Fermentation with non-Saccharomyces yeasts as a novel biotechnology for berry wine production
Liu, Shuxun (2020-11-13)
Fermentation with non-Saccharomyces yeasts as a novel biotechnology for berry wine production
(13.11.2020)
Turun yliopisto
Julkaisun pysyvä osoite on:
https://urn.fi/URN:ISBN:978-951-29-8207-3
https://urn.fi/URN:ISBN:978-951-29-8207-3
Tiivistelmä
Berries are rich in health-promoting bioactive components and berry consumption may be associated with a lower risk of various chronic diseases. However, only a fraction of the annual yield of berries is exploited and consumed. Development of berry wines may present an approach to increase the utilization of berries. The potential of non-Saccharomyces yeasts is increasingly recognized and explored in wine fermentation, whereas little has been done in berry wine production using non-Saccharomyces yeasts. Production of berry wines using non-Saccharomyces yeasts is a novel biotechnological approach for creating value-added products for the global market. The quality of berry wines is determined by the composition analysis, including the profile and content of both volatile and non-volatile compounds. Systematic research is needed to study the effects of non-Saccharomyces yeasts on the chemical composition of berry wines.
In this work, our aim was to study inoculation with different yeast species/strains and fermentation methods on composition of bilberry (Vaccinium myrtillus L.) wines. The specific purposes were: 1) to characterize the volatile and/or non-volatile compositions of blue (BB) and white bilberries (WB) juices and their corresponding wines produced by conventional fermentation with Saccharomyces cerevisiae; 2) to study the effect of non-Saccharomyces yeast and inoculation type on the chemical profiles of BB wines; 3) to compare the dynamic changes in volatile compounds during alcoholic fermentation of BB wines using diverse non-Saccharomyces yeasts; 4) to monitor the evolutions of pyranoanthocyanins and their precursor anthocyanin monomers during aging of BB wines fermented with Saccharomyces and non-Saccharomyces yeasts. Volatile compounds were measured using headspace-solid phase microextraction gas chromatography-mass spectrometry methods. Non-volatile compounds of phenolic compounds were qualitatively and quantitatively analyzed using liquid chromatography coupled with a diode array detector and a mass spectrometer, while ethanol, sugars, and organic acids by gas chromatography-flame ionization detection.
In BB juice, monomeric anthocyanins dominated among the phenolic compounds. Galactosides and glucosides delphinidin and cyanidin were the major anthocyanins among the 15 detected monomeric anthocyanins. Among the 42 nonanthocyanin phenolic compounds detected in BB and WB juices and wines, the levels of most individual compounds in nonpigmented bilberry products were significantly lower than those in pigmented ones. p-Coumaroyl monotropeins and quercetin glycosides both were the most predominant compounds in the groups of phenolic acids and flavonols, respectively, whereas the major flavan-3-ols were procyanidin B-type dimer and (−)-epicatechin. During fermentation with S. cerevisiae, the changes in content of nonanthocyanin phenolic compounds depended on the mutation of color. Fermentation significantly elevated the total contents of flavonol (TFO) and phenolic acids (TA) in WB samples. However, TA and TFO in BB juice showed a slight increase and reduction, respectively.
The content of monomeric anthocyanins reduced considerably after fermentation. BB wines produced from pure, sequential, and simultaneous inoculations involving Schizosaccharomyces pombe 70572 possessed higher contents of total and most individual monomeric anthocyanins than those with Torulaspora delbrueckii and S. cerevisiae strains. Yeast fermentation significantly enhanced aroma intensity and volatile complexity of BB juice, particularly the groups of higher alcohols and esters. The contribution to volatile composition of bilberry wines was yeast and inoculation type dependent. Pure fermentations with T. delbrueckii and Metschnikowia pulcherrima strains were characterized by the high productions of higher alcohols, Saccharomycodes ludwigii by esters, and Zygosaccharomyces bailii by fatty acids, while fermentations with S. pombe, Hanseniaspora uvarum, and Issatchenkia orientalis strains yielded more off-flavor compounds than that with S. cerevisiae. Further improvements of aroma intensity were confirmed in sequential and simultaneous fermentations with S. cerevisiae and T. delbrueckii or S. pombe strains. Moreover, co-fermentation affected volatile profiles of particularly higher alcohols, esters, and carbonyl compounds of BB wines.
In general, fermentation kinetics of non-Saccharomyces yeasts was less vigorous than that of S. cerevisiae as indicated by low ethanol production or poor sugar consumption. During fermentation, dynamic changes in volatile compounds were determined simultaneously with the development of ethanol concentration. There were also strain-dependent variations with regard to generation and degradation of volatile compounds.
The content of monomeric anthocyanins in BB wines declined significantly during 12 months of aging, and a fraction of the reduction were formed vitisin A-type pyranoanthocyanins (vAPs). Fifteen vAPs were identified in aged bilberry wines. The high generation of pyruvic acid from the metabolism of S. pombe strains boosted the formation of vAPs in the wine products. The residual pyruvic acid in fresh bilberry wines consecutively reacted with anthocyanin monomers during aging, and the content of vAPs reached the maximum after 6 months of aging. Sugar moieties in monomeric anthocyanins affected the condensation reactions with pyruvic acid. Pyranoanthocyanins were more stable than their corresponding monomeric anthocyanins, therefore contributing to the stabilization of the color of the berry wines. Methylation in B-ring stabilized the structures of monomeric anthocyanins and pyranoanthocyanins.
Marjoissa on paljon terveydelle edullisia bioaktiivisia yhdisteitä ja marjojen käyttäminen voidaan yhdistää alempaan riskiin saada erilaisia kroonisia tauteja. Vain osa vuotuisesta marjasadosta kuitenkin hyödynnetään. Marjaviinien kehittäminen voi olla yksi mahdollinen tapa lisätä marjojen hyötykäyttöä. Saccharomyces-sukuun kuulumattomia hiivoja tarkastellaan ja käytetään kasvavissa määrin viinien valmistuksessa, mutta niiden hyödyntäminen marjaviineissä on ollut vähäistä. Saccharomyces-sukuun kuulumattomat hiivat marjaviinien valmistuksessa on uusi bioteknologinen lähestymistapa uusien lisäarvotuotteiden tuomisessa globaaleille markkinoille. Marjaviinien laatu voidaan määrittää haihtuvien ja haihtumattomien yhdisteiden koostumuksen ja pitoisuuksien analyyseilla. Systemaattisia tutkimuksia tarvitaan selvittämään Saccharomyces-sukuun kuulumattomien hiivojen vaikutuksesta marjaviinien kemialliseen koostumukseen.
Tämän työn tavoitteena oli tutkia erilaisten hiivalajien, -kantojen ja käymismenetelmien vaikutusta mustikasta (Vaccinium myrtillus L.) valmistettujen viinien koostumukseen. Erityisinä tavoitteina oli: 1) karakterisoida sinisen (BB) ja valkoisen (WB) mustikkamehun ja niistä Saccharomyces cerevisiae -hiivalla valmistettujen marjaviinien haihtuvien ja haihtumattomien yhdisteiden koostumusta; 2) tarkastella Saccharomyces-sukuun kuulumattomien hiivojen ja hiivan ymppäystavan merkitystä mustikkaviinin (BB) kemiallisessa koostumuksessa; 3) vertailla Saccharomyces-sukuun kuulumattomilla hiivoilla valmistettujen mustikkaviinien (BB) haihtuvien yhdisteiden dynaamisia muutoksia käymisen aikana; 4) seurata pyranoantosyaniinien ja niiden monomeeristen antosyaniiniesiasteiden muodostumista Saccharomyces-sukuun kuuluvilla ja kuulumattomilla hiivoilla valmistettujen mustikkaviinien (BB) kypsymisen aikana. Haihtumattomia yhdisteitä mitattiin viinien ilmatilasta kiinteäfaasimikrouutolla ja kaasukromatografi–massaspektrometri-laitteistolla. Haihtumattomat fenoliset yhdisteet määritettiin laadullisesti ja määrällisesti nestekromatografilla yhdistettynä diodirividetektoriin ja massaspektrometriin, ja puolestaan etanoli, sokerit ja orgaaniset hapot määritettiin kaasukromatografi– liekki-ionisaatiodetektori-laitteistolla.
Sinisessä mustikkamehussa monomeeriset antosyaniinit olivat merkittävin fenolisten yhdisteiden ryhmä. Delfinidiinin ja syanidiinin galaktosidit ja glukosidit olivat pääasiallisimmat antosyaniinit 15:n havaitun yhdisteen joukossa. Sinisistä (BB) ja valkoisista (WB) mustikkamehuista ja –viineistä määritettiin 42 antosyaniineihin kuulumatonta fenolista yhdistettä ja useampien niiden määrät olivat alhaisemmat pigmentoimattomissa tuotteissa kuin pigmentoiduissa. Kversetiinin glykosidit ja p-kumaroyylimonotropeiinit olivat merkittävimmät fenolisten happojen ja flavonolien yhdisteet näytteissä, kun taas prosyaniidien B-tyypin dimeeri ja (–)-epikatekiini olivat pääasiallisimmat flavan-3-oli-yhdisteet. S. cerevisiae -hiivakäymisen vaikutus näiden yhdisteiden koostumukseen oli riippuvainen marjan värin mutaatiosta: käyminen lisäsi flavonolien ja fenolisten happojen kokonaismäärää valkoisesta mustikasta valmistetuissa näytteissä. Sinisestä mustikasta valmistetuissa viineissä fenolisten happojen määrä kasvoi hieman, kun taas flavonolien määrä laski.
Monomeeristen antosyaniinien määrä laski merkittävästi käymisen aikana. Mustikkaviineissä (BB), jotka valmistettiin ymppäämällä joko yksin, peräkkäin tai samanaikaisesti Schizosaccharomyces pombe -hiivan kantaa 70572, oli enemmän kokonaismäärältään antosyaniineja ja suurinta osaa yksittäisiä monomeerisia antosyaniineja verrattuna Torulaspora delbrueckii ja S. cerevisiae -hiivakantojen avulla valmistettuihin viineihin. Hiivakäyminen paransi merkitsevästi mustikkamehun aromien intensiteettiä ja haihtuvien yhdisteiden monimutkaisuutta vaikuttamalla erityisesti korkeampien alkoholien ja esterien yhdisteryhmiin. Haihtumattomien yhdisteiden merkitys oli riippuvaista hiivasta ja ymppäysmenetelmästä. Käyminen pelkillä T. delbrueckii and Metschnikowia pulcherrima -kannoilla sai aikaan korkeampien alkoholien määrän, kun taas Saccharomycodes ludwigii -hiivakannalla esterien määrä kasvoi ja Zygosaccharomyces bailii -hiivakannalla rasvahappojen määrä erottui muista. S. pombe, Hanseniaspora uvarum ja Issatchenkia orientalis –hiivakannoilla valmistetuissa näytteissä puolestaan esiintyi enemmän haittahajuiksi luokiteltavia yhdisteitä verrattuna S. cerevisiae -hiivakantaan. Aromien intensiteetin parantumista havaittiin myös näytteissä, joissa S. cerevisiae ja T. delbrueckii tai S. pombe -hiivakantoja lisättiin peräkkäisesti tai samanaikaisesti. Useamman hiivakannan ymppääminen yhdessä (peräkkäisesti tai samanaikaisesti) vaikutti erityisesti korkeampien alkoholien, esterien ja karbonyyliyhdisteiden profiileihin
mustikkaviineissä.
Saccharomyces-sukuun kuulumattomilla hiivoilla käymisen kinetiikka oli yleisesti hillitympi verrattuna S. cerevisiae -kantoihin, mikä havaittiin alhaisemmasta etanolin muodostumisesta ja huonommasta sokerien hyödyntämisestä. Haihtuvien yhdisteiden dynaamisia muutoksia tarkasteltiin samanaikaisesti etanolin määrän muodostumisen kanssa käymisen aikana. Näissä muutoksissa havaittiin myös hiivakannasta riippuvia haihtuvien yhdisteiden muodostumisia ja hajoamisia.
Monomeeristen antosyaniinien yhdisteiden määrä mustikkaviineissä (BB) laski merkitsevästi 12 kuukauden kypsymisen aikana. Osa laskusta selittyi vitisiini A -tyypin pyranoantosyaniinien muodostumisella (vAP). Kypsytetyistä mustikkaviineistä havaittiin 15 vAP-yhdistettä. S. pombe -hiivakannan korkea palorypälehapon muodostuskyky paransi vAP-yhdisteiden muodostumista. Mustikkaviinien vapaa palorypälehappo reagoi monomeeristen antosyaniinien kanssa kypsymisen aikana ja vAP-yhdisteiden määrä saavutti huippunsa kuuden kuukauden kypsymisen kohdalla. Pyranoantosyaniinit olivat vakaampia verrattuna vastaaviin monomeerisiin antosyaniineihin vaikuttaen siten viinien värin säilyvyyteen. B-renkaan metylaatio vakautti monomeeristen antosyaniinien ja pyranoantosyaniinien rakenteita.
In this work, our aim was to study inoculation with different yeast species/strains and fermentation methods on composition of bilberry (Vaccinium myrtillus L.) wines. The specific purposes were: 1) to characterize the volatile and/or non-volatile compositions of blue (BB) and white bilberries (WB) juices and their corresponding wines produced by conventional fermentation with Saccharomyces cerevisiae; 2) to study the effect of non-Saccharomyces yeast and inoculation type on the chemical profiles of BB wines; 3) to compare the dynamic changes in volatile compounds during alcoholic fermentation of BB wines using diverse non-Saccharomyces yeasts; 4) to monitor the evolutions of pyranoanthocyanins and their precursor anthocyanin monomers during aging of BB wines fermented with Saccharomyces and non-Saccharomyces yeasts. Volatile compounds were measured using headspace-solid phase microextraction gas chromatography-mass spectrometry methods. Non-volatile compounds of phenolic compounds were qualitatively and quantitatively analyzed using liquid chromatography coupled with a diode array detector and a mass spectrometer, while ethanol, sugars, and organic acids by gas chromatography-flame ionization detection.
In BB juice, monomeric anthocyanins dominated among the phenolic compounds. Galactosides and glucosides delphinidin and cyanidin were the major anthocyanins among the 15 detected monomeric anthocyanins. Among the 42 nonanthocyanin phenolic compounds detected in BB and WB juices and wines, the levels of most individual compounds in nonpigmented bilberry products were significantly lower than those in pigmented ones. p-Coumaroyl monotropeins and quercetin glycosides both were the most predominant compounds in the groups of phenolic acids and flavonols, respectively, whereas the major flavan-3-ols were procyanidin B-type dimer and (−)-epicatechin. During fermentation with S. cerevisiae, the changes in content of nonanthocyanin phenolic compounds depended on the mutation of color. Fermentation significantly elevated the total contents of flavonol (TFO) and phenolic acids (TA) in WB samples. However, TA and TFO in BB juice showed a slight increase and reduction, respectively.
The content of monomeric anthocyanins reduced considerably after fermentation. BB wines produced from pure, sequential, and simultaneous inoculations involving Schizosaccharomyces pombe 70572 possessed higher contents of total and most individual monomeric anthocyanins than those with Torulaspora delbrueckii and S. cerevisiae strains. Yeast fermentation significantly enhanced aroma intensity and volatile complexity of BB juice, particularly the groups of higher alcohols and esters. The contribution to volatile composition of bilberry wines was yeast and inoculation type dependent. Pure fermentations with T. delbrueckii and Metschnikowia pulcherrima strains were characterized by the high productions of higher alcohols, Saccharomycodes ludwigii by esters, and Zygosaccharomyces bailii by fatty acids, while fermentations with S. pombe, Hanseniaspora uvarum, and Issatchenkia orientalis strains yielded more off-flavor compounds than that with S. cerevisiae. Further improvements of aroma intensity were confirmed in sequential and simultaneous fermentations with S. cerevisiae and T. delbrueckii or S. pombe strains. Moreover, co-fermentation affected volatile profiles of particularly higher alcohols, esters, and carbonyl compounds of BB wines.
In general, fermentation kinetics of non-Saccharomyces yeasts was less vigorous than that of S. cerevisiae as indicated by low ethanol production or poor sugar consumption. During fermentation, dynamic changes in volatile compounds were determined simultaneously with the development of ethanol concentration. There were also strain-dependent variations with regard to generation and degradation of volatile compounds.
The content of monomeric anthocyanins in BB wines declined significantly during 12 months of aging, and a fraction of the reduction were formed vitisin A-type pyranoanthocyanins (vAPs). Fifteen vAPs were identified in aged bilberry wines. The high generation of pyruvic acid from the metabolism of S. pombe strains boosted the formation of vAPs in the wine products. The residual pyruvic acid in fresh bilberry wines consecutively reacted with anthocyanin monomers during aging, and the content of vAPs reached the maximum after 6 months of aging. Sugar moieties in monomeric anthocyanins affected the condensation reactions with pyruvic acid. Pyranoanthocyanins were more stable than their corresponding monomeric anthocyanins, therefore contributing to the stabilization of the color of the berry wines. Methylation in B-ring stabilized the structures of monomeric anthocyanins and pyranoanthocyanins.
Tämän työn tavoitteena oli tutkia erilaisten hiivalajien, -kantojen ja käymismenetelmien vaikutusta mustikasta (Vaccinium myrtillus L.) valmistettujen viinien koostumukseen. Erityisinä tavoitteina oli: 1) karakterisoida sinisen (BB) ja valkoisen (WB) mustikkamehun ja niistä Saccharomyces cerevisiae -hiivalla valmistettujen marjaviinien haihtuvien ja haihtumattomien yhdisteiden koostumusta; 2) tarkastella Saccharomyces-sukuun kuulumattomien hiivojen ja hiivan ymppäystavan merkitystä mustikkaviinin (BB) kemiallisessa koostumuksessa; 3) vertailla Saccharomyces-sukuun kuulumattomilla hiivoilla valmistettujen mustikkaviinien (BB) haihtuvien yhdisteiden dynaamisia muutoksia käymisen aikana; 4) seurata pyranoantosyaniinien ja niiden monomeeristen antosyaniiniesiasteiden muodostumista Saccharomyces-sukuun kuuluvilla ja kuulumattomilla hiivoilla valmistettujen mustikkaviinien (BB) kypsymisen aikana. Haihtumattomia yhdisteitä mitattiin viinien ilmatilasta kiinteäfaasimikrouutolla ja kaasukromatografi–massaspektrometri-laitteistolla. Haihtumattomat fenoliset yhdisteet määritettiin laadullisesti ja määrällisesti nestekromatografilla yhdistettynä diodirividetektoriin ja massaspektrometriin, ja puolestaan etanoli, sokerit ja orgaaniset hapot määritettiin kaasukromatografi– liekki-ionisaatiodetektori-laitteistolla.
Sinisessä mustikkamehussa monomeeriset antosyaniinit olivat merkittävin fenolisten yhdisteiden ryhmä. Delfinidiinin ja syanidiinin galaktosidit ja glukosidit olivat pääasiallisimmat antosyaniinit 15:n havaitun yhdisteen joukossa. Sinisistä (BB) ja valkoisista (WB) mustikkamehuista ja –viineistä määritettiin 42 antosyaniineihin kuulumatonta fenolista yhdistettä ja useampien niiden määrät olivat alhaisemmat pigmentoimattomissa tuotteissa kuin pigmentoiduissa. Kversetiinin glykosidit ja p-kumaroyylimonotropeiinit olivat merkittävimmät fenolisten happojen ja flavonolien yhdisteet näytteissä, kun taas prosyaniidien B-tyypin dimeeri ja (–)-epikatekiini olivat pääasiallisimmat flavan-3-oli-yhdisteet. S. cerevisiae -hiivakäymisen vaikutus näiden yhdisteiden koostumukseen oli riippuvainen marjan värin mutaatiosta: käyminen lisäsi flavonolien ja fenolisten happojen kokonaismäärää valkoisesta mustikasta valmistetuissa näytteissä. Sinisestä mustikasta valmistetuissa viineissä fenolisten happojen määrä kasvoi hieman, kun taas flavonolien määrä laski.
Monomeeristen antosyaniinien määrä laski merkittävästi käymisen aikana. Mustikkaviineissä (BB), jotka valmistettiin ymppäämällä joko yksin, peräkkäin tai samanaikaisesti Schizosaccharomyces pombe -hiivan kantaa 70572, oli enemmän kokonaismäärältään antosyaniineja ja suurinta osaa yksittäisiä monomeerisia antosyaniineja verrattuna Torulaspora delbrueckii ja S. cerevisiae -hiivakantojen avulla valmistettuihin viineihin. Hiivakäyminen paransi merkitsevästi mustikkamehun aromien intensiteettiä ja haihtuvien yhdisteiden monimutkaisuutta vaikuttamalla erityisesti korkeampien alkoholien ja esterien yhdisteryhmiin. Haihtumattomien yhdisteiden merkitys oli riippuvaista hiivasta ja ymppäysmenetelmästä. Käyminen pelkillä T. delbrueckii and Metschnikowia pulcherrima -kannoilla sai aikaan korkeampien alkoholien määrän, kun taas Saccharomycodes ludwigii -hiivakannalla esterien määrä kasvoi ja Zygosaccharomyces bailii -hiivakannalla rasvahappojen määrä erottui muista. S. pombe, Hanseniaspora uvarum ja Issatchenkia orientalis –hiivakannoilla valmistetuissa näytteissä puolestaan esiintyi enemmän haittahajuiksi luokiteltavia yhdisteitä verrattuna S. cerevisiae -hiivakantaan. Aromien intensiteetin parantumista havaittiin myös näytteissä, joissa S. cerevisiae ja T. delbrueckii tai S. pombe -hiivakantoja lisättiin peräkkäisesti tai samanaikaisesti. Useamman hiivakannan ymppääminen yhdessä (peräkkäisesti tai samanaikaisesti) vaikutti erityisesti korkeampien alkoholien, esterien ja karbonyyliyhdisteiden profiileihin
mustikkaviineissä.
Saccharomyces-sukuun kuulumattomilla hiivoilla käymisen kinetiikka oli yleisesti hillitympi verrattuna S. cerevisiae -kantoihin, mikä havaittiin alhaisemmasta etanolin muodostumisesta ja huonommasta sokerien hyödyntämisestä. Haihtuvien yhdisteiden dynaamisia muutoksia tarkasteltiin samanaikaisesti etanolin määrän muodostumisen kanssa käymisen aikana. Näissä muutoksissa havaittiin myös hiivakannasta riippuvia haihtuvien yhdisteiden muodostumisia ja hajoamisia.
Monomeeristen antosyaniinien yhdisteiden määrä mustikkaviineissä (BB) laski merkitsevästi 12 kuukauden kypsymisen aikana. Osa laskusta selittyi vitisiini A -tyypin pyranoantosyaniinien muodostumisella (vAP). Kypsytetyistä mustikkaviineistä havaittiin 15 vAP-yhdistettä. S. pombe -hiivakannan korkea palorypälehapon muodostuskyky paransi vAP-yhdisteiden muodostumista. Mustikkaviinien vapaa palorypälehappo reagoi monomeeristen antosyaniinien kanssa kypsymisen aikana ja vAP-yhdisteiden määrä saavutti huippunsa kuuden kuukauden kypsymisen kohdalla. Pyranoantosyaniinit olivat vakaampia verrattuna vastaaviin monomeerisiin antosyaniineihin vaikuttaen siten viinien värin säilyvyyteen. B-renkaan metylaatio vakautti monomeeristen antosyaniinien ja pyranoantosyaniinien rakenteita.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [2845]