ENZIMI ENOLOGICI: METODO DI PRODUZIONE, MODO D'AZIONE ED IMPATTO SULLA TRASFORMAZIONE DELL'UVA IN VINO

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1 BAJARD SPARRW ET AL., ENZIMI ENLGICI: PRDUZINE, AZINE E IMPATT, PAG.1 ENZIMI ENLGICI: METD DI PRDUZINE, MD D'AZINE ED IMPATT SULLA TRASFRMAZINE DELL'UVA IN VIN Céline BAJARD SPARRW, Céline FAUVEAU, Catherine GRASSIN, Patrice PELLERIN DSM Food Specialties Il primo enzima prodotto su scala industriale, un amilasi, è stato creato nel 1922 nel Nord della Francia, dalla azienda Rapidase. In questi impianti di Seclin, recentemente automatizzati e sottoposti ad una politica di qualità (certificati IS 9002 dal 1993), DSM Food Specialties, successore della società Rapidase, produce enzimi destinati all'industria delle bevande. DSM Food Specialties, azienda olandese specializzata in chimica e in biotecnologie, è leader mondiale nel settore agro-alimentare degli ingredienti e degli ausiliari tecnologici. La sua vastissima gamma di prodotti comprende soprattutto lieviti e prodotti da essi derivati, ma anche enzimi di cui una specifica linea enologica. Le frequenti domande sui metodi di produzione degli enzimi per vinificazione o sul loro utilizzo in enologia hanno spinto il servizio tecnico-applicativo della DSM a redigere questo articolo. Fotografia 1: impianti per la produzione di enzimi - Seclin - Francia Produzione indotta delle attività enzimatiche ricercate Per produrre gli enzimi utilizzati in enologia, DSM Food Specialties coltiva, in fermentatori in condizioni aerobiche, i microrganismi selezionati (Aspergillus Niger o Trichoderma). La composizione del substrato di crescita, di origine vegetale, permette di indurre un'ottima produzione delle attività enzimatiche ricercate, ad es. un substrato ricco in pectine induce i microrganismi a secernere pectinasi nel mezzo. Gli enzimi secrèti nel mezzo sono poi isolati mediante centrifugazione, ultrafiltrazione e concentrazione. Al termine di queste fasi, i microrganismi sono completamente eliminati. Si ottiene allora un prodotto la cui attività principale è accompagnata da molte attività secondarie; le quali hanno un ruolo in enologia più o meno importante, o addirittura fondamentale. Gli enzimi sono disponibili sia sotto forma liquida sia in microgranuli. Un controllo qualità certifica la conformità secondo le specifiche stabilite. Un certificato di attività enzimatiche, di analisi chimiche e microbiologiche, conforme alle vigenti legislazioni, è redatto per ogni partita di prodotto e ciò ad ogni consegna. Richiamo sulla struttura e la composizione dell'acino d'uva Per comprendere l'importanza degli enzimi in enologia, occorre conoscere il loro modo d'azione. Gli enzimi svolgono un importante ruolo di infragilimento delle cellule della polpa e della pellicola. Benché la composizione degli acini dipenda dal vitigno, dal terreno e dalle condizioni climatiche, la struttura delle cellule vegetali varia poco. RIVISTA INTERNET DI VITICLTURA ED ENLGIA, 2006, N. 7/2

2 BAJARD SPARRW ET AL., ENZIMI ENLGICI: PRDUZINE, AZINE E IMPATT, PAG.2 esocarpo (buccia) cuticola rete vascolare periferica mesocarpo (polpa) vinacciolo fasce vascolari pedicello Schema 1: composizione dell'acino d'uva In vinificazione, la pellicola svolge un ruolo fondamentale. Rappresenta dal 6 al 9% della massa dell'acino. All'interno delle cellule pellicolari, si trovano antociani, tannini, aromi e precursori di aromi. La spessa parete pecto-cellulosica delle cellule pellicolari garantisce la loro rigidità, ma impedisce la diffusione dei composti intracellulari nel mosto durante la vinificazione. La polpa costituisce il 75-85% dell acino maturo. È composta di grandi cellule a fini parete pectocellulosiche che oppongono poca resistenza meccanica alla trasformazione dell'uva. Queste cellule sono fonte di polisaccaridi pectici nel mosto; l'interno del loro vacuolo contiene una soluzione concentrata di acidi organici e di zuccheri fermentescibili (glucosio e fruttosio: grammi per litro). La pectina è situata nella parete primaria e la lamella mediana tra le cellule pellicolari e quelle della polpa. La parete pecto-cellulosica è una struttura complessa, composta di microfibrille di cellulosa, collegate tra esse da una matrice costituita di xiloglucani, mannani, xilani (generalmente chiamati emicellulasi) e di pectine; il tutto solidificato da una rete proteica secondaria. Alcuni osi neutri (galattosio ed arabinosio) intervengono nella struttura delle catene laterali della pectina e con le proteine formano macromolecole che ostacolano la chiarifica dei mosti. Nel corso della maturazione delle uve, delle attività pectinasi endogeni dell'acino trasformano e solubilizzano lentamente le pectine. Queste idrolisi parziali contribuiscono al rammollimento progressivo dell acino. Sotto la sua forma solubile, la pectina passa nel mosto nel corso della pressatura. Il tasso di pectina nell'uva varia in funzione del vitigno 1 (tab. 1). vitigno pectina pellicola polpa mosto Totale in g/kg di acini in % sul totale Carignano ,86 Grenache ,01 Syrah ,19 Alicante ,61 Tabella 1: Tasso di pectine e poliosidi neutri di vari vitigni. RIVISTA INTERNET DI VITICLTURA ED ENLGIA, 2006, N. 7/2

3 BAJARD SPARRW ET AL., ENZIMI ENLGICI: PRDUZINE, AZINE E IMPATT, PAG.3 La pectina, una molecola complessa La pectina è probabilmente una delle macromolecole più complesse in natura. È composta da 3 principali costituenti 2, 3 : - gli omogalatturonani (HG). Sono molecole non ramificate composte di un concatenamento di acidi galatturonici. Questi ultimi possono essere esterificati da una molecola di metanolo. Costituiscono le zone dette lisce. - I ramnogalatturonani I (RG-I). Principale catena, composta di un'alternanza di ramnosio e di acido galatturonico, porta catene laterali di arabinani e di arabinogalattani per formare le zone dette ramificate. - Il ramnogalatturonano II (RG-II) ha una struttura molto complessa e resiste alle degradazioni enzimatiche. In merito all'organizzazione di questi 3 costituenti nelle pareti, esistono diverse ipotesi. Tuttavia si è dimostrato che, per formare la pectina, sono legati tra loro da collegamenti osidici covalenti (fig. 2). La porosità della parete è definita da collegamenti incrociati tra le varie catene di pectine (ioniche, elettrostatiche, ponti borato diestere) Figura 2: Rappresentazione schematica di una pectina Visto la sua forte viscosità, la pectina, solubilizzata sin dalla pigiatura, è un ostacolo all'estrazione, alla chiarificazione e alla filtrazione dei succhi. È un costituente principale delle pareti cellulari che si oppongono alla diffusione dei composti fenolici e degli aromi nel mosto durante le fasi prefermentative e fermentative. Attività enzimatiche autorizzate in enologia Le attività utilizzabili in enologia sono elencate nel regolamento UE 1493/1999. Le risoluzioni Œno 11-18/2004 dell'iv riconoscono un importante ruolo, nel metodo di vinificazione alle seguenti attività: pectinliasi, pectinmetilesterasi, poligalatturonasi, glicosidasi, emicellulasi, cellulasi e ß- glucanasi. In quest'articolo ci soffermeremo sull'impatto degli enzimi sui composti dell acino d'uva. Fanno parte della famiglia dei pectinasi le principali attività solitamente utilizzate nelle preparazioni enologiche: pectinliasi (PL), pectinmetilesterasi (PME) e poligalatturonasi (PG). Le attività dette depolimerizzanti di tipo PL tagliano la catena di pectina tra due acidi galatturonici metilati, mentre le PG, preferiscono un substrato non metilato. L'attività PME non depolimerizza la catena di pectina, ma libera il gruppo metile degli acidi galatturonici esterificati. Favorisce l'azione della PG. Degradando la pectina, le pectinasi offrono un certo numero di vantaggi tecnologici evidenti, come l'accelerazione delle fasi pre-fermentative: chiarificazione, pressatura, aumento delle rese in succo, quindi migliorano la qualità dei mosti. Le formulazioni prodotte da DSM per la vinificazione sono in numerosi casi frutti di studi congiunti con gli istituti di ricerca quale l'inra. Da oltre venti anni, gli impianti DSM di Seclin producono pectinasi di Aspergillus Niger, adatte alle diverse applicazioni enologiche. Queste preparazioni enzimatiche sono prodotte a partire da ceppi classici (non geneticamente modificati) secondo un piano HACCP e vengono rilasciati attestati IS RIVISTA INTERNET DI VITICLTURA ED ENLGIA, 2006, N. 7/2

4 BAJARD SPARRW ET AL., ENZIMI ENLGICI: PRDUZINE, AZINE E IMPATT, PAG.4 Evitare la formazione di fenoli volatili grazie ad un'appropriata scelta dell enzima La padronanza delle tecnologie di fermentazione in produzione e l'impiego di ceppi d'aspergillus niger provenienti da selezioni orientate all'utilizzo enologico, consentono a DSM di abbassare a livelli naturalmente minimi le attività indesiderate dei suoi preparati enzimatici. L'analisi dimostra che i livelli di attività cinnamil-esterasica degli enzimi DSM sono naturalmente inferiori a quelli degli enzimi purificati o detti "FCE", e ciò senza effettuare un trattamento di purificazione post-produzione. L'utilizzo in vinificazione degli enzimi DSM consente di limitare la formazione di fenoli volatili. Utilizzo e vantaggi degli enzimi in vinificazione Succo di sgrondo e resa di pressatura Indebolendo le pareti cellulari della polpa ed idrolizzando la pectina solubile, gli enzimi di macerazione in bianco facilitano la liberazione dei succhi e aumentano le rese di sgrondo, evitando perciò le pressature troppo forti. Le attività enzimatiche necessarie per questa applicazione sono: pectinasi (PG, PL, PME) ma anche alcune attività che permettono l'idrolisi delle zone ramificate della pectina. Esempio con Rapidase X-PRESS 5 Produzione: hl Volume della prova: 10 tonnellate per lotto Vitigno: Sauvignon (vendemmia sana) Per la vinificazione del Sauvignon, questa cantina utilizza un metodo di pressatura diretta con aggiunta di enzima pectolitici. Abbiamo paragonato l'efficacia di Rapidase X-Press e quella dell'enzima di riferimento della cantina. Le rispettive resi sono state di 132 kg/hl (succo estratto al 76%) per la pectinasi di riferimento, contro 124 kg/hl (ossia l 80,5%) per la specifica formulazione DSM. Questo aumento è stato notevole per quanto riguarda i succhi di pressa (+ 15%). La figura 3 riporta i risultati ottenuti. 100% 80% 60% 20% sgrondo pressa 24% Figura 3: Cantina privata, Aude - ripartizione delle rese in succo di sgrondo e di pressatura durante la prova (aggiunta di 1 g/hl di enzima sull uva). 40% 20% 56% 57% 0% Enz C Rapidase XPRESS RIVISTA INTERNET DI VITICLTURA ED ENLGIA, 2006, N. 7/2

5 BAJARD SPARRW ET AL., ENZIMI ENLGICI: PRDUZINE, AZINE E IMPATT, PAG.5 Defecazione e chiarificazione La chiarificazione è il risultato di molti fenomeni: - calo della viscosità dovuta all'idrolisi delle pectine mediante una combinazione delle attività (PG, PL, PME) - destabilizzazione elettrostatica del deposito che porta alla sua sedimentazione. La parziale demetilazione delle molecole di pectina con un'attività pectinmetilesterasi crea delle cariche elettrostatiche negative che reagiscono con le cariche di altri composti che possiedono cariche positive; quali le proteine e i composti fenolici. È importante che un enzima utilizzato in defecazione abbia un rapporto PG/PL sufficientemente elevato per permettere una rapida idrolisi delle pectine solubili. Esempio con Rapidase CB Produzione: Cantina sperimentale Volume della prova: 10 tonnellate per lotto Vitigno: Moscato (vendemmia sana) È stato utilizzato 1 g/hl Rapidase CB. Si osserva (foto 2) dopo 24 di contatto una torbidità di 208 NTU per il testimone e di 7 NTU per il lotto enzimato. Fotografia 2: defecazione Moscato petit grain Rapidase CB/testimone non enzimato In occasione della defecazione di mosti molto ricchi in zuccheri, si nota che la fase di sedimentazione è sempre più lunga in quelli da Moscati destinati all'elaborazione di vini dolci naturali: conseguenza della viscosità del mosto, legata alla sua ricchezza in zuccheri. Estrazione e stabilizzazione del colore Come visto precedentemente, la pellicola delle uve è una barriera fisica nella diffusione degli antociani, tannini ed aromi contenuti nelle cellule dell'epiderma. Per liberare il contenuto cellulare, occorre dunque idrolizzare i polisaccaridi neutri ed acidi dell'uva situati nella parete pecto-cellulosica e la lamella mediana delle cellule dell acino. Nella vinificazione in rosso, questi composti sono estratti nel corso della fermentazione alcolica sotto l'effetto della temperatura, dell'alcool e delle operazioni meccaniche quali rimontaggi, pigiature, délestages. Alcuni procedimenti fisici come la termo-vinificazione e la flash détente permettono di incrementare questi fenomeni d'estrazione. Le preparazioni commerciali di estrazione in rosso agiscono per rafforzare e facilitare l'azione di questi procedimenti fisici. Devono, quindi, possedere attività emicellulolitiche secondarie non trascurabili, oltre alle attività pectolitiche richieste, per permettere l indebolimento delle pareti cellulari e facilitare la diffusione del contenuto vacuolare. Recenti studi 6,7 dimostrano che la diffusione dei tannini si effettua in modo selettivo. Solo i tannini liberi del vacuolo e quelli della parete sono liberati grazie all'azione degli enzimi sopraccitati; quindi influiscono sulla struttura dei tannini dei vini addizionati di enzimi, questi tannini sono generalmente più stabili e più morbidi. RIVISTA INTERNET DI VITICLTURA ED ENLGIA, 2006, N. 7/2

6 BAJARD SPARRW ET AL., ENZIMI ENLGICI: PRDUZINE, AZINE E IMPATT, PAG.6 Esempio con Rapidase ExColor Prova comparativa di enzimi presso l'università di Talca (Cile) su Cabernet Sauvignon: quantità di enzima 3 g/hl, macerazione 15 giorni a 21 C. Risultati riportati in figura 2 quadro gustativo struttura amaro acidità volume colore astringenza complessità Figura 4 (a destra): profili olfattivo e gustativo di un vino Cabernet Sauvignon Cile testimone Rapidase ExColor Enz C' quadro olfattivo fruttato 4 3 Figura 5 (sotto): Evoluzione dell'intensità colorante nel tempo su un vino di Syrah monitoraggio 18 mesi. Confronto tra Rapidase ExColor (dose 3 g/hl) e senza enzimi aggiunti (Francia) intensità altri fiorale vegetale iniziale dopo 10 mesi dopo 18 mesi testimone Rapidase ExColor Enz C' boisé testimone Rapidase ExColor Enz C' Liberazione dei precursori di aromi I precursori aromatici inodori sono presenti sotto forma legata agli zuccheri 8 nella pellicola delle uve. Le loro composizione e quantità sono variabili secondo i vitigni. Fra questi composti, i terpenoli rappresentano la maggior parte degli aromi varietali delle uve bianche in particolare per i Moscati. Nei vitigni come i Moscati o il Riesling, i più abbondanti sono i precursori di linalolo, nerolo e geraniolo, la loro parte "zuccheri è costituita da ramnosio-glucosio quali rutinosidi, da arabinosioglucosio quali arabinosidi o apiosio-glucosio per gli apiosidi. L'idrolisi sequenziale di questi zuccheri con enzimi glicosidasi permette di liberare terpenoli molto odorosi. RIVISTA INTERNET DI VITICLTURA ED ENLGIA, 2006, N. 7/2

7 BAJARD SPARRW ET AL., ENZIMI ENLGICI: PRDUZINE, AZINE E IMPATT, PAG.7 In un primo tempo, gli zuccheri terminali sono tagliati da una ramnosidasi, una arabinosidasi o una apiosidasi. La ß-glucosidasi libera successivamente i terpenoli. Non si possono dunque ridurre le attività enzimatiche liberatrici di aromi solamente alla ß-glucosidasi, poiché questa può agire soltanto su terpenoli glicosilati. H CH3 CH2 TERP CH2 TERP CH2 TERP H CH2 H H H H2 HC H H H H H H H H H Rutinosidi H Arabinosilglucosidi H Apiosilglucosidi H Ramnosidasi Arabinosidasi Apiosidasi CH2 H TERP β-glucosidasi H H H TERP-H Figura 6: Idrolisi sequenziale dei glicosidi Questi enzimi hanno dunque per effetto di liberare dai loro precursori glicosilati composti aromatici, non soltanto terpenoli, ma anche alcuni esteri o norisoprenoidi (composti in C13). Esempio con Rapidase AR2000 AR2000 è un pectinasi prodotta da un ceppo di Aspergillus Niger che racchiude naturalmente le attività secondarie di tipo glicosidasi: ß-glucosidasi, arabinosidasi, ramnosidasi ed apiosidasi. Queste attività sono presenti nelle proporzioni ottimali per la liberazione degli aromi. L enzima prodotto da DSM è una preparazione enzimatica esclusiva: è l unica a contenere queste quattro attività in concentrazioni efficaci. La sua applicazione è oggetto di un brevetto comune dell'inra e della DSM. Un mosto di Riesling è stato addizionato con 3 g/hl di Rapidase AR2000. La tabella 2 descrive i tenori in composti aromatici nel vino, paragonato con un testimone senza enzima. Composti in mg/l Riesling testimone Riesling dopo aggiunta di Rapidase AR2000 Terpenoli 0,31 0,63 Esteri polari 0,12 0,15 Norisoprenoidi 0,05 0,16 Totale degli aromi volatili 104,3 116,5 Tabella 2: effetto delle pectinasi sulla liberazione dei composti aromatici. Conclusione In conclusione, le pectinasi utilizzate in enologia portano numerosi vantaggi al vinificatore quali l accelerazione della defecazione, l aumento della resa in succo, il miglioramento della diffusione dei composti fenolici e dei precursori di aromi, il miglioramento della stabilità cromatica, l ammorbidimento della struttura, l aumento dei tenori in composti aromatici ma anche il miglioramento della filtrabilità dei vini 9. RIVISTA INTERNET DI VITICLTURA ED ENLGIA, 2006, N. 7/2

8 BAJARD SPARRW ET AL., ENZIMI ENLGICI: PRDUZINE, AZINE E IMPATT, PAG.8 Le pectinasi delle preparazioni della DSM sono efficaci nelle condizioni di ph, di tenore in S 2 e di grado alcolico riscontrati in vinificazione. Non interagiscono sul ph o sull'acidità totale. Possiedono scarse attività secondarie di tipo antocianasi o cinnamilesterasi, non hanno effetti negativi sulla qualità dei vini ottenuti. Bibliografia 1. J. Mourgues, 1983, Thèse de Docteur-Ingénieur, Université Paul Sabatier, Toulouse France. 2. F. Voragen et al.(eds.), Advances in Pectin and Pectinase research, S. Vidal, P. Williams, M.A. Neil, P. Pellerin, Carbohydrate Polymers 45 (2001) P. Pellerin, C. Bajard-Sparrow, C. Fauveau et F. Strozyck, Revue Française d Œnologie, 2006, n Fernandez, C. Bajard-Sparrow, C. Fauveau et P. Pellerin, Revue des Œnologues, n 116, juillet D. Lefebvre, VITI n 316 Mars J. Ducruet, 2000, Thèse de doctorat Œnologie Ampélologie, Université V. Segalen, Bordeaux France 8. Z. Gunata, C. Bayonove, R. Baumes et R. Cordonnier, 1985, J. of Sci. Food Agric.,36,9, K. Lourens & P.Pellerin, WineLand November RIVISTA INTERNET DI VITICLTURA ED ENLGIA, 2006, N. 7/2