Artículo

Microbiología

Gianpaolo Benevento

La acumulación de alcohol puede ser un factor de estrés importante durante la fermentación. Aunque Saccharomyces cerevisiae tiene una tolerancia alta al etanol, concentraciones de alcohol relativamente altas inhiben el crecimiento celular y la viabilidad, dificultando el final de la fermentación. En este artículo promocionado por Ravago Chemicals, se explica el papel de la nutrición orgánica en la fermentación de vinos con un elevado contenido alcohólico.

Todavía no se tiene una comprensión integral de cuál sería el pleno impacto potencial del cambio climático en el sector del vino, no obstante, ya se han llevado a cabo estudios para investigar qué medidas pueden adoptar los enólogos para mitigar parte de dichos posibles impactos e identificar el papel que pueden jugar las tecnologías de ingredientes nuevas y actuales.
En la viticultura, el impacto del calentamiento global requiere que se reconsideren los modelos de producción de vino actuales. Teniendo en cuenta la gran influencia del tiempo y los factores climáticos en las cosechas de vides, así como en la calidad y las características de las bayas, el impacto del cambio climático [registrado]puede ser realmente significativo. Las tendencias pasadas recientes apuntan a un alargamiento marcado de la temporada de cultivo debido a cambios en la temperatura media, además de cambios en los niveles y la frecuencia de las precipitaciones. Estos factores han afectado a la tipicidad del vino en algunas de las zonas vitícolas más renombradas del mundo. Más aún, son varios los escenarios de cambio climático que predicen condiciones de estrés potenciado para el cultivo de las vides hasta finales de siglo. Aunque la tecnología puede ser de ayuda, está muy claro que el importante cambio climático esperado para las décadas venideras urge a los enólogos a tomar medidas de adaptación y mitigación.
En escenarios de cambio climático futuros, el aumento de las temperaturas podría variar el período de maduración de la uva y la consiguiente fecha de recogida de la cosecha, además de poder afectar a la calidad y cosecha de la uva. El clima más cálido genera una mayor concentración de azúcar en la uva y el mosto, por tanto, produce vinos con un nivel de etanol más alto. El aumento del contenido de alcohol en el vino se ha señalado en todo el mundo, por ejemplo, en Italia (Abruzzo (i) y Puglia (ii)), Francia (Côtes du Rhone (iii) y Alsacia (iv)), California (v) (Valle de Napa (vi)) y Australia (vii).
La acumulación de alcohol puede ser un factor de estrés importante durante la fermentación. Aunque Saccharomyces cerevisiae tiene una tolerancia alta al etanol, concentraciones de alcohol relativamente altas inhiben el crecimiento celular y la viabilidad, dificultando el final de la fermentación. Esto presenta un auténtico reto para los enólogos, que buscan producir vinos secos a pesar de los altos niveles de azúcar iniciales.
Aunque en las últimas décadas se han realizado esfuerzos significativos en torno al estudio de la reacción al estrés provocado por el etanol, todavía no se conocen bien los mecanismos de tolerancia al etanol.
Se sabe que el metabolismo de la levadura de Saccharomyces cerevisiae sin oxígeno necesita varias adaptaciones. También ha quedado claro que en condiciones anaeróbicas, la levadura no es capaz de sintetizar esteroles ni ácidos grasos insaturados, y que para el crecimiento anaeróbico, estos han de añadirse al medio. Más recientemente se ha descubierto que existen muchos otros factores que juegan un papel. Hay varias reacciones biosintéticas que también requieren oxígeno molecular, y la levadura debe contar con alternativas correspondientes. Asimismo, la composición de la pared y de la membrana celular muestra diferencias importantes cuando se comparan células aeróbicas y anaeróbicas.
La habilidad de fermentar en condiciones de altos niveles de alcohol varía entre cepas de levadura. Esta variabilidad se manifiesta en forma de diferencias en la capacidad de mantener la tasa de fermentación durante la fase estacionaria. De hecho, la mayor parte de la fermentación del alcohol ocurre durante la fase estacionaria, y la habilidad de fermentar enérgicamente durante esta fase tiene consecuencias importantes en el tiempo total de fermentación.
La habilidad de la membrana de la célula de levadura de mantener su fluidez en un ambiente alto en etanol se ha correlacionado con la tolerancia al etanol.
Saccharomyces cerevisiae no necesita oxígeno para obtener energía a la hora de fermentar el mosto. Sin embargo, hay algunas rutas biosintéticas esenciales que emplean oxígeno como sustrato, como es el caso de la biosíntesis de esteroles y ácidos grasos insaturados. Durante la fase de cultivo, cuando la multiplicación celular está activa, la levadura necesita crear nuevas membranas de plasma continuamente. Por eso, las levaduras deben sintetizar grandes cantidades de esteroles, ácidos grasos y fosfolípidos durante las primeras etapas de la fermentación alcohólica.
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Figura 1: bicapa lipídica de membranas eucarióticas y sus componentes: fosfolípidos, esteroles, proteínas de la membrana y glicolípidos.
Ciertamente, cuando la concentración de etanol aumenta progresivamente, las levaduras necesitan adaptar sus membranas plasmáticas a este ambiente nuevo y agresivo (viii). Al parecer, la presencia de etanol en el medio altera drásticamente la fluidez de la membrana (ix) y, cuando existe una falta de esteroles y ácidos grasos insaturados, el efecto es una rotura de la célula de la levadura y/o una impregnación difícil, provocando fermentaciones lentas.
El mecanismo de las alteraciones en las propiedades de la membrana es crucial en el mecanismo de la toxicidad del etanol. Los cambios físicos que experimenta la estructura de la membrana provocados por la presencia de alcohol en el medio no se han descrito en su totalidad. Se admite que el etanol se intercala en las cabezas lipídicas de la membrana, con el grupo OH del etanol asociado con el grupo de fosfato de las cabezas lipídicas a la vez que las colas hidrofóbicas se alinean con el centro hidrofóbico de la membrana. Cuando esta interacción tiene lugar, las moléculas de etanol reemplazan a las moléculas de agua interfacial, generando espacios laterales entre las cabezas opuestas y, por consiguiente, espacios en el centro hidrofóbico. Estos huecos generan energía desfavorable, por eso, el sistema trata de minimizarla creando una fase interdigitada. Esta modificación de la membrana causa una disminución de su grosor de al menos un 23 % y, como consecuencia de este debilitamiento, pueden darse alteraciones en la estructura y la función de la proteína de la membrana, provocando una inactivación celular durante el proceso de fermentación (x).
Por último, los fitoesteroles y las adiciones de células de levadura inactiva en el medio de fermentación pueden aumentar la disponibilidad de esteroles y disminuir la demanda celular de lípidos, lo cual implica un descenso de la producción de ácido acético (xi), (xii).
Los suplementos con esteroles también pueden aumentar la producción de compuestos de aromas volátiles, como un mayor nivel de alcohol. En efecto, se ha observado una correlación positiva entre una mayor producción de alcohol y contenido de esteroles para ergosterol, además de para fitoesteroles (xiii).
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Tabla 1: esteroles (ergosterol y fitoesteroles) y su impacto en la biosíntesis de ésteres. (+) indica un aumento y (−) indica un descenso en la concentración de ésteres.
La importancia de la nutrición orgánica también es fundamental por otros motivos. Los suplementos de nitrógeno sin un equilibrio correcto con los lípidos (ácidos grasos insaturados y ergosterol) podrían provocar la muerte de las células de la levadura durante la fermentación (xix). Se ha demostrado que las fuentes de nitrógeno pueden tener un efecto negativo potencial debido a sus efectos de señalización; esto debe tenerse en cuenta. Es necesario tener un conocimiento profundo de los efectos específicos de cada fuente de nitrógeno bajo dichas circunstancias a fin de mejorar la previsión de los riesgos asociados con el exceso de nitrógeno en fermentaciones con lípidos restringidos.
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Figura 2: (A) (curvas verdes): inanición de ácidos grasos insaturados (18 mg/l); (B) (curvas azul oscuro): inanición de ergosterol (1,5 mg/l); (C) (curvas azul claro): inanición de ácido pantoténico (0,02 mg/l); y (D) (curvas amarillas): inanición de ácido nicotínico (0,08 mg/l). Los círculos abiertos indican N-: nitrógeno bajo (71 mg/l NFA); los rombos completos indican N+: nitrógeno alto (425 mg/l NFA). Las fermentaciones se realizaron en duplicado; las barras de error corresponden a una desviación estándar (xx).
Por tanto, una nutrición correcta con nitrógeno orgánico asociado de una manera natural con lípidos como levadura inactivada o autolisado de levadura es especialmente importante durante la fermentación en condiciones de estrés, por ejemplo, en mosto con una alta concentración de azúcar.
Las ayudas para la nutrición de Pinnacle suministran todos los factores de crecimiento necesarios de forma natural para lograr una fermentación adecuada en condiciones difíciles:
• Pinnacle FermiSafe proporciona elementos de apoyo físico para la levadura inoculada para dispersarse mejor en el medio y, así, acortar la fase de latencia de la fermentación. La levadura inactivada ofrece factores de supervivencia (esteroles) y libera gradualmente aminoácidos durante la fermentación. La celulosa también crea zonas de nucleación que evitan el efecto de toxicidad provocado por la acumulación de CO2 en el fondo de los recipientes de fermentación.
• Pinnacle FermiFresh es un nutriente orgánico (amonio sin sal) para vinos blancos y rosados. Con su liberación gradual de aminoácidos, ácidos grasos insaturados, esteroles y, en particular, antioxidantes, proporciona otros factores de crecimiento que permiten una fermentación completa y segura.
• Pinnacle FermiTop es una fuente muy rica de aminoácidos libres, vitaminas, minerales, ácidos grasos insaturados y esteroles que están inmediatamente disponibles para la levadura y mejoran la multiplicación celular, la viabilidad y la vitalidad de las células. Proporciona aminoácidos para la síntesis del transporte de proteínas y enzimas. Liberación gradual de factores de crecimiento que permite una fermentación completa y segura. La gran disponibilidad de aminoácidos garantiza una reserva enzimática completa y rica para las células de la levadura que aumenta la síntesis del aroma.
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Figura 3: fermentación en el mosto de Chardonnay a 20 °C, 14,6 % de EtOH potencial y 150 ppm de nitrógeno fácilmente asimilable (NFA) inicial. La adición se hizo 48 horas después del inicio de la fermentación. Ensayos internos.
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Referencias bibliográficas
i Di Lena, B.; Silvestroni, O.; Mariani, L.; Parisi, S.; Antenucci, F. European climate variability effects on grapevine harvest date time series in the Abruzzi (Italy). Acta Hortic. 2012, 931, 63–69.
ii Scaglione, G.; Graziani, G.; Federico, R.; Di Vaio, C.; Nadal, M.; Formato, A.; Di Lorenzo, R.; Ritieni, A. Effect of canopy managment techniques on the nutritional quality of the Montepulciano grapewine in Puglia (southern Italy). OENO One 2012, 46, 253–261.
iii Ganichot, B. Evolution de la date des vendanges dans les Côtes du Rhône méridionales. En Actes des 6e Rencontres Rhodaniennes; Institut Rhodanien: Orange, Francia, 2002; pp. 38–41.
iv Duchêne, E.; Schneider, C. Grapevine and climatic changes: A glance at the situation in Alsace. Agron. Sustain. Dev. 2005, 25, 93–99.
v Dokoozlian, N. Integrated canopy management: A twenty year evolution in California. En Recent Advances in Grapevine Canopy Management; Universidad de California: Davis, CA, USA, 16 de julio de 2009; pp. 43–52.
vi Vierra, G. Pretenders at the table—Are table wines no longer food friendly? Wine Business Monthly 2004, 11, 17–21.
vii Godden, P.; Gishen, M. The trends in the composition of Australian wine from vintages 1984 to 2004. Austral. New Zealand Wine Ind. J. 2005, 20, 21.
viii Weber, F.J. y Bont, J.A.M. (1996) Adaptation mechanisms of microrganisms to the toxic effects of organic solvents on membranes. Biochim. Biophys. Acta, 1286, 225–245.
ix Jones, R.P. y Greenfield, P.F. (1987) Ethanol and the fluidity of the yeast plasma membrane. Yeast, 3, 223–232.
x Lairón-Peris, M.; Routledge, S.J.; Linney, J.A.; Alonso-del-Real, J.; Spickett, C.M.; Pitt, A.R.; Guillamon, J.M.; Barrio, E.; Goddard, A.D. Querol A Analysis of lipid composition reveals mechanisms of ethanol tolerance in the model yeast 2 Saccharomyces cerevisiae.
xi Belviso, S.; Bardi, L.; Bartolini, A.B.; Marzona, M. Lipid nutrition of Saccharomyces cerevisiae in winemaking. Can. J. Microbiol. 2004, 50, 669–674.
xii Deroite, A.; Legras, J.L.; Ortiz-Julien, A.; Dequin, S. Reduction of acetic acid production during wine fermentation by Saccharomyces cerevisiae × Saccharomyces kudriavzevii hybrids using adaptive evolution under lipids limitation. En Proceedings of the ISSY 34, Bariloche, Argentina, 1–4 de octubre de 2018.
xiii Rollero, S.; Bloem, A.; Camarasa, C.; Sánchez, I.; Ortiz-Julien, A.; Sablayrolles, J.M.; Dequin, S.; Mouret, J.R. Combined effects of nutrients and temperature on the production of fermentative aromas by Saccharomyces cerevisiae during wine fermentation. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2015, 99, 2291–2304.
xiv Fairbairn, S.; Ferreira, A.C.S.; Bauer, F.F. Modulation of Yeast-Derived Volatile Aromas by Oleic Acid and Sterols. S. Afr. J. Enol. Vitic. 2019, 40, 1–11.
xv Varela, C.; Torrea, D.; Schmidt, S.A.; Ancin-Azpilicueta, C.; Henschke, P.A. Effect of oxygen and lipid supplementation on the volatile composition of chemically defined medium and Chardonnay wine fermented with Saccharomyces cerevisiae. 2012, 135, 2863–2871.
xvi Rollero, S.; Mouret, J.R.; Sanchez, I.; Camarasa, C.; Ortiz-Julien, A.; Sablayrolles, J.M.; Dequin, S. Schlüsselrolle des Lipidmanagements im Stickstoff- und Aromastoffwechsel in einem entwickelten Weinhefestamm. Mikrob. Zell-Fakt. 2016, 15, 1–15.
xvii Guittin, C.; Maçna, F.; Sanchez, I.; Poitou, X.; Sablayrolles, J.M.; Mouret, J.R.; Farines, V. Einfluss hoher Lipidgehalte auf die Erzeugung fermentativer Aromen während der Weißweingärung. Appl. Mikrobiol. Biotechnol. 2021, 105, 6435–6449.
xviii Rollero, S.; Bloem, A.; Camarasa, C.; Sanchez, I.; Ortiz-Julien, A.; Sablayrolles, J.-M.; Dequin, S.; Mouret, J.-R. Kombinierte Auswirkungen von Nährstoffen und Temperatur auf die Produktion von fermentativen Aromen durch Saccharomyces cerevisiae während der Weingärung. Appl. Mikrobiol. Biotechnol.
xix Catherine Tesnière, Pierre Delobel, Martine Pradal, Bruno Blondin Impact of Nutrient Imbalance on Wine Alcoholic Fermentations: Nitrogen Excess Enhances Yeast Cell Death in Lipid-Limited Must.
xx A set of nutrient limitations trigger yeast cell death in a nitrogen-dependent manner during wine alcoholic fermentation Camille Duc, Martine Pradal, Bruno Blondin.