Use of non-Saccharomyces yeasts to improve the quality and food safety of wine

The doctoral thesis focus on two yeast denominated as no conventional becouse they do not belong to the classic Saccharomyces genus. This genus is the one used in most alcoholic fermentations. The studied non Saccharomyces yeast in the doctoral thesis are Lacchancea thermotolerans and Schizosaccharomyces pombe. The use of these species has as main objective to try to improve the quality of the Spanish wines, especially of those produced under specific conditions such as those of warm climate or affected by climate change. Under those conditions, the initial musts may get high probable alcohol degrees (over 14.5 º PAD) that forecast difficult fermentation endings for conventional fermentation protocols. The acidity generally is reduced on those cases, what generates high pH up to 4. The conventional alcoholic fermentation of musts of high probable alcohol degree and pH produces risks able to deteriorate the main quality parameters of wine such as volatile acidity, total acidity and residual sugar. Additionally, the difficult fermentation endings for yeast and the high pH, increase the risk of overlapping the alcoholic fermentation and malolactic fermentation. This fact may also influence over the former quality parameters, and even to produce hazardous compounds for human health such as biogenic amines and ethyl carbamate. The yeast species L. thermotolerans is able to improve the total acidity of the wines through its unique ability of generating L-lactic acid during the alcoholic fermentation without consuming significatlly malic acid or increasing the volatile acidity. What is very different from the lactic bacteria metabolism. However, L. thermotolerans possess a moderate fermentative power and it is not able to ferment more than 9 to 10 % acohol concentrations. This limitation avoid to make wines from conventional grapes without combining with another more fermentative yeast that guaranties the total fermentation of sugars. The yeast species S. pombe and the Schizosaccharomyces genus possess the unique ability of metabolizing malic acid to carbon dioxide and ethanol through the malo-alcoholic fermentation. That metabolism allow the malic deacidification of wines that may have occasionally high acidity due to the lack of maturity characterized by high contents of malic acid. This kind of wine usually are unbalanced from a sensory point of view. This situation is normal in wines produced in the north of Spain or Europe. However, S. pombe has been also used lately to remove small amounts of malic acid in red wines of high maturity characterized by low contents in malic acid, high ethanol levels and high pH. This way allow to avoid a possible malolactic fermentation that would took place at a high pH and possibly in presence of residual sugars due to a possible slow alcoholic fermentation ending under a high alcohol content that avoid the optimum performance of conventional yeasts. However, most S. pombe strains show as an important collateral effect the production of high acetic acid levels. This fact make it necessary to perform previous selection processes of S. pombe strains able to produce low concentrations of acetic acid. The doctoral thesis employs the combined use of L. thermotolerans and S. pombe to avoid the malolactic fermentation in wines of high alcohol concentration and pH. Where the risk of deviation during the malolactic fermentation is high and it even may overlap with the end of the alcoholic fermentation. To achieve that objective S. pombe consumes the malic acid and ends the alcoholic fermentation, while L. thermotolerans compensate the loss of acidity produced by S. pombe. ----------RESUMEN---------- La tesis doctoral se centra en dos levaduras consideradas no convencionales por pertenecer a géneros distintos del clásico Saccharomyces. El cual se emplea en la mayoría de las industrias de fermentación alcohólica. Las levaduras no Saccharomyces estudiadas en la tesis doctoral son Lacchancea thermotolerans y Schizosaccharomyces pombe. El empleo de dichas especies de levaduras tiene como objetivo principal tratar de mejorar la calidad de vinos españoles bajo condiciones específicas como pueden ser aquellas producidas por climas cálidos o cambio climático. Bajo esas condiciones los mostos iniciales pueden alcanzar niveles de grado alcohólico probable elevados (superiores a 14,5 º GAP) que pronostican finales de fermentación difíciles para los protocolos convencionales de fermentación. La acidez se ve generalmente reducida en estos casos, lo cual conlleva la obtención de pH elevados próximos a 4. La fermentación alcohólica convencional de mostos de elevado grado alcohólico y pH conlleva riesgos de deterioro de los principales parámetros de calidad como son acidez volátil, acidez total y azúcares residuales. Adicionalmente los finales difíciles de fermentación para las levaduras y el elevado pH, incrementan el riesgo de solapamiento de la fermentación alcohólica y maloláctica, lo cual además de influir sobre los parámetros de calidad anteriores puede producir la formación de compuestos peligrosos para la salud humana como aminas biógenas o carbamato de etilo. La especie de levadura L. thermotolerans es capaz de mejorar la acidez total de los vinos mediante su habilidad única de generar ácido L-láctico durante la fermentación alcohólica sin consumir significativamente ácido málico o incrementar la acidez volátil, a diferencia del metabolismo de las bacterias lácticas. Sin embargo, L. thermotolerans posee un poder fermentativo moderado y no es capaz de fermentar normalmente más de 9 a 10 grados de etanol. Esta limitación impide la elaboración de vinos de uva convencionales sin la combinación con otra levadura más fermentativa que garantice la total fermentación de los azúcares. La especie de levadura S. pombe al igual que el resto de levaduras del género posee la habilidad única de metabolizar ácido málico a dióxido de carbono y etanol mediante la fermentación maloalcohólica. Dicho metabolismo permite la desacidificación málica de vinos que pueden presentar ocasionalmente una excesiva acidez debido a falta de maduración caracterizada por elevados contenidos de ácido málico. En este tipo de vinos se produce normalmente un desequilibrio sensorial. Esta situación es común en vinos producidos en el norte de España y Europa. No obstante S. pombe también ha sido utilizada últimamente para eliminar pequeñas cantidades de ácido málico en vinos tintos de excesiva madurez caracterizados por bajos contenidos en ácido málico, elevada graduación alcohólica y elevado pH. De esta manera se logra evitar una posible fermentación maloláctica que se desarrollaría a un elevado pH y posiblemente en presencia de azúcares residuales debido a una posible ralentización de la fermentación alcohólica una vez alcanzado un elevado grado alcohólico que impida el óptimo funcionamiento de las levaduras convencionales. Sin embargo, la mayoría de las cepas de S. pombe presentan como efecto colateral la elevada formación de ácido acético. Lo cual hace inevitable la realización de selecciones previas de levaduras de S. pombe de reducida producción de acidez volátil. La Tesis doctoral emplea el uso combinado de L. thermotolerans y S. pombe con objeto de evitar la fermentación maloláctica en vinos de elevada graduación alcohólica y pH. Donde el riesgo de desviación durante la fermentación maloláctica es elevado, incluso pudiéndose solapar con el final de la fermentación alcohólica. Con objeto de lograr dicho objetivo S. pombe consume el ácido málico y termina la fermentación alcohólica, mientras L. thermotolerans compensa la pérdida de acidez producida por S. pombe