Considerations for the Development and Optimization of Wine made from Partially Dehydrated Grapes in Ontario, Canada

The appassimento process for making wine can mitigate climatic challenges associated with cool climate winemaking, as fruit is dried post-harvest, reducing vintage-to-vintage variation due to varying fruit quality. Resultant wines fermented from dried grapes are high in ethanol and described as rich and intensely flavoured. One of the quality challenges facing wine made from partially dehydrated grapes is elevated levels of undesirable oxidation compounds, such as ethyl acetate, acetic acid and acetaldehyde. In this study we aim to characterize wines made from a local yeast isolate, Saccharomyces bayanus CN1, which demonstrates limited osmotolerance and may have application to this wine style, as it is a lower producer of such compounds. Wines made with the yeast of interest were compared to wines made with the accepted commercial yeast, Saccharomyces cerevisiae, EC1118. Fermentations were established over two vintages at one and three target starting sugar concentrations and a control, respectively. Wines were chemically (enzymatic) and sensorially analyzed. Wines (year two) were subject to volatile organic compound (VOC) and volatile fatty acid (VFA) measurements via Gas Chromatography-Mass Spectrometry. Another consideration for the development of this wine style is the inclusion of Botrytis cinerea, a pathogenic fungus that commonly develops during grape drying, and may impart favourable sensorial characteristics. Grapes were dried to 28.0°Brix and were fermented with EC1118 at 0 and 10% B. cinerea infection. A consumer preference test (n=153) that measured liking of wines (CN1 and 0% and10% B. cinerea infection) was conducted. Results indicate that CN1’s upper limit for fermentation to dryness is 27.5°Brix. All CN1 wines had significantly lower concentrations (p<0.05) of oxidation compounds than the commercial yeast, and oppositely, higher glycerol levels, along with comparable ethanol concentration to EC1118 wines. Significant differences in the concentrations of VOCs and VFAs, such as 2-phenylethanol and hexanoic acid were observed both within °Brix treatments and amongst yeast strains. Sensorially, the wines differed in intensity for a number of attributes. The consumer study revealed no preference between wines vinified with the different yeast strains. This work will contribute to the optimization of this wine style in cool climate winemaking regions and beyond

Color stabilization of apulian red wines through the sequential inoculation of starmerella bacillaris and saccharomyces cerevisiae

Mixed fermentation using Starmerella bacillaris and Saccharomyces cerevisiae has gained attention in recent years due to their ability to modulate the qualitative parameters of enological interest, such as the color intensity and stability of wine. In this study, three of the most important red Apulian varieties were fermented through two pure inoculations of Saccharomyces cerevisiae strains or the sequential inoculation of Saccharomyces cerevisiae after 48 h from Starmerella bacillaris. The evolution of anthocyanin profiles and chromatic characteristics were determined in the produced wines at draining off and after 18 months of bottle aging in order to assess the impact of the different fermentation protocols on the potential color stabilization and shelf-life. The chemical composition analysis showed titratable acidity and ethanol content exhibiting marked differences among wines after fermentation and aging. The 48 h inoculation delay produced wines with higher values of color intensity and color stability. This was ascribed to the increased presence of compounds, such as stable A-type vitisins and reddish/violet ethylidene-bridge flavonol-anthocyanin adducts, in the mixed fermentation. Our results proved that the sequential fermentation of Starmerella bacillaris and Saccharomyces cerevisiae could enhance the chromatic profile as well as the stability of the red wines, thus improving their organoleptic quality

Wine yeast: the challenge of low temperature

Different aspects and disciplines have been enclosed in this thesis in order to unravel the effects of low temperature to wine yeast. Results enclosed in chapters 1st and 2nd of this thesis reveal original empirical data with the purpose of understand how temperature has impact on Saccharomyces evolution and ecology in wine fermentation environments. Chapters 3rd and 4th enclose a proteomic analysis of yeast during wine fermentation at low temperatures and a functional genomics approach, issue from the proteomic study, developed in order to identify single gene influence at low temperature fermentations. In general, studies presented in this thesis provide oenological biotechnology with a broad range of new and original data that will allow going further in both, developing new biotechnological solutions and performing knowledge-based process management of low temperature fermentations.Diferents aspectes i disciplines s’han inclòs en aquesta tesis per tal de desentranyar els efectes de la baixa temperatura sobre els llevats vínics. Els resultats inclosos en els capítols 1r i 2n d’aquesta tesis aporten dades empíriques originals amb la finalitat de comprendre com la temperatura ha influït en la evolució del gènere Saccharomyces i en la seva ecologia en ambients vínics. Els capítols 3r i 4rt inclouen un anàlisis proteòmic del llevat durant la vinificació a baixes temperatures i un anàlisis de genòmica funcional, que ha permès detectar i analitzar el rol de gens potencialment importants en les fermentacions a baixes temperatures. En general, els estudis realitzats durant aquesta tesis han proporcionat a la biotecnologia enològica d’un ampli ventall de dades noves i originals que permetran desenvolupar tant noves solucions biotecnològiques com millora de la gestió basada en el coneixement de les fermentacions a baixes temperatures.Diferentes aspectos y disciplinas se han incluido en esta tesis para desentrañar los efectos de la baja temperatura sobre las levaduras vínicas. Los resultados incluidos en el 1º y 2º capítulos de esta tesis aportan datos empíricos originalescon el fin de comprender cómo la temperatura influye en la evolución del género Saccharomyces y en su ecología en ambientes vínicos. Los capítulos 3º y 4º incluyen un análisis proteómico de la levadura durante lavinificación a bajas temperaturas y un análisis de genómica funcional, que han permitido detectar y analizar el rol de genes potencialmente importantes en las fermentaciones vínicas a bajas temperaturas. En general los estudios realizados durante esta tesis han provisto a la biotecnología enológica de un amplio abanico de datos nuevos y originales que van a permitir desarrollar tanto nuevas soluciones biotecnológicas como mejorar la gestión basada en el conocimiento de las fermentaciones a bajas temperaturas

Wine microbiome: impact of vitivinicultural practices

Portugal is worldwide known for the quality and distinction of its wines and has been sharing a strong bond with the vitivinicultural sector since early days, with great economic impact. Several current problems, such as climate change and the scarcity of natural resources, have been affecting the agricultural sector, with winemaking exemplifying this. Aiming the overcome of those problems, several studies have been carried out in order to develop sustainable vitivinicultural practices, while preserving wine’s regionality and quality. One of the most researched subjects has been the terroir impact on wine’s organoleptic properties, and several studies have been reporting the influence of vine and wine’s microbiome, thus arising the importance of the microbial terroir. Therefore, there is a need to clarify the microbial terroir role on winemaking processes, identifying the microbial consortium and its evolution along the process, to understand their effect on the final product. Thus, a comparative study was developed, in which two grape varieties (Touriga Nacional and Aragonez) were produced simultaneously under two production modes (Organic and Integrated) and fermented by two different methods (spontaneous fermentation vs. commercial inoculation). Samples of Initial Must, Medium Fermentation and Final Fermentation were analysed by culture-dependent methods, molecular biology techniques and metagenomic tools, to evaluate the influence of vinicultural processes on microbiome and organoleptic properties of the 8 wines produced. This study demonstrated that the mode of production affects the diversity of initial must microbiome in both eukaryotes and prokaryotes. However, differences in the beginning of fermentation tend to decrease throughout the fermentation process. Regarding the fermentation method, in this study musts inoculated with the commercial yeast presented a lower biodiversity and a larger number of pathogenic microorganisms, unlike the musts resulting from spontaneous fermentation, which not only showed a higher biodiversity, but also exhibited a higher number of phytoprotective microorganisms.Portugal é mundialmente conhecido pela qualidade e distinção dos vinhos que produz e comercializa, sendo que este forte vínculo com o setor vitivinícola perdura desde os primeiros dias, com grande impacto económico. Dados referentes ao ano de 2018 mostram que, a nível mundial, Portugal é o 12º maior produtor, o 11º maior consumidor e o 9º maior exportador. Diversos problemas atuais, tais como as mudanças climáticas e a escassez de recursos naturais, têm vindo a afetar o sector agrícola, sendo que a produção de vinho exemplo disso mesmo. De forma a contornar este problema é importante estudar, desenvolver e aplicar soluções sustentáveis, que não só permitam ultrapassar os problemas assinalados, como também possibilitem preservar as propriedades e consequente qualidade do produto final, o vinho. Ao longo dos últimos anos têm sido realizados vários estudos com o objetivo de desenvolver práticas vitivinícolas sustentáveis, diminuindo a utilização de produtos nocivos para o ambiente, aumentando a utilização consciente dos recursos naturais e preservando a regionalidade do local, com o objetivo que esta se espelhe nas características do vinho. Portugal, a par com países um pouco por todo o mundo, tem acompanhado esta tendência ao nível do desenvolvimento e adoção de processos inovadores e sustentáveis para a vinificação, através da realização de estudos no seu território. Um dos temas mais estudados nos dias de hoje envolve o conceito de terroir: que engloba o conjunto de interações entre o solo, a topografia, o clima, as características do terreno, a biodiversidade e as práticas de vitivinicultura que ocorrem em determinada área (bem delimitada). A este conceito está associada a regionalidade, ou seja, a singularidade de cada vinho. Por outras palavras: se uma casta for produzida em terroir diferentes (por muito ligeiras que sejam essas diferenças), os vinhos produzidos traduzirão as características inerentes de cada local e por isso terão características diferentes. Estas diferenças podem ser reveladas com mais ou menos impacto a nível da análise sensorial, no entanto, quando são aplicadas ferramentas moleculares analíticas é possível observar as diferenças entre a composição de cada vinho. Um dos constituintes do terroir responsável por um grande efeito sobre as propriedades organoléticas do vinho é terroir microbiano. Este terroir é resultado dos diversos microbiomas presentes ao longo dos processos de produção e fermentação do vinho, ou seja, o microbioma da vinha (como é o exemplo do microbioma do solo, do tronco da videira, das folhas, dos bagos, da pele das uvas e das grainhas) e o microbioma do mosto (durante o processo de fermentação). Embora o efeito deste terroir nos processos de vitivinificação esteja já comprovado em diferentes castas e diferentes locais do mundo, as interações que conduzem a esse efeito e a forma como afetam as propriedades do produto final ainda não se encontra clarificada. É por isso importante continuar o estudo desta temática, através da identificação do consórcio microbiano e do estudo da sua evolução ao longo dos processos de produção e fermentação, de forma a compreender o seu papel no produto final. Para além disso, e porque o conceito de terroir traduz isso mesmo, seria importante aliar o estudo acima referido a outras variáveis, como o modo de produção e o método de fermentação. Tendo em vista esse mesmo objetivo, foi desenvolvido um estudo comparativo, no qual duas castas tintas (Touriga Nacional e Aragonez) foram produzidas no Alentejo (Beja, Portugal). Cada casta foi simultaneamente produzida em modo biológico e integrado. Ambos os modos de produção são considerados sustentáveis, uma vez que combinam a utilização ponderada de recursos naturais com praticas agrícolas de incentivo à biodiversidade. A grande diferença entre estes dois modos de produção é o apertado controlo da aplicação de produtos fitofarmacêuticos, sendo que no modo de produção biológico apenas um pequeno número destes produtos se encontra aprovado para aplicação. No modo de produção integrada, embora sejam autorizados alguns tipos de tratamento, o seu emprego é também evitado altamente controlado. De forma a avaliar o poder do processo de fermentação nas propriedades do vinho, os mostos obtidos foram fermentados através de dois métodos diferentes: fermentação comercial e fermentação espontânea. Na fermentação comercial o mosto foi inoculado com uma levedura comercial cujo efeito nas propriedades finais do vinho já era esperado. Na fermentação espontânea não ocorreu qualquer inoculação, o que significa que nesses mostos apenas estavam presentes leveduras autóctones – provenientes da vinha (solo, videira, folhas, bagos, pele da uva, grainhas, etc.). Assim, as propriedades de um vinho resultante de uma fermentação espontânea vão depender exclusivamente do terroir, ou seja, é esperado que estas leveduras traduzam uma maior regionalidade no produto final. De maneira a clarificar a forma como o terroir microbiano se comporta ao longo do processo de fermentação foram recolhidas amostras de Mosto Inicial, mosto em Meio de Fermentação e em Fim de Fermentação. Todas as amostras foram analisadas por métodos dependentes de cultura, técnicas de biologia molecular e ferramentas metagenómicas, para avaliar a influência dos processos vitiviniculturais no microbioma e nas propriedades organoléticas dos 8 vinhos produzidos. Através do método de espalhamento em meio YEPD (Extrato de Levedura, Peptona e Dextrose), procedeu-se à contagem e isolamento das leveduras cultiváveis, que foram depois identificadas por sequenciação da região ITS. Foi também realizada a análise metagenómica de cada um dos oito mostos, de forma a obter uma caracterização da composição da comunidade microbiana ao longo dos diferentes processos de produção e fermentação em estudo. Para completar o estudo da influência do modo de fermentação, foram amplificadas as sequências interdelta dos mostos em final de fermentação. Este estudo veio demonstrar que o modo de produção afeta a diversidade do microbioma do mosto inicial tanto em eucariotas como em procariotas. No entanto, as diferenças registadas no início da fermentação tendem a diminuir ao longo do processo de fermentação. Em relação ao método de fermentação, neste estudo os mostos inoculados com a levedura comercial apresentaram uma menor biodiversidade e um maior número de microrganismos patogénicos, ao contrário dos mostos resultantes da fermentação espontânea, que não só apresentaram uma maior biodiversidade, como também exibiram um maior número de microrganismos fitoprotetores

Native Non-Saccharomyces Yeasts as a Tool to Produce Distinctive and Diverse Tamjanika Grape Wines

The enological potential of two previously characterized indigenous yeast isolates, Hanseniaspora uvarum S-2 and Candida famata WB-1, in pure and sequential inoculation with commercial yeast Saccharomyces cerevisiae QA23 were analyzed in industrial-scale vinification of the grape variety Tamjanika. Their contribution to the quality and aroma profile was investigated by quantifying volatile compounds and wine sensory evaluation. Both yeast isolates were able to complete alcoholic fermentation, to reduce ethanol concentration up to 1.06% v/v (in monoculture) in comparation to S. cerevisiae QA23, and to enhance aroma and sensory profile. Based on calculated odor activity values (OAV), p-cymene, ethyl hexanoate, ethyl octanoate, and ethyl decanoate were the major aroma volatile compounds in all Tamjanika wine samples. Analyzed yeast strains significantly affected relative contribution of volatile compounds and can be considered responsible for the differences and uniqueness of the obtained wine samples. Besides confirmation of good enological and fermentative characteristics, selected isolates can be characterized as high ester-producing strains with potential to enhance the floral and fruity aromas of wine. The present study represents a further step toward the use of indigenous yeast isolates at industrial-scale fermentation in order to ensure the regional signature of Tamjanika wine

The Impact of Changes in Environmental Conditions on Organic Acid Production by Commercial Wine Yeast Strains

Acidity is one of the primary sensory elements in wine, and the balance of sugar and acidity is probably the strongest element affecting wine appreciation. However, little is known about how yeast strains and fermentation conditions will affect the production of fermentation-derived acids, including acetic, succinic and pyruvic acid. This study employs a multifactorial experimental design to provide a better understanding of how individual or simultaneous changes in environmental parameters such as pH, sugar and temperature influence the production of individual organic acids during fermentation in several yeast strains in synthetic must. Certain changes in environmental factors led to conserved trends between strains and treatments. Strains produced higher succinic acid levels when temperature was increased. Significant strain-dependent differences were observed when sugar concentrations were varied for both strains: the combinatorial impact of high initial sugars and fermentation temperature was more pronounced when increased pyruvic acid production was observed in yeast strain VIN13. On the other hand, while combinatorial influences are evident, higher sugar fermentation settings were largely characterised by high acetic acid concentrations for both strains. It is clear that simultaneous changes in sugar, pH andtemperature affect organic acid trends in a variable manner, depending on the particular combination of environmental parameters and yeast strain. The study provides valuable information regarding the mannerin which initial must parameters and environmental conditions throughout fermentation may affect wine acidity. Since many of these parameters can be controlled at least in part during the winemaking process,the data provide important background information for oenological strategies that aim to optimise the acid balance of wines

Study of the differences in the fermentative metabolism of S. cerevisiae, S. uvarum and S. kudriavzevii species

Tesis por compendio[ES] Saccharomyces cerevisiae, además de ser un importante organismo modelo en biología, es indiscutiblemente la especie de levadura más utilizada en procesos fermentativos industriales, incluyendo el sector enológico. Su capacidad de fermentar en concentraciones elevadas de azúcares, tolerar concentraciones altas de etanol y soportar la adición de sulfitos, son algunos de los factores que explican su éxito en fermentaciones vínicas. El metabolismo fermentativo de S. cerevisiae en condiciones enológicas se conoce bien gracias a una amplia bibliografía científica. En cambio, aún se sabe poco sobre el metabolismo de las especies de Saccharomyces criotolerantes, S. uvarum y S. kudriavzevii, quienes han suscitado recientemente el interés del sector vitivinícola por sus buenas propiedades fermentativas a bajas temperaturas, tales como la producción de vinos con mayor contenido en glicerol y alta complejidad aromática, llegando a veces a reducir su contenido en etanol. En este contexto, esta tesis pretende ampliar nuestros conocimientos sobre el metabolismo fermentativo de S. uvarum y S. kudriavzevii en condiciones enológicas, profundizando en el entendimiento de las diferencias existentes con el de S. cerevisiae, así como entre cepas de S. cerevisiae de distintos orígenes. Para ello, hemos utilizado varias técnicas ómicas para analizar la dinámica de los metabolomas (intra- y extracelulares) y/o transcriptomas de cepas representativas de S. cerevisiae, S. uvarum y S. kudriavzevii a alta (25 °C) y baja (12 °C) temperatura de fermentación. También, hemos desarrollado un modelo metabólico a escala de genoma que, junto a un análisis de balance de flujos, es capaz de cuantificar los flujos a través del metabolismo del carbono y del nitrógeno de levaduras en cultivo de tipo batch. Así, el conjunto de estos trabajos nos ha permitido identificar rasgos metabólicos y/o transcriptómicos relevantes para el sector enológico en estas especies. También se aporta nueva información sobre las especificidades de redistribución de flujos en la red metabólica de levaduras del género Saccharomyces acorde a la especie y las fluctuaciones ambientales que ocurren durante una fermentación vínica.[CAT] Saccharomyces cerevisiae, a més de ser un important organisme model en biologia, és indiscutiblement l'espècie de llevat més utilitzat en processos fermentatius industrials, incloent el sector enològic. La seua capacitat de fermentar grans concentracions de sucres, tolerar concentracions altes d'etanol i suportar l'addició de sulfits, són alguns dels factors que expliquen el seu èxit en fermentacions víniques. D'aquesta manera, el metabolisme fermentatiu de S. cerevisiae en condicions enològiques està ben descrit i es beneficia d'una àmplia bibliografia científica. En canvi, poc se sap encara sobre el metabolisme de les espècies de Saccharomyces criotolerants, S. uvarum i S. kudriavzevii, els qui han recentment suscitat l'interés del sector vitivinícola per les seues bones propietats fermentatives a baixes temperatures, com ara la producció de vins amb major contingut en glicerol, alta complexitat aromàtica i arribant a vegades a reduir el seu contingut en etanol. En aquest context, aquesta tesi pretén ampliar els nostres coneixements sobre el metabolisme fermentatiu de S. uvarum i S. kudriavzevii en condicions enològiques, aprofundint en l'enteniment de les diferències existents amb el de S. cerevisiae, així també com entre ceps de S. cerevisiae de diferents orígens. Per a això, hem utilitzat diverses tècniques omiques per a analitzar la dinàmica dels metabolomes (intra- i extracelul·lars) i/o transcriptomes de ceps representatius de S. cerevisiae, S. uvarum i S. kudriavzevii a alta (25 °C) i baixa (12 °C) temperatures de fermentació. També, hem desenvolupat un model metabòlic a escala del genoma que, al costat d'una anàlisi de balanç de fluxos, és capaç de quantificar els fluxos a través del metabolisme carbonat i nitrogenat de llevats en cultius de tipus batch. Així, el conjunt d'aquests treballs ens ha permés identificar trets metabòlics i/o transcriptómics rellevants per al sector enològic en aquestes espècies. També aporta nova informació sobre les especificitats de redistribució de fluxos en la xarxa metabòlica de llevats del gènere Saccharomyces concorde a l'espècie i les fluctuacions ambientals ocorrent durant una fermentació vínica.[EN] Saccharomyces cerevisiae, besides being an important model organism in biology, is undoubtedly the most widely used yeast species in industrial fermentation processes, including the winemaking sector. Its ability to ferment at high levels of sugars, tolerate high ethanol concentrations and withstand the addition of sulfites are some of the factors explaining its success in wine fermentation. Accordingly, the fermentative metabolism of S. cerevisiae under oenological conditions is well described and benefits from a large scientific literature. In contrast, little is known about the metabolism of the cryotolerant Saccharomyces species, S. uvarum and S. kudriavzevii, which have recently attracted the interest of the wine industry for their good fermentative properties at low temperatures, such as the production of wines with higher glycerol content, high aromatic complexity and sometimes even reduced ethanol content. In this context, this thesis aims to expand our knowledge on the fermentative metabolism of S. uvarum and S. kudriavzevii under oenological conditions, deepening our understanding of the existing differences with that of S. cerevisiae, as well as between S. cerevisiae strains of different origins. For this purpose, we have used several omics techniques to analyze the dynamics of the (intra- and extracellular) metabolomes and/or transcriptomes of representative strains of S. cerevisiae, S. uvarum and S. kudriavzevii at high (25 °C) and low (12 °C) fermentation temperatures. Also, we have developed a genome-scale metabolic model that, together with a flux balance analysis, is able to quantify fluxes through carbon and nitrogen metabolism of yeast in batch culture. Taken together, this work has allowed us to identify metabolic and/or transcriptomic traits relevant to the oenological sector in these species. It also provides new information on the specificities of flux redistribution in the metabolic network of Saccharomyces yeasts according to the species and environmental fluctuations occurring during wine fermentation.The present work has been carried out at the Department of Food Biotechnology of the IATA (CSIC). Romain Minebois was funded by a FPI grant (REF: BES-2016-078202) and supported by projects AGL2015-67504-C3-1R and RTI2018-093744-BC31 of the Ministerio de Ciencia e Inovación awarded to Amparo Querol.Minebois, RCM. (2021). Study of the differences in the fermentative metabolism of S. cerevisiae, S. uvarum and S. kudriavzevii species [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/176018TESISCompendi