Passaggi della fermentazione alcolica nella birra: dalla glicolisi all’etanolo

Il protagonista: il lievito Saccharomyces

Prima di analizzare i passaggi, è doveroso presentare il protagonista enzimatico: il lievito. Nella birrificazione, i ceppi dei generi Saccharomyces cerevisiae (per le ale) e Saccharomyces pastorianus (per le lager) sono i più comuni. Questi organismi unicellulari eucarioti sono specializzati nel metabolizzare gli zuccheri in condizioni anaerobiche (senza ossigeno) producendo etanolo. La loro scelta non è casuale. Questi lieviti sono robusti, relativamente prevedibili e, soprattutto, producono un profilo di composti aromatici generalmente gradevole al palato umano. Altre specie, come i Brettanomyces, vengono utilizzate per stili specifici (ad esempio le Lambic) ma seguono percorsi metabolici leggermente diversi, spesso producendo acidità e aromi funky. La salute, la vitalità e la quantità di cellule di Saccharomyces inoculate determinano la velocità e l’efficienza con cui verranno eseguiti tutti i passaggi successivi. Un lievito stressato o vecchio potrebbe avere enzimi poco efficienti o membrane cellulari danneggiate, compromettendo l’intero processo.

Passaggio 1: la glicolisi, la rottura dello zucchero

Il primo fondamentale passaggio della fermentazione alcolica è la glicolisi. Questa via metabolica universale avviene nel citoplasma della cellula di lievito ed è comune a molti organismi, uomo compreso. Il suo obiettivo è spezzare una molecola a sei atomi di carbonio, come il glucosio (C6H12O6), in due molecole a tre atomi di carbonio chiamate acido piruvico (o piruvato). Questo processo non richiede ossigeno (è anaerobico) e, anzi, è proprio la via utilizzata quando l’ossigeno scarseggia. Durante la glicolisi, la cellula ricava anche un piccolo guadagno netto di energia sotto forma di due molecole di ATP (la “moneta energetica” delle cellule) e riduce due molecole di NAD+ in NADH. L’ATP fornisce l’energia immediata per le attività cellulari, mentre il NADH agisce come un carrier di elettroni ad alta energia che sarà cruciale nel passaggio finale.

È importante notare che il mosto di birra non contiene solo glucosio. È ricco di maltosio (due molecole di glucosio legate) e maltotriosio (tre molecole di glucosio). Il lievito deve prima secernere enzimi (maltasi, glucoamilasi) che idrolizzano questi zuccheri complessi in glucosio singolo, pronto per entrare nella via glicolitica. L’efficienza di questi enzimi dipende dal ceppo di lievito e dalle condizioni ambientali, ed è ciò che determina il grado di attenuazione finale della birra, cioè quanto lo zucchero viene convertito. Una bassa attenuazione lascerà una birra più dolce e corposa, mentre un’attenuazione elevata porterà a una birra più secca e leggera. Il controllo di questo aspetto è centrale nella progettazione di una birra.

Passaggio 2: la decarbossilazione e la formazione di acetaldeide

Una volta prodotte le molecole di piruvato, la strada diverge da quella della respirazione. In presenza di ossigeno, il piruvato entrerebbe nei mitocondri per la respirazione cellulare, producendo molta più energia. In assenza di ossigeno, come nel cuore di un fermentatore, il lievito opta per la via della fermentazione. Il primo step specifico di questa via è la decarbossilazione del piruvato. Un enzima chiamato piruvato decarbossilasi rimuove una molecola di anidride carbonica (CO2) da ciascuna molecola di piruvato. Questa è la fonte principale della CO2 che vediamo gorgogliare durante la fermentazione tumultuosa. Il prodotto di questa reazione è una molecola a due atomi di carbonio chiamata acetaldeide.

L’acetaldeide è un composto chiave, ma anche potenzialmente problematico. Ha un aroma pungente che ricorda la mela acerba o la plastica. In una fermentazione sana e completa, l’acetaldeide è solo un intermedio di passaggio e viene rapidamente convertita nel passaggio successivo. Tuttavia, se la fermentazione si blocca prematuramente, se il lievito è stressato o se la birra viene travasata troppo presto, l’acetaldeide può accumularsi e diventare percepibile come un difetto. La famosa “sbronza da birra” o il mal di testa intenso dopo il consumo sono talvolta (erroneamente) attribuiti all’acetaldeide, sebbene la scienza indichi cause più complesse legate ai congeneri e alla disidratazione. Il monitoraggio di questo intermedio è quindi importante per la qualità sensoriale. Per una discussione approfondita su questo composto, il nostro articolo su acetaldeide nella birra: dalla glicolisi al bicchiere offre una panoramica dettagliata.

Passaggio 3: la riduzione a etanolo

Il passaggio finale e decisivo della fermentazione alcolica è la riduzione dell’acetaldeide a etanolo. Questo compito è svolto dall’enzima alcol deidrogenasi (ADH). L’enzima utilizza le molecole di NADH prodotte durante la glicolisi come donatore di elettroni (e di idrogeno). L’acetaldeide (CH3CHO) viene così ridotta ad etanolo (CH3CH2OH), mentre il NADH si ossida nuovamente a NAD+. Questa rigenerazione del NAD+ è di importanza critica. Senza di essa, la glicolisi si fermerebbe per mancanza di accettori di elettroni, bloccando l’intero processo fermentativo. La fermentazione alcolica, quindi, può essere vista come un ciclo che ha lo scopo primario di rigenerare NAD+ per permettere alla glicolisi di continuare a produrre un po’ di ATP in condizioni anaerobiche. L’etanolo e la CO2 sono semplicemente sottoprodotti di questo ciclo energetico.

La concentrazione finale di etanolo nella birra dipende dalla quantità di zuccheri fermentescibili presenti nel mosto originale. Tuttavia, l’efficienza della conversione non è mai del 100%. Fattori come la tolleranza alcolica del ceppo di lievito, la temperatura e la presenza di nutrienti influenzano quanto a fondo il lievito possa spingersi. Ceppi ad alta attenuazione, spesso usati per stili secchi come le saison o alcune IPA, sono in grado di fermentare una gamma più ampia di zuccheri, inclusi alcuni destrini che altri lieviti non riescono a metabolizzare. La scelta del lievito è quindi strettamente legata al risultato alcolico e strutturale atteso.

Le vie metaboliche parallele: la fabbrica degli aromi

Mentre la via principale della fermentazione alcolica produce etanolo e CO2, una serie di vie metaboliche secondarie e parallele sono all’opera. Queste vie utilizzano intermedi del percorso principale (come il piruvato o l’acetaldeide) per sintetizzare altri composti essenziali per la crescita del lievito, ma che hanno il profondo effetto collaterale di creare gli aromi della birra. La via degli alcoli superiori (o fusel alcoli) produce composti come il propanolo, l’isobutanolo e l’isoamil alcol (che a basse concentrazioni contribuisce all’aroma alcolico, ad alte diventa solvente). La via degli esteri è forse la più importante dal punto di vista aromatico. Gli esteri si formano dalla reazione tra un acido organico (derivato dal metabolismo) e un alcol superiore o l’etanolo stesso. Queste reazioni sono catalizzate da enzimi chiamati esterasi.

Esteri come l’acetato di isoamile (aroma di banana, tipico delle weizen), l’acetato di etile (aroma di mela, solvente), o l’acetato di fenile (miele, rosa) definiscono il carattere fruttato e speziato di molti stili, specialmente quelli ad alta fermentazione come la Belgian Dark Strong Ale. La produzione di esteri è influenzata fortemente dalla temperatura (più alta = più esteri), dalla pressione (più alta = meno esteri), dal ceppo di lievito e dalla quantità di ossigeno disponibile all’inoculo. Un birraio che vuole una birra pulita e lupolata controllerà attentamente questi parametri per minimizzare gli esteri. Al contrario, per una birra ricca e complessa, potrà favorirne la produzione. La gestione di questi percorsi secondari è l’arte che si basa sulla scienza della fermentazione. Per esplorare il ruolo specifico degli esteri, ti invitiamo a leggere il nostro focus su esteri della fermentazione della birra.

Fattori che influenzano l’efficienza dei passaggi fermentativi

I passaggi biochimici non avvengono nel vuoto. L’efficienza e l’esito della fermentazione alcolica sono plasmati da diversi fattori ambientali che il birraio può e deve controllare.

• Temperatura: È il fattore più influente. Temperature più alte accelerano tutti i processi enzimatici, aumentando il tasso di fermentazione ma anche la produzione di alcoli superiori, esteri e altri composti secondari. Temperature più basse rallentano il processo ma favoriscono un profilo più pulito. Ogni ceppo di lievito ha un range ottimale.
• pH del mosto: Un pH compreso tra 5.0 e 5.5 è generalmente ideale per l’attività dei lieviti. Un pH troppo basso (troppo acido) può inibire l’attività enzimatica e la crescita cellulare.
• Nutrienti: Oltre agli zuccheri, il lievito ha bisogno di azoto (sotto forma di aminoacidi e ammonio), vitamine (soprattutto del gruppo B) e minerali (zinco, magnesio). Un mosto carente, specialmente se fatto con alti livelli di zuccheri semplici o adjuntic, può portare a fermentazioni lente, stalli e produzione eccessiva di composti solforati. L’aggiunta di nutrienti per lieviti è una pratica comune per garantire una fermentazione robusta.
• Ossigeno: Come detto, l’ossigeno iniziale è cruciale per la sintesi di steroli e la moltiplicazione cellulare. Tuttavia, l’ossigeno introdotto dopo l’inizio della fermentazione è dannoso, poiché promuove l’ossidazione della birra e può spostare il metabolismo del lievito.
• Pressione: La fermentazione sotto pressione (spunding) può sopprimere la formazione di esteri e favorire una ricaptura della CO2 più efficiente.

Ottimizzare questi fattori è l’obiettivo della fermentazione controllata. Strumenti come i termoregolatori, i sistemi di monitoraggio del pH e della densità, e i controllori di pressione permettono al birraio moderno di guidare il processo con precisione scientifica, garantendo la ripetibilità e la qualità batch dopo batch. Approfondisci le possibilità offerte dalla tecnologia nella nostra guida alla fermentazione controllata con strumenti digitali e parametri.

Fermentazione alcolica vs. altri tipi di fermentazione

La fermentazione alcolica guidata dal Saccharomyces è solo uno dei tanti tipi di fermentazione esistenti in natura. Nella produzione di birra, si possono incontrare, volutamente o meno, altre fermentazioni:

• Fermentazione lattica: Operata da batteri lattici (es. Lactobacillus, Pediococcus). Converti il glucosio in acido lattico, abbassando drasticamente il pH e conferendo il tipico sapore aspro delle birre acide (sour beer). Può essere indotta in purezza (kettle sour) o in fermentazioni miste/spontanee.
• Fermentazione acetica: Operata da batteri acetici (es. Acetobacter). In presenza di ossigeno, ossidano l’etanolo in acido acetico (aceto). È generalmente un difetto indesiderato nella birra, a meno che non sia ricercato in minime quantità in stili particolari.
• Fermentazione butirrica: Produce acido butirrico, dall’aroma di burro rancido o vomito, ed è un grave difetto.
  Comprendere queste differenze è fondamentale per il controllo della qualità. Una contaminazione da batteri lattici in una lager può rovinare il lotto, mentre l’aggiunta controllata degli stessi batteri è la base per creare una rinfrescante gose o una complessa lambic. La scelta tra una fermentazione “pulita” alcolica e una fermentazione mista o acida definisce interi universi brassicoli. Per un avvio pratico al mondo delle birre acide, la nostra guida completa al kettle sour per microbirrifici fornisce un ottimo punto di partenza.

Conoscere la scienza della fermentazione ti permette non solo di produrre birra, ma di dialogare con essa. Ogni decisione, dalla temperatura al ceppo di lievito, è un input che modella l’esito biochimico finale. Questa padronanza si riflette poi nella proposta commerciale. Che si tratti di selezionare una Double IPA dall’amaro pronunciato o una Tripel elegante e speziata per un evento speciale, la consapevolezza di ciò che avviene nel fermentatore è ciò che distingue una semplice fornitura da una proposta di valore. Servizi specializzati, come un servizio di spillatore birra per matrimonio, portano il risultato finale di questa complessa alchimia direttamente al consumatore, in una forma impeccabile e celebrativa.

Domande frequenti sulla fermentazione alcolica

La fermentazione alcolica produce solo etanolo e CO2?
No, sono i prodotti principali, ma non gli unici. Come descritto, la fermentazione alcolica genera una vasta gamma di composti secondari come alcoli superiori, esteri, acidi organici e composti solforati in tracce, tutti fondamentali per l’aroma e il gusto complessivo della birra.

Perché a volte la birra ha un sapore “alcolico” o solvente?
Un sapore alcolico caldo o solvente è spesso associato a un’elevata concentrazione di alcoli superiori (fusel alcoli). Questi si formano in maggior quantità durante fermentazioni a temperature troppo elevate, con lievito eccessivamente stressato o in mosti molto densi e ricchi di zuccheri. Un controllo attento della temperatura è il modo principale per mitigare questo effetto.

Cosa sono i “congeneri” nella birra?
Il termine “congeneri” si riferisce collettivamente alle sostanze chimiche prodotte durante la fermentazione oltre all’etanolo. Include alcoli superiori, esteri, aldeidi, acidi e tannini. Sono responsabili di gran parte del gusto, dell’aroma e del colore della birra. Diversi stili hanno profili di congeneri distintivi.

La fermentazione alcolica è la stessa che avviene nel vino o nei distillati?
Il principio biochimico di base (glicolisi seguita da decarbossilazione e riduzione) è identico. Tuttavia, i lieviti utilizzati (Saccharomyces cerevisiae ma ceppi diversi), il substrato (mosto d’uva vs. mosto di cereali) e le condizioni (temperatura, presenza di tannini, nutrienti) sono differenti. Questo porta a profili di congeneri radicalmente diversi, che definiscono il carattere unico di vino, birra e distillati di base.

È vero che alcuni lieviti possono fermentare a temperature più basse di altri?
Assolutamente sì. I lieviti per lager (S. pastorianus) hanno enzimi adattati a funzionare efficientemente a temperature tra i 7-13°C. I lieviti per ale (S. cerevisiae) operano tipicamente tra i 18-24°C. Ceppi ibridi o speciali, come i lieviti Kveik norvegesi, possono fermentare in modo pulito a temperature molto più alte (fino a 35-40°C).

tl;dr

La fermentazione alcolica nella birra è un processo biochimico in tre passaggi principali guidato dal lievito: 1) la glicolisi spezza gli zuccheri in piruvato, 2) la decarbossilazione trasforma il piruvato in acetaldeide liberando CO2, 3) la riduzione converte l’acetaldeide in etanolo. Oltre a produrre alcol e anidride carbonica, vie metaboliche parallele generano esteri e alcoli superiori che definiscono gli aromi della birra. Fattori come temperatura, pH, nutrienti e ceppo di lievito influenzano profondamente l’efficienza e il risultato di questo processo affascinante.