Microbiologia enologica

Proprietà tecnologiche e di qualità delle specie dei lieviti vinari

Introduzione

La trasformazione del mosto in vino è un processo polimicrobico in cui le diverse specie di lieviti sviluppano contemporaneamente o si susseguono durante la fermentazione, contribuendo a vario livello alla produzione di vino. Le fasi iniziali della fermentazione sono dominate dallo sviluppo di lieviti non-Saccharomyces caratterizzati da una bassa attività fermentativa (es. Hanseniaspora, Candida, Metschinkowia). L'aumento del contenuto di alcol limita ai primi giorni di fermentazione la crescita di questi lieviti che a concentrazioni di etanolo intorno a 5/6% subiscono un rapido declino fino alla completa inibizione cellulare. È per questo motivo che S. cerevisiae e specie affini diventano i lieviti dominanti e completano il processo di fermentazione. Va rilevato che i lieviti vinari delle diverse specie, sono dotati delle stesse caratteristiche, ma ciò che li differenzia è il livello di espressione dello stesso parametro.

Caratteri convenzionali

I caratteri convenzionali si riferiscono a parametri comunemente valutati nei mosti e nei vini e sono utilizzati come base per la selezione di colture starter per la vinificazione. Si tratta di alcune attività necessarie per ottenere il massimo rendimento da parte del lievito nella guida della fermentazione.

Attività fermentativa

Requisito essenziale per assicurare un buon andamento del processo fermentativo e l'ottenimento di un vino di buona qualità, è la capacità del lievito vinario di dominare rapidamente e portare a compimento il processo fermentativo, lasciando un desiderabile residuo zuccherino in funzione del vino da produrre. L'attività fermentativa è definita da tre parametri fondamentali: l'andamento fermentativo, il vigore fermentativo e il potere fermentativo.

• Andamento fermentativo

  L'andamento fermentativo rappresenta la curva di fermentazione in termini di consumo di zuccheri, di rendimento in alcol e di velocità di processo. Numerosi fattori come le caratteristiche chimico-fisiche influenzano l'andamento fermentativo, ma il parametro principale che determina lo svolgimento del processo di vinificazione è la specie del lievito. Ogni lievito esibisce una curva di fermentazione tipica di specie.

• Vigore fermentativo

  Il vigore fermentativo esprime la capacità di dare origine a pronte e rapide fermentazioni (anche in presenza di antisettici) a temperature comprese tra 20 e 30°C. Il carattere è stabile ed è legato a molteplici attività biochimiche del lievito. Grazie a questa caratteristica, unita all'elevata resistenza alla SO₂, S. cerevisiae, dopo i primi due giorni di fermentazione, diventa generalmente dominante e porta a termine il processo.

• Potere fermentativo (o alcoligeno)

  Il potere fermentativo è definito il massimo grado alcolico prodotto da un lievito per fermentazione di un mosto contenente zucchero in eccesso. Il prodotto principale del processo è l'etanolo (10/15%, dopo l'acqua è il componente più abbondante nel vino). Il suo tenore è in relazione con il grado zuccherino del mosto di provenienza e con il potere fermentativo dei lieviti. Il contenuto di etanolo determina la viscosità (corpo) di un vino e agisce come “fissatore” dell'aroma. Dal punto di vista organolettico, l'odore dell'alcol etilico costituisce il supporto delle sostanze odorose e contribuisce ad esaltare l'aroma e il bouquet, mentre il suo sapore caratteristico tendenzialmente dolce, attenua il gusto acido del vino. Dal punto di vista tecnologico l'etanolo contribuisce a preservare il vino da alterazioni microbiologiche per la sua azione antisettica e sterilizzante. Infatti svolge anche un'azione naturale antimicrobica (in vini non aggiunti di additivi). La produzione di etanolo da parte delle diverse specie vinarie è molto variabile ed è legata alla loro tolleranza nei confronti di questo composto (oltre ad altri fattori quali presenza di alcuni zuccheri o altri microelementi o la sintesi di alcuni enzimi). I lieviti più alcoligeni sono quelli sporigeni e tra questi, S. cerevisiae in particolare, che esibisce un potere fermentativo superiore ai 14°. Nell'ambito di ogni specie è comunque riscontrabile un'ampia variabilità in funzione del ceppo (es. in S. cerevisiae i livelli di etanolo sono tra 8-23°). La variabilità del ceppo nell'ambito di ogni specie è funzione anche della zona di origine dello stesso.

Produzione di composti solforati

I composti solforati volatili sono classificati in due gruppi in funzione del punto di ebollizione: composti molto volatili (p.e. < 90°C) e composti poco volatili (p.e. >90°C). Tra i primi ricordiamo l'H₂S e tra i secondi citiamo il 2-mercaptoetanolo, il 2-metiltioetanolo e il 4-metiltiobutanolo. Tutti questi componenti ad alte concentrazioni favoriscono sgradevoli odori.

I principali composti solforati del vino sono rappresentati soprattutto da solfito e idrogenosolforato che derivano direttamente dalla riduzione dei solfati presenti nel mosto per azione dei lieviti. I solfati presenti nel mosto vengono innanzitutto assorbiti dalle cellule del lievito per mezzo di una permeasi specifica, quindi all'interno sono ridotti dapprima in solfiti, poi (tramite l'enzima solfito riduttasi) a idrogeno solforato.

Anidride solforosa

Durante la fermentazione alcolica, i lieviti producono solfito per riduzione dei solfati e la capacità di produrre anidride solforosa è parte integrale del loro metabolismo. L'anidride solforosa è un intermedio del processo di riduzione dei solfati e può essere secreta da parte della cellula del lievito, che ne aumenta la concentrazione nel vino. Questa parte di SO₂ (biologica) non differisce sostanzialmente da quella aggiunta (tecnologica). Le quantità di solfito prodotte variano soprattutto in funzione della specie e del genere del lievito. Il lievito principale della fermentazione (S. cerevisiae) ha un intervallo di produzione molto alto (da pochi mg fino a 100 mg/L). Per questo motivo nella maggior parte dei casi, l'elevata produzione di anidride solforosa è accompagnata dalla non produzione di idrogeno solforato. La maggior parte dei ceppi di S. cerevisiae (80%) ne produce una quantità compresa tra 10 e 30 mg/L.

Idrogeno solforato

L'idrogeno solforato rappresenta il prodotto finale della riduzione assimilatoria del solfati e il prodotto iniziale della seconda fase di biosintesi degli amminoacidi solforati. I lieviti utilizzano una sola parte di idrogeno solforato, cosicché la parte eccedente è secreta nel vino. Di conseguenza, durante la fermentazione alcolica, i lieviti producono quantità più o meno elevate di questo composto. Il valore soglia di accettabilità varia a seconda del vino, in funzione della varietà dell'uva, da 50 a 80 μg/L, mentre quantità superiori causano un odore sgradevole.

Acidità volatile

L'acido acetico è sempre presente, seppure in maniera differente, nei diversi vini perché prodotto dai lieviti durante la fermentazione. Generalmente il contenuto di acido acetico nei vini è compreso tra 0,3 e 0,6 g/L e concentrazioni superiori (date da vinificazioni non curate o prodotte con lieviti inadatti) conferiscono al vino caratteristiche sensoriali negative. L'entità di produzione di questo composto varia in funzione della specie di lievito e nell'ambito della stessa specie, in funzione del ceppo. Numerosi sono i Saccharomyces vinari che in specifici mosti producono quantità elevate o non accettabili di acido acetico. Per questo rimane importante dal punto di vista tecnologico, valutare la capacità di ceppo di produrre tale composto in funzione del mosto da trasformare.

Produzione di glicerolo

Il glicerolo è uno dei più importanti composti secondari prodotti durante la fermentazione alcolica che, contribuendo alla viscosità e alla “morbidezza” del vino, gioca un ruolo importante nella definizione del flavour e del bouquet del vino stesso. Il contenuto di glicerolo nel vino è variabile e oscilla in un intervallo tra 1-12 g/L (in genere concentrazioni elevate di glicerolo ne aumentano la qualità). La maggiore variabilità di produzione di glicerolo è determinata dalla specie di lievito. Le capacità di produrre alte/basse quantità di glicerolo, oltre che ad essere un carattere di specie, è anche un carattere di ceppo che permette quindi di identificare fenotipi diversi in funzione del livello prodotto.

Tolleranza all'etanolo

L'effetto inibitorio esercitato sullo sviluppo cellulare dall'etanolo nel corso della fermentazione, rappresenta il principale fattore che causa il rallentamento o l'arresto della fermentazione alcolica. L'etanolo influenza la velocità di sviluppo dei lieviti, la loro vitalità e la capacità fermentativa. Inoltre, lo stress da etanolo modifica l'integrità strutturale e la permeabilità della membrana plasmatica, inibendo il trasporto degli esosi, dell'ammonio e degli aminoacidi. I lieviti molto tolleranti sono dotati di meccanismi difensivi, quali modificazioni della fluidità della membrana plasmatica o sintesi di enzimi detossificanti, che conferiscono al ceppo un'aumentata tolleranza all'alcol.

Tolleranza agli additivi tecnologici

Vi sono altri composti antimicrobici che influenzano la prestazione fermentativa dei lieviti. Tra questi i più significativi sono additivi chimici (anidride solforosa e composti fitosanitari come rame e pesticidi). I ceppi di S. cerevisiae variano notevolmente nella capacità di resistere a questi composti.

Resistenza all'anidride solforosa

L'SO₂ è impiegata in enologia per la sua azione antiossidante, come agente antimicrobico nei confronti di batteri acetici e lattici indesiderati e per il controllo dei lieviti presenti sulle uve. Esercita infatti un'azione fortemente inibitoria nei confronti di lieviti indesiderati e di batteri e la sua aggiunta nel mosto appena pigiato determina la promozione delle specie vinarie di Saccharomyces e la riduzione selettiva di quelle non-Saccharomyces. La SO₂ può esercitare diversi effetti sulla cinetica di crescita dei lieviti durante la fermentazione. Questi effetti dipendono dallo stato di dissociazione della SO₂. In funzione della composizione del mosto, è generalmente necessario aggiungere 100-200 mg/L di SO₂ totale per produrre 0,5/1 mg/L di SO₂ molecolare (agente antiossidante e antimicrobico). I lieviti vinari variano per la resistenza a questo composto e l'aggiunta di 50 mg/L o più di SO₂ diminuisce la popolazione lievitiforme di circa 10 volte e provoca l'aumento della fase lag, ritardando l'inizio della fermentazione. I lieviti vinari delle prime fasi (non-Saccharomyces) sono molto più sensibili (50-100 mg/L) del lievito S. cerevisiae (fino a 200 mg/L di SO₂ libera e 1-2 mg/L molecolare). Benchè la specie S. cerevisiae sia in grado di tollerare elevate concentrazioni di anidride solforosa, un'aggiunta di dosi eccessive di questa sostanza può provocare rallentamenti o arresti di fermentazione. L'inoculo massiccio della coltura starter di S. cerevisiae, inibisce lo sviluppo di specie non-Saccharomyces, per cui in presenza di starter le dosi di anidride solforosa aggiunte ai mosti per inibire le specie non-Saccharomyces, potrebbero essere sensibilmente ridotte, con risvolti positivi sulla salute del consumatore.

Resistenza al rame

L'utilizzo di composti fitosanitari come i pesticidi e gli antifungini contenenti metalli pesanti, quale il rame, ha causato la presenza dello stesso nel mosto. Questo fenomeno si è accentuato soprattutto nei casi delle coltivazioni biologiche ed integrate, nelle quali, per ridurre od eliminare l'impiego di fitofarmaci si è assistito ad una rivalutazione dei formulati di base di rame per la difesa antiparassitaria della vite. La presenza di residui di rame sulle uve e quindi nei mosti può causare rallentamenti o arresti della fermentazione (oltre ad influenzare negativamente le qualità organolettiche del vino). Il rame in piccolissime dosi, svolge un ruolo chiave nelle funzioni biochimiche e metaboliche degli organismi. In concentrazioni elevate invece può causare effetti tossici, inibendo lo sviluppo cellulare e l'attività fermentativa, oppure portare all'acquisizione della resistenza al metallo. All'interno della cellula, gli ioni rame possono inattivare i sistemi enzimatici causando la morte cellulare. I lieviti hanno sviluppato meccanismi di difesa nei confronti della tossicità degli ioni rame. Uno di questi è la sintesi di proteine in grado di chelarli. Queste proteine, in genere sono sintetizzate dalle cellule di lievito, quando esposte a livelli potenzialmente tossici di rame. La specie S. cerevisiae esibisce una significativa variabilità di comportamento nell'espressione del carattere “resistenza al rame” e la sua acquisizione sembra sia una conseguenza dell'adattamento all'ambiente. Il rame influenza anche l'andamento fermentativo (strettamente correlato alla capacità di assimilare il Cu) dei ceppi di S. cerevisiae sensibili a questo composto. I ceppi sensibili non riducono la concentrazione del rame nel vino, che rimane invariata, mentre i ceppi resistenti lo riducono, accumulando il rame all'interno della cellula. La variabilità nell'ambito della specie S. cerevisiae può essere utilizzata come carattere di selezione per le colture starter, in particolare per le produzioni biologiche.

Resistenza ai pesticidi

Sulla vite sono utilizzati numerosi funghicidi, ma l'uso prolungato e ripetuto di questi ha determinato l'insorgere di fenomeni di resistenza che ne hanno ridotto o annullato l'efficacia. Ceppi selvaggi di non-Saccharomyces o di Saccharomyces naturalmente più resistenti, in caso di trattamenti della vite con questi composti, potrebbero prendere il sopravvento sulle colture starter, se non adeguatamente selezionate anche per questo carattere.

Carattere “killer”

Alcuni lieviti producono tossine proteiche o glicoproteiche letali nei confronti di lieviti sensibili di specie e generi diversi. I lieviti killer sono immuni alla loro tossina, ma possono essere sensibili alle proteine killer secrete da altri lieviti. Studi ecologici hanno dimostrato che l'attività killer potrebbe rappresentare un meccanismo di vantaggio competitivo: un lievito, producendo una sostanza tossica per un altro lievito, lo esclude dal suo habitat. In determinate condizioni che favoriscono la contaminazione del mosto da parte di lieviti selvaggi killer, la loro azione e il loro sviluppo ritardano l'avvio della fermentazione, causando rallentamenti o arresti, con il rischio di ottenere vini con contenuto elevato di metaboliti (quali acetaldeide e acido acetico) che influenzano negativamente le loro caratteristiche qualitative. In S. cerevisiae sono state trovate diverse tossine killer: K1, K2, K3 e K28. La K2 in particolare, è attiva nelle condizioni di vinificazione nei confronti di ceppi dello stesso genere. La presenza di questo carattere può aumentare la competitività del lievito, favorendo i ceppi killer rispetto a quelli sensibili.

Caratteri non convenzionali

I caratteri non convenzionali dei lieviti comprendono attività di demolizione e/o trasformazione di componenti presenti nel mosto. La loro determinazione permette una valutazione approfondita della prestazione della specie/ceppo di lievito e anche la scelta del ceppo più idoneo alla fermentazione di quello specifico mosto.

Composti secondari prodotti dai lieviti correlati alla qualità organolettica del vino

I lieviti svolgono complesse attività metaboliche determinando la trasformazione del mosto in un prodotto finale differente in funzione della componente “lievito” che ha dominato il processo. Così, accanto all'etanolo, troviamo nel vino numerosi composti che ne determinano la qualità organolettica finale. La capacità del lievito di trasformare o di influenzare il contenuto di diversi composti, è definita come carattere di qualità organolettica.

Alcoli superiori

Durante la fermentazione, i lieviti producono composti secondari in piccole quantità, di cui i più importanti sono gli alcoli superiori (n-propanolo, isobutanolo, alcol amilico attivo, alcol isoamilico e 2-feniletanolo). Questi composti derivano per via catabolica dagli aminoacidi corrispondenti (treonina, valina, isoleucina, leucina, fenilalanina) presenti nel mosto, ma anche dal metabolismo del glucosio. Gli alcoli superiori conferiscono l'aroma al vino e la loro produzione è dovuta all'azione dei lieviti. Piccole quantità di alcoli superiori contribuiscono positivamente alla qualità del vino, mentre quantità elevate conferiscono al prodotto qualità negative. Fa eccezione il 2-feniletanolo che anche in concentrazioni elevate contribuisce positivamente all'aroma del vino. Il contenuto di alcoli superiori varia da 100 a 500 mg/L e la quantità prodotta dipende da diversi fattori. La capacità di produrre alcoli superiori è una caratteristica generale di tutti i lieviti e le quantità variano in funzione del genere e della specie. Il 2-feniletanolo (dall'aminoacido fenilalanina) è presente in quantità differenti secondo il tipo di vino e dell'area in cui è prodotto, e la sua concentrazione è legata alla composizione dei mosti e all'attività del lievito che ha dominato durante la fermentazione alcolica. In particolare sono i lieviti criotolleranti quelli che producono quantità maggiori di feniletanolo (tra i Saccharomyces).