I lieviti nella fermentazione alcolica, appunti universitari

I lieviti nella fermentazione alcolica

Sono eucarioti, appartenenti al regno dei funghi (o Eumiceti). Sono unicellulari, eterotrofi, per la crescita e la nutrizione dipendono interamente dal mosto. Sopravvivono in ambiente anaerobico, sfruttando composti ossidabili come gli zuccheri. Sono diversi tra loro per:

• capacità fermentativa;
• varietà e quantità di prodotti secondari della fermentazione alcolica;
• condizioni ottimali di fermentazione.

Si riproducono:

• gamicamente: formazione di spore dette ascospore;
• agamicamente (più spesso) per gemmazione o scissione.

La curva della crescita microbica durante la fermentazione alcolica si suddivide in quattro fasi:

1. fase di latenza - lag phase - fase o periodo di acclimatamento dei lieviti nel mosto;
2. fase di crescita e sviluppo - log phase - fase di accrescimento esponenziale della popolazione dei microrganismi e di rapida degradazione degli zuccheri;
3. fase stazionaria, la crescita dei lieviti si arresta e la fermentazione rallenta;
4. fase di decremento o di morte, nel quale il lievito riduce la sua attività a causa della scarsità di nutrimento e della presenza di prodotti tossici e inibitori.

Saccharomyces

• Sono i lieviti più importanti nella fermentazione alcolica.
• Sono blastomiceti, si riproducono cioè per gemmazione, e hanno grande capacità di sopravvivenza in ambiente anaerobico.
• Fermentano preferibilmente glucosio, fruttosio e saccarosio.
• Nella fermentazione del mosto compaiono numerosi quando questo raggiunge una gradazione alcolica intorno al 4% v/v.
• Dotati di alto potere alcoligeno, rimangono nel mosto in fermentazione fino a gradazioni alcoliche del 14% v/v.
• Hanno alta resistenza alla SO2.
• Il Saccharomyces cerevisiae raccoglie tutte le varietà di questo genere che hanno notevole importanza in enologia, nella fabbricazione della birra e nella panificazione.

Kloeckera Apiculata (apiculati)

• È capace di fermentare solo i monosaccaridi;
• Di norma, è il lievito predominante all'inizio della fermentazione alcolica;
• Ha un basso potere alcoligeno e non tollera l'alcol etilico a titoli maggiori di 3-4% v/v;
• È molto sensibile all'anidride solforosa.

Lieviti e fermentazione alcolica

La fermentazione è un processo che avviene in assenza di ossigeno, da cui i microrganismi ricavano l'energia per sopravvivere. Le sostanze prodotte nei processi fermentativi risultano tossiche per gli organismi che le hanno create e, quando superano una certa concentrazione, impediscono ogni attività metabolica e la loro stessa sopravvivenza. Nella fermentazione alcolica, questo prodotto è l'alcol etilico.

Nella pratica della vinificazione si osserva che c'è:

• Una fase iniziale (Lag e Log): I lieviti passati dalla superficie delle bucce nel mosto attuano, prima, la respirazione aerobica. Durante questa fase si riproducono e si moltiplicano utilizzando l'O2 disciolto fino a consumarlo. Se non c'è ricambio d'aria, essi rendono l'ambiente asfittico e creano le condizioni anaerobiche adatte per l'avviamento della fermentazione. Questa prima fase si svolge con la massima intensità e prende il nome di fermentazione primaria o tumultuosa. In certi casi, se l'aria è insufficiente e se c'è un avvio stentato della fermentazione, occorre arieggiare il mosto, in modo da permettere una ripresa della respirazione aerobica delle cellule e della riproduzione cellulare. Una volta consumato l'ossigeno fornito con l'arieggiamento, la fermentazione può riprendere in condizioni anaerobiche;
• Fase successiva o finale (Stazionaria e Morte) Raggiunto il massimo di concentrazione di alcol etilico producibile, la fermentazione cessa per l'effetto tossico dell'alcol etilico sui lieviti. L'alcol, infatti, si accumula all'interno della cellula del lievito e inibisce l'azione di alcuni enzimi della glicolisi, bloccando non solo questo processo ma anche tutto il metabolismo cellulare.

Le varie specie di lieviti, come detto, hanno un diverso potere alcoligeno in funzione della capacità che hanno di produrre alcol senza rimanere intossicati da questo. Ve ne sono alcuni, detti ad alto potere alcoligeno, che riescono a produrre un'alta quantità di alcol in presenza di eccesso di zuccheri, senza rimanerne intossicati. La fermentazione alcolica del mosto d'uva inizia per azione dei lieviti apiculati ed è molto intensa, tuttavia questi non arrivano a produrre grandi quantità di alcol etilico, perché non sopravvivono a una gradazione alcolica maggiore del 4% v/v. Tra questi la specie che presenta il più alto potere alcoligeno è la Kloeckera apiculata.

Quando la concentrazione di alcol nel mosto aumenta ulteriormente, i lieviti apiculati rimangono intossicati dall'alcol da loro stessi prodotto e muoiono. Questi, nel processo fermentativo, verranno rimpiazzati dai lieviti ellittici, che hanno dimensione maggiore e sopportano livelli più alti di alcol. Tra gli ellittici la specie più attiva e conosciuta è il Saccharomyces cerevisiae. I lieviti ellittici, dopo aver preso il sopravvento sugli apiculati, rimangono attivi per tutta la durata della fermentazione, finché non si raggiunge una gradazione alcolica massima per loro intorno al 14% v/v. Qualora si abbiano elevate concentrazioni di zucchero, o si debbano produrre vini ad alta gradazione alcolica oppure si deve operare in condizioni anomale (blocco fermentativo) e quindi c'è la necessita di praticare una ripresa di fermentazione in presenza di un tasso alcolico superiore al 12-14% v/v, è necessario l'utilizzo dei lieviti oviformi. Tra gli oviformi c'è una specie altamente alcoligena, che resiste anche a gradazioni superiori ai 14° e fino a 18°V. Gli oviformi, di cui il più noto è il Saccharomyces bayanus, utilizzati anche nella spumantizzazione. La concentrazione di alcol si esprime in millilitri di alcol contenuti in 100 millilitri di mosto o di vino (% vol/vol, ovvero % v/v).

Fermentazione con ceppi di lieviti selezionati

Questo tipo di fermentazione avviene sostituendo la flora microbica naturalmente presente nel mosto con lieviti selezionati in laboratorio e opportunamente inoculati nel mosto da fermentare, in modo da favorire le fermentazioni desiderate. È necessario che i lieviti selezionati siano inoculati in numero e in condizioni di forza riproduttiva tali da superare ogni competitività con i lieviti presenti naturalmente. Durante l'innesto è opportuna l'aggiunta di scorze di lieviti morti oppure di sali ammonici, che ne stimolano la riproduzione e l'attività. Per l'inoculo di lieviti selezionati si può utilizzare:

• Il mosto lievito, un substrato contenente cellule in moltiplicazione attiva, con una composizione chimica simile al mosto da fermentare, per permettere un facile adattamento delle colture nel successivo inoculo;
• Il mosto d'uva reso sterile e quindi reinoculato con i lieviti selezionati;
• Un inoculo di lieviti liofilizzati di ceppi selezionati.

I vantaggi di questa tecnica sono:

• maggiore rapidità del decorso fermentativo;
• minore formazione di acidi volatili;
• maggiore resa di alcol in rapporto allo zucchero consumato;
• rapidità nelle chiarificazioni del vino;
• maggiore conservabilità del prodotto;
• vinificazione omogenea, buona standardizzazione, uniformità dei pregi del prodotto;
• si può recuperare una situazione compromessa dall'attacco delle muffe;
• si può evitare il danno provocato da improvvisi arresti della fermentazione;
• si può utilizzare nei casi in cui sia opportuna o necessaria una rifermentazione di un vino già illimpidito o decrepito.

L'inoculo di lieviti selezionati non è tuttavia privo di inconvenienti:

• la selezione dei ceppi non è facile;
• non sempre i risultati sono quelli attesi;
• le colture sono soggette a fenomeni di invecchiamento, con perdita delle caratteristiche positive del ceppo;
• tra i lieviti selvaggi che vengono inattivati e sostituiti, ci sono gli apiculati, che avviano la fermentazione. Questi producono numerose sostanze volatili che arricchiscono il profumo nel vino finito, per cui la loro eliminazione e sostituzione non sono positive;
• alcuni ceppi selezionati (di Hanseniaspora o Saccharomycodes ludwigii), producono sostanze che inibiscono la fermentazione malolattica utile nei vini eccessivamente acidi;
• in condizioni di promiscuità della flora microbica, è difficile stabilire quando e se le generazioni di ceppi inoculati artificialmente prevarranno su quelle della microflora endogena. I lieviti selezionati infatti si riproducono e sono attivi soprattutto in assenza di antagonisti, il loro uso è raccomandabile in condizioni di competitività scarsa o nulla, per esempio le rifermentazioni e la preparazione dei vini spumanti.

Fermentazione scalare

È una particolare tecnica di selezione dei lieviti responsabili della fermentazione. Consiste in due passaggi:

• il primo elimina i lieviti apiculati e, in genere, i lieviti selvaggi, che producono notevoli quantità di acido acetico, sostituendoli con adeguate dosi di Saccharomyces veronae e rosei, che sono dei lieviti apiculati caratterizzati da una bassa produzione di acidi volatili.
• Il secondo passaggio prevede che dopo 4-5 giorni dall'inizio della fermentazione, vengano inoculati i lieviti ellittici, del tipo S. cerevisia o in alternativa, per i vini molto alcolici, il secondo innesto va fatto con S. oviformis, resistenti anche a un grado alcolico superiore a 14°.

Fattori che influenzano l'attività dei lieviti

I lieviti necessitano per vivere di sostanze inorganiche quali sali minerali, sostanze azotate quali aminoacidi e azoto elementare, vitamine e altri fattori di crescita inoltre necessitano di energia che ricavano dal processo di fermentazione e di ossidazione, dalla disponibilità di tutti questi fattori i lieviti costruiscono il loro organismo che noi utilizziamo per i nostri scopi.

Fattori che influenzano l'attività alcoligena dei lieviti: Zuccheri

In tempi relativamente recenti, si è potuto constatare che i S. Cerevisiae, al di sopra di una certa concentrazione di zuccheri, prediligono la fermentazione alcolica anche in presenza di ossigeno. Dal momento che il mosto d'uva è molto ricco di glucosio e fruttosio, tale fenomeno è predominante, al punto che oggi si ritiene che la respirazione cellulare sia completamente inibita in questo mezzo.

Fattori che influenzano l'attività alcoligena dei lieviti: APA (Azoto Prontamente Assimilabile)

Le cellule del lievito necessitano di azoto per poter sintetizzare proteine e grassi indispensabili allo scopo di replicare nuove cellule figlie. Inoltre, l'azoto è utile perché i lieviti possano sintetizzare quelle proteine che hanno la funzione di trasporto del glucosio. Inoltre la mancanza di azoto favorisce la produzione di mercaptani, composti maleodoranti con soglia bassissima di percezione olfattiva. In generale l'uva fornisce quantitativi di APA, in misura generalmente sufficiente. Se si verifica carenza di APA, è opportuna un'aggiunta nei tempi e modi più appropriati stabiliti dall'enologo.

Fattori che influenzano l'attività alcoligena dei lieviti: Integrità delle membrane

La selettività della membrana citoplasmatica di ogni cellula è la condizione fondamentale per portare a termine la fermentazione alcolica degli zuccheri. Essa dipende dalla sua fluidità e dalla sua resistenza. La membrana infatti, deve permettere il passaggio delle sostanze a cui è consentito e deve opporre resistenza a quelle che la membrana esclude selettivamente.