Fermentescibilità del fruttosio: cause e soluzioni negli arresti di fermentazione
Perché il fruttosio è meno fermentescibile del glucosio?
Il problema degli arresti di fermentazione e delle chiusure di fermentazione stentate mi ha portato a pormi una domanda: quale è lo zucchero che rimane in questi casi? Attraverso ricerche operate sul campo e ricerche operate nella letteratura scientifica sono arrivato alla conclusione che lo zucchero residuo al termine delle fermentazioni è sempre il fruttosio. Cercherò in queste pagine di spiegare perché la scarsa fermentescibilità del fruttosio è il problema di ogni fermentazione alcolica e della maggior parte dei lieviti Saccharomyces cerevisiae.
La fermentazione alcolica ha come substrato due monosaccaridi esosi che sono due isomeri, avendo entrambi peso molecolare di 180 dalton: il glucosio e il fruttosio.
Il glucosio è presente in forma piranosica (esagonale). Il fruttosio è presente in forma furanosica (pentagonale)
L'ingresso degli zuccheri nella cellula del lievito
Il lievito Saccharomyces cerevisiae è un lievito che fermenta molto più facilmente il glucosio rispetto al fruttosio, infatti in letteratura è considerato un lievito glucosofilo.
Il motivo della sua preferenza per il glucosio non risiede nella glicolisi bensì nello step precedente, ovvero nella fase trasporto trans membrana degli esosi, dal mezzo fermentante al citoplasma del lievito, tramite le proteine di membrana “Hexose transporters” il cui acronimo è “Hxt”. Dalla letteratura apprendiamo che sono state individuate 7 principali proteine carrier: Hxt1, Hxt2, Hxt3, Hxt4, Hxt5, Hxt6, Hxt7.
Elenco delle proteine di trasporto (Hxt1-Hxt7)
- Hxt1 è una proteina che ha bassa affinità di trasporto con gli esosi, infatti la sua Costante di Michaelis-Menten (Km) varia da 50 a 100 millimoli/L (mM) quindi da 9 a 18 g/L di esosi. E’ molto attivo ad inizio fermentazione, con zuccheri (esosi) totali attorno a 150 – 250 g/L.
- Hxt2 è una proteina che ha alta affinità di trasporto con gli esosi, infatti la sua Costante di Michaelis-Menten (Km) varia da 1 a 4 millimoli/L (mM) quindi da 0,18 g/L a 0,72 g/L di esosi. Si attiva con tenore di zuccheri tra 50 e 100 g/L.
- Hxt3 è una proteina che ha una bassa affinità di trasporto con gli esosi, infatti la sua Costante di Michaelis-Menten (Km) varia da 30 a 120 millimoli/L (mM) quindi da 5,4 g/L a 21,6 g/L di esosi. Possiamo affermare che questo carrier è attivo durante tutta la fermentazione alcolica, perciò è possibile che questa proteina riesca a svolgere l’intera fermentazione alcolica anche in assenza degli altri carrier. (Molecular Basis of Fructose Utilization by the Wine Yeast Saccharomyces cerevisiae: a Mutated HXT3 Allele Enhances Fructose Fermentationù Carole Guillaume, Pierre Delobel, Jean-Marie Sablayrolles, and Bruno Blondin* Equipe de Microbiologie, UMR Sciences pour l’Oenologie, INRA-ENSAM-UMI, 2 place Viala, F-34060 Montpellier cedex 1, France)
- Hxt4 è una proteina che ha una bassa affinità di trasporto con gli esosi, infatti la sua Costante di Michaelis-Menten (Km) varia da 6 a 15 millimoli/L (mM) quindi da 1,1 g/L a 2,7 g/L di esosi. Questa proteina carrier è più attiva a concentrazioni di 100 g/L di zuccheri esosi.
- Hxt5 è una proteina che ha una media affinità di trasporto con gli esosi, infatti la sua Costante di Michaelis-Menten (Km) varia da 5 a 50 millimoli/L (mM) quindi da 0,9 g/L a 9 g/L di esosi. Lavora a bassi tenori di zuccheri esosi, ovvero minori di 10 g/L.
- Hxt6 è una proteina che ha una alta affinità di trasporto con gli esosi, infatti la sua Costante di Michaelis-Menten (Km) varia da 1 a 4 millimoli/L (mM) quindi da 0,18 g/L a 0,72 g/L di esosi. Lavora bene sulle concentrazioni molto basse di zuccheri esosi, anche inferiori ai 2 g/L.
- Hxt7 è una proteina che ha una alta affinità di trasporto con gli esosi, infatti la sua Costante di Michaelis-Menten (Km) varia da 1 a 4 millimoli/L (mM) quindi da 0,18 g/L a 0,72 g/L di esosi. Lavora alle più basse concentrazioni di zuccheri esosi, ovvero qualche grammo per litro, anche solo frazioni di grammo per il glucosio e 2 - 3 g/L per il fruttosio.
Tabella comparativa dei trasportatori Hexose Transporters (Hxt)
In sintesi, la difficoltà del lievito nel consumare il fruttosio non dipende dalla glicolisi, ma dalla minore affinità dei trasportatori Hxt verso questo zucchero rispetto al glucosio.
L'importanza della proteina Hxt3 per il consumo del fruttosio
La proteina carrier Hxt3 è poco dipendente dalle concentrazioni del glucosio e del fruttosio, per cui viene espressa dal suo gene corrispondente (HXT3) durante ogni fase della fermentazione alcolica.
Rappresentazione della proteina carrier Hxt3 inserita nella membrana cellulare del lievito, responsabile del trasporto degli zuccheri.
La proteina carrier Hxt3 ha la capacità più alta di supportare la fermentazione enologica, essendo espressa indipendentemente dalle condizioni ambientali, e grazie al fatto che mantiene la sua attività anche con un alto contenuto alcolico. Tuttavia, anche questa proteina carrier ha una affinità con il glucosio molto maggiore dell’affinità con il fruttosio.
Confronto della cinetica di consumo del fruttosio. La linea verde indica un lievito con una migliore predisposizione naturale rispetto alla linea nera (arresto).
Durante la fermentazione alcolica il fruttosio non viene consumato in misura pari al glucosio, e questo è dovuto alla minore affinità per il glucosio dei carrier Hxt. Come mostrato nel grafico vi possono essere diversi comportamenti da parte del lievito.
Il fruttosio viene consumato più lentamente all’inizio, quando il glucosio ha la netta precedenza da parte dei carrier (Hxt1-7); dopo di che, quando il glucosio rimane in quantità basse il fruttosio rimane la principale fonte energetica per il lievito e quindi deve necessariamente essere consumato. Nel grafico soprastante il fruttosio viene consumato molto lentamente nella linea nera, e anche quando rimane l’unica fonte di energia, non viene consumato completamente, determinando un arresto fermentativo. La linea rossa nel grafico mostra l’andamento del fruttosio da parte di un lievito con buona capacità fermentativa ma che lascia indietro il fruttosio. La linea verde mostra invece l’andamento del consumo del fruttosio da parte di un lievito con una predisposizione maggiore al consumo del fruttosio.
Questa predisposizione è stata scoperta su diversi ceppi e in un ceppo particolare è stato dimostrato che è l’allele del gene HXT3 a trascrivere una proteina carrier Hxt3 con maggiore capacità di trasportare il fruttosio dentro la cellula del lievito.
Perché la fermentazione del fruttosio è un problema complesso
Molte volte nelle cantine ho avuto modo di assistere a fermentazioni difficoltose, con rallentamenti ed arresti fermentativi anche su mosti non particolarmente ricchi in potenziale alcolico (minore di 13% alcol potenziale).
Spesso il problema della fermentescibilità del mosto non è tanto il grado zuccherino elevato, ma una frazione di fruttosio alta nelle uve di partenza. Ipotizzo che un’uva con 200 g/L di esosi possa avere dinamiche fermentative differenti a seconda che il tenore sia:
· 100 g/L di glucosio e 100 g/L di fruttosio
· 80 g/L di glucosio e 120 g/L di fruttosio.
Nel secondo caso la fermentazione sarà molto più a rischio che nel primo caso.
L’impatto del cambiamento climatico: perché il fruttosio è diventato il protagonista
A causa dell'Antropic Global Warming, il rapporto tra glucosio e fruttosio nelle uve sta subendo un mutamento drastico, scendendo significativamente sotto il valore di 1. Questo fenomeno non è isolato: l’aumento delle temperature globali sta alterando l'equilibrio biochimico dei frutti in ogni angolo del pianeta.
Cosa succede tecnicamente?
Al crescere dei gradi-giorno dopo l'invaiatura, il glucosio viene respirato dalla pianta in misura analoga all'acido malico e all'azoto alfa-amminico. Di conseguenza: * Solo le uve a basso grado di maturità (< 160 g/L di zucchero totale) mantengono un rapporto pari a 1. * Nei mosti con oltre l'11% di alcol potenziale, abbiamo la certezza statistica che il fruttosio domini sul glucosio.
Dobbiamo accettare una nuova realtà enologica: nei mosti odierni, uno zucchero "difficile" e poco fermentescibile come il fruttosio è quasi sempre il componente dominante.
Il mio consiglio è molto semplice: prima di scegliere il lievito cerchiamo di capire quale è il tenore effettivo di glucosio e quello di fruttosio nelle uve.
Tecnicamente, i lieviti 'fruttosofili' non esistono: la definizione corretta è lieviti fruttosio-tolleranti. È importante sottolineare che la tolleranza all'alcol non garantisce automaticamente la presenza di alleli in grado di trascrivere proteine efficienti per il trasporto trans-membrana del fruttosioIo al fine di valutare un lievito utilizzo un metodo empirico di facile esecuzione.
Test pratico per la propensione al fruttosio
1. Su un normale mosto a 200 g/L di esosi (glucosio + fruttosio) aggiungere 100 g/l di fruttosio e inoculare 5 tesi da 1 litro con 5 diversi lieviti “cosiddetti fruttosofili”.
2. Testare quindi l’andamento fermentativo alla temperatura di 20°C, monitorando l’andamento degli zuccheri, del glucosio, dell’acidità fissa, dell’acidità volatile e del pH, nonché la torbidità del mosto in fermentazione.
3. Il lievito che avrà esaurito gli zuccheri completamente con un tenore di acido acetico prodotto inferiore a 0,5 g/L potrà essere considerato un lievito fruttosofilo, o, come trovo più corretto dire, un lievito “con buona propensione a fermentare il fruttosio”.
Spero che una esperienza comune e condivisa possa dare i migliori risultati nel campo dell’applicazione dei lieviti Saccharomyces come pure non Saccharomyces, ad esempio Torula (Identification of a yeast strain as a potential stuck wine fermentation restarter: a kinetic characterization L. Rodríguez-Sifuentes, J.B. Páez-Lerma, O.M. Rutiaga-Quiñones, J.A. RojasContreras, E. Ruiz-Baca, G. Gutiérrez-Sánchez, E. Barrio & N.O. Soto-Cruz).
La gestione del fruttosio è la vera sfida dell'enologia moderna, influenzata anche dal cambiamento climatico. Se hai dubbi sulla scelta del lievito più adatto per i tuoi mosti o vuoi approfondire i risultati del test empirico, contattami per una consulenza tecnica
FAQ sulla Fermentescibilità
Perché il fruttosio resta nel mosto a fine fermentazione?
Perché i lieviti Saccharomyces cerevisiae sono glucosofili e i loro trasportatori Hxt hanno una minore affinità per il fruttosio rispetto al glucosio.
Esistono lieviti fruttosofili?
Tecnicamente no, esistono lieviti "fruttosio-tolleranti" o dotati di alleli del gene HXT3 più efficienti nel trasporto di questo zucchero.
Qual è il rapporto ideale tra glucosio e fruttosio nel mosto?
Nelle uve a bassa maturità il rapporto è solitamente pari a 1. Tuttavia, con l'aumento delle temperature globali, il fruttosio tende a dominare sul glucosio (rapporto < 1), rendendo la fermentazione più rischiosa.
Quale trasportatore Hxt è il più importante per evitare arresti?
La proteina Hxt3 è fondamentale perché viene espressa durante tutta la fermentazione ed è resistente all'alcol. Alcuni ceppi hanno varianti (alleli) di Hxt3 con una capacità superiore di trasportare il fruttosio.
Come si può testare se un lievito è davvero "fruttosio-tollerante"?
Attraverso un test empirico che prevede l'aggiunta di 100 g/L di fruttosio puro a un mosto standard da 200 g/L, monitorando che il lievito esaurisca gli zuccheri con una produzione minima di acidità volatile.
