Yeasts Unleashed: The Secret Life and Science Behind Winemaking
Alcoholic fermentation is a complex and multifaceted process influenced by various factors including grape variety, antifungal treatments, climatic conditions, and viticultural practices. The initial yeast population in grape juice is crucial, as it sets the stage for the succession of yeast species throughout fermentation. While many wineries use selected dry yeasts to ensure a controlled fermentation process, some traditional wine cellars prefer spontaneous fermentation, believing it imparts greater complexity to their wines. Understanding these initial conditions and preferences provides valuable context for the intricate biochemical and physicochemical transformations that turn grape juice into wine.
Yeast Growth: From Grape Juice to Fermentation Powerhouse
At the beginning of the winemaking process, yeasts start to metabolize the sugars and other nutrients present in the grape juice. These microorganisms use all available nutrients to obtain energy and increase their population. Figure 1.1 shows the classic yeast growth cycle under standard conditions. Initially, the yeast population does not increase; this is known as the latency phase, during which yeasts adapt to the new environmental conditions. If no yeasts are inoculated, the population starts at around 10,000 cells/mL, though this can be higher if the grapes have been affected by gray rot or other fungal plagues. In contrast, inoculation with selected dry yeasts boosts the initial population to around 5,000,000 cells/mL [1].
1.1 Yeasts Growth Cycle [1]
Once adapted, yeasts enter the exponential growth phase, which can last from 3 to 6 days, where their population rapidly increases, heavily influenced by temperature, ammonia, amino acids, and other nutrients, and by the oxygen presence. During this phase, the yeast population can soar to 10,000,000 – 100,000,000 cells/mL. Temperature plays a crucial role here; for instance, optimal temperatures for yeast multiplication range between 25-30°C. This phase is critical for initiating a robust fermentation process, as yeasts transform the must's sugars into ethanol and carbon dioxide. Any deviation in nutrient levels or temperature can hinder yeast growth and fermentation kinetics, potentially leading to sluggish or stuck fermentations [1] [2] [3].
After the exponential growth phase, yeasts enter the quasi-stationary phase, where their population stabilizes due to nutrient depletion. This phase can last from 2 to 10 days. During this period, yeasts remain metabolically active but do not increase in number. Eventually, the decline phase begins, characterized by a gradual decrease in yeast population due to a lack of nutrients and the toxic effects of ethanol and other fermentation byproducts. It is during this phase that maintaining yeast viability is crucial to ensure complete fermentation of all sugars. A high ethanol concentration can inhibit yeast activity, reducing their ability to ferment remaining sugars [1] [2] [3].
Glycolysis: The Sugar Rush Behind Every Fermentation
The word glycolysis comes from the Greek terms γλυκύς (glucus = sweet) and λύσις (lysis = rupture), referring to the process of breaking down glucose. Glycolysis is the intracellular transformation of glucose (and fructose) into pyruvate, the first step in carbohydrate catabolism for most organisms. This biochemical pathway occurs entirely within the cytoplasm and was fully described in 1940 by Gustav Embden, Otto Meyerhof, and Jacob Parnas, hence the name Embden-Meyerhof-Parnas pathway (EMP). Glycolysis is the primary pathway for sugar catabolism in yeasts, involving a series of 11 chemical reactions that break down hexoses and release energy in the form of ATP (Fig.1.2) [1].
Please don't lose interest—while there are some unavoidable scientific terms (explained, we promise!), think of them as the secret ingredients in our recipe for delicious wine!
1) ATP, or Adenosine TriPhosphate, is the main energy carrier in cells. It provides the necessary energy for many cellular processes.
2) NADH, or Nicotinamide Adenine Dinucleotide, is a carrier of electrons and Hydrogen. It is the reduced form of NAD and carries electrons. It plays a crucial role in energy production and maintaining the balance of oxidation and reduction (redox balance) in the cell.
3) NAD+ is the oxidized form of NAD, and acts as an electron acceptor in redox reactions. It is necessary for glycolysis to continue, because it helps to accept electrons during the breakdown of glucose.
During glycolysis, each molecule of glucose or fructose is converted into 2 molecules of pyruvate. This conversion generates 4 ATP molecules and 1 NADH molecule. Although 4 ATP molecules are produced during glycolysis, 2 ATP molecules are consumed in the initial steps of the pathway, resulting in a net gain of 2 ATPs per molecule of glucose or fructose. This process is essential for yeasts to obtain energy under both aerobic (with oxygen) and anaerobic (without oxygen) conditions. Glycolysis not only provides energy but also produces pyruvate, which can enter various metabolic pathways depending on the cell’s needs. For yeasts, it is crucial to regenerate NAD+ from NADH to maintain the cell’s redox balance. This regeneration can occur through Fermentation or Respiration, explained later, ensuring continuous ATP production and cellular function [3].
In the absence of oxygen, yeasts convert pyruvate to ethanol and carbon dioxide during fermentation, which regenerates NAD+ from NADH, allowing glycolysis to continue. Under aerobic conditions, pyruvate enters the mitochondria, which are the powerhouses of the cell, and is further metabolized in the Krebs cycle. The Krebs cycle (Citric Acid Cycle) is a series of chemical reactions used by all aerobic organisms to generate energy through the oxidation of acetate into carbon dioxide. This process produces more ATP and is vital for the cell’s energy supply. Understanding glycolysis is fundamental to comprehending how yeasts function during fermentation, transforming grape sugars into the alcohol and flavors that define a wine [5].
1.2 Biochemical Mechanism of Glycolysis [1].
Fermentation vs. Respiration: The Yeast's Double Life
Yeasts are fascinating microorganisms because they can metabolize sugars either aerobically (with oxygen) or anaerobically (without oxygen). This dual capability classifies them as facultative anaerobes. They utilize two different metabolic pathways: Respiration (Aerobic) and Fermentation (Anaerobic). Both pathways begin with glycolysis, which breaks down glucose or fructose into pyruvate [1].
During alcoholic fermentation, which occurs anaerobically, pyruvate is converted into ethanal (acetaldehyde) and carbon dioxide by the enzyme pyruvate decarboxylase. Subsequently, ethanal is reduced to ethanol. This entire process occurs in the cytoplasm and regenerates NAD+ (a molecule necessary for glycolysis to continue) while yielding a modest energy gain of 2 ATP molecules per sugar molecule metabolized. The main products of Fermentation are Ethanol and Carbon Dioxide [1].
In the presence of oxygen, the process is different and is known as Respiration (Aerobic). Pyruvate can be transformed into a molecule called acetyl-CoA and carbon dioxide. This reaction also produces NADH (helps generate energy). Acetyl-CoA then enters the Krebs cycle, where it is further broken down into carbon dioxide, while generating more NADH and another energy molecule called FADH2 (Flavin Adenine Dinucleotide). These molecules are crucial because they carry electrons to the respiratory chains, where oxygen is used to produce water and a significant amount of energy (36 to 38 ATP molecules per sugar molecule). Thus, the main products of Respiration are Carbon Dioxide and Water, along with a much higher energy yield compared to fermentation. However, respiration needs oxygen and can be inhibited by high sugar concentrations, which is common in grape must [1] [5].
Understanding the transformation of pyruvate into either Ethanal (for Fermentation) or Acetyl-CoA (for Respiration) is key to regulating yeast metabolism during winemaking. This regulation determines whether the yeast will follow the Fermentation pathway, producing Alcohol, or the Respiration pathway, generating more energy but no alcohol. Such knowledge helps winemakers optimize fermentation conditions to produce high-quality wines [2].
1.3 Fermentation and Respiration [1].
Balancing Acts: Unraveling the Pasteur and Crabtree Effects
Louis Pasteur discovered that when yeast is exposed to air, the production of yeast cells (biomass) increases, but slows down the consumption of sugar and the production of ethanol. This phenomenon is known as the Pasteur Effect. Think of it like this: Respiration (using oxygen to produce energy) needs a lot of ADP (Adenosine DiPhosphate) inside the mitochondria, as a subtract for Oxidative Phosphorylation. This process produces ATP, which is the cell's energy currency. When yeast is respiring, it uses up ADP and inorganic phosphate in the cell's fluid (cytoplasm), reducing the amount of sugar that can enter the cell. This shift from fermentation (producing ethanol without oxygen) to respiration (producing more energy with oxygen) results in no ethanol production [1].
Now, as if all the previous ones were not already enough, there is a twist. Even when there is oxygen, Saccharomyces cerevisiae, the main yeast in winemaking, will not ferment if the sugar concentration of the medium is higher than 9 g/L. This was first described by Crabtree in 1929 and is known as the Crabtree Effect or catabolic repression by glucose. In environments with a lot of sugar, like grape juice, the yeast's mitochondria start to break down, and the enzymes needed for the Krebs Cycle and respiration are repressed. This means that even with oxygen, the yeast is forced to ferment sugars!! This is crucial for winemaking because it ensures that ethanol production continues consistently, which is what winemakers want for creating wine [6].
Under low sugar conditions and with oxygen present, Saccharomyces cerevisiae can switch to respiration, but this is not practical for winemaking due to the high sugar content of grape must. Instead, these conditions are utilized for the industrial production of dry yeast, where maximizing biomass production rather than ethanol is desired [5].
Glyceropyruvic Fermentation: Crafting Smoothness in Every Sip
Although producing ethanol is the primary way for yeasts to regenerate NAD+, there is an intriguing alternative pathway called glyceropyruvic fermentation that generates glycerol as its final product. Discovered by Neuberg in 1946, this process was first observed when glucose fermentation in the presence of sulfite led to high glycerol production. Sulfite binds with ethanal, preventing NAD+ from being regenerated via alcohol dehydrogenase. To compensate for the NAD+ deficit, yeasts must oxidize NADH through this alternative pathway, leading to glycerol production [1].
Glyceropyruvic fermentation is particularly active at the beginning of winemaking when yeasts need many substrates to grow. During this phase, yeasts biosynthesize proteins, lipids, and nucleotides using pyruvate, which creates an NAD+ deficit. The glyceropyruvic pathway compensates for this deficit, making glycerol a significant byproduct. Additionally, glycerol helps yeasts manage high osmotic pressures. As a result, glycerol becomes the third most abundant component in dry wines, enhancing their quality by adding sweetness and improving mouthfeel. This pathway not only maintains redox balance in yeast cells but also contributes to the sensory attributes of wine, making it an essential aspect of winemaking [5] [6].
1.4 Glyceropyruvic Fermentation [1].
A Toast to the Yeasts
The intricate dance of yeast in winemaking reveals a fascinating blend of art and science that transforms grape juice into the exquisite wines we enjoy. Each step, from glycolysis to fermentation and beyond, highlights the delicate balance winemakers must achieve. By understanding these processes, we can appreciate the complexity behind every sip of wine. Thank you for joining us on this journey through the microbial world of winemaking. We are deeply grateful and invite you to keep an eye out for our upcoming posts. Stay tuned 🍷🔍 Catch you in our next update! 🍇🌎
Ελληνική Έκδοση
Οι Ζυμομύκητες Απελευθερώνονται: Η Μυστική Ζωή και Επιστήμη πίσω από την Οινοποιητική Μαγεία
Η αλκοολική ζύμωση είναι μια πολύπλοκη και πολυδιάστατη διαδικασία που επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες, όπως η ποικιλία του σταφυλιού, οι αντιμυκητιακές θεραπείες, οι κλιματικές συνθήκες και οι αμπελουργικές πρακτικές. Ο αρχικός πληθυσμός ζυμών στο γλεύκος των σταφυλιών είναι κρίσιμος, καθώς θέτει τη βάση για τη διαδοχή των ειδών ζυμομυκήτων καθ' όλη τη διάρκεια της ζύμωσης. Ενώ πολλά οινοποιεία χρησιμοποιούν επιλεγμένες ξηρές ζύμες για να εξασφαλίσουν μια ελεγχόμενη διαδικασία ζύμωσης, ορισμένα παραδοσιακά οινοποιεία προτιμούν τη ζύμωση που προκαλείται αυθόρμητα, πιστεύοντας ότι προσδίδει μεγαλύτερη πολυπλοκότητα στα κρασιά τους. Η κατανόηση αυτών των αρχικών συνθηκών και προτιμήσεων παρέχει ένα πολύτιμο πλαίσιο για τις περίπλοκες βιοχημικές και φυσικοχημικές μετατροπές που μετατρέπουν το γλεύκος σε κρασί.
Η Ανάπτυξη της Ζύμης: Από το Γλεύκος στην Αχαλίνωτη Δύναμη της Ζύμωσης
Στην αρχή της οινοποιητικής διαδικασίας, οι ζύμες αρχίζουν να μεταβολίζουν τα σάκχαρα, καθώς και άλλα θρεπτικά συστατικά που υπάρχουν στο γλεύκος. Αυτοί οι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούν όλα τα διαθέσιμα θρεπτικά συστατικά για να αποκτήσουν ενέργεια και να αυξήσουν τον πληθυσμό τους. Η Εικόνα 1.1 δείχνει τον κλασικό κύκλο ανάπτυξης των ζυμομυκήτων, υπό τυπικές συνθήκες. Αρχικά, ο πληθυσμός των ζυμομυκήτων δεν αυξάνεται· αυτή είναι η γνωστή φάση της Αδράνειας, κατά τη διάρκεια της οποίας οι ζύμες προσαρμόζονται στις νέες περιβαλλοντικές συνθήκες. Εάν δεν γίνει εμβολιασμός με ζύμες, ο πληθυσμός ξεκινά γύρω στα 10.000 κύτταρα/mL, αν και αυτό μπορεί να είναι υψηλότερο εάν τα σταφύλια έχουν προσβληθεί από φαιά σήψη ή άλλες μυκητολογικές προσβολές. Αντιθέτως, ο εμβολιασμός με επιλεγμένες ξηρές ζύμες αυξάνει τον αρχικό πληθυσμό γύρω στα 5.000.000 κύτταρα/mL [1].
1.1 Διάγραμμα Ανάπτυξης Ζυμών [1]
Μόλις προσαρμοστούν, οι ζύμες εισέρχονται στη φάση της Εκθετικής ανάπτυξης, η οποία μπορεί να διαρκέσει από 3 έως 6 ημέρες, όπου ο πληθυσμός τους αυξάνεται ραγδαία, επηρεαζόμενος σημαντικά από τη θερμοκρασία, τα επίπεδα αμμωνίας, αμινοξέων και άλλων θρεπτικών συστατικών, καθώς και από την παρουσία οξυγόνου. Κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης, ο πληθυσμός των ζυμών μπορεί να εκτοξευθεί στα 10.000.000 - 100.000.000 κύτταρα/mL. Η θερμοκρασία διαδραματίζει καθοριστικό ρόλο εδώ· για παράδειγμα, οι βέλτιστες θερμοκρασίες για τον πολλαπλασιασμό των ζυμών κυμαίνονται μεταξύ 25-30°C. Αυτή η φάση είναι κρίσιμη για την έναρξη μιας ισχυρής διαδικασίας ζύμωσης, καθώς οι ζύμες μετατρέπουν τα σάκχαρα του γλεύκους σε αιθανόλη και διοξείδιο του άνθρακα. Οποιαδήποτε απόκλιση στα επίπεδα θρεπτικών συστατικών ή της θερμοκρασίας μπορεί να παρεμποδίσει την ανάπτυξη των ζυμών και τη δυναμική κινητική της ζύμωσης, δυνητικά οδηγώντας σε αργή ή ακινητοποιημένη ζύμωση [1] [2] [3].
Μετά τη φάση εκθετικής ανάπτυξης, οι ζύμες εισέρχονται στην οιονεί (σχεδόν) στατική φάση, όπου ο πληθυσμός τους σταθεροποιείται λόγω εξάντλησης των θρεπτικών συστατικών. Αυτή η φάση μπορεί να διαρκέσει από 2 έως 10 ημέρες. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, οι ζύμες παραμένουν μεταβολικά ενεργές αλλά δεν αυξάνονται αριθμητικά. Τελικά, αρχίζει η φάση Θανάτου, που χαρακτηρίζεται από μια βαθμιαία μείωση του πληθυσμού των ζυμών λόγω έλλειψης θρεπτικών συστατικών και των τοξικών επιδράσεων της αιθανόλης και άλλων παραπροϊόντων της ζύμωσης. Είναι κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης που η διατήρηση της βιωσιμότητας των ζυμών είναι κρίσιμη για να εξασφαλιστεί η πλήρης ζύμωση όλων των σακχάρων. Μια υψηλή συγκέντρωση αιθανόλης μπορεί να αναστείλει τη δραστηριότητα των ζυμών, μειώνοντας την ικανότητά τους να ζυμώσουν τα εναπομείναντα σάκχαρα [1] [2] [3].
Η Γλυκόλυση: Η Ζαχαρένια Έκρηξη πίσω από Κάθε Ζύμωση
Η λέξη γλυκόλυση προέρχεται από τους ελληνικούς όρους γλυκύς (γλυκός) και λύσις (ρήξη), αναφερόμενη στη διαδικασία διάσπασης της γλυκόζης. Η γλυκόλυση είναι ο ενδοκυτταρικός μετασχηματισμός της γλυκόζης (και της φρουκτόζης) σε πυροσταφυλικό οξύ, το πρώτο βήμα στον καταβολισμό των υδατανθράκων, για τους περισσότερους οργανισμούς. Αυτό το βιοχημικό μονοπάτι συμβαίνει εξολοκλήρου εντός του κυτταροπλάσματος και περιγράφηκε πλήρως το 1940 από τους Gustav Embden, Otto Meyerhof και Jacob Parnas, γι' αυτό και η ονομασία μονοπάτι Embden-Meyerhof-Parnas (EMP). Η γλυκόλυση είναι το κύριο μονοπάτι για τον καταβολισμό των σακχάρων στους ζυμομύκητες, περιλαμβάνοντας μια σειρά από 11 χημικές αντιδράσεις που διασπούν τις εξόζες και απελευθερώνουν ενέργεια με τη μορφή ATP (Εικ.1.2) [1].
Παρακαλούμε να μη χάσετε το ενδιαφέρον σας! Ενώ υπάρχουν κάποιοι αναπόφευκτοι επιστημονικοί όροι (που εξηγούνται, το υποσχόμαστε!), σκεφτείτε τους σαν τα μυστικά συστατικά στη συνταγή μας για ένα νόστιμο κρασί!
1) Το ATP, ή Τριφωσφορική Αδενοσίνη, είναι ο κύριος μεταφορέας ενέργειας στα κύτταρα. Παρέχει την απαραίτητη ενέργεια για πολλές κυτταρικές διεργασίες.
2) Το NADH, ή Νικοτιναμιδο-Αδενινο-Δινουκλεοτίδιο, είναι ένας μεταφορέας ηλεκτρονίων και Υδρογόνου. Είναι η ανηγμένη μορφή του NAD και μεταφέρει ηλεκτρόνια. Διαδραματίζει καθοριστικό ρόλο στην παραγωγή ενέργειας και στη διατήρηση της οξειδοαναγωγικής ισορροπίας στο κύτταρο.
3) Το NAD+ είναι η οξειδωμένη μορφή του NAD και δρα ως δέκτης ηλεκτρονίων στις οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις. Είναι απαραίτητο για τη συνέχιση της γλυκόλυσης, καθώς βοηθά στην αποδοχή ηλεκτρονίων κατά τη διάσπαση της γλυκόζης.
Κατά τη διάρκεια της γλυκόλυσης, κάθε μόριο γλυκόζης ή φρουκτόζης μετατρέπεται σε 2 μόρια πυροσταφυλικού οξέος. Αυτή η μετατροπή παράγει 4 μόρια ATP και 1 μόριο NADH. Αν και παράγονται 4 μόρια ATP κατά τη γλυκόλυση, 2 από αυτά τα μόρια ATP καταναλώνονται στα αρχικά στάδια του μονοπατιού, με αποτέλεσμα ένα καθαρό κέρδος 2 ATP ανά μόριο γλυκόζης ή φρουκτόζης. Αυτή η διαδικασία είναι απαραίτητη για τις ζύμες προκειμένου να αποκτήσουν ενέργεια τόσο υπό αερόβιες (με οξυγόνο) όσο και υπό αναερόβιες (χωρίς οξυγόνο) συνθήκες. Η γλυκόλυση όχι μόνο παρέχει ενέργεια, αλλά παράγει επίσης πυροσταφυλικό οξύ, το οποίο μπορεί να εισέλθει σε διάφορα μεταβολικά μονοπάτια ανάλογα με τις ανάγκες του κυττάρου. Για τις ζύμες, είναι κρίσιμο να ανανεώνεται το NAD+ από το NADH για να διατηρηθεί η οξειδοαναγωγική ισορροπία του κυττάρου. Αυτή η ανανέωση μπορεί να συμβεί μέσω της Ζύμωσης ή της Αναπνοής, που εξηγούνται αργότερα, εξασφαλίζοντας τη συνεχή παραγωγή ATP και τη λειτουργία του κυττάρου [3].
Κατά την απουσία οξυγόνου, οι ζύμες μετατρέπουν το πυροσταφυλικό οξύ σε αιθανόλη και διοξείδιο του άνθρακα κατά τη διάρκεια της ζύμωσης, η οποία ανανεώνει το NAD+ από το NADH, επιτρέποντας στη γλυκόλυση να συνεχιστεί. Υπό αερόβιες συνθήκες, το πυροσταφυλικό οξύ εισέρχεται στα μιτοχόνδρια, τα οποία είναι τα εργοστάσια ενέργειας του κυττάρου, και μεταβολίζεται περαιτέρω στον κύκλο του Krebs. Ο κύκλος του Krebs (Κύκλος του Κιτρικού Οξέος) είναι μια σειρά από χημικές αντιδράσεις που χρησιμοποιούνται από όλους τους αερόβιους οργανισμούς για να παράγουν ενέργεια μέσω της οξείδωσης του οξικού άλατος σε διοξείδιο του άνθρακα. Αυτή η διαδικασία παράγει περισσότερο ATP και είναι ζωτικής σημασίας για την ενεργειακή παροχή του κυττάρου. Η κατανόηση της γλυκόλυσης είναι θεμελιώδης για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο λειτουργούν οι ζύμες κατά τη ζύμωση, μετατρέποντας τα σάκχαρα του σταφυλιού σε αλκοόλ και αρώματα που καθορίζουν ένα κρασί [5].
1.2 Βιοχημικός Μηχανισμός Γλυκόλυσης [1].
Ζύμωση έναντι Αναπνοής: Η Διπλή Ζωή των ζυμών
Οι ζύμες είναι εκπληκτικοί μικροοργανισμοί επειδή μπορούν να μεταβολίζουν τα σάκχαρα είτε αερόβια (με οξυγόνο) είτε αναερόβια (χωρίς οξυγόνο). Αυτή η διπλή ικανότητα τις κατατάσσει ως προαιρετικά αναερόβιους οργανισμούς. Χρησιμοποιούν δύο διαφορετικά μεταβολικά μονοπάτια: την Αναπνοή (Αερόβια) και τη Ζύμωση (Αναερόβια). Και τα δύο μονοπάτια ξεκινούν με τη γλυκόλυση, η οποία διασπά τη γλυκόζη ή τη φρουκτόζη σε πυροσταφυλικό οξύ [1].
Κατά τη διάρκεια της αλκοολικής ζύμωσης, η οποία συμβαίνει αναερόβια, το πυροσταφυλικό οξύ μετατρέπεται σε αιθανάλη (ακεταλδεΰδη) και διοξείδιο του άνθρακα από το ένζυμο αποκαρβοξυλάση του πυροσταφυλικού οξέος. Στη συνέχεια, η αιθανάλη ανάγεται σε αιθανόλη. Ολόκληρη αυτή η διαδικασία συμβαίνει στο κυτταρόπλασμα και ανανεώνει το NAD+ (ένα μόριο απαραίτητο για τη συνέχιση της γλυκόλυσης) ενώ αποφέρει ένα μέτριο ενεργειακό κέρδος 2 μορίων ATP ανά μόριο σακχάρων που μεταβολίζεται. Τα κύρια προϊόντα της Ζύμωσης είναι η Αιθανόλη και το Διοξείδιο του Άνθρακα [1].
Κατά την παρουσία οξυγόνου, η διαδικασία είναι διαφορετική και είναι γνωστή ως Αναπνοή (Αερόβια). Το πυροσταφυλικό οξύ μπορεί να μετατραπεί σε ένα μόριο ακέτυλο-συνένζυμο A και διοξείδιο του άνθρακα. Αυτή η αντίδραση παράγει επίσης NADH (βοηθά στην παραγωγή ενέργειας). Στη συνέχεια, το ακέτυλο-συνένζυμο A εισέρχεται στον κύκλο του Krebs, όπου διασπάται περαιτέρω σε διοξείδιο του άνθρακα, ενώ παράγει περισσότερο NADH, και σε ένα άλλο ενεργειακό μόριο που ονομάζεται FADH2 (Φλαβινο-Αδενινο-Δινουκλεοτίδιο). Αυτά τα μόρια είναι κρίσιμα επειδή μεταφέρουν ηλεκτρόνια στις αναπνευστικές αλυσίδες, όπου το οξυγόνο χρησιμοποιείται για να παραχθεί νερό και σημαντική ποσότητα ενέργειας (36 έως 38 μόρια ATP ανά μόριο σακχάρων). Επομένως, τα κύρια προϊόντα της Αναπνοής είναι το Διοξείδιο του Άνθρακα και το Νερό, μαζί με πολύ υψηλότερη απόδοση ενέργειας σε σύγκριση με τη ζύμωση. Ωστόσο, η αναπνοή χρειάζεται οξυγόνο και μπορεί να ανασταλεί από υψηλές συγκεντρώσεις σακχάρων, κάτι που είναι κοινό στο γλεύκος σταφυλιών [1] [5].
Η κατανόηση του μετασχηματισμού του πυροσταφυλικού είτε σε Αιθανάλη (για Ζύμωση) είτε σε Ακέτυλο-συνένζυμο A (για Αναπνοή) είναι το κλειδί για τη ρύθμιση του μεταβολισμού της ζύμης κατά την οινοποίηση. Αυτή η ρύθμιση καθορίζει εάν οι ζύμες θα ακολουθήσουν το μονοπάτι της Ζύμωσης, παράγοντας Αλκοόλη, ή το μονοπάτι της Αναπνοής, παράγοντας περισσότερη ενέργεια αλλά όχι αλκοόλη. Τέτοιες γνώσεις βοηθούν τους οινοποιούς να βελτιστοποιήσουν τις συνθήκες ζύμωσης για την παραγωγή κρασιών υψηλής ποιότητας [2].
1.3 Ζύμωση και Αναπνοή [1].
Ισορροπίες: Αποκαλύπτοντας τα Αποτελέσματα Pasteur και Crabtree
O Louis Pasteur ανακάλυψε ότι όταν οι ζύμες εκτίθενται στον αέρα, αυξάνεται η παραγωγή κυττάρων ζύμης (βιομάζα) αλλά επιβραδύνεται η κατανάλωση σακχάρων, καθώς και η παραγωγή αιθανόλης. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως φαινόμενο Pasteur. Σκεφτείτε το έτσι: Η Αναπνοή (χρησιμοποιώντας οξυγόνο για παραγωγή ενέργειας) χρειάζεται πολλή ADP (Διφωσφορική Αδενοσίνη) μέσα στα μιτοχόνδρια, ως υπόστρωμα για την Οξειδωτική Φωσφορυλίωση. Αυτή η διαδικασία παράγει ATP, το ενεργειακό νόμισμα του κυττάρου. Όταν οι ζύμες αναπνέουν, καταναλώνουν την ADP και το ανόργανο φωσφορικό άλας στο κυτταρικό υγρό (κυτταρόπλασμα), μειώνοντας την ποσότητα σακχάρων που μπορεί να εισέλθει στο κύτταρο. Αυτή η μετατόπιση από τη ζύμωση (παραγωγή αιθανόλης χωρίς οξυγόνο) στην αναπνοή (παραγωγή περισσότερης ενέργειας με οξυγόνο) έχει ως αποτέλεσμα τη μη παραγωγή αιθανόλης [1].
Τώρα, σαν να μην έφταναν όλα τα προηγούμενα, ακολουθεί μια περίπλοκη κατάσταση. Ακόμη και όταν υπάρχει οξυγόνο, το είδος ζυμομύκητα Saccharomyces cerevisiae, η κύρια ζύμη στην οινοποίηση, δεν θα ζυμωθεί αν η συγκέντρωση σακχάρων, του μέσου, είναι υψηλότερη από 9 g/L. Αυτό περιγράφηκε για πρώτη φορά από τον Crabtree το 1929 και είναι γνωστό ως Φαινόμενο Crabtree ή καταβολική καταστολή από γλυκόζη. Σε περιβάλλοντα με υψηλή περιεκτικότητα σε ζάχαρη, όπως ο χυμός σταφυλιών, τα μιτοχόνδρια της ζύμης αρχίζουν να αποικοδομούνται και τα ένζυμα που απαιτούνται για τον Κύκλο του Krebs και την αναπνοή καταστέλλονται. Αυτό σημαίνει ότι ακόμη και με την παρουσία οξυγόνου, οι ζύμες αναγκάζονται να ζυμώσουν τα σάκχαρα!! Αυτό είναι κρίσιμο για την οινοποίηση επειδή εξασφαλίζει ότι η παραγωγή αιθανόλης συνεχίζεται με σταθερό ρυθμό, κάτι που επιθυμούν οι οινοποιοί για τη δημιουργία κρασιού [6].
Υπό συνθήκες χαμηλής συγκέντρωσης σακχάρων και με την παρουσία οξυγόνου, το είδος Saccharomyces cerevisiae μπορεί να μεταπέσει στην αναπνοή, αλλά αυτό δεν είναι πρακτικό για την οινοποίηση λόγω της υψηλής περιεκτικότητας του γλεύκους σε σάκχαρα. Αντ' αυτού, αυτές οι συνθήκες χρησιμοποιούνται για την βιομηχανική παραγωγή ξηρής ζύμης, όπου επιδιώκεται η μεγιστοποίηση της παραγωγής βιομάζας παρά η παραγωγή αιθανόλης [5].
Γλυκεροπυροσταφυλική Ζύμωση: Δημιουργώντας Απαλότητα σε Κάθε Γουλιά
Παρόλο που η παραγωγή αιθανόλης είναι ο κύριος τρόπος για τις ζύμες να ανανεώνουν το NAD+, υπάρχει ένα εντυπωσιακό εναλλακτικό μονοπάτι που ονομάζεται γλυκεροπυροσταφυλική ζύμωση και παράγει γλυκερόλη ως τελικό προϊόν. Ανακαλύφθηκε από τον Neuberg το 1946. Αυτή η διαδικασία παρατηρήθηκε για πρώτη φορά όταν η ζύμωση γλυκόζης, παρουσία θειωδών, οδήγησε σε υψηλή παραγωγή γλυκερόλης. Το θειώδες δεσμεύει την αιθανάλη, εμποδίζοντας την ανανέωση του NAD+ μέσω της αλκοολικής αφυδρογονάσης. Για να αντισταθμίσουν την έλλειψη NAD+, οι ζύμες πρέπει να οξειδώσουν το NADH μέσω αυτού του εναλλακτικού μονοπατιού, οδηγώντας στην παραγωγή γλυκερόλης [1].
Η γλυκεροπυροσταφυλική ζύμωση είναι ιδιαίτερα ενεργή στην αρχή της οινοποίησης, όταν οι ζύμες χρειάζονται πολλά υποστρώματα για να αναπτυχθούν. Κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης, οι ζύμες βιοσυνθέτουν πρωτεΐνες, λιπίδια και νουκλεοτίδια χρησιμοποιώντας το πυροσταφυλικό οξύ, γεγονός που δημιουργεί έλλειψη NAD+. Το γλυκεροπυροσταφυλικό μονοπάτι αντισταθμίζει αυτήν την έλλειψη, καθιστώντας τη γλυκερόλη ένα σημαντικό παραπροϊόν. Επιπλέον, η γλυκερόλη βοηθά τις ζύμες να διαχειριστούν τις υψηλές ωσμωτικές πιέσεις. Ως αποτέλεσμα, η γλυκερόλη γίνεται το τρίτο πιο άφθονο συστατικό στα ξηρά κρασιά, βελτιώνοντας την ποιότητά τους με μία προσθήκη γλυκύτητας και με τη βελτίωση της αίσθησης στο στόμα. Αυτό το μονοπάτι όχι μόνο διατηρεί την οξειδοαναγωγική ισορροπία στα κύτταρα της ζύμης, αλλά συμβάλλει επίσης στις αισθητηριακές ιδιότητες του κρασιού, καθιστώντας το, ως ένα ουσιαστικό στοιχείο της οινοποίησης [5] [6].
1.4 Γλυκεροπυροσταφυλική Ζύμωση [1].
Προς Υγείαν των Ζυμών
Ο περίπλοκος χορός των ζυμών στην οινοποίηση αποκαλύπτει έναν γοητευτικό συνδυασμό τέχνης και επιστήμης που μετατρέπει τον χυμό σταφυλιών στα εξαιρετικά κρασιά που απολαμβάνουμε. Κάθε βήμα, από τη γλυκόλυση έως τη ζύμωση και πιο πέρα, αναδεικνύει την λεπτή ισορροπία που πρέπει να επιτύχουν οι οινοποιοί. Κατανοώντας αυτές τις διαδικασίες, μπορούμε να εκτιμήσουμε την πολυπλοκότητα πίσω από κάθε γουλιά κρασιού. Σας ευχαριστούμε που μας συντροφεύσατε σε αυτό το ταξίδι στον μικροβιακό κόσμο της οινοποίησης. Είμαστε βαθύτατα ευγνώμονες και σας προσκαλούμε να παρακολουθείτε τις επόμενες αναρτήσεις μας🍷🔍 Συντονιστείτε μαζί μας και θα τα ξαναπούμε στην επόμενη ανάρτησή μας! 🍇🌎
Дрожжи на свободе: Секретная Жизнь и Наука Виноделия
Алкогольная ферментация (спиртовое брожение) — это сложный и многогранный процесс, на который влияют различные факторы, включая сорт винограда, противогрибковые (фунгицидные) обработки, климатические условия и методы виноградарства. Начальная популяция дрожжей в виноградном соке имеет решающее значение, поскольку от нее будет зависеть видовой состав дрожжей на протяжении всего брожения. В то время как многие винодельни используют активные сухие дрожжи для обеспечения контролируемого процесса ферментации, некоторые традиционные винные погреба предпочитают спонтанную ферментацию, полагая, что она придает большую сложность их винам. Понимание этих начальных условий и предпочтений дает важный контекст для сложных биохимических и физико-химических преобразований, которые превращают виноградный сок в вино.
Рост дрожжей: от виноградного сока до локомотива брожения
В начале процесса виноделия дрожжи начинают усваивать сахара и другие питательные вещества, присутствующие в виноградном соке. Эти микроорганизмы используют все доступные питательные вещества для получения энергии и увеличения своей популяции. На рис. 1.1 показан классический цикл роста дрожжей в стандартных условиях. Первоначально популяция дрожжей не увеличивается; это известно как латентная фаза, во время которой дрожжи адаптируются к новым условиям окружающей среды. Если дрожжи не инокулированы, популяция начинается примерно с 10 000 клеток/мл, хотя эта цифра может быть выше, если виноград поражен серой гнилью или другими грибковыми поражениями. Напротив, инокуляция отобранными сухими дрожжами увеличивает начальную популяцию примерно до 5 000 000 клеток/мл [1].
1.1 Цикл роста дрожжей
После адаптации дрожжи вступают в фазу экспоненциального роста, которая может длиться от 3 до 6 дней, когда их популяция быстро увеличивается под сильным влиянием температуры, аммиака, аминокислот и других питательных веществ, а также присутствия кислорода. На этом этапе популяция дрожжей может вырасти до 10 000 000–100 000 000 клеток/мл. Температура играет здесь решающую роль; например, оптимальная температура для размножения дрожжей составляет 25–30°C. Эта фаза имеет решающее значение для запуска надежного процесса ферментации, поскольку дрожжи превращают сахар сусла в этанол и углекислый газ. Любое отклонение в уровне питательных веществ или температуре может препятствовать росту дрожжей и кинетике брожения, что потенциально может привести к задержке или остановке брожения [1] [2] [3].
После фазы экспоненциального роста дрожжи переходят в квазистационарную фазу, где их популяция стабилизируется из-за истощения питательных веществ. Эта фаза может длиться от 2 до 10 дней. В этот период дрожжи остаются метаболически активными, но их численность не увеличивается. В конце концов, начинается фаза спада, характеризующаяся постепенным уменьшением популяции дрожжей из-за недостатка питательных веществ и токсического воздействия этанола и других побочных продуктов брожения. Именно на этом этапе поддержание жизнеспособности дрожжей имеет решающее значение для обеспечения полной ферментации всех сахаров. Высокая концентрация этанола может подавлять активность дрожжей, снижая их способность ферментировать оставшиеся сахара [1] [2] [3].
Гликолиз: сахарная лихорадка, стоящая за каждым брожением
Слово гликолиз происходит от греческих терминов γλυκύς (глюкус = сладкий) и λύσις (лиз = разрыв), обозначая процесс расщепления глюкозы. Гликолиз — это внутриклеточная трансформация глюкозы (и фруктозы) в пируват, первый этап катаболизма углеводов для большинства организмов. Этот биохимический путь происходит полностью в цитоплазме и был полностью описан в 1940 году Густавом Эмбденом, Отто Мейергофом и Якобом Парнасом, отсюда и название пути Эмбдена-Мейергофа-Парнаса (ЭМП). Гликолиз — основной путь катаболизма сахаров у дрожжей, включающий серию из 11 химических реакций, которые расщепляют гексозы и высвобождают энергию в форме АТФ (рис. 1.2) [1].
Пожалуйста, не теряйте интереса — хотя есть некоторые неизбежные научные термины (объясненные, обещаем!), думайте о них как о секретных ингредиентах нашего рецепта восхитительного вина!
1) АТФ, или аденозинтрифосфат, является основным переносчиком энергии в клетках. Он обеспечивает необходимую энергию для многих клеточных процессов.
2) НАДН, или никотинамидадениндинуклеотид, является переносчиком электронов и водорода. Это восстановленная форма НАД, переносящая электроны. Он играет решающую роль в производстве энергии и поддержании баланса окисления и восстановления (окислительно-восстановительного баланса) в клетке.
3) НАД+ представляет собой окисленную форму НАД и действует как акцептор электронов в окислительно-восстановительных реакциях. Это необходимо для продолжения гликолиза, поскольку он помогает принимать электроны при распаде глюкозы.
В ходе гликолиза каждая молекула глюкозы или фруктозы превращается в 2 молекулы пирувата. В результате этого преобразования образуются 4 молекулы АТФ и 1 молекула НАДН. Хотя во время гликолиза образуются 4 молекулы АТФ, на начальных этапах пути расходуются 2 молекулы АТФ, что приводит к чистому приросту 2 АТФ на молекулу глюкозы или фруктозы. Этот процесс необходим дрожжам для получения энергии как в аэробных (с кислородом), так и в анаэробных (без кислорода) условиях. Гликолиз не только обеспечивает энергию, но также производит пируват, который может участвовать в различных метаболических путях в зависимости от потребностей клетки. Для дрожжей крайне важно регенерировать НАД+ из НАДН для поддержания окислительно-восстановительного баланса клетки. Эта регенерация может происходить посредством ферментации или дыхания, как будет объяснено позже, обеспечивая непрерывное производство АТФ и клеточную функцию [3].
В отсутствие кислорода дрожжи во время ферментации превращают пируват в этанол и углекислый газ, что регенерирует НАД+ из НАДН, позволяя продолжить гликолиз. В аэробных условиях пируват поступает в митохондрии, являющиеся электростанциями клетки, и далее метаболизируется в цикле Кребса. Цикл Кребса (цикл лимонной кислоты) представляет собой серию химических реакций, используемых всеми аэробными организмами для выработки энергии путем окисления ацетата в углекислый газ. Этот процесс производит больше АТФ и жизненно важен для энергоснабжения клетки. Понимание гликолиза имеет основополагающее значение для понимания того, как дрожжи функционируют во время брожения, превращая виноградный сахар в спирт и ароматы, которые определяют вино [5].
1.2 Биохимический механизм гликолиза [1].
Брожение или дыхание: двойная жизнь дрожжей
Дрожжи — удивительные микроорганизмы, поскольку они могут метаболизировать сахара либо аэробно (с кислородом), либо анаэробно (без кислорода). Эта двойная способность классифицирует их как факультативные анаэробы. Они используют два разных метаболических пути: дыхание (аэробный) и ферментацию (анаэробный). Оба пути начинаются с гликолиза, при котором глюкоза или фруктоза расщепляются на пируват [1].
Во время спиртового брожения, протекающего анаэробно, пируват под действием фермента пируватдекарбоксилазы превращается в этаналь (ацетальдегид) и углекислый газ. Впоследствии этаналь восстанавливают до этанола. Весь этот процесс происходит в цитоплазме и регенерирует НАД+ (молекулу, необходимую для продолжения гликолиза), обеспечивая при этом умеренный прирост энергии в размере 2 молекул АТФ на метаболизируемую молекулу сахара. Основными продуктами брожения являются этанол и углекислый газ [1].
В присутствии кислорода процесс иной и известен как дыхание (аэробное). Пируват может трансформироваться в молекулу под названием ацетил-КоА и диоксид углерода. Эта реакция также производит НАДН (помогает генерировать энергию). Затем ацетил-КоА входит в цикл Кребса, где он далее расщепляется до углекислого газа, генерируя при этом больше НАДН и еще одну энергетическую молекулу, называемую ФАДН2 (флавинадениндинуклеотид). Эти молекулы имеют решающее значение, поскольку они переносят электроны в дыхательные цепи, где кислород используется для производства воды и значительного количества энергии — от 36 до 38 молекул АТФ на молекулу сахара. Таким образом, основными продуктами дыхания являются углекислый газ и вода, а также гораздо более высокий выход энергии по сравнению с ферментацией. Однако дыханию необходим кислород, и оно может тормозиться из-за высоких концентраций сахара, что часто встречается в виноградном сусле [1] [5].
Понимание превращения пирувата либо в этаналь (для ферментации), либо в ацетил-КоА (для дыхания) является ключом к регулированию метаболизма дрожжей во время виноделия. Эта регуляция определяет, будут ли дрожжи следовать по пути ферментации, производя спирт, или по пути дыхания, генерируя больше энергии, но не генерируя алкоголь. Такие знания помогают виноделам оптимизировать условия брожения для производства высококачественных вин [2].
1.3 Брожение и дыхание [1].
Балансирующие действия: раскрытие эффектов Пастера и Крэбтри
Луи Пастер обнаружил, что когда дрожжи подвергаются воздействию воздуха, увеличивается производство дрожжевых клеток (биомасса), но замедляется потребление сахара и производство этанола. Это явление известно как эффект Пастера. Подумайте об этом так: для дыхания (использования кислорода для производства энергии) требуется много АДФ (аденозиндифосфата) внутри митохондрий в качестве компенсации окислительного фосфорилирования. Этот процесс производит АТФ, который является энергетической валютой клетки. Когда дрожжи дышат, они расходуют АДФ и неорганический фосфат в клеточной жидкости (цитоплазме), уменьшая количество сахара, которое может попасть в клетку. Этот переход от ферментации (производства этанола без кислорода) к дыханию (производству большего количества энергии с помощью кислорода) приводит к отсутствию производства этанола [1].
Теперь вот такой поворот: даже при наличии кислорода Saccharomyces cerevisiae, основные дрожжи в виноделии, не будут бродить, если концентрация сахара в среде превышает 9 г/л. Впервые это было описано Крэбтри в 1929 году и известно как эффект Крэбтри или катаболическая репрессия глюкозой. В средах с большим количеством сахара, например, в виноградном соке, митохондрии дрожжей начинают разрушаться, а ферменты, необходимые для цикла Кребса и дыхания, подавляются. Это означает, что даже при наличии кислорода дрожжи вынуждены сбраживать сахара. Это имеет решающее значение для виноделия, поскольку обеспечивает непрерывное производство этанола, а именно этого хотят виноделы для создания вина [6].
В условиях низкого содержания сахара и при наличии кислорода Saccharomyces cerevisiae могут перейти на дыхание, но это неприемлемо для виноделия из-за высокого содержания сахара в виноградном сусле. Вместо этого эти условия используются для промышленного производства сухих дрожжей, где желательно максимизировать производство биомассы, а не этанола [5].
Глицеропировиноградная ферментация: бархатистость в каждом глотке
Хотя производство этанола является основным способом регенерации НАД+ дрожжами, существует интригующий альтернативный путь, называемый глицеропировиноградной ферментацией, который генерирует глицерин в качестве конечного продукта. Этот процесс, открытый Нойбергом в 1946 году, впервые наблюдался, когда ферментация глюкозы в присутствии сульфита приводила к высокому образованию глицерина. Сульфит связывается с этаналем, предотвращая регенерацию НАД+ посредством алкогольдегидрогеназы. Чтобы компенсировать дефицит НАД+, дрожжи должны окислять НАДН этим альтернативным путем, что приводит к производству глицерина [1].
Глицеропировиноградное брожение особенно активно в начале виноделия, когда дрожжам для роста требуется много субстратов. На этом этапе дрожжи биосинтезируют белки, липиды и нуклеотиды с использованием пирувата, что создает дефицит НАД+. Глицеропировиноградный путь компенсирует этот дефицит, делая глицерин важным побочным продуктом. Кроме того, глицерин помогает дрожжам справляться с высоким осмотическим давлением. В результате глицерин становится третьим по распространенности компонентом в сухих винах, повышая их качество за счет придания сладости и улучшения вкусовых ощущений. Этот путь не только поддерживает окислительно-восстановительный баланс в дрожжевых клетках, но также способствует улучшению сенсорных свойств вина, что делает его важным аспектом виноделия [5] [6].
1.4 глицеропируватное брожение [1].
Тост за дрожжи
Замысловатый танец дрожжей в виноделии раскрывает захватывающее сочетание искусства и науки, которое превращает виноградный сок в изысканные вина, которыми мы наслаждаемся. Каждый шаг, от гликолиза до ферментации и далее, подчеркивает хрупкий баланс, которого должны достичь виноделы. Понимая эти процессы, мы можем оценить сложность каждого глотка вина. Спасибо, что присоединились к нам в этом путешествии по микробному миру виноделия. Мы глубоко благодарны и приглашаем вас следить за нашими предстоящими публикациями. Оставайтесь с нами 🍷🔍 Увидимся в нашем следующем посте!🍇🌎
Comments
Post a Comment