BIOCHIMICA DELLA FERMENTAZIONE ALCOLICA

Presentazione sul tema: "BIOCHIMICA DELLA FERMENTAZIONE ALCOLICA"— Transcript della presentazione:

1 BIOCHIMICA DELLA FERMENTAZIONE ALCOLICA
LA FERMENTAZIONE ALCOLICA è un processo complesso in cui oltre alla trasformazione degli zuccheri (glucosio e fruttosio) in etanolo e anidride carbonica altri processi biochimici, chimici e fisico-chimici intervengono per trasformare il succo d’uva in vino. PRODUZIONE DI ALTRI COMPOSTI: Alcoli superiori, esteri, glicerolo, acido succinnico, diacetil, acetoina e 2,3-butandiolo. Diversi LIEVITI partecipano al processo di fermentazione, il Saccharomyces cerevisiae predomina per la sua elevata resistenza ad elevate conc di etanolo. La presenza anche di altre specie di lievito nel vino stesso può causare difetti organolettici; e determinare la composizione finale in maniera positiva o negativa a seconda del tipo di lievito cresciuto RIMEDIO: Aggiunta di biossido di zolfo e inoculazione di ceppi selezionati di lieviti secchi

2 CICLO DI CRESCITA DEI LIEVITI
Se non vengono inoculati lieviti la popolazione iniziale è circa 104 cellule/mL Dopo inoculazione è circa 5 x 106 cellule/mL La fase esponenziale di crescita ( cellule/mL per 3-6gg) è influenzata dalla T, da nutrienti (come ammoniaca, aa ) e dalla presenza di O2 La fase quasi-stazionaria in cui la pop. di lieviti rimane stabile può durare da 2 a 10gg Durante la fase di declino i lieviti muoiono per mancanza di nutrienti e perché l’etanolo e altre sostanze prodotte durante la ferm alcol. sono tossiche per loro Il successo di una fermentazione alcolica dipende dal mantenere la popolazione di lieviti vitali a livelli sufficienti finché tutti gli zuccheri fermentabili sono stati pienamente consumati per evitare problemi di lenta fermentazione

3 MECCANISMO BIOCHIMICO DELLA GLICOLISI

4 FERMENTAZIONE E RESPIRAZIONE
I lieviti (microorganismi anaerobi facoltativi) possono consumare zuccheri utilizzando due differenti pathways metabolici: RESPIRAZIONE E FERMENTAZIONE 36-38 molecole di ATP 2molecole di ATP La respirazione è un processo più vantaggioso per i lieviti in termini di energia ma necessita di ossigeno ed è inibito da alte conc di zuccheri

5 FERMENTAZIONE ALCOLICA
Quando il succo d’uva inizia a fermentare, Saccharomyces cerevisiae indirizza il piruvato a produrre etanolo allo scopo di rigenerare il NAD+ consumato dalla glicolisi Presenti tre isoenzimi dell’alcool deidrogenasi nei Saccharomyces cerevisiae, ma l’isoenzima I è quello responsabile della conversione di etanale in etanolo; l’alcool deidrogenasi utilizza zinco come cofattore Entrambi i prodotti finali della fermentazione, etanolo e CO2, sono trasportati fuori dalla cellula per diffusione semplice

6 Reazione catalizzata dall’alcol deidrogenasi

7 FERMENTAZIONE GLICEROPIRUVICA
Genera glicerolo come prodotto finale La fermentazione di glucosio in presenza di solfiti produce elevati livelli di glicerolo: i solfiti si legano a l’etanale prevenendo la rigenerazione di NAD+ via alcool deidrogenasi per cui il pathway alternativo della fermentazione gliceropiruvica è necessario per compensare il deficit di NAD+ La produzione di glicerolo consuma ATP necessaria per compensare lo squilibrio redox della cellula Si attiva nelle prime fasi di ferm. quando i lieviti sono nella fase esponenziale di crescita ed hanno bisogno di piruvato per aumentare la loro biomassa I lieviti producono glicerolo come protettore contro alte pressioni osmotiche Il Glicerolo è il terzo componente del vino (dopo l’etanolo e l’acqua) conc 6-10 g/L e conferisce sensazioni dolci al palato

8 METABOLISMO DELL’AZOTO
I lieviti hanno bisogno di azoto per sintetizzare la biomassa Azoto facilmente assimilabile (EAN): ammoniaca ed amminoacidi (ad eccezione della prolina) Succo d’uva povero di ammoniaca e amminoacidi per cui si aggiungono Sali d’ammonio Conc di EAN più basse di 130 mg/L influenzano il corretto sviluppo della fermentazione alcolica Conc elevate di azoto portano alla presenza di residui di azoto non assimilabile nel vino che è un fattore di instabilità microbiologica e può favorire la produzione di etil carbammato e amine biogene Gli aa possono essere direttamente usati per sintetizzare proteine La perdita di EAN porterebbe i lieviti ad usare aa sulfidrici (cisteina e metionina)rilasciando solfiti e mercaptano che determinano cattivi odori

9 OSSIGENO E BIOSINTESI LIPIDI
Durante la fase di crescita, mentre la moltiplicazione cellulare è attiva, i lieviti hanno bisogno di costruire nuove membrane plasmatiche I lieviti devono sintetizzare grandi quantità di steroli, acidi grassi e fosfolipidi durante le prime fasi della fermentazione alcoolica Gli steroli sono sintetizzati attraverso il pathway del mevalonato: Reazioni chiave trasformazione dello squalene in squalene 2,3 eposside con ossigeno come substrato Produzione di ergosterolo il principale sterolo in Saccharomyces cerevisiae In assenza di O2 il pathway è bloccato

10 SINTESI DI ERGOSTEROLO NEI LIEVITI

11 SINTESI DI ACIDI GRASSI NEI LIEVITI
Complesso multienzimatico: SINTETASI DEGLI ACIDI GRASSI Produzione di acido palmitico da cui vengono sintetizzati altri ac. Grassi (SFA) Ac. Grassi non saturi (UFA) avviene in presenza di O2 da parte dell’enzima OLE1 attivato da basse T Ac. Grassi usati per sintetizzare fosfolipidi che vengono inseriti nelle membrane plasmatiche L’Aerazione del succo d’uva è raccomandata durante la fase esponenziale di crescita allo scopo di sostenere i lieviti a costruire le loro membrane ed evitare problemi di fermentazione

12 FLUIDITA’ DELLA MEMBRANA
ECCESSIVA RIGIDIDITA’ previene il corretto funzionamento dei sistemi di trasporto cellulare ECCESSIVA FLUIDITA’ altera l’organizzazione e le proprietà dinamiche del doppio strato fosfolipidico T e CONC ETANOLO influenzano la fluidità di membrana - nella preparazione del vino bianco i lieviti Saccharomyces cerevisiae si sviluppano a basse T che riducono la fluidità di membrana; per mantenere un’adeguata fluidità i lieviti aumentano la proporzione di UFA nei fosfolipidi (maggiore fluidità) - nella preparazione del vino rosso la fermentazione avviene ad alte T ( °C) e in condizioni aerate per aumentare l’estrazione del colore Sotto normali condizioni di fermentazione del bianco il succo d’uva è povero di ac. grassi e la ferm. avviene in condizioni ipossiche per cui la fluidità di membrana viene ottenuta incorporando acidi grassi a catena media (MCFA) nei fosfolipidi di membrana (l’effetto di una corta catena è simile a quello del doppio legame di una catena pesante) L’etanolo altera la fluidità di membrana per cui i Saccharomyces cerevisiae aumentano la lo proporzione di steroli e UFA per compensare tale effetto (possibile durante la produzione del vino rosso che avviene in condizioni di aerazione mentre in quella del bianco l’assenza di O2 rende difficile ai lieviti l’adattamento all’etanolo)

13 PROBLEMI DELLA FERMENTAZIONE
ELEVATA CONC DI ZUCCHERI inibisce i lieviti. Negli ultimi stadi della ferm. una elevata conc di etanolo può alterare il pieno consumo di zuccheri. Rimedio: usare lieviti con alta resistenza all’etanolo T ESTREME: troppo bassa problemi di crescita dei lieviti; troppo alta (> 30°C) rischio di blocco della ferm. Variazioni brusche comportano rigidità della membrana. Indispensabile controllo termico della ferm. ANAEROBIOSI COMPLETA: ossigeno necessario per sintetizzare ergosterolo e MCFA. L’aerazione è raccomandata durante la fase esponenziale di crescita. CARENZA DI NUTRIENTI attivatori di lieviti (Sali di ammonio) aggiunti ad inizio/fase stazionaria/fine della ferm. PRESENZA DI SOSTANZE ANTIFUNGINE PRESENZA DI MCFA può diminuire la vitalità dei lieviti e fermare la ferm. Le scorze di lievito vengono aggiunte per evitare tale problema in quanto assorbono i MCFA e forniscono steroli e UFA ai lieviti ANTAGONISMO TRA MICROORGANISMI che competono per i nutrienti (Sacc. Cerevisae, lieviti autoctoni e batteri) RISOLUZIONE PROBLEMI: abbondante aerazione e scorze di lievito, se la fermentazione si ferma il lievito deve essere rinoculato

14 SOTTOPRODOTTI DELLA FERMENTAZIONE ALCOLICA

15 DIACETILE, ACETOINA E 2,3-BUTANEDIOLO: il piruvato si trasforma in acetolactato che a seguito della decarb. ox forma diacetile o acetoina nel caso di decarb. non ox. Acetoina poi ridotta a 2,3-butandiolo (reaz. reversibile). Acetoina e diacetile sono responsabile dell’aroma di burro. ETANALE (ACETALDEIDE) intermedio della ferm, deriva dalla decarb. del piruvato, ridotto poi ad etanolo anche se parte di esso viene rilasciato nel vino. ACIDO ACETICO principale ac volatile del vino. Odore di aceto e sensazione sgradevole al palato. Quantità normalmente prodotta dai lieviti 0,1-0,3 g/l, un’elevata produzione di ac. acetico (prodotta anche da batteri acetici) può essere dovuta allo sviluppo di patologie lattiche o perché i lieviti ne producono di più rispetto a quello derivante dall’idrolisi di Acetil CoA. ALCOOL SUPERIORI prodotti dalla deviazione del metabolismo di aa, prodotti quando i chetoacidi sono decarbossilati e ridotti; conferiscono proprietà sensoriali. ESTERI sintetizzati da acil-CoA e alcoli da parte di enzimi alcol-acilCoA transferasi. Ne sono di due tipi: acetati degli alcool sup (odore di rosa, banana ecc) e gli esteri degli ac grassi ed etanolo (aroma fruttata) ACIDO ASUCCINNICO terzo prodotto della ferm in conc 0,6-1,2 g/l, derivante secondo alcuni autori dal ciclo di Krebs. Contribuisce all’acidità del vino.