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71°CONGRESSO
VERONA 2/5 GIUGNO
VINO: LE NUOVE FRONTIERE
DELLA RICERCA
E DELLA COMUNICAZIONE
N° 5 MAGGIO 2016 - 20121 MILANO - VIA PRIVATA VASTO, 3 - TEL 02.99785721 - FAX 02.99785724
POSTE ITALIANE SPA - SPEDIZIONE IN ABBONAMENTO POSTALE 70% LO/MI
N°5
SPERIMENTAZIONE
DOCUMENTO AZIENDALE
LE 3Q IN FERMENTAZIONE ALCOLICA:
QUALE, QUANTO E QUANDO
DELLA NUTRIZIONE AZOTATA
La gestione della nutrizione del lievito nel corso della fermentazione richiede un’attenta valutazione dei
suoi fabbisogni sulla base delle caratteristiche dei mosti, la scelta dei nutrienti più adatti e l’identificazione
dei momenti migliori per la loro aggiunta. Applicando una filosofia di uso ragionato delle biotecnologie,
HTS enologia ha sviluppato il modello delle 3Q, il Quale, Quanto e Quando dei nutrienti azotati, che mette a
disposizione del produttore le conoscenze, i prodotti e gli strumenti per raggiungere l’obiettivo della Q più
importante, quella della Qualità.
Di
Luigi Scavone
HTS enologia - Titolare
Diego De Filippi
HTS enologia - Technical and R&D Manager
Fabrizio Ghinolfi
HTS enologia - Executive Sales Manager
Etienne Dorignac
Fermentis - Fruit Fermentations Technical
Manager
(Da sinistra nella foto)
INTRODUZIONE
Come tutti gli organismi viventi i lieviti
Saccharomyces cerevisiae hanno bisogno,
per la loro crescita e il loro metabolismo,
di nutrienti in forma di fonti di carbonio (gli
zuccheri che vengono trasformati in alcol e
CO2), di azoto, di macro e microelementi,
oltre che di vitamine come fattori di cresciN°5 MAGGIO 2016
ta e di lipidi e steroli come fattori di sopravvivenza e di ossigeno per la loro sintesi.
La disponibilità di macro e micronutrienti e la possibilità di gestione e controllo di
ognuno di questi fattori consente il regolare svolgimento della fermentazione alcolica, evitando il rischio di rallentamenti
o arresti, ma è al contempo alla base dei
processi metabolici che portano alla defi-
nizione di molti dei fattori della qualità dei
vini, come la sintesi e la trasformazione dei
composti aromatici, la produzione di polisaccaridi e di altre molecole organoletticamente attive.
Il contenuto in azoto dei mosti utilizzabile dai lieviti, l’Azoto Prontamente Assimilabile (APA), come anche il rapporto tra azoto
in forma inorganica (FAN) e azoto organico
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in forma amminoacidica (FON), variano in
funzione della varietà, del grado di maturazione, del loro stato sanitario, delle pratiche colturali e dell’andamento stagionale.
La Ricerca e Sviluppo di HTS enologia da
anni studia, in collaborazione con gli istituti
di ricerca e le aziende produttrici di biotecnologie e tecnologie con le quali collabora,
i prodotti e i protocolli più adatti per la nutrizione del lievito, con l’obiettivo di identificare le forme, i momenti e i quantitativi
ideali per ogni fermentazione alcolica.
Fig. 1 - La forma fisica degli autolisati influisce sulle loro performance fermentative e sulla capacità di
assimilazione dei lieviti. Nella Fig. 1a si osservano le differenze nella cinetica fermentativa tra l’aggiunta
di uno stesso autolisato formulato in forma di polvere fine o di polvere microgranulata. Nella Fig 1b e
nella Fig. 1c la comparazione è tra un autolisato microgranulato e lo stesso prodotto in forma liquida.
L’effetto positivo del secondo prodotto si osserva sia sulla cinetica sia sulla popolazione dei lieviti.
Fig. 1a: velocità di fermentazione - cinetica
QUALE NUTRIENTE
AZOTATO?
Il lievito è in grado di assimilare e utilizzare nella sintesi proteica l’azoto inorganico, in
forma di ione ammonio e gli alfa-amminoacidi (ovvero tutti gli amminoacidi presenti nel
mosto con l’eccezione della prolina).
Sebbene i sali di ammonio, come il fosfato
biammonico (DAP), rappresentino la soluzione più economica per il produttore e quella
più facilmente assimilabile per la cellula, la
fonte più nobile di azoto, con la quale il mosto in fermentazione si arricchisce in precursori aromatici, è quella data dagli amminoacidi presenti nella stessa cellula del lievito.
L’uso dei derivati del lievito e la scelta tra
questi di quelli più adatti, consente inoltre
di arricchire il mosto in tutti quei fattori nutritivi, vitamine, microelementi e fattori di
sopravvivenza come steroli e acidi grassi insaturi della membrana cellulare, ugualmente
necessari per un regolare svolgimento della
fermentazione.
Tra i derivati del lievito tuttavia esistono
molte differenze e, a seconda dei metodi
di produzione, di frazionamento e di purificazione applicati e della forma fisica con la
quale sono proposti, essi variano la propria
azione e bio-disponibilità nella fermentazione alcolica.
Fermentis Gruppo Lesaffre for beverage,
partner di HTS enologia, leader nella produzione di biotecnologie destinate al settore
enologico, in particolare per la nutrizione del
lievito, detiene un avanzato know how nella
produzione dei derivati di lievito più adatti
per ogni applicazione nel campo enologico e
non solo.
I prodotti nei quali sono presenti tutte le
strutture cellulari comprese quelle degli in88
Fig. 1b: Velocità di fermentazione - cinetica
Fig. 1c: Popolazione di lieviti
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volucri della cellula (membrana e parete cellulare) si distinguono dai prodotti nei quali
sono invece presenti solo le pareti (scorze
di lievito) o solo il contenuto citoplasmatico
(estratto di lievito).
Lieviti inattivi e autolisati, conformi al Codex enologico, appartengono al gruppo dei
prodotti ove è presente sia l’involucro esterno che il contenuto citoplasmatico. Il solo
contenuto citoplasmatico (estratto di lievito
totalmente solubile), non può essere impiegato in enologia in quanto non conforme al
Codex enologico.
Tra i nutrienti più completi, utilizzabili nella
nutrizione azotata del lievito, ci sono gli autolisati, nella cui composizione sono presenti
sia le parti solubili del citoplasma che le scorze insolubili della parete e i composti lipidici
della membrana cellulare.
Il processo di produzione degli autolisati prevede un primo trattamento termico
per inattivare il lievito e, successivamente,
ulteriori trattamenti termici a temperatura controllata, che consentono agli enzimi
endogeni della cellula, come ad esempio le
proteasi, di degradare il contenuto cellulare
fino alla liberazione degli amminoacidi che,
assieme ad altri elementi della costituzione
citoplasmatica, possono essere assimilati dal
Saccharomyces cerevisiae nel corso della fermentazione alcolica.
La scorza e la membrana cellulare costituiscono tra il 28 e il 35% del peso secco di un
autolisato.
La loro funzione è fondamentale in quanto la scorza adsorbe le molecole tossiche
o solforate, mentre la membrana cellulare
apporta acidi grassi insaturi e steroli, sintetizzabili altrimenti dal lievito solo in presenza
di ossigeno, necessari per la sopravvivenza e
la resistenza ai fattori critici di temperatura e
grado alcolico.
Le forme fisiche più comuni dei derivati del
lievito proposti sul mercato sono le polveri
composte da particelle fini comprese tra i 50
e gli 80 micron. La nuova gamma di derivati
di lievito Easy to Use (E2U), sviluppata da Fermentis in collaborazione con HTS enologia,
propone sia dei microgranulati che un innovativo autolisato in forma liquida (Viniliquid).
Il comportamento fisico in acqua dei derivati di lievito in polvere fine e dei micro
granulati è diverso: i primi sono tendenzialmente idrofobi, tendono a formare grumi e
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a disperdersi con maggiore difficoltà rispetto
ai secondi che, al contrario sono igroscopici,
si disperdono nel liquido in modo omogeneo
e non formano grumi. L’autolisato totale Viniliquid si presenta in forma liquida e mantiene la sua sospensione omogenea stabile
nel tempo, nonostante la presenza sia della
parte solubile che delle scorze insolubili.
Questo diverso comportamento influisce
sulla distribuzione nel mosto in fermentazione e quindi sulla velocità e capacità di assimilazione da parte dei lieviti.
Le prove svolte su mosto sintetico e su mosto naturale dimostrano come le prestazioni
fermentative dei lieviti, sia nel caso di utilizzo dei nutrienti in forma micro granulata che
dell’autolisato in forma liquida, siano migliori
rispetto a quelle ottenute con prodotti in polvere. Le differenze sono evidenti per quanto
riguarda i prodotti Easy to Use (E2U) che hanno un effetto migliore sulla popolazione dei
lieviti e sulla loro vitalità. (Figg. 1a, 1b, 1c).
QUANTO AZOTO
PER OGNI
FERMENTAZIONE?
La quantità di nutrienti azotati da utilizzare, come anche il fabbisogno in fattori
di sopravvivenza necessari per il regolare
svolgimento della fermentazione, variano in
funzione della disponibilità di composti azotati, in forma organica (FON - Free Organic
Nitrogen) e inorganica (FAN Free Ammoniacal Nitrogen), presenti nei mosti ed espressi
con la misura dell’APA (Azoto Prontamente
Assimilabile), ma anche dell’impegno richiesto ai lieviti per portare a termine il consumo degli zuccheri, e pertanto della concentrazione dei mosti.
Sebbene gli studi realizzati negli ultimi decenni riportino spesso una soglia minima di
APA di 140-150 mg/l, occorre ricordare che
per mosti molto concentrati come quelli ai
quali gli andamenti climatici degli ultimi anni
ci stanno abituando questi valori devono necessariamente essere rivisti e adeguati, tenendo conto anche delle differenze nei fabbisogni nutrizionali esistenti tra i diversi ceppi di
Saccharomyces cerevisiae. (Bisson et al., 2000)
Si parla di Dose Necessaria (DN) per esprimere la quantità minima di azoto necessaria al lievito per condurre regolarmente la
fermentazione alcolica. Gli studi realizzati in
anni di ricerca ed esperienza hanno portato
HTS enologia a definire tale dose espressa in
mg/l di APA come il prodotto tra la concentrazione in zuccheri e un coefficiente di 0,8
e di stabilire che il rapporto ideale tra azoto
organico e azoto inorganico nella composizione della DN sia di 2/3 del primo e 1/3 del
secondo. Zuccheri (g/L) x 0,8 = mg/L APA
(66,6% FON + 33,3% FAN).
Fig. 2 - La velocità di fermentazione (variazione di CO2 prodotta nell’unità di tempo) è la grandezza più
adatta a descrivere la cinetica fermentativa nelle diverse fasi di sviluppo e attività del lievito
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QUANDO
AGGIUNGERE AZOTO
IN FERMENTAZIONE?
BIONICA®,
LA SOLUZIONE
INTELLIGENTE
Le ricerche svolte soprattutto all’INRA di
Montpellier da Jean Marie Sablayrolles (Sablayrolles et al, 1996) e da Jean Michel Salmon
(Rosenfield et al., 2003) hanno messo in evidenza l’importanza del momento di aggiunta
dei nutrienti azotati e dell’ossigeno in funzione della fase fisiologica e metabolica del lievito nel corso della fermentazione. La velocità
di fermentazione, espressa in quantità di anidride carbonica prodotta o di zuccheri consumati istantaneamente nell’unità di tempo, è la
grandezza più adatta a descrivere le fasi che
caratterizzano il processo, dalla latenza alla
fase esponenziale di crescita, dalla fase stazionaria fino alla chiusura della fermentazione,
e a identificare i momenti nei quali le aggiunte di nutrienti risultino più efficaci (Fig.2).
In modo particolare fin dai primi studi dei
ricercatori francesi, era emerso con evidenza
come l’azoto presente all’inizio della fermentazione non influenzasse la capacità dei lieviti
di portare a termine il consumo degli zuccheri, ma solo la durata della fase di latenza e
quindi del periodo di avvio della fermentazione, la fase di crescita e il picco di massima
velocità fermentativa, come anche il numero
di generazioni e lo sviluppo di calore legato
all’attività dei lieviti (di conseguenza il fabbisogno di frigorie necessarie per il controllo
della temperatura di fermentazione). Pertanto, nel mosto o nella prima fase della fermentazione alcolica è consigliabile utilizzare un
derivato di lievito (autolisato parziale) che
oltre all’azoto, apporti un’importante quantità di fattori di crescita, sopravvivenza, vitamine e sali minerali. Nella fasi successive della
fermentazione è consigliabile invece, utilizzare un derivato di lievito (autolisato totale)
con una maggiore concentrazione in azoto,
elemento determinante per la corretta gestione della fermentazione, per evitare rischi
di rallentamento e ottenere dal metabolismo
dei lieviti la massima qualità desiderata.
Il periodo di maggiore efficacia per il dosaggio dell’ossigeno necessario al lievito per
la sintesi di acidi grassi insaturi e steroli, indi90
Fig. 3 - Comparazione tra una strategia con aggiunte di nutriente frazionate all’inizio, metà e 2/3 della
fermentazione (in alto) e la gestione della nutrizione con Bionica, con dosaggio automatico e continuo
nei momenti ideali di Viniliquid e della macro-ossigenazione
spensabili per mantenere efficiente l’attività
della membrana cellulare, corrisponde al momento nel quale il lievito, raggiunta la massima velocità fermentativa passa dalla fase
di crescita esponenziale a quella cosiddetta
stazionaria.
Il momento ottimale per l’aggiunta dei nutrienti azotati corrisponde invece, a circa 1/3
del consumo degli zuccheri o allo sviluppo di
35 g/l di CO2 di fermentazione (Biondi Bartolini, 2007).
Nella pratica più comune il controllo del
processo fermentativo si realizza con la misura periodica, generalmente giornaliera,
della densità del mosto, che varia e decresce
in funzione del suo contenuto in zuccheri
(Scrinzi, 2007).
Le curve della velocità di fermentazione e
l’identificazione dei punti tipici e dei momenti più adatti per le aggiunte di azoto e ossigeno delle quali abbiamo parlato tuttavia non
sono monitorabili con misure discontinue e
periodiche, e richiedono invece misure precise e frequenti su un parametro di processo
adatto ad essere rilevato in modo continuo
e automatico.
BIONICA®, l’ultima innovazione nata dalla
ricerca di HTS enologia in collaborazione con
Parsec srl, premiata nell’Innovation Challenge Lucio Mastroberardino a SIMEI 2015, è
un sistema intelligente che al monitoraggio
in continuo della fermentazione alcolica di
ogni serbatoio, realizzato misurando la sovrappressione generata dal rilascio di anidride carbonica, associa il dosaggio automatico
attraverso una canna di iniezione a doppia
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uscita dell’ossigeno e dell’autolisato totale in
forma liquida Viniliquid.
Il sistema ADCF (Analisi Dinamica della Fermentazione Alcolica), grazie a un sistema di
sensori applicati sul chiusino di ogni serbatoio e al software sviluppato sulla base di una
serie di algoritmi definiti e validati sperimentalmente, permette di identificare con precisione i momenti chiave per la nutrizione e
l’ossigenazione sulle curve di fermentazione
prodotte in tempo reale e consultabili anche
in remoto. Con BIONICA® è possibile intervenire in modo automatico, nei tempi più
adatti, con il dosaggio dell’ossigeno e dell’autolisato Viniliquid nelle dosi definite sulla
base delle caratteristiche del mosto, senza
il rischio di “perdere” i momenti di maggiore
efficacia in qualunque istante essi si verifichino (Biondi Bartolini, 2015).
Il sistema BIONICA® si applica a tutti i serbatoi di fermentazione, indipendentemente
dalle dimensioni e, nella versione speciale
Spark, alle autoclavi per la gestione delle fasi
di presa di spuma nella produzione dei vini
frizzanti e spumanti ottenuti con metodo
Charmat o Martinotti.
I vantaggi del dosaggio automatico di Viniliquid con il sistema BIONICA® sono stati messi
in evidenza nelle numerose prove comparative realizzate. Nella fermentazione di un
mosto di Trebbiano in due serbatoi da 2000
hL (Fig. 3) sono state ad esempio valutate
le differenze nell’andamento fermentativo
tra il sistema di dosaggio automatico di Viniliquid e della macro-ossigenazione realizzati
in continuo con BIONICA® e l’apporto di dosi
puntuali di nutrienti azotati frazionate tra la
fase di avvio, la metà e i 2/3 della fermentazione alcolica.
I risultati hanno messo in evidenza come
l’aggiunta continua nei momenti di maggiore
efficacia di Viniliquid e di ossigeno, consenta
Fig. 4 - Effetto dell’applicazione del sistema Bionica (in basso) sul consumo degli zuccheri e la popolazione dei lieviti nella presa di spuma in comparazione con una gestione standard di nutrizione e ossigenazioni (in alto)
alla velocità di fermentazione di mantenersi
a valori più elevati anche nelle fasi che seguono il picco di velocità massima, portando
in tal modo a un consumo più rapido degli
zuccheri e a una chiusura più regolare.
In rifermentazione (Fig. 4) è stata realizzata una comparazione di due autoclavi da
300 hL gestite nella presa di spuma per la
produzione di un vino spumante, la prima in
modo tradizionale con aggiunte di nutrienti
e ossigeno al momento del riempimento e
la seconda con il sistema BIONICA® SPARK,
mediante aggiunte puntuali e programmate,
sulla base dell’andamento di degradazione
degli zuccheri.
La prova ha evidenziato una maggiore
velocità e regolarità di quest’ultima nel raggiungere il contenuto in zuccheri residui finale desiderato. L’analisi microbiologica ha
consentito di spiegare come questo diverso
comportamento nell’andamento fermentativo sia legato alla popolazione dei lieviti che
nella seconda autoclave si sono mantenuti
più vitali anche nelle fasi finali della fermentazione.
BIONICA®, chiude quindi con un’applicazione di altissima tecnologia il cerchio del
modello delle 3Q e fornisce al tecnico uno
strumento efficace, di semplice utilizzo e totalmente automatico, che si integra perfettamente nella filosofia Easy to Use (E2U), per la
quale le innovazioni tecnologiche e biotecnologiche devono ottimizzare e semplificare le
operazioni di cantina rendendole sostenibili,
garantendo altissimi standard qualitativi, efficienza, sicurezza, e riducendo al minimo il
rischio di errori.
BIBLIOGRAFIA
Sablayrolles J.M., Dubois C. Manginot C., Roustan J.L.,
Barre P., 1996. Effectiveness of combined ammoniacal
nitrogen and oxygen additions for completion of sluggish
and stuck wine fermentations. J. Ferm. Bioeng. 82: 377381.
Rosenfeld E, Beauvoit B, Blondin B, Salmon JM., 2003,
Oxygen consumption by anaerobic Saccharomyces cerevisiae under enological conditions: effect on fermentation
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Bisson L., Butzke C., 2000, Diagnosis and Rectification of
Stuck and Sluggish Fermentations Am. J. Enol. Vitic. 2000
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Biondi Bartolini A., 2007. Lievito e azoto in primo piano.
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Scrinzi C. 2007. Nutrizione azotata: una case history. VQ,
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Biondi Bartolini A. Fermentazione alcolica e rifermentazione smart. Vignevini, 6, 2015.
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