27]. Sin embargo, a pesar de la creciente disponibilidad de aislados de especies alternativas de Saccharomyces, todavía hay poca información sobre sus fenotipos durante la fermentación del vino [1]. Así mismo, se ha relacionado que estas modificaciones inciden significativamente sobre la pared celular haciéndola más gruesa y resistente a medios adversos, es por ello que recientes cepas de Saccharomyces presentan diferencias en su pared celular de acuerdo a las modificaciones a las que haya sido sometida [40]. Con el fin de reducir los factores genéticos que causan limitaciones en la levadura para adaptarse al medio, se han realizado múltiples modificaciones como la anteriormente expuesta que buscan mejoras específicas de las levaduras sobre el medio de fermentación. Sin embargo, autores como Lappa et al. [41] se contraponen a estas prácticas, argumentando que las modificaciones o generar cepas hibridas solo causas más deficiencias en las bebidas. Si bien es sabido, la modificación se realiza con el fin de generar resistencia a un factor, pero se dejan de un lado los efectos que estas causen sobre las demás variables. El uso de levaduras modificadas solo causa la especificidad de esta, es decir, que el organismo modificado solo actúe cuando se presentan situaciones específicas en el medio afectando, incluso las características sensoriales en las bebidas. Estos autores exponen en su escrito "levaduras autóctonas: tendencias emergentes y desafíos en la vinificación" que se inste por recuperar las cepas silvestres, aquellas que fueron originarias en los procesos fermentativos. Su argumento se basa en que estas levaduras son resistentes al medio, y cuando el medio es agresivo, se adaptan. Situación que no sucede con las levaduras secas comerciales, las cuales son obtenidas y modificadas en base a los medios convencionales como uva, manzana o pera. Mientras que, cuando estas se someten a medios no convencionales, las cepas presentan sensibilidad al estrés fermentativo. Así mismo, sensorialmente, el uso de levaduras silvestres o autóctonas genera mayor aceptación sobre el consumidor, ya que la calidad sensorial de las bebidas en boca llega a ser placentera y autentica, a comparación de las bebidas elaboradas con levaduras modificadas [41].
Factores de activación e inoculación
Según Specht [42], la activación de la levadura afecta su adaptación y desarrollo. Exponiendo que someter la levadura al medio (mosto) de manera directa genera osmosis, e impide la correcta activación en levaduras secas. Es por esto por lo que someter el microrganismo a rehidratación no solo favorece su crecimiento, sino que estimula su actividad con el fin de generar mayor adaptación en el medio. Este mismo autor cita que la correcta rehidratación de las levaduras comprende: "se debe espolvorear 500 gramos de la levadura seca en 5 litros de agua tibia (35-40 °C), posteriormente, se debe agitar hasta suspender las levaduras en el agua. Pasados unos 5 minutos se agita con el fin de homogenizar y se agregan al mosto según la dosificación correspondiente". Otros autores recomiendan rehidratar las levaduras en medios con nutrientes o el mismo mosto, pero se ha encontrado evidencia que someter la levadura a hidratación en el mosto la deja expuesta a agroquímicos que puede afectar su actividad. Por lo cual, activarla en agua no solo es el método más usado al nivel general, sino el método más confiable y seguro para la adaptación del microrganismo al medio fermentativo [43].
Con respecto a la inoculación, esta debe hacerse bajo los parámetros y dosis correctas. Se han reportado en la industria dosis desde 10 a 30g/hL de levadura en los mostos, las cuales han permitido obtener diversas características sobre los productos. Algunos estudios respaldan el uso de levaduras a 10g/hL, pero dicha dosis tiene como resultado bebidas pobres en alcohol, y características sensoriales. Cuando se disponen 30 g/hL las bebidas quedan secas y suelen ser de sabores fuertes y flavor predominante. Finalmente, se ha dispuesto de 20 a 25 g/hL en fermentación de mostos vínicos para Chardonnays y se ha encontrado que el tiempo de fermentación versus el tiempo de latencia permanece equilibrado. Es decir, el tiempo de fermentación permite el alto consumo del sustrato del medio, aprovechando el ciclo de vida del microrganismo, otorgando características agradables en la bebida [42]. Finalmente, investigaciones recomiendan que disponer iniciadores en la fermentación causa que Saccharomyces metabolice más rápido y consuma el sustrato de manera óptima para la fermentación. Sin embargo, se deben regular tales iniciadores dado a que causan cambios bruscos de pH dando así paso a la proliferación de microorganismos no deseados [44].
Factores de mezclas de levaduras
En estudios realizados, Balmaseda et al. [37] exponen que cuando Saccharomyces trabaja en mezclas de levaduras como T. delbrueckii y M. pulcherrima, la fermentación maloláctica se da lentamente a comparación de cuando el medio solo presenta Saccharomyces. Lo cual indica un metabolismo lento y la producción de los metabolitos de la fermentación requieren mayor tiempo aumentando las etapas productivas en la elaboración de bebidas enológicas. Sin embargo, autores como Malicanin et al. [45] exponen que mezclar levaduras no Saccharomyces con levaduras Saccharomyces permite diversificar las bebidas obtenidas, presentándose mayor cantidad de alcoholes, esteres y compuestos aromáticos que permitan mejorar la calidad del mosto. Cuando la fermentación se hace sin previa inoculación y se deja fermentar el mosto de manera natural al medio de exposición, se han logrado aislar levaduras Saccharomyces y no Saccharomyces. Dentro de los géneros identificados se encuentran Candida, Pichia, Kluyveromyces, Metschnikowia, Torulaspora, Saccharomyces y Zygosaccharomyces, sin embargo estas poseen diversos beneficios a las bebidas elaboradas. Por ejemplo, Candida stellata, Kloeckera apiculate y Meyerozyma guilliermondii producen grandes cantidades de glicerol para protegerse del estrés oxidativo durante la fermentación alcohólica. Este compuesto le da al vino artesanal una textura ligera y un sabor complejo. Además, este tipo de levaduras enriquecen el sabor del vino al producir acetaldehídos, ácido succínico o diferentes ésteres [46-48]. En contraposición, no es recomendable dejar libre el medio a crecimientos de levaduras no Saccharomyces, dado a que estas pueden generar toxinas en las bebidas que no solo prevalecen en el proceso de vinificación, sino en la vida útil de producto hasta su consumo Anal [59]. Se reporta que realizar mezclas de levaduras incluso puede favorecer el estrés oxidativo dado a que es el resultado de un desequilibrio entre la generación y eliminación de especies reactivas de oxígeno (ROS) que pueden ocurrir naturalmente durante la respiración o la oxidación de nutrientes para obtener energía. La acumulación de ROS durante el proceso de fermentación también está relacionada con algunos subproductos tóxicos resultantes del pretratamiento de la lignocelulosa, como el furfural [50,51]. Esto dado a que la mayoría de las levaduras no Saccharomyces producen cambios significativos en la composición del vino [52].
Factores nutricionales
Aunque bien la uva no es el medio autóctono de Saccharomyces, si es el más ideal para su metabolismo [25]. La disponibilidad de nutrientes determina la capacidad de adaptación de las levaduras del género Saccharomyces. Uno de los nutrientes de mayor importancia es el carbono y las fuentes de ingreso al medio fermentativo. Esta levadura se caracteriza por tener la capacidad de adaptarse a diferentes fuentes de carbono sean del medio o del sustrato suministrado. Este nutriente esencial para la fermentación es el que determina el metabolismo y que se desarrollen procesos como la glucolisis, la biogénesis, el crecimiento y desarrollo del microorganismo. Por lo cual, el medio fermentativo debe estar dispuesto de carbono y el sustrato de la levadura debe estar compuesto por glucosa o azúcares similares que estimulen el desarrollo microbiano [53]. Dentro de la adaptación de Saccharomyces, los medios con contenidos de residuos vegetales como lignocelulósicos presentan una variedad de inhibidores que reducen la viabilidad, el crecimiento y la tasa de fermentación de la levadura y además, dañan las estructuras celulares. Por lo cual, como alternativa se recomienda hidrolizar los carbohidratos para facilitar la adaptación al medio [54]. Con respecto a nutrientes específicos, se ha reportado que los más requeridos son las fuentes de carbono y nitrógeno para apoyar el crecimiento y el metabolismo celular, lo que lleva a la formación de ácidos orgánicos como subproductos [26]. Así mismo, un medio alto en oxígeno es necesario, esto dado a que algunas otras levaduras son capaces de fermentar azúcares. Sin embargo, no solo se debe contemplar el oxígeno, sino también el nitrógeno [55] y el carbono para generar cierta resistencia al estrés, estabilidad de la biomasa y correcto metabolismo para la obtención de los productos de interés [40,55].
Factores de tolerancia al alcohol
La tolerancia al alcohol por parte de la levadura es uno de los factores principales que generan estrés fermentativo. La tolerancia que tenga la levadura depende de su estructura genética, las condiciones del medio e incluso a dosificación de la biomasa inoculada [41]. Un medio con riqueza de nutrientes que fortifican la estructura celular, permite mayor resistencia conforme aumenta la concentración de alcohol producida; así mismo se recomienda airear el medio y someterlo a buenas fuentes de nitrógeno ya que estos son los dos principales requerimientos para lograr mayor resistencia [42]. La tolerancia al etanol también está relacionada con el género de levadura y la velocidad de reproducción. Las levaduras no Saccharomyces han reportado una tolerancia del 5 al 7 % de alcohol en el medio. Por lo anterior, cuando el género Saccharomyces está presente en el medio, crece en conjunto con los demás géneros, pero una vez pasados los 7 grados de alcohol es el único presente. De esta manera se ha reportado que es el género de levadura más resistente a comparación de levaduras autóctonas de la uva [56]. Autores como Matei & Kosseva [57] indican en el estudio microbiológico de levaduras desde la perspectiva biotecnológica que el género Saccharomyces presenta un límite de tolerancia de alcohol hasta del 19 %, posterior a este el alcohol actúa como inhibidor causando la latencia.
Factores de condiciones de la fermentación
Las levaduras del género Saccharomyces se ven afectadas por variables fisicoquímicas que definen la capacidad de adaptación en el medio fermentativo como la temperatura y el pH [52,58 - 60]. Los factores de fermentación están asociados con el medio en el que se realice la misma. Si el ambiente externo cambia continuamente, las levaduras están expuestas simultáneamente a numerosas condiciones de estrés (estrés oxidativo, osmótico y etanólico, entre otros) [52]. Un ejemplo claro es la variabilidad de la temperatura, donde según lo reportado la temperatura óptima de crecimiento para la mayoría de las levaduras está entre 25 y 30 °C. La base molecular de la respuesta al choque térmico ha sido bien documentada en la levadura, identificando que las temperaturas variables del medio causan déficit en el metabolismo microbiano [60]. La influencia general de los aumentos de temperatura tiene como efecto inmediato un aumento del contenido de azúcar y, en consecuencia, del contenido de etanol. Es por esto, que controlar la temperatura de fermentación no solo define los rendimientos de la fermentación sino también la estabilidad de la biomasa. Con respecto al pH, los mostos presentan una acidez reducida y un pH elevado, lo que implica un riesgo de proliferación microbiana no deseada y cambios en el color, sabor y aroma del vino [52,58 - 60]. El rango de pH óptimo para el crecimiento de la levadura está entre pH 3,5 y 6,0 dependiendo la variedad [26]. Sin embargo, cuando el medio fermentativo presenta una alta acidez se generan episodios de estrés, esto dado a que la biomasa no tolera un medio con pH bajo generándose limitaciones en su metabolismo según lo reportado por Alves et al. [50].
En estudios, se ha relacionado que en la producción de vinos las condiciones de fermentación aportan características específicas a las bebidas. Un ejemplo es el material empleado para la fermentación, el tamaño y la forma de los tanques se asocia incluso a la alteración del metabolismo celular de la levadura afectando su adaptación al medio [11]. Querol et al. [56] manifiestan que durante la fermentación típica o convencional las primeras 36 horas definen el crecimiento y la producción celular de las levaduras en el medio de fermentación, lo cual define el consumo de cerca del 80 % de los azúcares presentes para la posterior producción de etanol. Sin embargo, durante la fermentación se presenta estrés oxidativo en las biomasas dado la reducción progresiva de sustrato. De esta manera, se presentan cambios en los niveles osmóticos del medio, déficit de oxígeno, pérdida de nutrientes lo cual, sumado a la producción de etanol, afecta la supervivencia de las cepas de levaduras presentes. Es por eso, que se debe garantizar que el medio de fermentación presente las características óptimas, la temperatura ambiental sea controlada y los materiales de fermentación mantengan las condiciones del mosto para reducir la predisposición al estrés fermentativo.
Avances de estudios en la adaptación de levaduras en procesos fermentativos
A partir de los factores identificados, la Tabla 1 menciona el resultado obtenido en recientes investigaciones sobre las modificaciones realizadas a las levaduras con el fin de aumentar la capacidad de estas frente al medio.
Tabla 1 Modificaciones realizadas en levaduras Saccharomyces para mejorar su capacidad de adaptación al medio.
| Causal de estrés fermentativo | Estudios relacionados a la mejora de estrés | Modificación asociada a cepas de Saccharomyces |
|---|---|---|
| Baja termorresistencia al medio | Termotolerancia de una Saccharomyces cerevisiae evolucionada adaptativa en la fermentación de etanol celulósico. | S. cerevisiae Z100, obtenida mediante evolución adaptativa de laboratorio a largo plazo, mostró una termotolerancia mejorada, con una supervivencia celular 1,2 veces mayor y una generación de glicerol 1,5 veces, superando así la resistencia temperaturas de exposición de 50 °C durante 12 h [61]. Los autores expresaron mejoras en las temperaturas de la cepa, permitiendo así expandir el rango de temperaturas de fermentación, lo cual facilita los procesos industriales no controlados. |
| Efectos de la cascarilla de arroz en la tolerancia de Saccharomyces cerevisiae a altas temperaturas y concentraciones de etanol. | La adición de cáscara de arroz 1,0 aumentó el rendimiento de etanol del arroz integral fermentado a 32 y 39 °C en un 9,4 y un 5,1 %, respectivamente. Sobre la base de la protección de la cáscara de arroz, se encontró que esta provee de cierta termotolerancia a la biomasa para el proceso fermentativo [62]. La cascarilla de arroz mostró actuar como protector de las cepas frente a la resistencia térmica de la levadura, esto dado que actúa como barrera frente al calor del medio, generando así mayor resistencia térmica según los resultados reportados. | |
| Inhibición por nutrientes | PEP4: la modificación del alelo proporciona una levadura de cerveza industrial con tolerancia al estrés por malato. | La cepa SWY85S demostró una mayor tolerancia al estrés por ácido málico, modificando el PEP4-alelo interrumpido de su genoma [26]. El acido málico ha sido un precursor de estrés según lo reportado, el estudio mostró realizando una modificación en el PEP4-alelo reduje la inhibición frente a dicho nutriente. Este estudio, se posiciona como una de las modificaciones genéticas que causan mejoras en el metabolismo microbiano frente a nutrientes adversos. |
| Efecto del estrés ambiental durante la fermentación en la levadura cervecera y exploración de la nueva función asociada a la floculación del gen RIM15. | El gen sensible a los nutrientes RIM15 presentó floculación de la levadura tras inanición de nitrógeno y aminoácidos. Por lo cual, cuando el gen se activa la floculación causa fermentaciones lentas con bajos rendimientos fermentativos [63]. El control del gen RIM15 mostro control sobre el requerimiento de nutrientes como nitrógeno y aminoácidos, esto permitió mejorar los rendimientos de la fermentación, reduciendo la prevalencia de fermentaciones estancadas. | |
| Mejora de la resistencia al estrés oxidativo y al ácido de Saccharomyces cerevisiae utilizando un gen procariótico identificado por metagenómica funcional. | Las cepas que albergaban el gen hu bajo el control del promotor PCCW14v5 sintético sensible al estrés mostraron mayores tasas de supervivencia después de 2 horas de exposición a pH 1,5. El gen hu también pudo mejorar significativamente la tolerancia de la cepa industrial a altas concentraciones de H2O2 [50]. Los peróxidos actúan como inhibidores del metabolismo fermentativo, por lo cual las modificaciones génicas del gen hu, permiten mayor supervivencia frente a medios ácidos. | |
| Medios con diversidad de levaduras | Evaluación de iniciadores de bacterias ácido lácticas y levaduras asesinas: cepas seleccionadas en fermentaciones a escala de laboratorio de aceitunas de mesa (Olea europaea L.) cv. Leccino. | En una mezcla de Wickerhamomyces anomalus y Saccharomyces cerevisiae requirió el empleo de iniciadores de la fermentación permitió mayor adaptación al medio de microrganismo externos por parte de Saccharomyces [44]. La selección de levaduras en mezcla con cepas Saccharomyces permite que esta tenga mayor adaptación frente a la competencia microbiana como bacterias acido lácticas. |
| Las cepas de vino Saccharomyces cerevisiae muestran una amplia gama de habilidades competitivas y un comportamiento diferencial de absorción de nutrientes en cocultivo con S. kudriavzevii. | La capacidad competitiva de las cepas estaba asociada con su origen, y las cepas de vino mostraban la mayor capacidad competitiva. Así mismo, las cepas altamente competitivas habían acelerado la absorción de fuentes de nitrógeno y ralentizado la fermentación del azúcar [55]. Cepas de S. kudriavzevii muestran tener mayor absorción de nutrientes que causan alteraciones osmóticas de en los medios de fermentación del género Saccharomyces. | |
| Diferencias estructurales en los polisacáridos de la pared celular de Saccharomyces gastados de Brewer y perfiles de unión de micromatrices con receptores inmunitarios. | Los glucanos eran el componente principal de S. cerevisiae, mientras que las manoproteínas abundaban en S. pastorianus. Los principales cambios se observaron en los glucanos de ambas especies, la disminución de β1,3-glucanos fue más pronunciada en S. cerevisiae. El aumento de α1,4-Glc, relacionado con la osmotolerancia, fue mayor en S. cerevisiae mientras que β1,4-Glc, relacionado con la resistencia de la pared celular, tuvo un pequeño aumento [40]. | |
| Bajo metabolismo de sustratos vegetales | Caracterización fisiológica y molecular de cultivos de levadura pre-adaptados para la fermentación de hidrolizados lignocelulósicos. | S. cerevisiae es capaz de desarrollar una respuesta adaptativa rápida al hidrolizado lignocelulósico, lo que puede mejorar significativamente su rendimiento de fermentación en condiciones adversas [54]. La adaptación rápida de S. cerevisiae a hidrolizados lignocelulósicos indica una prometedora capacidad de esta levadura para mejorar su rendimiento fermentativo en condiciones adversas. Esta adaptación rápida es crucial para la viabilidad industrial de procesos basados en biomasa lignocelulósica, aunque la escalabilidad de estos resultados debe ser demostrada. |
| Estrés frente al medio alcohólico | Aumento de la tolerancia al etanol y la producción de etanol en una cepa de Saccharomyces cerevisiae de etanol combustible industrial. | Someter la cepa con sobreexpresión del gen MSN2 truncado mostró un mejor rendimiento de la fermentación, lo que permitió la producción de etanol al 16 % a partir del 33 % de azúcares reductores totales presentes en la melaza de caña de azúcar [5]. La sobreexpresión del gen MSN2 truncado resultó en una mejor tolerancia al etanol y mayor producción de etanol. Este estudio es un buen ejemplo de cómo la ingeniería genética puede ser utilizada para mejorar cepas industriales. Sin embargo, es importante evaluar la estabilidad a largo plazo y los posibles efectos secundarios de tales modificaciones. |
| Mejora de la tolerancia múltiple al estrés y la producción de bioetanol por Saccharomyces cerevisiae inmovilizado en biocarbón: seguimiento de la transcripción de genes relacionados con la defensa. | La inmovilización de la biomasa en biochar confirió a las células tolerancia al calor, tolerancia al etanol, osmotolerancia y capacidad de fermentación mejorada. La tecnología propuesta constituye una alternativa tecnológica sostenible a la modificación de cepas mejorando la tolerancia al estrés múltiple en las fermentaciones de bioetanol [19]. La inmovilización de la biomasa en biocarbón confirió múltiples tolerancias al estrés, ofreciendo una alternativa sostenible a la modificación genética. Este enfoque es prometedor para aplicaciones industriales, aunque la producción y el uso de biocarbón deben ser evaluados en términos de costos y escalabilidad. | |
| Mejora de la tolerancia al etanol de Saccharomyces cerevisiae a través de la evolución de laboratorio adaptativa utilizando altas concentraciones de etanol como presión selectiva. | Los autores estudiaron la resistencia de la levadura a concentraciones mayores de 23 grados de alcohol acoplando alcohol y sustrato de manera progresiva en la fermentación. Los resultados del estudio indicaron que las cepas se fueron adaptando a sus ambientes presentado actividades formativas cuando el medio presentaba concentraciones de 25°OH [3]. La evolución adaptativa mediante la exposición progresiva a altas concentraciones de etanol permitió desarrollar cepas más resistentes. Este enfoque es valioso para la selección natural de cepas robustas sin intervención genética directa, aunque el tiempo y los recursos necesarios para tales experimentos pueden ser significativos. |
Actualmente, la industria vínica ha empelado inteligencia artificial que permite establecer modelos de predicción de la adaptación de la levadura de acuerdo con las condiciones del medio. De esta manera se ha logrado predecir modelos que permiten conocer a que factores de estrés está expuesta la levadura y los rendimientos de la fermentación [64]. Estudios destacan un enfoque innovador que emplea modelos de inteligencia artificial (IA) para predecir los rendimientos de etanol en cultivos de fermentación de levadura bajo condiciones de alto estrés de azúcar. Utilizando datos morfológicos celulares obtenidos a partir de imágenes de contraste de fase, los investigadores lograron desarrollar un algoritmo de red neuronal con un coeficiente de determinación (R2) de 0,95, capaz de predecir de manera precisa los rendimientos de etanol hasta 60 minutos en el futuro. Las investigaciones revelan datos morfológicos de células cultivadas en medios con baja concentración de glucosa no son adecuados para predicciones precisas bajo condiciones de alto estrés de glucosa. Además, las células cultivadas en medios de alta glucosa presentan morfologías similares a las observadas bajo alta presión osmótica, y que los cambios morfológicos varían según la fase de fermentación. Este análisis detallado de la morfología celular proporciona una comprensión profunda de las condiciones fisiológicas intracelulares, sugiriendo que el monitoreo morfológico puede ser clave para una gestión eficiente y producción estable de biocommodities. El desarrollo y aplicación de técnicas avanzadas como la inteligencia artificial en la fermentación alcohólica subraya un avance significativo en la biotecnología industrial. Estas técnicas no solo optimizan la eficiencia y precisión de los procesos, sino que también proporcionan una herramienta poderosa para entender y mejorar la adaptabilidad de las levaduras bajo condiciones de estrés. Sin embargo, la implementación de estas innovaciones presenta retos técnicos y requiere una inversión sustancial en infraestructura y capacitación. La reflexión sobre estos aspectos puede impulsar un enfoque más consciente y estratégico en la adopción de tecnologías emergentes, promoviendo una industria más eficiente, sostenible y resiliente.
Análisis, retos y perspectivas asociadas a la capacidad de adaptación de levaduras frente a medios de estrés
La información presentada sobre los factores de incidencia del estrés fermentativo en Saccharomyces es de gran relevancia para la industria vinícola actual, ya que ofrece un panorama detallado de las variables que afectan la fermentación y cómo éstas pueden ser gestionadas para mejorar los procesos productivos. La identificación de factores genéticos, nutricionales, de tolerancia al alcohol, de condiciones de fermentación, activación e inoculación, y de mezclas de levaduras permite a los productores vinícolas comprender mejor las complejidades de la fermentación y adoptar estrategias más efectivas para optimizar la calidad y la consistencia de sus productos. Uno de los puntos más cruciales es la importancia de los factores genéticos, que no solo definen la capacidad de las levaduras para soportar el estrés, sino que también ofrecen oportunidades para la mejora mediante la modificación genética y la hibridación interespecífica. Estas técnicas pueden aumentar la resistencia de las levaduras a condiciones adversas, lo que se traduce en procesos de fermentación más eficientes y productos de mayor calidad. Sin embargo, esta práctica también presenta retos, como la posible afectación de otras variables no consideradas inicialmente y las diferencias en las características sensoriales de las bebidas resultantes. Los debates en torno a la conveniencia de utilizar levaduras autóctonas versus levaduras modificadas subrayan la necesidad de una evaluación cuidadosa y equilibrada de los métodos empleados en la vinificación.
La activación e inoculación correctas de las levaduras también juegan un papel crucial en la adaptación al medio fermentativo. La rehidratación en agua y la inoculación adecuada aseguran que las levaduras estén en las mejores condiciones para iniciar la fermentación, reduciendo el estrés osmótico y mejorando su desempeño. Este conocimiento es vital para los enólogos, quienes deben ajustar sus prácticas de manejo de levaduras para maximizar la eficiencia y calidad del proceso fermentativo. El uso de mezclas de levaduras ofrece la posibilidad de diversificar los perfiles aromáticos y de sabor de los vinos, aunque también puede introducir complicaciones como el estrés oxidativo y la producción de toxinas. La selección cuidadosa de las levaduras y el control riguroso del proceso de fermentación son esenciales para aprovechar los beneficios de las mezclas sin comprometer la calidad del producto final. Desde una perspectiva nutricional, la disponibilidad de carbono y nitrógeno es fundamental para el metabolismo de las levaduras. La adecuación del medio fermentativo con nutrientes esenciales y el control de inhibidores son estrategias clave para asegurar una fermentación exitosa. La investigación continua en esta área puede ofrecer nuevas soluciones para optimizar los sustratos utilizados y mejorar la viabilidad y el rendimiento de las levaduras. La tolerancia al alcohol y las condiciones de fermentación, como la temperatura y el pH, son factores determinantes en la capacidad de las levaduras para adaptarse y sobrevivir durante la fermentación. La gestión adecuada de estos factores puede reducir el estrés y aumentar la eficiencia del proceso fermentativo, resultando en productos de mayor calidad y consistencia. Los desafíos y oportunidades presentados por estas variables resaltan la necesidad de un enfoque integrado y multidisciplinario en la investigación y práctica enológica. La industria vinícola puede beneficiarse enormemente de estudios futuros que exploren la adaptación de levaduras en medios no convencionales que causen estrés, ampliando así el conocimiento científico y ofreciendo nuevas soluciones para mejorar los procesos fermentativos y la calidad del vino. La conciencia sobre la importancia de estos factores y la implementación de técnicas avanzadas puede llevar a la industria a nuevas alturas, promoviendo la innovación y la excelencia en la producción vinícola.
Conclusiones
La capacidad de adaptación de las levaduras del género Saccharomyces está directamente relacionada con diversos factores que pueden hacer que las biomasas tengan predisposición al estrés fermentativo. Dentro de los factores de mayor impacto son lo genéticos dado a que las modificaciones hechas a la fecha se basan en la especificidad de genes que son responsables del estrés. Sin embargo, la mezcla de levaduras en un mismo medio fermentativo se ha relacionado con el estrés frente al aprovechamiento de sustrato y nutrientes, a tal punto que se genera cierta competencia entre las biomasas presentes.
Otros factores como los nutricionales, condiciones de fermentación y tolerancia a alcohol están relacionados con el control de variables durante el metabolismo microbiano. Estos factores son de cierta manera más controlables y críticos, dado a que se debe garantizar que el medio fermentativo presente las condiciones óptimas para las biomasas con el fin de optimizar los procesos de vinificación.
La industria vinícola actual debe contemplar que tipo de levaduras usar, las modificaciones genéticas que estas tengan y las condiciones que se requieran para su correcto metabolismo. Es por eso, que la selección de levaduras se hace imprescindible, ya que se deben clasificar de acuerdo con los medios de mayor viabilidad para su adaptación y correcto metabolismo. No se pueden obviar los factores anteriormente identificados dado a que definirán la capacidad de adaptación de la levadura, los rendimientos de fermentación y la optimización de los procesos enológicos.
