Chimica enologica - Appunti presi al computer durante le lezioni di chimica enologica - 120 pagine

Chimica enologica: understanding wine chemistry

Testo: understanding wine chemistry di L. Waterhouse (presente nella biblioteca online cerca Wiley online). Finalità: descrizione e comprensione dei fenomeni chimici-fisici e biochimici del vino. Aspetti legali e commerciali. Valutazione composizione ed evoluzione del vino. 1 Ottobre 2018.

Origine dei polisaccaridi

L’origine dei polisaccaridi è l'uva, da cui si originano le sostanze pectiche, ma ci sono anche altre fonti come i microorganismi correlati alla vinificazione come lieviti e batteri, e la muffa Botrytis cinerea che causa la botrite. Anche le aggiunte esogene di gomma arabica ed altri composti (più recenti) contribuiscono. Le sostanze pectiche (polisaccaridi di natura acida) sono una parte fondamentale nella struttura della parete cellulare di tutte le cellule vegetali e si trovano nella lamella mediana. Queste sostanze modificano la loro struttura nel corso della maturazione.

Le pectine tendono ad accumularsi dall'invaiatura in avanti e sono soggette a fenomeni di natura idrolitica che ne modificano la struttura provocando un effetto fisico-meccanico che è immediatamente riscontrabile: si passa da acino verde e duro, ad uno più colorato e molle. Tale rammollimento è dovuto a questa modifica strutturale. Vengono rese parzialmente solubili. Inizialmente la loro struttura conferisce loro insolubilità.

Classificazione delle sostanze pectiche

• Omogalatturonani: sempre parzialmente esterificati ed abbreviati HG
• Ramnogalatturonani: abbreviati RGI e RGII

Hanno in comune derivati dell'acido galatturonico.

Polisaccaridi neutri

• Arabinani
• Galattani
• Arabinogalattani

Sono concentrati nella lamella mediana e possono trasferirsi nella fase liquida nella fase di pigiatura ed eventualmente di macerazione. Passano dall'uva al vino e poi vengono idrolizzate enzimaticamente.

Struttura dei polisaccaridi

Ci sono 3 frazioni differenti che troviamo nella struttura dei polisaccaridi (HG/RGI/RGII). Costituiscono le catene lineari della struttura delle pectine. Non sono una retta, ma ogni unità strutturale è legata solo ad altre due unità strutturali. Si intende dunque una concatenazione che segue una linea.

Le 3 frazioni formano una cosiddetta zona liscia composta dalle catene di Omogalatturonani che formano una vera e propria catena, a questa si alternano frazioni di RGI e RGII che fungono da punti di inserzione per catene laterali. Le zone ove sono presenti catene laterali si chiamano zone irsute.

Col tempo e le idrolisi enzimatiche (enzimi pectinasi o pectolitici) che agiscono sulla catena di omogalatturonani (che è il collante di tutta la struttura) si idrolizzano i legami glicosidici solo se il gruppo carbossilico adiacente è libero cioè non esterificato. Gli enzimi sono fondamentalmente poligalatturonasi, pectinmetilesterasi (già presenti nell'uva) ed altri di provenienza esogena (botrytis): le Pectinliasi che hanno analoga funzione delle prime, però essendo liasi e non idrolasi (non serve acqua) non necessitano di gruppi carbossilici liberi.

Il secondo enzima PME incide sui gruppi acidi esterificati andando a liberare metanolo da questi gruppi estere. Questo tipo di azione è un'azione propedeutica al primo tipo di enzima, ma dal punto di vista enologico deve essere il più contenuta possibile, perché causa la formazione del metanolo nel vino. Negli enzimi industriali si controlla quanta azione PME sia presente nel vino. Caso del famoso scandalo del metanolo del 1986.

La frazione degli omogalatturonani è facilmente idrolizzabile mentre i Ramno sono più difficilmente attaccabili anche per motivi di ingombro sterico. I peptidi quindi agiscono sugli omo. L'unità degli omo è un dimero esagonale a sedia.

La percentuale di esterificazione con etanolo può arrivare fino all'80%. I Ramnogalatturonani I sono la base delle zone “irsute”. Sono formati dall'unione di ramnoso e acido galatturonico, il legame che unisce queste due unità fa sì che si formi questa struttura un po' particolare, come se una molecola fosse perpendicolare all'altra; è importante per la struttura perché in queste particolari aree si trovano le zone esterne ramificate.

Sono il 15% delle pectine dell'uva. Nel vino ne rimangono delle porzioni molto molto piccole (4% dei polisaccaridi del vino), la struttura delle catene laterali è molto complessa; i legami non sono sempre 1-4 perché se così fosse sarebbero lineari.

I Ramnogalatturonani II hanno una struttura molto complessa, ci sono molteplici monomeri, alcuni molto rari. Passano praticamente indenni dall'uva al vino: vengono staccati tutto insieme perché sono altamente resistenti ai processi di degradazione. Con la macerazione il contenuto tende a crescere, tenori più elevati nei vini rossi (80%) che nei vini bianchi (30%).

Hanno un'ampia capacità di complessazione. Questo fenomeno è collegato alla formazione di legami dativi/coordinativi con formazione di complessi ciclici. Questo è positivo soprattutto in presenza di cationi bivalenti perché l'assimilazione del piombo da parte del nostro organismo è limitata da questa azione: esso è presente nel vino, ma essendo complessato non può essere assimilato (è molto dannoso).

Gli RGII sono il 3-4% dei polisaccaridi dell'uva, 19% del vino perché mentre le altre vengono degradate, queste aumentano il loro peso relativo.

Polisaccaridi derivanti dal lievito

Il lievito ha una parete cellulare costituita soprattutto da glucani (50%) e mannoproteine (40%). Queste costituiscono poi il 35% dei polisaccaridi del vino e presentano una carica negativa (a differenza delle proteine presenti nel vino che hanno carica positiva). La loro sintesi tende ad aumentare alla fine della fase di crescita. Possono essere liberate dal lievito sia nel corso della fermentazione alcolica (mannoproteine esocellulari), oppure liberate nel corso dei processi di degradazione delle cellule post-mortem.

Nel processo di autolisi delle cellule, il lievito non rilascia solo mannoproteine, ma anche altri componenti come proteine, peptidi, digliceridi, monogliceridi, acidi grassi, oligosaccaridi e nucleotidi che nei processi di trasformazione possono dare dei contributi più o meno importanti per la qualità dei vini. La quantità di polisaccaridi rilasciati dal lievito dipende:

• Dal ceppo;
• Dalle condizioni di fermentazione;
• Dalle condizioni di conservazione e vinificazione;
• Da temperatura, agitazione del mezzo e del tempo di contatto.

La temperatura favorisce anche le reazioni negative.

Polisaccaridi derivanti dalle muffe

Il più importante è il glucano di Botrytis cinerea (beta 1-3) costituito da 5000 unità di glucosio. In più ci sono degli eteropolisaccaridi con mannoso, galattoso e ramnoso. Tendono a rimanere dispersi nel mezzo ed ostacolano i processi di chiarificazione del mosto e di filtrazione provocando intasamento anche molto intenso.

L'influenza dei polisaccaridi non è quasi mai positiva perché sono colloidi, liofili, quindi stabili e tendono a stare dispersi. Però alcune frazioni hanno ruoli positivi come le mannoproteine ed anche alcune frazioni di arabinani. Le mannoproteine possono agire sulla stabilità tartarica e proteica, ostacolano la formazione di insolubilizzazione (cristallizzazione spiegata 11/10) tartarea; inoltre incrementano la morbidezza di vini bianchi e rossi. Attivano la fermentazione malo-lattica, ma soprattutto le mannoproteine tendono a modulare gli effetti olfattivi delle sostanze odorose, perché assorbono sulla loro superficie (legami deboli) molecole odorose, garantendo una maggior resistenza nel tempo, ma come effetto secondario attenuano l'intensità odorosa. Bisogna decidere se si vuole più la persistenza o l'intensità. Bloccano anche una serie di sostanze sgradevoli come l’etandiolo, il metantiolo ecc. che dal punto di vista olfattivo alterano il vino.

Gli acidi nel vino

Essenzialmente sono acidi carbossilici deboli che nell'uva, mosto e vino si trovano parzialmente salificati. Dunque si trovano sotto forma di soluzioni di acidi deboli salificati. L'origine è nell'uva poi aumenta la loro concentrazione a causa dei processi biochimici (fermentazione alcolica, malo-lattica) e dell'uso di additivi autorizzati. Sei acidi costituiscono il 95% di tutti i presenti, questi provengono in parte dall'uva e in parte per vie biochimiche:

• Acido L-tartarico
• Acido L-malico
• Acido citrico

Sono policarbossilici (hanno due gruppi acidi), i primi due sono presenti in concentrazioni abbastanza elevate. Vecchie nomenclature usano L e D, ma bisogna stare attenti perché si prestano a confusioni estreme: occorre seguire le regole dei carboidrati, di errori ce ne sono molti nei libri.

Fare attenzione: Cagnasso vuole che si abbia un’idea ben chiara di come si formino gli acidi e come finiscano nel vino.

Il contenuto di acidi ha un andamento che si incrementa notevolmente fino all'invaiatura (soprattutto malico); il tartarico raggiunge subito il picco per poi scendere gradatamente. Quali fenomeni modificano il contenuto di questi acidi nella bacca? Aspetto che deve essere ben chiaro. Il contenuto può aumentare per immissione di molecole dall'esterno e diminuire per una loro fuoriuscita verso l'esterno. Frequenti sono i fenomeni che ne alterano le caratteristiche. Non ci sono fenomeni che facciano sparire gli acidi. I fenomeni che possono ridurli sono dei processi di degradazione biochimica legati alla respirazione; particolarmente sensibile ad essa è l'acido malico, ma anche l'acido citrico ne risente perché questi due acidi sono degli intermedi del ciclo di Krebs (che fa parte della respirazione).

Dopo l'invaiatura, nell'acino questi acidi possono essere degradati (respirati) e l'acido malico diminuisce perché viene respirato. Quello tartarico è poco sensibile, e la sua riduzione non è significativa. Se non si ragiona per singola bacca la situazione cambia: se calcoliamo le variazioni di concentrazione durante l'invaiatura entrambe le concentrazioni diminuiscono (tartarica e malica) anche se quello malico molto di più, perché anche a livello di concentrazione volumica la concentrazione diminuisce, perché viene degradato, scompare. Ma in realtà c'è un altro fenomeno che giustifica tale calo: l'aumento del volume dell'acino nel corso del tempo della maturazione! Causa una diluizione degli acidi, aumentando il volume di solvente. Molti dicono che il tartarico diminuisca per salificazione e malico per respirazione, non è quasi mai corretta come frase. Quando noi facciamo riferimenti quantitativi di tipo analitico si deve fare attenzione alla questione degli acidi perché si trovano sia liberi che salificati: i dati che vengono forniti sono di norma espressi come "concentrazione analitica" ovvero la somma di due frazioni: frazione "titolabile" (rappresenta effettivamente l'acido libero) e una seconda frazione che è quella salificata. Dal punto di vista della concentrazione analitica la salificazione non influisce sulla concentrazione degli acidi perché anche la parte salificata viene considerata nel calcolo.

Acidi di fermentazione

- Acido acetico

- Acido lattico: vedremo che deriva sia dalla fermentazione alcolica dello stereoisomero D-lattico (contenuto limitato), ma anche dalla fermentazione malolattica durante il quale l'acido L-malico viene trasformato in acido L-lattico, in questi casi può essere rilevante. 1 gr di acido malico forma 0,67 gr di acido lattico.

- Acido succinico: è dicarbossilico, a differenza degli altri non presenta gruppi alcolici (infatti il nome IUPAC è acido butandioico). È un prodotto secondario della fermentazione alcolica e si trova in concentrazioni di 0.5-1,5 gr/L.

- Acido propionico (propanoico)

- Acido piruvico: è la parte terminale della glicolisi, non tende ad accumularsi perciò è di qualche mg ed è combinato col diossido di zolfo.

L'importanza di una sostanza non sta nella concentrazione, ma nel rapporto tra essa e gli effetti che ha sul risultato finale. Suddivisioni in base alla composizione degli acidi:

• Acidi monocarbossilici (butanoico es), si parla di mg/L e sono a catena corta.
• Acidi a media catena (deca, ottanoico)
• Acidi ramificati (isobutirrico)

Questi 3 presentano una certa volatilità e possono avere impatti olfattivi di norma non positivi (rancido, sudore, formaggio). L'effetto è legato al superamento della concentrazione detta "olfattiva". Inoltre possono avere effetti negativi sulla ripresa fermentativa: la fermentazione è inizialmente stoppata dal mosto, poi riprende.

Esistono altri due acidi che non sono presenti (fumarico in tracce minime) e che sono considerati additivi:

• Acido Sorbico: è insaturo ed esoso, 2 doppi legami in 2 e 4, è un additivo alimentare, ha azione fungistatica, ma ha un grosso problema: purtroppo mentre i lieviti sono controllati, non ha effetto sui batteri lattici che anzi lo degradano in una sostanza che ha un impatto olfattivo negativo.
• Acido fumarico: non permesso in UE: agisce come batteriostatico.

Comportamento delle sostanze

Proprietà acide del vino: sia il mosto che il vino possono essere assimilati ad una soluzione acquosa di acidi organici parzialmente salificati. Un altro aspetto importante è la distinzione tra acidi e sali: i sali non sono altro che una faccia diversa della medaglia degli acidi, bisogna avere questa visione di insieme per capire il comportamento del vino. Il contro ione dell'acido è H⁺, del sale è M⁺, ma in soluzione A^- non può essere detto se collegato all'acido o al sale, ci sono e basta. Un acido è una sostanza che può cedere un H⁺ ad un'altra detta base. Un acido è forte se è completamente ionizzato, debole quando è solo parzialmente. Qui analizza la legge di azione di massa. C'è correlazione tra concentrazione di una sostanza e la sua "attività": A=y(gamma)(c/c^°) dove c è la concentrazione e C⁰ è una concentrazione di riferimento di norma 1M. Y è coefficiente di attività che tende a 1 per soluzioni a diluizione infinita perciò vale per soluzioni con concentrazioni basse. Se voglio trasformare un acido in un sale basta aggiungere un idrossido come NaOH ovvero OH^-. La salificazione è una neutralizzazione degli ioni H⁺. Se io passo da avere solo acido ad avere sia acido che sale, la concentrazione idrogenoica diminuisce e di conseguenza il pH diminuisce! L'acido più forte è dunque il più salificato (a parità di pH) perché è più ionizzato.

Proprietà degli acidi: le curve di titolazione descrivono l'effetto tampone dovuto al sistema acido debole-base coniugata. Nel vino c'è un sistema acido-base che è costituito dall'acido indissociato, ionizzato e una frazione salificata. "È importante comprendere cosa sia l'equilibrio chimico!" Il potere tampone: "soluzioni con un acido debole e la sua base coniugata salificata costituiscono uno dei casi possibili di soluzione tampone, cioè quelle soluzioni che hanno potere tampone, che rappresenta la capacità della soluzione di opporsi alla brusca variazione di pH dovuta all'aggiunta di basi o acidi forti." Il potere tampone si indica con B ed è il rapporto tra ΔC (acido), ovvero la concentrazione di acido aggiunto, e la variazione che essa ha comportato nel pH. Questo vale per variazioni infinitesime. A pH molto bassi il sistema tampone deve essere costituito da un acido forte. Stessa cosa, ma inversa per pH molto alti. L'intervallo tra 2 e 6 è quello dove andiamo a trovare la coppia HA e A^- (frazione salificata). Più un acido è debole più il massimo si sposta verso pH elevati, perché a parità di pH l'acido più forte è più salificato. La parte salificata è fondamentale per un sistema TAMPONE. Il massimo del potere tampone si ha per un valore pH uguale al pKa dell'acido. Intervallo tampone dunque pH=pK+-1. Questa cosa va correlata con la formula sulle slides.

Soluzione di acidi deboli

Concentrazione analitica totale (CA) di un acido: ne abbiamo parlato vedendo l'andamento degli acidi nel corso della maturazione, quando si considerava la concentrazione analitica (sia dell'acido libero sia dell'acido salificato) nel corso del tempo. Per un acido monoprotico (HA) la CA è uguale alla somma delle concentrazioni di HA e A^-. È chiaro che se ho 100 molecole di acido HA e nel tempo aggiungo OH^- otterrò 99 di HA e una di A^- ma il numero rimane sempre 100. Questo vale indipendentemente da tutto, se cambia il pH cambia il rapporto tra le due specie. La frazione molare dell'acido (indicato con alfa) è presente per ogni singola specie che avremo in equilibrio. Le formule sono sulle slides, è adimensionale. La somme di tutte le frazioni molari è 1. Noi possiamo studiare come le curve delle frazioni varino nel corso di una titolazione o comunque quando vari il pH. A pH molto bassi prevale la specie HA ovvero alfa0, per pH molto alti invece alfa1 tende ad uno perché è molto più presente A^-. Uno cresce, l'altro scende perché la loro somma deve sempre essere 1. Le due curve si incrociano quando il pH è uguale alla pKa dell'acido.

Salificazione acidi deboli

Essa dipende dalla sua forza, i primi a ionizzarsi sono i più forti. Si dice che nel vino essendoci dei sali, non possono essere acidi forti. In realtà se sono presenti dei sali esistono teoricamente degli acidi forti che si sono salificati.