For the wine microbiology examination with the Professor Patrizia Romano I have written a paper on starter cultures for winemaking that I would like to share with you. I started from the must, what makes it up and its treatment, and analysed the characters of wine yeasts to come to an interesting conclusion. I wine yeasts, better called wine yeasts, are responsible for fermentation, a very complex process that depends on both the chemical composition of the must and the simultaneous intervention of different microorganisms both chemically and biologically. Consequently, the course of this process and its outcome depends on:
- Must composition;
- Enzymatic kit of yeasts;
- Environmental context in which yeasts work.
It follows that fermentation can be spontaneous, i.e. take place with the yeasts present on the grapes or in the winemaking environment, or take place with selected yeasts.
Wine yeasts/1: Fermentation with indigenous yeasts
The concentration of yeasts on the grape skins increases with ripening. At an early stage of ripening on the berries there are yeasts from the soil, bark and leaves that almost always do not contribute to fermentation. At an advanced stage of ripening, there are Hanseniaspora and Metschnikowia yeasts (between 50% and 75% of the total) and other minor strains, but Saccharomyces cerevisiae, the main fermentation agents, are present in very low concentrations (sometimes even absent).
So the non-Saccharomyces yeasts with their large populations in the first phase of fermentation influence both the growth kinetics and metabolism of the Saccharomyces yeasts, then in a second phase of fermentation the environmental conditions become unsuitable (due to the presence of alcohol) and then the Saccharomyces take over due to their higher alcohol power.
From this we can see how the fermentation process, from an ecological point of view, involves the sequential development of certain yeast species - but also of different strains within the same species - which are gradually replaced as conditions change (i.e. the alcohol content increases). This evolution of yeasts continues until optimal conditions are created for the development of Saccharomyces cerevisiae at the end of the process.
Saccharomyces cerevisiae have a fermentative power - i.e. the maximum amount of alcohol the strain can form - of more than 14 %vol.
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Wine yeasts/2: Alcoholic fermentation
2.1 Alcoholic fermentation in white wine-making
Fermentation without maceration is carried out at a temperature of around 18-20 °C to ensure the finest aromas and flavours of white wine, which is by nature more prone to oxidation. Double-walled fermenters with a flowing refrigerant solution ensure that the yeasts slowly transform the sugars.
In order to obtain white wines with more personality and destined for evolution, white vinification may involve rapid pellicular maceration of the juice in contact with the skins to extract pigments and odorous substances. To avoid any damage to the quality of the must, it is cooled to around 8-10 °C. Cryomaceration can be performed by cooling down to 0-2 °C. Cold maceration of the whole berries improves the extraction of substances during subsequent pressing, which intensifies the aromas.
2.2 Alcoholic fermentation in red wine making
By managing the maceration time, one can intervene differently on the extraction, safeguarding the elegance of the final product. In the first few days of contact, mainly anthocyanins are extracted, which give very intense colours with pronounced shades of ruby red, violet or dark blue within a few days. In the following days, part of the pigments are reabsorbed by the skins and the colour weakens a little to the advantage of a better extraction of total polyphenols (influenced by: time of contact of the must with the skins, temperature, pumping over, punching down, presence of sulphur dioxide and enzymes) and therefore a better structure and taste of the wine. The fermentation of some red wines may end in barriques, where the wine being made is enriched with the aromatic components of the wood. Many red wines are produced with a maceration of 10-15 days, for lighter wines to be consumed young it is reduced to 4-5 days, while only a few musts are left to macerate for up to 4 weeks (Langhe, Barolo). The high fermentation temperature is another factor that increases the dissolution of substances in the skins but does not always maintain the quality of the wine. The compromise is reached around 25 °C for wines to be drunk young in which it is important to preserve the fruity aromas, 30 °C for wines to be aged in order not to damage the yeasts and not to alter the organoleptic characteristics of the wine. During fermentation, the marc forms a compact layer on the surface called the cap, which prevents good contact with the liquid part. To remedy this inconvenience and favour extraction, the must is stirred with the fulling or pumping over. At the middle or end of maceration, all the liquid part of the must is removed from the tank, leaving only the solid part inside. Then the liquid is reinserted from above or below and completely breaks the cap formed by the skins. This achieves the twofold objective of oxygenating the must very well and stirring up any substances that may have stratified, thereby aiding the fermentation and extraction processes. As the must continues to ferment, the yeasts transform the sugars into ethyl alcohol and carbon dioxide, form secondary substances, the colour becomes more intense and many components are extracted and pass from the skins to the liquid part. Since the carbon dioxide causes the must to bubble, this step is called tumultuous fermentation.
Wine yeasts/3: Technological characteristics of wine yeasts
They are those commonly assessed in musts and consequently in wines and are the basis for the choice of starter cultures for vinification.
3.1 Fermentation activity
Fermentation activity is the prerequisite for a good fermentation and consequently a quality wine. In practice, it is the ability of the wine yeast to prevail quickly and finish fermentation.
3.2 Production of sulphur compounds
Sulphur dioxide (SO2) and hydrogen sulphide (H2S) result directly from the reduction of sulphates in the must by the action of yeasts.
3.3 Resistance to antimicrobial compounds
- Natural products of yeast metabolic activity: Ethanol limits or stops alcoholic fermentation as it acts directly on yeasts and inhibits glucose transport. Yeasts that are more tolerant to alcohol protect themselves by decreasing saturated fatty acids and increasing unsaturated fatty acids and trehalose (a natural sugar that regulates osmotic pressure and stabilises proteins). Low temperatures (10-20 °C) inhibit the action of ethanol by favouring non-Saccharomyces yeasts, which can even become dominant with a change in wine flavour. As ethanol tolerance is closely linked to the ability of a strain to dominate during fermentation, alcohol resistance must be carefully evaluated for all the yeasts that are selected.
- Chemical additives: The yeasts must maintain fermentation vigour in the presence of the normally added sulphur dioxide. SO2 is used as an antimicrobial agent to control the yeasts present on the grapes as it exerts a selective action on the indigenous species. The 30% strains of Saccharomyces cerevisiae resist SO2 and ferment up to a SO2 concentration of 150 ppm (to stop at 200 ppm).
In particular:
- The copper which is used as a pesticide is residual in the must and, depending on the amount present, can have a selective or toxic action on the yeasts, to the point of blocking fermentation and adversely affecting organoleptic qualities. Some yeasts resist copper well and accumulate it in the cell, removing it from the wine. To make organic wine, the variability of the S. cerevisiae species can be used for the selection of starter cultures.
- Yeasts react differently to fitopharmaceuticals and wilder strains are naturally more resistant, to the extent that in their presence they may prevail over starter crops.
- In the case of prolonged and systemic use of fungicides there are episodes of resistance that have cancelled its efficacy. These no longer have effinhibitory effects on alcoholic fermentation; on the contrary, they stimulate the yeast to such an extent that it produces more alcohol.
3.4 The killer factor
Killer yeasts produce protein or glycoprotein toxins that are lethal to sensitive yeasts. Likewise, killer yeasts are immune to their toxin, but can be sensitive to the toxin emitted by other killer yeasts. There are also non-killer yeast strains that no longer produce the toxin but are immune to it. This activity can be likened to a competitive advantage. Wild killer yeasts can sometimes prevail over starter cultures in wine processesficazione industriale. Durante la fermentazione l’effetto delle tossine killer dipende dal rapporto iniziale tra ceppi killer e ceppi sensibili, l’eventuale presenza di lieviti ad azione protettiva o neutrale, il livello di inoculo e la disponibilità di azoto. I lieviti killer ritardano o bloccano la fermentazione danneggiando le qualità organolettiche del vino a causa dei metaboliti (acido acetico…) che si ottengono.
Lieviti vino/4: Caratteri qualitativi dei lieviti vinari
Sono le numerose attività di trasformazione e/o demolizione dei componenti nel mosto. La loro individuazione permette di scegliere il ceppo di lieviti più idoneo per la fermentazione di quello specifico mosto in virtù del tipo di vino che si vuole ottenere. Il lievito quindi ha un peso enorme sul risultato finale in quanto determina gran parte delle qualità olfattive e gusto- olfattive positive o negative.
4.1 Acido acetico (Acidità volatile)
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Viene prodotto dai lieviti durante la fermentazione e pertanto, in una quantità che oscilla tra 0,3 e 0,6 g/l, è sempre presente nel vino. Una quantità superiore a 0,6 g/l è negativa per le caratteristiche olfattive.
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I lieviti apiculati producono molto acido acetico e possono essere dei contaminanti, ma c’è molta variabilità tra ceppo e ceppo. Ad esempio le specie di Hanseniaspora producono una quantità di acido acetico che oscilla tra 0,5 e 5 g/l per le fermentazioni in purezza.
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S. cerevisiae ha una bassa produzione di acido acetico che oscilla tra 150 e 2000 mg/l e la variabilità dipende anche dal luogo d’origine.
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Torulaspora delbrueckii è la specie che ha la più bassa produzione di acido acetico.
4.2 Glicerolo
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È uno dei più importanti composti secondari prodotti durante la fermentazione alcolica.
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Contribuisce in modo significativo alla viscosità e alla morbidezza del vino con un effetto positivo sulle caratteristiche olfattive e gusto-olfattive definendo il flavour del vino.
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La concentrazione di glicerolo, che oscilla da 1 a 12 g/l, è direttamente proporzionale alla qualità del vino.
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La concentrazione di glicerolo dipende da: composizione del mosto, contenuto iniziale di zuccheri, temperatura di fermentazione, pH, ossigeno, solfitazione, acidità e soprattutto dai lieviti che hanno partecipato alla fermentazione alcolica. In particolare S. cerevisiae, S’codes ludwigii e Z. bailii producono alti livelli di glicerolo.
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La concentrazione di glicerolo è direttamente proporzionale al potere fermentativo: all’aumentare della produzione di etanolo aumenta la produzione di glicerolo.
4.3 Composti aromatici
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I più importanti composti secondari prodotti durante la fermentazione alcolica sono gli alcoli superiori (n-propanolo, isobutanolo, alcoli amilico attivo, alcol isoamilico e 2-feniletanolo…) che derivano per via catabolica dagli aminoacidi corrispondenti nel mosto e dal glucosio senza coinvolgimento degli aminoacidi precursori.
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Gli alcoli superiori sono importantissimi per i profumi del vino e la loro produzione è dovuta ai lieviti, la quantità oscilla tra 100 e 500 mg/l in funzione della composizione del mosto, della quantità iniziale di zucchero, dell’ossigeno e dell’azoto. Piccole quantità di alcoli superiori influiscono positivamente nel vino, mentre quantità elevate influiscono negativamente. Ad esempio l’alcol isoamilico in alte quantità conferisce un odore di bruciato.
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L’unico alcol superiore che è positivo anche in quantità elevate è il 2-feniletanolo (deriva dall’amminoacido fenilanina) che conferisce un delizioso profumo di rosa. La sua concentrazione dipende dalla composizione dei mosti (=vitigno) e dal lievito che ha dominato durante la fermentazione. In particolare i lieviti criotolleranti e i S. bayanus producono la quantità maggiore di 2-feniletanolo in media 240 mg/l.
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L’acetaldeide è il composto carbonilico più importante (rappresenta il 90% delle aldeidi), precursore dell’acetato, acetoino e dell’etanolo. Il contenuto di acetaldeide varia in funzione della specie di lievito da 10 a 300 mg/l e da questa quantità dipende il grado di ossidazione del vino. Un basso livello di acetaldeide conferisce un piacevole aroma di frutta. Un alto livello di acetaldeide, sopra i 100 mg/l, conferisce al vino un odore pungente ed irritante. Sopra i 500 mg/l il vino non è più commerciabile.
- Gli esteri derivano da condensazione di acido acetico e acido lattico con etanolo e altri alcoli del vino. In particolare l’acetato di etile dà uno sgradevole sentore di aceto. Quantità che oscilla tra 50 e 80 mg/l: conferiscono al vino caratteristiche organolettiche positive. Quantità che oscilla tra 150 e 180 mg/l: conferiscono al vino caratteristiche organolettiche negative.
- L'acetoino è un composto organico prodotto naturalmente dai lieviti del genere Saccharomyces durante la fermentazione alcolica ed è presente nel vino in una quantità che oscilla da 2 a 32 mg/l. Influenza i profumi del vino. non-Saccharomyces: fanno tanto acetoino (da 80 a 250 mg/l); Saccharomyces: fanno poco acetoino (da 25 a 100 mg/l).
I lieviti producono quantità diverse di acetato di etile in funzione della specie e del ceppo.
- non-Saccharomyces: producono tanto acetato di etile (da 30-120 a 300 mg/l per il S’codes ludwigii);
- Saccharomyces: I S. cerevisiae producono poco acetato di etile (da 1 a 70-100 mg/l) mentre per gli altri lieviti Saccharomyces c’è tanta varietà di ceppo.
Come influenza il vino la specie/ceppo di lievito vinario?
I prodotti ottenuti con la fermentazione sono fondamentalmente gli stessi a prescindere dalla specie/ceppo di lievito, a cambiare tanto sono invece le quantità di prodotto all’interno del vino.
- Composti che VARIANO POCO all’interno della specie: possono essere considerati come caratteristici/distintivi di quella specie.
- Composti che VARIANO TANTO all’interno della specie: possono essere considerati come caratteristici/distintivi di un certo ceppo, ma non della specie a cui il ceppo appartiene.
Come interagiscono i lieviti con i vitigni?
Dato che la qualità del vino dipende anche dal pattern di lieviti che hanno condotto la fermentazione alcolica, è fondamentale utilizzare lieviti selezionati scelti sulla base delle esigenze del mosto e del vino che si vuole ottenere e per avere caratteristiche gusto-olfattive migliori.
Tuttavia utilizzare gli stessi starter per produrre vini diversi in aree geografiche diverse, pur essendo corretto, non è la scelta migliore in quanto c’è un potenziale rischio di appiattimento sensoriale dei vini prodotti. Per questo si tende a selezionare il ceppo di S. cerevisiae in funzione del vitigno, dell’ambiente pedoclimatico e delle tecniche colturali e di vinificazione.
Quasi paradossalmente i mosti che provengono da vitigni blasonati non esprimono il loro potenziale qualitativo senza l’abbinamento a uno starter specifico. Per lievito selezionato specifico si intende un lievito capace – attraverso la sua attività metabolica – di valorizzare gli aromi e le tipicità del vitigno. All’interno della specie S. cerevisiae esistono numerosi ceppi che pur avendo gli stessi geni che codificano i caratteri, sono in grado di dare allo stesso mosto di partenza caratteristiche qualitative e sensoriali anche molto diverse. Per questo la scelta del lievito non deve essere fatta solo in funzione dell’avere la garanzia del completo e regolare svolgimento della fermentazione alcolica, ma anche con l’obiettivo di esaltare le caratteristiche del vitigno ed evitare il temuto appiattimento gustativo. La produzione dei composti secondari diviene quindi il carattere di selezione per individuare lo starter capace di valorizzare il vitigno e il suo terroir.
Lieviti vino/5: Caratteri salutistici
Spesso si dimentica che il vino è prima di tutto un alimento e come tale va trattato, a prescindere dal fatto che i principi nutritivi sono presenti solo come traccia piuttosto che come quantitativo apprezzabile. Nel vino possono esserci delle sostanze positive (es. polifenoli) per la salute umana, oppure negative come le ammine biogene. I lieviti devono essere selezionati anche in virtù delle loro capacità di produrre le sostanze positive e ridurre la presenza delle eventuali sostanze negative prodotte.
L’obiettivo di utilizzare la selezione di lieviti vinari indigeni specifici per il vitigno è duplice: da un lato evitare l’appiattimento del gusto, dall’altro valorizzare le caratteristiche olfattive e gusto-olfattive del vitigno e del terroir in modo da produrre un vino di qualità maggiore.
Cheers 🍷
Chiara
Bibliografia
• P. Romano, Proprietà tecnologiche e di qualità delle specie dei lieviti vinari, In: M. Vincenzini, P. Romano, G.A. Farris, Microbiologia del vino, Casa Editrice Ambrosiana, 2005
• Angela Capece, Rocchina Pietrafesa, Gabriella Siesto, Rossana Romaniello, Patrizia Romano, La forza del lievito indigeno selezionato per affrontare le nuove sfide del mercato, OICCE TIMES Numero 83, Anno XXI, Estate 2020
• C. Bassi, Sommelier: the illustrated manual, De La Paix Edizioni, Roma, 2021
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