Resumen de Contribución de las levaduras al aroma de los vinos espumosos durante la segunda fermentación y la lisis celular
- español
• Introducción y motivación de la tesis Los vinos espumosos pertenecen a la categoría de vinos especiales y se obtienen mediante una segunda fermentación de un vino base previamente elaborado y con unas características enológicas adecuadas. Las metodologías utilizadas para tal fin pueden ser muy variadas, siendo la más conocida el método tradicional o Champenoise, que consiste en realizar la segunda fermentación en una botella cerrada, previa adición de levaduras y azúcar, seguida de un periodo mínimo de contacto con las lías de levadura donde tiene lugar su autolisis. Ambas etapas, fermentación y crianza, constituyen lo que se denomina ‘toma de espuma’.
En las últimas décadas el consumo de los vinos espumosos ha aumentado notablemente, lo que ha impulsado a productores y comunidad científica a importantes esfuerzos para introducir mejoras en los procesos de elaboración con objeto de innovar, mantener la calidad y la demanda de estos vinos o captar consumidores emergentes [1]. De este modo, las propuestas presentadas en la literatura científica abarcan tres áreas de mejora: calidad, tecnología/biotecnología y salud [2], lo que permite avanzar en los objetivos de la industria enológica relacionados con la identidad, mejora de la producción y con la calidad, salud y seguridad alimentaria.
La calidad sensorial es un factor determinante para la elección de un producto alimenticio por los consumidores, destacando la calidad visual y del aroma como las primeras características que ellos valoran en la selección de un determinado vino. Varios factores influyen en las propiedades sensoriales de los vinos espumosos (espuma, color, aroma y gusto) entre los que caben destacar: aspectos vitícolas y condiciones edafoclimáticas, variedad de uva, estado sanitario y de maduración, metodología utilizada en la elaboración del vino base y la toma de espuma [2-4]. Sin embargo, el aroma característico de los espumosos está muy influido por la levadura que interviene en las dos fases del proceso de toma de espuma (fermentación y crianza sobre lías). Por un lado, durante la fermentación, las levaduras vivas están sometidas a condiciones de estrés muy severas impuestas por el elevado contenido en etanol y la sobrepresión del dióxido de carbono, que afectan a su metabolismo y, por tanto, a la producción de compuestos del aroma. En una segunda fase (crianza sobre lías), cuando la levadura está muerta, se produce la lisis celular y se liberan algunos metabolitos endo-celulares, proteínas y enzimas que contribuyen también al aroma de estos vinos [5, 6].
Las tendencias actuales de investigación e innovación en la elaboración de vinos espumosos se centran en la elección de cepas de levadura no convencionales y variedades de uva tradicionalmente usadas para la elaboración de vinos tranquilos. Los estudios realizados a este respecto han permitido la elección de cepas de levadura por su tolerancia a las condiciones de estrés, por la producción de enzimas extracelulares (pectinasas, amilasas, lipasas, proteasas y glucosidasas) y también por su capacidad de lisis y floculación [2, 4, 5, 7, 8]. Sin embargo, son pocas las investigaciones sobre la contribución de las levaduras a la composición del aroma durante la segunda fermentación en botella, ya que los estudios existentes no suelen diferenciar entre esta fase y la de crianza sobre lías [9, 10]. Generalmente, los estudios realizados hasta ahora abordan el efecto de algunos factores implicados en el proceso de elaboración, siendo casi inexistentes las investigaciones dedicadas al análisis de su interacción. También, son muy escasos los estudios sobre la aplicación de nuevas biotecnologías, como los sistemas de inmovilización de levaduras emergentes.
• Contenido de la investigación En esta Tesis Doctoral se han estudiado los metabolitos volátiles con capacidad odorante procedentes de las etapas de fermentación y crianza sobre lías de vinos espumosos obtenidos con dos cepas de levadura Saccharomyces cerevisiae, P29 y G1. La primera es una levadura habitualmente usada en la elaboración de vinos espumosos de la región vitícola de D.O. Penedès, mientras que la segunda es una levadura formadora de velo sobre la superficie del vino, típica en la elaboración de vinos de crianza biológica tipo fino y usada por primera vez para elaborar vinos espumosos. Esta levadura fue aislada de la zona vitivinícola de Montilla-Moriles y se ha propuesto para realizar la segunda fermentación de vinos base por el método tradicional debido a su alta tolerancia a elevadas concentraciones de etanol, y sus propiedades de floculación; que la convierten en una candidata idónea para acortar el tiempo de la etapa de removido de lías. Las investigaciones realizadas en la presente Tesis sobre el volatiloma de las levaduras forman parte y completan el estudio llevado a cabo durante los últimos años por miembros del grupo de Vitenol de la Universidad de Córdoba sobre el perfil proteómico y metabolómico de las levaduras usadas para la elaboración de vinos espumosos [10, 11].
El diseño experimental aplicado en cada etapa de elaboración de esta tesis permitió estudiar la influencia de factores claves en el proceso productivo, relacionados con el estrés de las levaduras y, consecuentemente, con la calidad aromática de los vinos espumosos. De este modo, durante la etapa de fermentación en botella, se estudió la presión endógena de CO2 y, junto a la de crianza, el efecto combinado de la temperatura de fermentación, el tiempo de crianza y el formato de inoculación de levadura. También, se ha evaluado el potencial de técnicas no destructivas para el análisis rápido de la fracción del aroma, como es la nariz electrónica basada en microbalanzas de cuarzo.
Finalmente, los estudios estadísticos realizados sobre matrices de datos organolépticos y analíticos han permitido contribuir al esclarecimiento de las asociaciones existentes entre la composición de la fracción volátil y la calidad sensorial de los vinos espumosos.
• Conclusiones El estudio realizado en esta Tesis Doctoral permite establecer los efectos de la temperatura, cepa de levadura y tiempo de crianza sobre la calidad analítica y sensorial de los vinos espumosos durante las dos fases del proceso de toma de espuma.
Durante la segunda fermentación en botella se observa una menor influencia de la sobrepresión de CO2 en la viabilidad de las células de la levadura propias de la elaboración de vinos espumosos, cuya cinética de formación es más rápida comparada con la cepa de levadura de velo, que se justifica por ser una cepa poco adaptada a este tipo de vinificación. Sin embargo, aunque la viabilidad la levadura de flor es menor con respecto a la levadura convencional, parece ser una buena candidata para la clarificación del vino durante la fase de removido, por su capacidad de formación de flóculos gruesos de rápida sedimentación y menor adherencia a la pared de la botella. Este resultado se refuerza también con los obtenidos en el análisis de la fracción volátil, alcanzándose variaciones significativas en los contenidos de las familias químicas del aroma, dependiendo de la cepa de levadura y de la presión de gas CO2 generado. La sobrepresión de CO2 provoca una disminución de las series odorantes química y afrutada en los vinos obtenidos por las levaduras ensayadas.
Durante el periodo de crianza estudiado se advierte un mayor efecto del factor tiempo que de la cepa de levadura sobre la fracción volátil. Mediante análisis sensorial se obtiene mayor puntuación de los vinos elaborados con la levadura de flor, que está relacionada con la mayor limpidez de los vinos obtenidos y, probablemente, con las interacciones de compuestos odoríferos que son sólo detectables mediante cata.
Durante el estudio de la etapa de toma de espuma, que contempla el análisis de la influencia de los restantes factores (temperatura, formato y tiempo de crianza), se percibe una ralentización de la cinética fermentativa a bajas temperaturas de las levaduras inmovilizadas como biocápsulas que se justifica por el estrés que sufre la levadura en el proceso de inmovilización, induciendo a un mayor periodo de adaptación al vino base. El estudio llevado a cabo ha permitido establecer compuestos volátiles clave como marcadores de la influencia de cada factor estudiado. Los buenos resultados obtenidos en la clasificación de los vinos mediante el uso de la nariz electrónica hacen evidente su utilidad como herramienta destinada al control de calidad y la detección de fraudes en los vinos espumosos.
Como conclusión general se establece que el conocimiento de la influencia de estos factores sobre el volatiloma y su relación con los atributos sensoriales permitirá un mejor control de calidad del proceso de elaboración de los vinos espumosos, una diversificación de los productos elaborados y, por tanto, un mayor grado de innovación en esta industria agroalimentaria.
• Bibliografía 1. OIV: OIV Focus: The global sparkling wine market. In. http://www.oiv.int/en/; 2020.
2. Di Gianvito P, Arfelli G, Suzzi G, Tofalo R: New trends in sparkling wine production: Yeast Rational Selection. In: Alcoholic Beverages. Edited by Grumezescu AM, Holban AM: Woodhead Publishing; 2019: 347-386.
3. Jones JE, Kerslake FL, Close DC, Dambergs RG: Viticulture for sparkling wine production: A review. American Journal of Enology and Viticulture 2014, 65(4):407-416.
4. Kemp B, Alexandre H, Robillard B, Marchal R: Effect of production phase on bottle-fermented sparkling wine quality. Journal of Agricultural and Food Chemistry 2015, 63(1):19-38.
5. Vigentini I, Cardenas SB, Valdetara F, Faccincani M, Panont CA, Picozzi C, Foschino R: Use of native yeast strains for in-bottle fermentation to face the uniformity in sparkling wine production. Frontiers in Microbiology 2017, 8.
6. Di Gianvito P, Perpetuini G, Tittarelli F, Schirone M, Arfelli G, Piva A, Patrignani F, Lanciotti R, Olivastri L, Suzzi G et al: Impact of Saccharomyces cerevisiae strains on traditional sparkling wines production. Food Research International 2018, 109:552-560.
7. Torresi S, Frangipane MT, Anelli G: Biotechnologies in sparkling wine production. Interesting approaches for quality improvement: A review. Food Chemistry 2011, 129(3):1232-1241.
8. Martinez-Rodriguez A, Carrascosa AV, Barcenilla JM, Pozo-Bayon MA, Polo MC: Autolytic capacity and foam analysis as additional criteria for the selection of yeast strains for sparkling wine production. Food Microbiology 2001, 18(2):183-191.
9. Munoz-Redondo J, Cuevas F, Leon J, Ramirez P, Moreno-Rojas J, Ruiz-Moreno M: Quantitative profiling of ester compounds using HS-SPME-GC-MS and chemometrics for assessing volatile markers of the second fermentation in bottle. Journal of Agricultural and Food Chemistry 2017, 65(13):2768-2775.
10. Gonzalez-Jimenez MC, Moreno-Garcia J, Garcia-Martinez T, Jose Moreno J, Puig-Pujol A, Capdevilla F, Mauricio JC: Differential analysis of proteins involved in ester metabolism in two Saccharomyces cerevisiae strains during the second fermentation in sparkling wine elaboration. Microorganisms 2020b, 8(3).
11. Gonzalez-Jimenez MC, Garcia-Martinez T, Mauricio JC, Sanchez-Leon I, Puig-Pujol A, Moreno J, Moreno-Garcia J: Comparative study of the proteins involved in the fermentation-derived compounds in two strains of Saccharomyces cerevisiae during sparkling wine second fermentation. Microorganisms 2020a, 8(8).
- English
Abstract • Introduction The sparkling wines belong to the category of special wines and are obtained through the second fermentation of a base wine with adequate oenological characteristics. The methodologies used for this purpose are diverse, the best known being the traditional or Champenoise method, which consists of a second fermentation in a closed bottle, after adding yeast and sugar, followed by a minimum period of contact with the yeast lees, where its autolysis takes place. Both stages, fermentation and ageing, constitute what is called ‘prise de mousse’.
In recent decades, the consumption of sparkling wines has increased notably, which has motivated producers and the scientific community to make significant efforts to introduce improvements in production processes to innovate, maintain quality and demand for these wines or attract emerging consumers [1]. Thus, the proposals presented in the scientific literature cover three fundamental areas: quality, technology / biotechnology and health [2], which allows to achieve the main goals of the oenological industry regarding the identity, better production and quality, health and food safety.
Sensory quality is a determining factor for the selection of a food product by consumers, highlighting the visual and aromatic quality as the first characteristics that they value in the acceptance of a certain wine. Several factors influence the sensory properties of sparkling wines (foam, colour, aroma and taste), among which stand out: viticultural aspects and edaphoclimatic conditions, grape variety, health and maturation status, methodology used in the elaboration of the base wine and the 'prise de mousse' phase [2-4]. However, the characteristic aroma of sparkling wines is greatly influenced by the yeast involved in the two phases of the foam making process (fermentation and aging on lees). On the one hand, during fermentation, yeasts are alive and subjected to harsh conditions imposed by the high ethanol content and the overpressure of carbon dioxide, which are related to their metabolism and therefore to the production of aroma compounds. In a second phase (aging on lees), when the yeast is dead, cell lysis occurs and during it, some intracellular metabolites, proteins and enzymes are released and contribute to the aroma of these wines [5, 6].
Current research and innovation trends in sparkling winemaking focus on choosing unconventional yeast strains and grape varieties traditionally used for making still wines. Studies carried out in this regard have allowed the selection of yeast strains for their tolerance to stress conditions, for the production of extracellular enzymes (pectinases, amylases, lipases, proteases and glucosidases) and also for their capacity for lysis and flocculation [2, 4, 5, 7, 8]. Nevertheless, there is little research on the contribution of yeasts to the composition of the aroma during the in -bottle second fermentation, since existing studies do not usually differentiate between this stage and the ageing on lees [9, 10]. Generally, the studies carried out address the effect of some factors involved in the production process, but the interaction effect between them is hardly considered. Furthermore, there are very few studies on the application of new biotechnologies, such as emerging yeast immobilization systems.
• Content of the thesis In this Doctoral Thesis, the volatile metabolites with odorant activity have been studied during the fermentation and ageing stages of sparkling wines obtained with two strains of yeast Saccharomyces cerevisiae, P29 and G1. The first yeast is commonly used in the production of sparkling wines from the Penedès wine region, while the second is a veil-forming yeast isolated from the surface of the wine, typical in the production of fine-type biological ageing wines and used for the first time to make sparkling wines. This yeast was isolated from the Montilla-Moriles wine-growing area and has been proposed to carry out the second fermentation of base wines by the traditional method due to its high tolerance to ethanol, and its flocculation properties; which make it an ideal candidate to shorten the time of riddling stage. The research carried out in this Thesis on the yeasts’ volatilome completes the study carried out in recent years by members of the Vitenol group of the University of Córdoba on the proteomic and metabolomic profile of the yeasts used for the production of sparkling wines [10, 11].
The experimental design applied in each stage of this thesis allowed to study the influence of key factors in the production process, related to yeast stress and, consequently, with the aromatic quality of sparkling wines. Thus, during the bottle fermentation stage, the endogenous CO2 pressure was studied and, together with the ageing stage, the combined effect of the fermentation temperature, the ageing time and the yeast inoculation format. Furthermore, the potential of fast and non-destructive techniques for the analysis of the aroma fraction has been also evaluated, such as the electronic nose based on quartz microbalances.
Finally, the statistical studies carried out on organoleptic and analytical data matrices have made it possible to clarify the existing associations between the composition of the volatile fraction and the sensory quality of sparkling wines.
• Conclusions The study carried out in this doctoral thesis makes it possible to establish the effects of temperature, yeast strain and ageing time on the analytical and sensory quality of sparkling wines during the two phases of the ‘prise de mousse’.
During the in -bottle second fermentation, a lesser influence of the CO2 overpressure is observed on the viability of the typical yeast cells for the production of sparkling wines, whose formation kinetics is faster compared to the veil yeast strain; which is justified for being a strain that is not adapted to this type of winemaking. Although the viability of the flor-yeast is lower compared to the conventional one, it appears to be a good candidate for wine clarification in the riddling phase, due to its ability to form thick flocs with rapid sedimentation and less adherence to the walls of the bottle. This observation is also reinforced with the results of the volatile fraction, obtaining significant differences in the contents of the chemical families of the aroma that depend on the yeast strain and the pressure of the CO2 gas generated. The CO2 overpressure causes a decrease in the chemical and fruity odorants series in the wines obtained by the tested yeasts.
During the ageing period, a greater effect of the time factor is observed on the volatile fraction, compared to the yeast strain. Through sensory analysis, the wines made with flor yeast obtained higher scores, which is related to the greater limpidity of the wines obtained and, probably, to the interactions of odorant compounds that are only detectable by tasting. During the 'prize de mousse' stage, which involved the analysis of the remaining factors (temperature, format and ageing time), a slowdown in fermentation kinetics is observed when using immobilized yeasts at low temperatures, mainly caused by the stress suffered during the immobilization process. The study carried out allowed the establishment of key volatile compounds as markers of the influence of each factor studied. The good results obtained in the classification of wines through the use of the electronic nose make evident its usefulness as a tool for quality control and fraud detection in sparkling wines.
In general terms, the influence of the studied factors on volatilome and its relationship with sensory attributes will allow better quality control of the sparkling wine making process, product diversification and greater innovation in this sector of the agri-food industry.
• References 1. OIV: OIV Focus: The global sparkling wine market. In. http://www.oiv.int/en/; 2020.
2. Di Gianvito P, Arfelli G, Suzzi G, Tofalo R: New trends in sparkling wine production: Yeast Rational Selection. In: Alcoholic Beverages. Edited by Grumezescu AM, Holban AM: Woodhead Publishing; 2019: 347-386.
3. Jones JE, Kerslake FL, Close DC, Dambergs RG: Viticulture for sparkling wine production: A review. American Journal of Enology and Viticulture 2014, 65(4):407-416.
4. Kemp B, Alexandre H, Robillard B, Marchal R: Effect of production phase on bottle-fermented sparkling wine quality. Journal of Agricultural and Food Chemistry 2015, 63(1):19-38.
5. Vigentini I, Cardenas SB, Valdetara F, Faccincani M, Panont CA, Picozzi C, Foschino R: Use of native yeast strains for in-bottle fermentation to face the uniformity in sparkling wine production. Frontiers in Microbiology 2017, 8.
6. Di Gianvito P, Perpetuini G, Tittarelli F, Schirone M, Arfelli G, Piva A, Patrignani F, Lanciotti R, Olivastri L, Suzzi G et al: Impact of Saccharomyces cerevisiae strains on traditional sparkling wines production. Food Research International 2018, 109:552-560.
7. Torresi S, Frangipane MT, Anelli G: Biotechnologies in sparkling wine production. Interesting approaches for quality improvement: A review. Food Chemistry 2011, 129(3):1232-1241.
8. Martinez-Rodriguez A, Carrascosa AV, Barcenilla JM, Pozo-Bayon MA, Polo MC: Autolytic capacity and foam analysis as additional criteria for the selection of yeast strains for sparkling wine production. Food Microbiology 2001, 18(2):183-191.
9. Munoz-Redondo J, Cuevas F, Leon J, Ramirez P, Moreno-Rojas J, Ruiz-Moreno M: Quantitative profiling of ester compounds using HS-SPME-GC-MS and chemometrics for assessing volatile markers of the second fermentation in bottle. Journal of Agricultural and Food Chemistry 2017, 65(13):2768-2775.
10. Gonzalez-Jimenez MC, Moreno-Garcia J, Garcia-Martinez T, Jose Moreno J, Puig-Pujol A, Capdevilla F, Mauricio JC: Differential analysis of proteins involved in ester metabolism in two Saccharomyces cerevisiae strains during the second fermentation in sparkling wine elaboration. Microorganisms 2020b, 8(3).
11. Gonzalez-Jimenez MC, Garcia-Martinez T, Mauricio JC, Sanchez-Leon I, Puig-Pujol A, Moreno J, Moreno-Garcia J: Comparative study of the proteins involved in the fermentation-derived compounds in two strains of Saccharomyces cerevisiae during sparkling wine second fermentation. Microorganisms 2020a, 8(8).
