O aumento do extrato inicial de fermentação e uso de adjuntos na substituição do malte
vem sendo uma alternativa para diminuição de custos na produção de cervejas. Uma outra
característica deste processo tem sido a utilização de nutrientes para aumentar a
produtividade volumétrica em etanol. Pelo fato da banana ser uma fruta abundante no Brasil
e ser pouco qualificada para a exportação, pode-se utilizá-la como alternativa de adjunto do
malte. Neste estudo foi elaborada cerveja utilizando a banana como adjunto do malte e
estudado os parâmetros fermentativos principais obtidos no ponto otimizado em bioreatores
cilindrocônicos de bancada. Para isso os mostos foram fermentados à 17,5 °P e 15 °C
suplementados no início da fermentação com 420 mg/L de MgSO4. A produtividade
volumétrica (Qp) alcançada foi de 0,68 g/L.h no tempo de 64 h de fermentação. Essa
suplementação gerou um benefício, devido ao aumento de 6 % do valor de Qp

Carvalho, Giovani B. M.

Felipe, Maria das Graças A.

Matos, Gislaine Fernandes de

Silva, Daniel Pereira da

Silva, João B. Almeida e

Teixeira, J. A.

Vicente, A. A.

Universidade do Minho: RepositoriUM

Análise da Fermentação em Bioreatores Cilindrocônicosde Bancada na Elaboração de Cerveja com Adjunto deBananaGislaine Fernandes de Matos1, José António Teixeira2, Daniel Pereira da Silva2, AntónioAugusto Vicente2, Maria das Graças de Almeida Felipe1, João Batista de Almeida eSilva1 e Giovani Brandão Mafra de Carvalho1,2.1Universidade de São Paulo - Departamento de Biotecnologia - Escola de Engenharia de LorenaCaixa Posta 116 - 12602-810 Lorena - SP - Brasil - E-mail: gislaine.matos@gmail.com2University of Minho - IBB - Institute for Biotechnology and Bioengineering - Centre of Biological EngineeringCampus de Gualtar - 4710-057 Braga - Portugal.RESUMOO aumento do extrato inicial de fermentação e uso de adjuntos na substituição do maltevem sendo uma alternativa para diminuição de custos na produção de cervejas. Uma outracaracterística deste processo tem sido a utilização de nutrientes para aumentar aprodutividade volumétrica em etanol. Pelo fato da banana ser uma fruta abundante no Brasile ser pouco qualificada para a exportação, pode-se utilizá-la como alternativa de adjunto domalte. Neste estudo foi elaborada cerveja utilizando a banana como adjunto do malte eestudado os parâmetros fermentativos principais obtidos no ponto otimizado em bioreatorescilindrocônicos de bancada. Para isso os mostos foram fermentados à 17,5 0P e 15 0Csuplementados no início da fermentação com 420 mg/L de MgSO4. A produtividadevolumétrica (Qp) alcançada foi de 0,68 g/L.h no tempo de 64 h de fermentação. Essasuplementação gerou um benefício, devido ao aumento de 6 % do valor de Qp.Palavras-chave: Cerveja, Banana, Fermentação, Adjunto, Suplementação Nutricional,Bioreator Cilindrocônico de Bancada.INTRODUÇÃONas últimas décadas, com o aumento do consumo de cerveja no Brasil e no resto do mundo,tem se observado uma significativa evolução dos conhecimentos científicos neste universo,tais como, o profundo entendimento da fisiologia celular, as técnicas de imobilização dalevedura cervejeira, a fermentação e maturação em sistemas contínuos e a criação de novasestirpes com a chegada da genética molecular. Tudo isto vem beneficiando o avanço econtrole do processo cervejeiro. No Brasil, duas tendências têm se destacado: a obtenção decervejas a partir de mostos concentrados (High Gravity Brewing) e a elaboração de cervejasutilizando adjuntos especiais, os quais podem aromatizar ou não as mesmas. A cerveja combanana acompanha estas duas tendências.Assim, aliado a necessidade de maiores produtividades com menores custos deinvestimentos, algumas cervejarias vêm optando pelo aumento do extrato inicial defermentação, processo que é conhecido como de alta concentração. Nesse processo, a partir dafermentação de um mosto com uma elevada concentração de açúcares, produz-se uma cervejaque posteriormente é diluída com água. As principais vantagens deste processo de mostoscom altas densidades são: uma crescente capacidade de produção de cerveja através de umuso mais eficiente das instalações existentes da planta, redução de custos de energia, custos demão de obra, limpeza e custos de efluentes, incremento da estabilidade física e daspropriedades organolépticas, além de uma maior produção de álcool por unidade de extratofermentável.A elaboração de cervejas utilizando adjuntos especiais vem se tornando uma solução debarateamento na obtenção de cerveja devido à substituição de parte do malte, acrescentandoainda, atributos sensoriais característicos nos produtos obtidos.Com a elaboração de mostos concentrados surge a necessidade de suplementar o mosto paradiminuir a carência nutricional e aumentar a produtividade em etanol. Assim neste trabalho,foi avaliado o ponto otimizado da suplementação nutricional com Mg2+ do mosto cervejeirocom adjunto de banana em fermentadores cilindrocônicos de bancada.MATERIAL E MÉTODOSO malte moído foi misturado com o suco de banana (no volume da água primária) a 35 ºCde acordo com CARVALHO, 2009.A inoculação do mosto foi realizada transferindo-se os 405 mL do inoculo do recipientecom aeração para um sistema de seis fermentadores descontínuos acoplados, conhecidoscomo mini-bioreatores cilindrocônicos, previamente a transferência do mosto elaborado.De acordo com as condições experimentais foram transferidos 3155 mL do mosto dorecipiente com aeração, de forma a se obter 3560 mL no começo da fermentação, 540 mL emcada fermentador.A fermentação foi conduzida em fermentadores de 900 mL, com volume útil de 540 mL,provido de um banho termostatado com de controle e indicação digital de temperatura, e umsistema específico para tomada de amostras no fundo do fermentador. A concentração inicialdo inoculo em todos os bioreatores foi de 1,19 g/L.O tempo final de cada fermentação foi determinado quando se alcançou um valor de extratoaparente (ºP) aproximadamente igual a 1 ºP acima da concentração de açúcares nãofermentáveis do ensaio do ponto final. Extrato aparente corresponde a concentração dossólidos solúveis (sendo os açúcares em sua maioria), desconsiderando a variação da densidadepelo etanol formado no meio.O etanol foi quantificado por Cromatografia Líquida de Alta Eficiência (HPLC), o extratoaparente foi determinado por um refratômetro digital e os valores foram convertidos de 0Brixpara 0Plato. A concentração celular foi determinada por uma correlação entre o peso seco e acontagem celular em câmara de Neubauer. Estas análises obedeceram as metodologiaspropostas por CARVALHO, 2009.RESULTADOS E DISCUSSÕESAnálise da Produção de Etanol e do Consumo de Açúcares no PontoÓtimoA Figura 1 demonstra as principais características da fermentação do Ponto Ótimo no mini-bioreator cilindrocônico tais como o consumo de extrato aparente e a produção de etanol pelalevedura.Figura 1. Consumo de Extrato Aparente () e Produção de Etanol (), pela Levedura S.cerevisiae 308 tipo lager, Durante a Fermentação do Mosto com Banana à 17,50 0P e 15 0C,no Ponto Otimizado da Adição de Nutriente.Nessa figura, pode-se observar duas etapas distintas: uma primeira etapa até o tempo de 8h,onde a levedura consumiu uma quantidade muito pequena de extrato aparente (3,07 g/L)produzindo apenas 1,21 % do etanol total, e uma segunda etapa após 8 h, onde a produção deetanol esteve profundamente relacionada com o consumo de substrato. Na primeira etapaobserva-se uma fase lag muito curta com uma concentração inicial de açúcares muito elevada176,40 g/L. A duração dessa fase varia principalmente com a concentração do inoculo, ouseja, com a concentração celular inicial, com a idade do microrganismo e com o seu estadofisiológico (HISS, 2001).  Estando o mosto com banana aerado nesta fase, pode-se explicar osurgimento do etanol pelo o efeito Crabtree. Já foi observado que Saccharomyces cerevisiae,em presença de glicose mesmo em condições estritamente aeróbias, possui metabolismo dotipo respiro-fermentativo. Esse comportamento metabólico é provocado por este efeitoconhecido como efeito Crabtree ou repressão catabólica. Esse efeito se pronuncia emcondições onde a concentração de glicose ultrapassa um valor limite. O mecanismo0 20 40 60 80 10004080120160200Tempo (h)Extrato aparente (g/L)0204060Etanol (g/L)responsável pela repressão catabólica pode ser bastante complexo, mas estudos mostram queocorre principalmente através do forte efeito repressivo da glicose sobre a atividade deenzimas respiratórias e também, possivelmente, pela inibição da expressão genética deenzimas constituintes da via respiratória, fazendo com que parte do piruvato que não pode seroxidado pelo ciclo de Krebs, seja reduzido a etanol pelo processo fermentativo (Bakker et al.,2001).Analisando a Figura 2, verifica-se um aumento da produtividade volumétrica e dorendimento em etanol em função do tempo de fermentação do mosto com banana. Umcomportamento similar foi encontrado por MARC et al. (1999). Segundo estes autores, oaumento do rendimento em etanol durante a fermentação, resulta da diminuição dorendimento em biomassa (Yx/s). O fator que também pode influenciar na diminuição deste(Yx/s) é a manutenção celular, ou seja, além do substrato estar sendo utilizado na formaçãodos produtos de fermentação, ele também é destinado ao desempenho de funções vitais quecompreendem o trabalho osmótico para manter os gradientes de concentração de substânciasentre o interior da célula e o seu meio ambiente, as modificações de componentes celularesque requeiram energia e a mobilidade celular.  De acordo com HISS (2001), dificilmente sãoobservados valores constantes dos fatores de conversão, em fermentações industriais. Estasobservações também puderam ser evidenciadas nestes ensaios laboratoriais utilizando mini-bioreatores cilindrocônicos.A produtividade volumétrica em etanol na fermentação do mosto de alta densidade comadjunto de banana atingiu um valor máximo de 0,68 g/L.h, a partir do tempo de 64 h. Orendimento aparente em etanol foi máximo neste mesmo tempo, alcançando  o valor de 0,45g/g. Este resultado foi superior ao rendimento em etanol, próximo de 0,40 g/g, obtido porDRAGONE et al. (2002), na fermentação conduzida em fermentadores cilindro-cônicos de180 L com volume útil de 140 L, utilizando mostos de 17,50 0P, fermentados porSaccharomyces cerevisiae lager à 12,5 0C.Figura 2. Produtividade Volumétrica () e Rendimento em Etanol (), pela Levedura S.cerevisiae 308 tipo lager, Durante a Fermentação do Mosto com Banana à 17,50 0P e 15 0C,no Ponto Otimizado da Adição de Nutriente.0 20 40 60 80 1000,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,01,11,2Produtividade (g/L.h) e Rendimento (g/g)Tempo (h)Outra característica ligada ao consumo do substrato e a formação de produtos é a quedagradual da densidade do mosto com banana no decorrer da fermentação (Figura 3). Estefenômeno esta inteiramente associado tanto ao consumo do substrato para a construção emanutenção celular como na formação de produtos menos densos e/ou voláteis. Um bomexemplo é a formação de CO2 que provem da fermentação dos açúcares. Uma parte deste gásfica solúvel e outra deixa o mosto. Sabe-se que em concentrações apreciáveis no bioreator, oCO2 inibe a fermentação. Este composto é recolhido da parte superior do reator e podendo serreutilizado mais tarde com a finalidade de carbonatação da cerveja nas etapas finais.A Figura 3 também demonstra as diferentes fases do crescimento das leveduras, durante afermentação do mosto com banana de 17,50 0P à 15 0C. Nas primeiras 8h de fermentação,observa-se uma fase de latência ou fase lag, que se segue imediatamente após a inoculação domeio com a levedura. Trata-se de um período de adaptação durante o qual a célula sintetiza asenzimas necessárias ao metabolismo dos componentes presentes no meio. Esta fase éacrescida de um período de transição das 8 às 32 h em que se observa o início da reproduçãomicrobiana propriamente dita. Assim, há um aumento gradual tanto da velocidade dereprodução como da velocidade específica de crescimento. No fim desse período, a populaçãointeira de leveduras começa a se dividir em um intervalo regular médio de tempo (HISS,2001).O período entre as 32 e 50 h de fermentação apresenta um rápido crescimento celular,correspondente a fase logarítmica ou exponencial. Durante este intervalo de tempo, avelocidade específica de crescimento é constante e máxima (HISS, 2001). Ao lado davelocidade específica de crescimento, a fase exponencial também é caracterizada pelo tempode geração, que é o intervalo de tempo necessário para dobrar o valor da concentração celular.Aplicando-se a equação (tg = 0,693/µxMáx), pode-se obter o tempo de geração.O progressivo aumento na concentração das células em suspensão foi interrompido após 50horas de fermentação do mosto com banana. Pode-se observar então um período estacionáriodas 50 às 53 h, conhecido como fase estacionária. Nessa fase, a concentração de levedurasatinge o valor máximo e constante (3,13 g/L), onde há um balanço entre a velocidade decrescimento e a velocidade de morte da levedura, ocorrendo também modificaçõesbioquímicas na célula.0 20 40 60 80 1000123Tempo (h)Células (g/L)1,001,011,021,031,041,051,061,071,08Densidade do mosto (g/mL)Figura 3. Células Totais em Suspensão (), da levedura S. cerevisiae 308 tipo lager, eDensidade do mosto com banana () durante a fermentação a 17,50 0P e 15 0C, no pontootimizado da adição de nutriente.Após as 53 h de fermentação do mosto com banana, observou-se uma queda gradual daconcentração das leveduras em suspensão com o decorrer do tempo. Esta fase é denominadafase morte, declínio ou lise celular. Nesta fase o valor da concentração celular diminui a umavelocidade que excede a velocidade de formação de novas leveduras. Ocorre durante odeclínio uma lise celular, autólise ou rompimento das leveduras, provocado pela ação deenzimas intracelulares.  Nesta fase ocorre a floculação das leveduras no mosto cervejeiro eesta floculação tem início quando a glicose é removida do meio (ENGASSER, 1981).CONCLUSÕESPode-se concluir que a suplementação nutricional favoreceu a produtividade volumétrica emetanol (Qp) alcançando 0,68 g/L.h no tempo de 64 h de fermentação. Essa suplementação noponto otimizado gerou um benefício devido ao aumento de 6% do valor de Qp.REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICASBAKER, D. A.; KIRSOP, B. H. (1973) Rapid beer production and conditioning using a plug fermentor. Journalof the Institute of Brewing, London, v. 79, p. 487-494.CARVALHO, G. B. M. (2009) Obtenção de Cerveja Usando Banana como Adjunto e Aromatizante. 2009. Tesede doutorado, 163f, (Doutorado em Biotecnologia Industrial), Universidade de São Paulo, Lorena. 2009.DRAGONE, G. (2002) Estudo Cinético do Processo Fermentativo de Produção de Cervejas em MostosConcentrados. Lorena: FAENQUIL/DEBIQ, 2002. p.111, (Dissertação de mestrado).ENGASSER, J.M., MARC, I., MOLL, M., DUTEURTRE, B. (1981) Kinetic Modelling of Beer Fermentation.In: EUROPEAN BREWERY CONVENTION, Copenhagen. Proceedings of the 18th Congress, London, IRLPRESS. p.579-586.HISS, H. (2001) Cinética de Processos Fermentativos. In: ALMEIDA LIMA, U.; AQUARONE, E.; BORZANI,W.; SCHMIDELL, W. Biotecnologia Industrial. São Paulo: Edgard Blücher. v. 2. P. 93-122.MARC, I., ENGASSER, J.M., MOLL, M., DUTEURTRE, B (1999) Kinetics of Yeast Growth and Metabolismin Beer Fermentation. In: Foundations of Biochemical Engineering. BLANCH, H.W., PAPOUTSAKIS, E.T.,STEPHANOPOULOS, G., Washington, American Chemical Society, P.139-154.

Análise da fermentação em bioreatores cilindrocônicos de bancada na elaboração de cerveja com adjunto de banana

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