La fisiologia dei lieviti in fermentazione

La curva di crescita della popolazione del lievito d’una fermentazione, viene abitualmente rappresentata dall’evoluzione del numero di cellule in funzione del tempo. L’aspetto di tale curva dipende dal ceppo di lievito, dalla composizione del mosto e dalle condizioni di fermentazione ma, classicamente, presenta tre fasi: latenza, crescita esponenziale, fase stazionaria.
La fase di latenza è compresa tra il momento dell’inoculo e l’inizio della crescita esponenziale. Insieme ad altri fattori, questa fase dipende dalla quantità e dallo stato delle cellule inoculate.
La fase di crescita esponenziale è il periodo di crescita massima costante. Le cellule si dividono ad intervalli regolari (secondo il proprio tempo di generazione) ed il tasso di crescita della popolazione è, a parità di condizioni, funzione del numero di cellule e del tempo di duplicazione.
La fase stazionaria comincia quando l’esaurimento delle sostanze azotate presenti nel mosto o l’accumulo di prodotti secondari nocivi (ad es. alcool) limita il tasso di crescita ed il numero di cellule vive resta costante.
Nella vinificazione la maggior parte della fermentazione è svolta da cellule in fase stazionaria. Anche se sono presenti numerose cellule, la fermentazione rallenta sensibilmente con l’inizio della fase stazionaria. Questo rallentamento persiste per tutta la durata della fase stazionaria e può portare a fermentazioni lunghe e stentate o ad arresti fermentativi.

Uno dei motivi di tale rallentamento è la bassa efficacia del sistema di trasporto degli zuccheri, che è regolato dalla disponibilità azotata e dalla sintesi proteica (gli enzimi che ne fanno parte sono comunque delle proteine). L’efficacia del sistema di trasporto degli zuccheri è il fattore limitante durante la fase stazionaria.
Quando c’è una carenza di azoto assimilabile (soprattutto nelle prime fasi), la velocità fermentativa decresce e può portare ad una fermentazione stentata o ad un arresto. I lieviti contengono circa il 9% di azoto e lo utilizzano per sintetizzare assieme alle proteine strutturali, gli enzimi e gli acidi nucleici. L’azoto contenuto nei mosti è molto variabile: da meno di 60 mg/L a più di 300 mg/L.
Allo stesso modo varia la forma della sua disponibilità, che è generalmente misurata in termini di azoto amminico libero. Infine ci sono delle differenze tra aminoacidi come la lisina e la glicina che non sono assimilabili, l’arginina che è indispensabile e la prolina che è intermedia tra i due casi.

Il rallentamento della fermentazione si spiega anche per l’accumulo di etanolo che ha degli effetti nocivi sulla membrana cellulare. L’alcool, infatti, aumenta la permeabilità della membrana che viene a perdere così la sua selettività; uno degli effetti di questo fenomeno è l’ingresso passivo di protoni all’interno della cellula. Per evacuare questi protoni e ripristinare il suo pH, la cellula deve spendere energia e ciò interferisce con gli altri processi di trasporto necessari alla fermentazione; se il pH interno diminuisce la cellula muore.
La temperatura e l’alcool agiscono in sinergia sulla membrana: le temperature elevate aumentano l’effetto nocivo dell’alcool sull’attività fermentativa e sulla vitalità del lievito. L’attività metabolica del lievito è fortemente influenzata dalla temperatura di fermentazione. I lieviti, a seconda del ceppo, possono fermentare a temperature comprese tra i 4° ed i 40°C, chiaramente con cinetiche molto diverse.
Le fermentazioni più veloci (ma non necessariamente le migliori dal punto di vista enologico) si ottengono operando tra i 25° ed i 35°C. Oltre che sulla cinetica, la temperatura influisce significativamente sulla produzione di composti secondari, molto importanti per la qualità del vino. La temperatura ottimale di fermentazione dipende quindi dal profilo organolettico del vino che si vuole ottenere. È bene ricordare inoltre che gli effetti tossici di certe sostanze per i lieviti (es. alcool) si rendono più evidenti all’aumentare della temperatura.
Gli steroli e gli acidi grassi insaturi migliorano la resistenza della membrana agli effetti dell’alcool: la loro presenza in fase stazionaria favorisce l’attività fermentativa e la sopravvivenza del lievito in buona salute.

In d'Araprì la fermentazione si svolge sempre a temperatura controllata, sotto i 20 °C (Carta Etica, regola VI).

L’ossigeno viene utilizzato dal lievito sia per la produzione di steroli ed acidi grassi insaturi che per la riproduzione (metabolismo respirativo). Mentre per la crescita la disponibilità d’ossigeno è facoltativa (il lievito può svilupparsi anche in condizioni anaerobiche), la presenza di ossigeno è indispensabile per la produzione di steroli ed acidi grassi insaturi che rappresentano le difese del lievito. L’aerazione del mosto in fase di crescita esponenziale del lievito porta all’accumulo di questi fattori di sopravvivenza.
Per raggiungere un numero di cellule sufficiente a portare a termine la fermentazione alcolica di un mosto d’uva con buoni risultati qualitativi, il lievito deve riprodursi per almeno 5-6 generazioni. Nella moltiplicazione la cellula madre divide in pratica a metà con la cellula figlia i propri costituenti (membrane, enzimi, organelli etc.) che vanno quindi risintetizzati per tornare alla dotazione iniziale.
Oltre ad azoto, zuccheri e vitamine, il lievito necessita di ossigeno molecolare per ricostituire alcuni elementi delle membrane cellulari che sono essenziali per la loro funzionalità: steroli ed acidi grassi insaturi. In assenza di ossigeno (anaerobiosi completa) una coltura di lievito liquido possiede steroli ed acidi grassi insaturi sufficienti per completare solo 2 o 3 generazioni, e le cellule sono molto più sensibili ai fattori ambientali e compositivi (temperatura, alcool, carenze nutrizionali).
I lieviti secchi, essendo stati prodotti facendo uso di enormi quantità di ossigeno, possiedono una dotazione molto più abbondante di steroli ed acidi grassi insaturi di una coltura liquida. In ogni caso, tuttavia, è bene garantire una adeguata disponibilità di ossigeno al lievito in moltiplicazione, attraverso l’immissione di aria nel mosto durante i primissimi giorni di fermentazione.
Ma questo accorgimento può non essere sufficiente: l’ossigeno disciolto nel mosto viene infatti spesso velocemente consumato dagli enzimi ossidasici naturali e dai microrganismi selvaggi, senza rendersi realmente disponibili al lievito selezionato. Una interessante soluzione al problema è l’aggiunta diretta al mosto delle sostanze che il lievito dovrebbe sintetizzare con l’intervento dell’ossigeno come per esempio di alcuni speciali ceppi di lievito da usare in forma inattiva.
I lieviti Saccharomyces cerevisiae sono in grado di svolgere l’attività fermentativa nell’intero intervallo di pH che riguarda il vino. Tuttavia a pH alti la competizione dei microrganismi indigeni nei suoi confronti può essere maggiore. A pH basso invece l’efficienza del lievito si riduce: ad esempio, all’aumentare dell’acidità del mezzo, si rende più difficile per la cellula l’assunzione dei nutrienti azotati e si amplificano gli effetti negativi di eventuali carenze.

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