Selección de levaduras nativas para la producción de vinos – Una revisión

Ana Palacios

Ana Palacios

Angélica Zegarra

Angélica Zegarra

Aybel Almanza

Aybel Almanza

Bertha Morales

Bertha Morales

Revista Científica SCIENTIA, Vol 1. Julio 2020

scientiaunalm@gmail.com

Lima, Perú

Disponible Online en www.journalscientia.com/larevista

Artículo de revisión

Selección de levaduras nativas para la producción de vinos – Una revisión

Aybel Almanza1, Ana Palacios2, Bertha Morales1, Angélica Zegarra1

1Universidad Nacional Agraria La Molina

2Universidad Nacional Mayor de San Marcos

Resumen: La industria vinícola lleva a cabo un conjunto de procesos que están orientados a la obtención de vinos de calidad. Para ello, se consideran importantes las características organolépticas de los vinos como el aroma, sabor y color. La fermentación alcohólica es el punto clave del proceso productivo, llevado a cabo por la acción de las levaduras, las cuales son las encargadas de transformar los azúcares en etanol. Entre las levaduras empleadas en la fermentación, el género Saccharomyces presenta mayor importancia industrial, debido a las características que otorga a los vinos. Por ello, resulta importante el estudio de la aplicación de los criterios de selección de levaduras, ya que se determinan las características que aportan las diferentes cepas de levaduras con la finalidad de obtener mejores resultados en la producción de vinos.

Palabras claves: Levaduras, Saccharomyces cerevisiae, fermentación alcohólica, selección, no Saccharomyces

Abstract: The wine industry carries out a set of processes that are aimed at obtaining quality wines. To this end, the organoleptic characteristics of wines such as aroma, taste and colour are considered important. The alcoholic fermentation, is the key point of the productive process, carried out by the action of the yeasts, which are the ones in charge of transforming the sugars into ethanol. Among the yeasts used in fermentation, the Saccharomyces genus is of greater industrial importance, due to the characteristics it gives to the wines. It is therefore important to study the application of yeast selection criteria, since the characteristics contributed by the different yeast strains are determined in order to obtain better results in wine production.

Keywords: Yeast, Saccharomyces cerevisiae, alcoholic fermentation, selection, non-Saccharomyces

Introducción

El vino es uno de los productos más importantes en la industria de bebidas alcohólicas fermentadas por levaduras y, hasta entonces, ha comprendido el 11% del volumen total de bebidas a nivel mundial. En la última década, la industria vinícola ha venido progresando a nivel mundial y en el 2018 se reportó que fue uno de los más productivos desde que empezó el siglo, con una producción de 292 millones de hectolitros [1]. 

Existe una gran diversidad de vinos con características organolépticas diferenciales que son el resultado de la interacción de la variedad de uva empleada, la cepa de levadura seleccionada y las condiciones del proceso de fermentación [2]

En la actualidad, se vienen desarrollando diferentes estrategias para mejorar u optimizar la producción de los vinos. Entre las estrategias que se vienen aplicando, se mencionan el aislamiento y selección de cepas nativas a través de técnicas de biológica molecular y microbiología enológica, así como también la ingeniería metabólica.

Papel de las levaduras en la producción de vinos

Las levaduras son hongos unicelulares microscópicos ampliamente distribuidos que tienen un metabolismo aeróbico como fermentativo [3]. Utilizan el metabolismo aeróbico para producir gran cantidad de biomasa y una vez que las concentraciones de oxígeno disminuyen, realizan un proceso fermentativo generando diversos productos tales como etanol, alcoholes superiores, aldehídos, ácidos grasos, ésteres, compuestos azufrados, entre otros.

Las levaduras se encuentran ubicadas en la superficie de las uvas y cumplen un rol importante en la fermentación para dar origen a la producción del vino. Cabe resaltar que Saccharomyces cerevisiae es la especie más abundante, ocupando aproximadamente el 30-40% de la población total [4]. El papel de esta levadura está ampliamente reportado ya que tienen la capacidad de fermentar azúcares incluso en la presencia de oxígeno y tienen un alto grado de tolerancia al estrés osmótico causado por el alto contenido de azúcares al inicio de la fermentación, al pH ácido del mosto y a altas concentraciones de alcohol en las etapas finales de la fermentación [5].

Las levaduras no Saccharomyces también se encuentran en el mosto en menores cantidades, las cuales inicialmente no eran preferidas debido a que generaban algunos cambios en las características organolépticas favorables, sin embargo, se ha demostrado que son capaces de generar metabolitos favorables como pectinasas, enzimas que ayudan con el aclaramiento del vino [4].

Saccharomyces y no Saccharomyces

Las levaduras Saccharomyces y no Saccharomyces se encargan de liberar enzimas capaces de transformar compuestos neutros de bayas de uva en compuestos aromáticos activos (alcoholes, ésteres, aldehídos, compuestos volátiles sulfurados, etc.), mejorando los atributos sensoriales de los vinos [6].

La clasificación de levaduras considera que las especies S. cerevisiae, S. bayanus, S. paradoxus, S. pastorianus, S. cariocanus, S. kudriazevii, S. mikatae y S. arboricolus

forman un primer grupo de Saccharomyces en sentido estricto, ya que resultan imposible de ser diferenciadas entre sí. El segundo grupo de Saccharomyces  está formado por las especies S. exiguus, S. castelli, S. servazzii y S. unisporus  y el tercer grupo por la especie S. kluyveri [7]. La levadura S. cerevisiae presenta el metabolismo fermentativo más eficiente llevando a cabo la mayor parte del proceso fermentativo [3]. Así que, el empleo de diferentes cepas de S. cerevisiae permite obtener vinos con diferentes composiciones químicas (variaciones en la producción de glicerol, etanol o ácido acético, así como perfiles sensoriales y aromáticos distintos) [8].

Las denominadas en conjunto como no Saccharomyces, son llamadas también levaduras de bajo poder fermentativo y pertenecen a los géneros Hanseniaspora, Kloeckera, Candida, Debaryomyces, Dekkera, Metschnikowia, Pichia, Torulaspora y Zygosaccharomyces [3]

Proceso de fermentación

La fermentación alcohólica es un proceso complejo realizado por levaduras y bacterias autóctonas del mosto que consiste en la transformación bioquímica de los azúcares en etanol y dióxido de carbono mediante la vía metabólica conocida como Embden-Meyerhof o vía glucolítica [9]. Durante este proceso, participan diversos géneros de levaduras tales como Candida, Hanseniaspora y Brettanomyces, las cuales aportan características organolépticas al vino, sin embargo, el género fermentador por excelencia es Saccharomyces, quien además se destaca por su tolerancia a altas concentraciones de etanol [10].

La importancia del proceso de fermentación no solo radica en la producción de etanol sino en los diferentes metabolitos secundarios que se forman y brindan características favorables que influyen en la calidad del vino.

La producción de estos metabolitos ocurre en dos etapas. En la primera etapa, donde hay presencia de oxígeno, se sintetizan gran parte de los aldehídos, mientras que, en la segunda etapa, donde se intensifica la temperatura y el pH, se generan los acetales y cetales. La formación de alcoholes superiores se da mediante la ruta de metabolismo de Ehrlich y su importancia radica en brindar la mayoría de sustancias aromáticas a los vinos [3].

En la mayoría de los vinos, los responsables del olor y sabor son principalmente alcoholes y ésteres. Los alcoholes no tienen un olor acentuado pero cuando se diluyen refuerzan el aroma mientras que los ésteres de cadena corta brindan el olor frutal de vinos jóvenes [11].

La fermentación alcohólica (FA) puede ocurrir de tres formas [12]. Una de ellas es la fermentación espontánea, la cual se realiza desde la microbiota natural de la superficie de las uvas. Durante este proceso, habrá una sucesión de cepas de levaduras de acuerdo a las condiciones del mosto. Inicialmente, cuando el grado de alcohol es bajo, predominan las levaduras apiculadas o no Saccharomyces como Candida, Rhodotorula, Hanseniaspora, Pichia y Metschnikowia spp [13]. Sin embargo, a medida que progresa, el ambiente se torna más selectivo y la dominancia de cepas de S. cerevisiae prospera [14]. 

La única desventaja de esta forma de fermentación es que el proceso es poco reproducible.

La segunda forma de FA se produce adicionando levadura seca activa (LSA), la cual convierte el proceso de fermentación fácilmente reproducible, pero le quita las características esenciales de un vino artesanal.

Es por lo que, en la actualidad, se ha optado por  realizar la tercera forma de FA mediante la inoculación de levaduras nativas seleccionadas, lo cual resulta ventajoso debido a que el proceso se vuelve fácilmente reproducible sin restarle el carácter único y propio que brindan los microorganismos nativos [12].

Factores que intervienen en el proceso de fermentación

El cultivo ‘starter’ o iniciador es importante debido a que le atribuye el sabor y aroma final al vino que se quiere producir [2]. Se debe tomar en cuenta  dos importantes factores en la producción enológica espontánea: La cantidad de sustrato o azúcares que se encuentren presentes y la concentración de etanol que va progresando [5].

La temperatura durante la fermentación es otro parámetro importante ya que afecta el tiempo del proceso dependiendo del vino que se desea producir. Por ejemplo, en el caso de los vinos rojos, la fermentación se realiza a 18-30°C y se completa dentro una semana mientras que el vino blanco, solo necesita entre 12 a 18°C [1]. Otro factor importante es la disponibilidad de oxígeno,  es recomendable que haya bajas concentraciones de oxígeno para una fermentación exitosa [14].

Criterios de selección de levaduras 

Durante la selección de cepas de levaduras, se deben considerar las propiedades fisiológicas de mayor impacto durante el proceso de fermentación [13].

a) Consumo de azúcares:

El agotamiento de los azúcares es indispensable para lograr un correcto equilibrio del vino, por ello, es importante que las levaduras sean capaces de consumir la suficiente cantidad de azúcares en un período óptimo, permitiendo que la fermentación se realice y no se detenga, de lo contrario, se obtendrá un vino con tendencia a un sabor dulce [15].

b) Rendimiento alcohólico:

Es el valor del consumo de azúcares (g/l) por parte de las cepas de levaduras para producir 1% de alcohol etílico [13]. Las levaduras con rendimientos alcohólicos bajos presentarán un mayor consumo de azúcares para producir etanol, mientras que las levaduras con un rendimiento alto requerirán un menor consumo de azúcares y serán capaces de producir mayor cantidad de etanol [16].

c) Producción de ácido acético:

Se relaciona principalmente con la acidez volátil y determina la calidad organoléptica de los vinos. La generación excesiva de ácido málico (90% de los ácidos totales), ocasiona que los vinos presenten un gusto avinagrado. Por ello, se prefiere emplear cepas de levaduras que producen menores valores de acidez volátil (0,2-0,4 g/l) [15].

d) Actividad sulfito reductasa: El ácido sulfhídrico (H2S) es un compuesto volátil presente en bebidas fermentadas como el vino. El H2S y sus derivados provocan olores desagradables en el vino, lo cual influye negativamente en la percepción sensorial. También se conoce que la reducción del nitrógeno y vitaminas incrementa la capacidad de las levaduras de producir H2 Por ello, se recomienda la aplicación de cepas de levaduras que generen una cantidad menor o nula de H2S durante los procesos de fermentación [17].

e) Factor killer: Es importante que las levaduras iniciadoras de los procesos de fermentación controlados presenten el fenotipo killer, ya que les otorga una ventaja competitiva en comparación con las cepas sensibles de su especie u otras, en procesos industriales. Por ello, es importante la selección de cepas de levaduras productoras de toxinas killer [13].

f) Metabolismo del nitrógeno: El contenido de este elemento influye en la velocidad de los procesos de fermentación. Además, estimula el consumo de azúcares por parte de las levaduras. Así, los niveles bajos de nitrógeno se relacionan con menores niveles residuales de azúcares en los vinos, y altos niveles de nitrógeno se relacionan con la incapacidad de las levaduras de agotar los azúcares del mosto [15]

g) Metabolismo del ácido málico: Las cepas de levaduras pueden ocasionar cambios en el metabolismo del ácido málico, lo cual ocasiona un problema en el contenido de acidez en los vinos, reduciendo los niveles de acidez luego de ser embotellados.

Por ello, es importante la búsqueda de cepas de levaduras que no alteren el contenido inicial de ácido málico del mosto [13].

Aplicaciones y perspectivas futuras de las levaduras

Las levaduras tienen una relación de larga data con la humanidad desde la producción de diversos alimentos, bebidas, combustibles hasta la producción de medicamentos. Los principales avances en la producción de alcohol, bioetanol, cerveza y vino están relacionados a bioprocesos, que involucran a las levaduras del género Saccharomyces, sin embargo, la creciente demanda de nuevos productos ha abierto las puertas a diversas levaduras, incluidas cepas no Saccharomyces como Brettanomyces bruxellensis, Torulaspora delbrueckii, Scheffersomyces spp. y Spathaspora spp. [1]

El etanol carburante es el mayor producto biotecnológico de importancia mundial. Este bioetanol es derivado de la fermentación de levadura que representa aproximadamente el 80% de la producción mundial de combustibles renovables [18]. Brasil es el mayor productor a nivel mundial de etanol, a partir de la caña de azúcar y seguido de EE. UU a partir del maíz. La búsqueda de cepas que utilicen directamente el almidón del maíz y cepas con alto rendimiento de alcohol es una de las tendencias de las últimas investigaciones [1].

Por otro lado, la diversificación organoléptica de la cerveza busca especies de levadura diferentes a las utilizadas en el proceso de fermentación tales como Saccharomyces pastorianus y S. cerevisiae

que resalten la producción de compuestos que den identidad a la cerveza a través de las diferentes características organolépticas obtenidas según la cepa de levadura empleada en el proceso. Estos compuestos son principalmente alcoholes superiores, ésteres, ácidos orgánicos, aldehídos, compuestos carbonílicos y sustancias terpénicas. Entre los compuestos volátiles producidos por el metabolismo de la levadura, los alcoholes superiores y los ésteres que confieren a la cerveza un aroma frutal, de plátano, manzana o flor, son los más investigados. En este contexto, ya sea mediante la construcción de nuevos híbridos [1,19] o mediante la selección de levaduras silvestres, surgen nuevas levaduras con perfiles metabólicos ligeramente distintos capaces de generar ésteres y compuestos fenólicos que confieren al producto final características organolépticas distintivas. La gran diversidad de las levaduras nativas utilizadas no sólo en la elaboración de cerveza sino también en la de vino ha generado la selección de nuevos sabores y aromas, que dan autenticidad al producto final [18,20].

Asimismo, la industria del vino enfrenta una tendencia desafiante debido a los continuos avances en la biología de la levadura y la tecnología de la fermentación para la adaptación a un mercado cambiante como el desarrollo de nuevos productos basados en la aplicación de nuevas cepas de levaduras Saccharomyces y no Saccharomyces [21].

También la aplicación de cepas nativas seleccionadas diferentes de S. cerevisiae tiene influencia en el aroma, mostrando diferencias significativas en la composición básica del vino, así como la concentración de alcohol, pH, acidez volátil y SO2, variables que diferencian la inoculación de distintas cepas. Asimismo la inoculación secuencial de distintas cepas de Schizosaccharomyces pombe y Lachancea thermotolans han mostrado un efecto positivo en muchos parámetros de la fermentación, incluyendo producción de glicerol, ácido acético, contenido de acidez, evaluación sensorial, color y contenido antociánico, demostrando que el uso combinado de cepas complementarias puede servir como una alternativa interesante a la producción tradicional [1].

Técnicas de hibridaciones interespecíficas para producir nuevos fenotipos, con un enfoque de organismos no modificados genéticamente (OMG) son las más utilizadas. Este enfoque abre posibilidades de mejora de las cepas tradicionales para ciertos caracteres como tolerancia al etanol y a estreses abióticos como la temperatura, así también nuevos cualidades como la baja producción de acidez volátil y acetato de etilo a partir de mostos con alto contenido de azúcares [18]. Prueba de ello es la aparición de la especie S. pastorianus, el híbrido más famoso de su género, a partir de un cruce entre S. cerevisiae y Saccharomyces eubayanus [20].

Un grupo de levaduras no Saccharomyces, fueron identificadas mediante análisis de PCR de las regiones ITS comprendida entre la secuencia 5.8S rRNA del ITS1 y el ITS2, confirmadas por Sanger-sequencing [22]. De ese grupo, Torulaspora delbrueckii, es la cepa más comercializada y utilizada a nivel industrial [20]. Además, Brettanomyces bruxellensis, también ocupa una posición destacada en la producción de cerveza y vino. De hecho, a diferencia de B. bruxellensis, T. delbrueckii otorga cualidades organolépticas más favorables al vino. Una de las características más atractivas de esta levadura para la industria del vino es que produce concentraciones muy bajas de ácido acético, además, el zumo de uva, al ser fermentado por esta levadura, tiende a generar un vino con menor contenido de alcohol y mayor concentración de glicerol, lo que se ajusta a la preferencia del consumidor por vinos tintos bien estructurados y con cuerpo, procedentes de uvas con mayor madurez. T. delbrueckii también aumenta el nivel de ésteres de frutos secos, tioles y terpenos en el producto final, lo que afecta a las propiedades aromáticas del vino [23].

Conclusión

En conclusión, se resalta el papel de las levaduras en la fermentación alcohólica y su potencial para brindar diversas características organolépticas favorables que hacen única a cada variedad de vino. Además, se destaca la participación de Saccharomyces cerevisiae como la principal levadura utilizada en la producción de vinos debido a sus propiedades enológicas. La aplicación de los criterios de selección de levaduras es de vital importancia ya que asegura mejores resultados en la obtención de sabores, aromas y consistencia de los vinos. Aunque en la actualidad, se vienen desarrollando técnicas moleculares en la selección de cepas de levaduras, los organismos no modificados genéticamente son los más utilizados.

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