Kommerzielle Nicht-Saccharomyces-Hefe – ein interessanter Zusatz zu Saccharomyces cerevisiae mit besonderem Bezug auf Metschnikowia pulcherrima

DIE ISOLIERUNG VON REINEN HEFEKULTUREN und das Verständnis der Hefehersteller, wie sie als aktive getrocknete Weinhefe hergestellt werden kann, hat sich seit 1965, als sie erstmals kommerziell eingeführt wurden, verbessert. Saccharomyces cerevisiae wurde zur bevorzugten Hefe für die Vergärung von Traubensaft und Most. Aber warum ist das so? 

Aus technischer Sicht ist die Tatsache, dass S. cerevisiae, relativ gesehen, eine leicht zu züchtende Hefe ist, lange Zeit im sogenannten Scheintod gelagert werden kann und über eine zugängliche Genetik verfügt, die durch den sexuellen und asexuellen Zyklus verfolgt werden kann, ein großer Vorteil. Daher hat sich dies über Jahrtausende für die Verwendung in der Lebensmittel- und Getränkeproduktion angeboten.¹ Im Hinblick auf die Weinherstellung kommt es weitgehend auf die natürliche Fähigkeit von S. cerevisiae an, während der Gärung die wünschenswerten Geschmackseigenschaften zu beherrschen.⁷ Dies hat zu einer besseren Kontrolle der Weinbereitung, besser vorhersagbare Ergebnisse und ein geringeres Risiko des Verderbens durch andere Mikroorganismen geführt.  

Nicht zufrieden mit S. cerevisiae-Stämmen, die aus natürlichen oder spontanen Fermenten stammen, haben sich Hefeforscher und -hersteller jedoch gentechnisch unveränderten Methoden zugewandt, um Gärungssleistung, Aroma und Geschmack zu regulieren. Durch die Rückkreuzung von gezielter Genlöschung, seltener Paarung, Isolierung von Hefestämmen und mutierender Gene konnten Forscher die Winzer mit zusätzlichen neuen Werkzeugen ausstatten, um den Bedürfnissen der Verbraucher gerecht zu werden. Beispielsweise hat das verhindern der Entwicklung von Schwefelwasserstoff aus Hefe sauberere, aromatischere Weine hervorgebracht. Fortschritte in der Forschung im Zusammenhang mit Genetik und Molekularbiologie haben Auswirkungen auf die Weinwissenschaft und Weinherstellung, indem sie die verfügbaren Hefeoptionen erweitert haben.

Während es auch das Aufkommen von gentechnisch veränderten (GVO) Weinhefen gab, haben die vorherrschenden Anti-GVO-Stimmungen sowohl bei Verbrauchern als auch bei anderen globalen Regulierungsbehörden die weit verbreitete kommerzielle Nutzung trotz einiger attraktiver Eigenschaften minimiert. In vielerlei Hinsicht geschieht dies vor dem Hintergrund zunehmender technologischer Innovationen und Fähigkeiten (insbesondere aus herstellungstechnischer Sicht), sowie der Zurückhaltung bei der Verwendung von GVO, dass beide, Winzer und Forscher, die Rolle überdacht haben nicht-traditioneller Hefestämme als Weg für zukünftige Entwicklungen und Untersuchungen zu nutzen. 

Diese Hefestämme, hauptsächlich Nicht-Saccharomyces, unterscheiden sich in ihren Eigenschaften erheblich von denen, die historisch in der Weinindustrie verwendet wurden. Nur aufgrund der zunehmenden technologischen Innovation und Leistungsfähigkeit sind sie jetzt als neue Werkzeuge für Winzer zahlreicher verfügbar. Aber warum gibt es dieses Interesse an Nicht-Saccharomyces-Stämmen und was sind die Gründe dafür? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir wirklich verstehen, was diese Nicht-Saccharomyces-Stämme sind und was ihre Eigenschaften sind. 

Nicht-Saccharomyces-Weinhefestämme

Nicht-Saccharomyces Hefe ist ein umgangssprachlicher Begriff, der in der Weinindustrie als Sammelbegriff für viele verschiedene Hefearten verwendet wird. Allgemein sind diese Hefearten auf Trauben, auf Kellerausrüstung und/oder in der Kellerumgebung (durch ihre Anwesenheit in der Luft oder von Insekten getragen) vorhanden. Dazu gehören beispielsweise Torulaspora, Metschnikowia, Pichia, Brettanomyces, Klockera, Lachancea thermotolerans und Candida. Diese Gruppe von Hefen kann in drei Untergruppen unterteilt werden: aerobe (Sauerstoffabhängig), apikuläre und solche mit fermentativem Stoffwechsel. Angesichts der Assoziation apikaler Hefen mit der Produktion von flüchtiger Säure (eine Beeinträchtigung der Weinqualität)⁸ wurde die Untersuchung der Nützlichkeit dieser Arten weitgehend auf die erste und dritte Gruppe beschränkt. Warum sollten diese Arten von besonderem Interesse sein? 

Jüngste Weinproduktionspraktiken – die Verwendung stark fermentierender S. cerevisiae-Stämme, Sulfit Zusätze vor und nach der Ernte und eine bessere Kellerhygiene haben den Einfluss von Nicht-Saccharomyces-Stämmen, die sich bereits im Most und/oder Keller befinden, minimiert. Die Risiken möglicher Verderb Faktoren haben alle möglichen positiven Beiträge überwogen, die von Nicht-Saccharomyces-Hefen geboten werden. 

Zahlreiche Forschungsstudien haben jedoch gezeigt, dass die Vorteile von Torulaspora delbrueckii, Lachancea thermotolerans, Pichia kluyveri, Schizosaccharomyces pombe und Metschnikowia pulcherrima die Qualität des fertigen Weins positiv beeinflussen können.¹¹ Anstatt einen allgemeinen Ãœberblick über all diese Sorten zu geben, werden wir einen genaueren Blick auf eine der oben erwähnten – Metschnikowia pulcherrima – werfen, die in Weinhefe-Forschungskreisen für bestimmte vorteilhafte Eigenschaften der Weinbereitung an Bedeutung gewinnt, nämlich biologische Kontrolle, fertige Weinqualität und möglicher Alkoholreduzierung. 

Metschnikowia pulcherrima wurde als allgegenwärtiger Hefepilz beschrieben.⁵ Man findet ihn auf Weintrauben, Kirschen, Blumen, verdorbenem Obst und auf fruchtfressenden Insekten. Hefehersteller und Wiederverkäufer machen Metschnikowia zunehmend kommerziell verfügbar. 

Zellmorphologie von Metschnikowia pulcherrima im Vergleich zu Saccharomyces cerevisiae, wobei erstere (links) eine eher längliche Zitronenform und letztere (rechts) eine eher kreisförmige, traditionelle Hefemorphologie aufweist (40fache Vergrößerung).

Biokontrolle 

Die übliche Verwendung von Schwefeldioxid als antimikrobielles Mittel in Weinkellereien ist auf seine Kosten und Wirksamkeit zurückzuführen. Es gibt jedoch einen wachsenden Trend, Schwefeldioxid für Weinkonsumenten mit allergischen Reaktionen auf diese Verbindung sowie aus ökologischen und stilistischen Gründen zu reduzieren. Metschnikowia pulcherrima kann aufgrund seiner Fähigkeit, antimikrobielle Verbindungen zu produzieren als natürliches biologisches Kontrollmittel mit dem Potenzial Schwefeldioxid teilweise oder vollständig zu ersetzen, verwendet werden (abhängig von der Qualität der im Weingut ankommenden Trauben). 

Insbesondere Metschnikowia pulcherrima-Kolonien scheiden Pulcherriminsäure (die Vorstufe des Pulcherrimin-Pigmentes) aus, die das im Most vorhandene Eisen aufbraucht und es für andere Hefearten unzugänglich macht, wodurch ihr Wachstum gehemmt wird.⁶ Dies behindert unerwünschte wilde Verderbnis-Hefen wie Brettanomyces/Dekkera, Hanseniaspora und einige Pichia-Stämme (z. B. Pichia anomala), anstatt sich auf SO₂ zu verlassen. 

Außerdem wurde auch vorgeschlagen, dass Eisenmangel zwar ein starker Hemmmechanismus ist, aber auch andere Eigenschaften diesen antimikrobiellen Aspekt unterstützen können, wie z. B. die Konkurrenz um Nährstoffe. Es wurde beobachtet, dass bestimmte Metschnikowia pulcherrima-Stämme das Wachstum anderer Mikroorganismen beeinträchtigen, indem sie Nährstoffe schneller verbrauchen als diejenigen, mit denen sie konkurrieren.⁵ 

Des Weiteren kann es gut sein, dass die Sekretion von Enzymen von Metschnikowia pulcherrima wie Chitinase und Glucanase auch die Zellen anderer Mikroorganismen beeinflussen kann.⁹ Obwohl dies sicherlich weitere Untersuchungen erfordert, ist klar, dass Metschnikowia pulcherrima eine antimikrobielle Aktivität und daher eine potenzielle Anwendung in Weinen hat, bei denen Schwefeldioxid als Zusatzstoff auf Weinetiketten nicht mehr erscheinen soll. 

Auswirkungen auf Weingeschmack/-qualität 

S. cerevisiae wird im Allgemeinen nicht als guter Produzent von exogenen Enzymen beschrieben. Nicht-Sacharromyces-Stämme haben diesbezüglich jedoch interessante Eigenschaften. Metschnikowia pulcherrima hat insbesondere die folgenden enzymatischen Aktivitäten: ß-Glucosidase, Protease, Glucanase, Lichenase, Cellulase, Xylaniase, Sulfitreduktase, Lipose und ß-Lyase.⁵ Einige dieser Aktivitäten sind besonders wertvoll für die Weinherstellung. Ricardo Vejarano fasst einige dieser Vorteile zusammen:¹² 

Vorteile von Enzymen

ß-Glucosidase
- Freisetzung von Terpenen aus ihren glykosylierten Precursoren (Vorläufern), 
- Freisetzung von Thiolen aus ihren Cysteinylierten Precursoren (Vorläufern). 

Protease
- Verbesserung der Traubenmostgewinnung und -klärung, Weinfiltration und -stabilisierung, 
- Verbesserung der Schaumstabilität in Schaumweinen, 
- Erhöhung des Aminosäuregehalts, Bildung von aromatischen Verbindungen. 

ß-lyase
- Freisetzung von Thiolen aus ihren Kohlenstoff-Schwefel-gebundenen nichtaromatischen Precursoren (Vorläufern)

Es muss beachtet werden, dass die Intensität der enzymatischen Aktivität nicht nur Art-, sondern auch Stammabhängig ist. 

Abgesehen von diesen enzymatischen Wirkungen auf den Weingeschmack wurde in kürzlich veröffentlichten Arbeiten von Varela et al. (2021) gezeigt, dass Shiraz- und Cabernet Sauvignon-Weine, die mit aktiven Trockenhefepräparaten von Metschnikowia pulcherrima hergestellt wurden, eine erhöhte Intensität einiger wünschenswerter Eigenschaften („rote Frucht“ Aroma und „dunkle Frucht“-Geschmack) haben und  niedrige Werte für negative Deskriptoren (pflanzliches Aroma und reduktive sensorische Deskriptoren).¹¹  Ihre Analyse der flüchtigen Zusammensetzung und die anschließende sensorische Analyse von Weinen, die mit Metschnikowia pulcherrima hergestellt wurden, deuten stark darauf hin, dass diese Hefepräparate sowohl das sensorische Profil als auch den Weinstil positiv beeinflussen können.¹¹ 

Ethanol Reduktion 

Der Anstieg des Alkoholgehalts im Wein hat dazu geführt, dass Weine mit 14% ABV und mehr heute häufiger produziert werden. Aufgrund von gesundheitlichen Erwägungen, finanziellen Notwendigkeiten (Steuern) und Verbraucheranforderungen gab es jedoch einen zunehmenden Impuls, den Alkoholgehalt zu senken, ohne die Weinqualität und den Geschmack zu beeinträchtigen. Eine Sache, die allen Metschnikowia pulcherrima-Stämmen gemeinsam ist – die Tatsache, dass sie Crabtree-Effekt oder Pasteur-Effekt negativ sind – eröffnet die Möglichkeit, die Art zu nutzen, um möglicherweise Traubenzucker auf unkonventionelle Weise einzusetzen, um den Ethanol Gehalt von Weinen zu reduzieren. 

Nicht-Saccharomyces-Hefen haben das Potenzial gezeigt, weniger Ethanol im Wein zu produzieren.^{2, 10} Dies ist größtenteils eine Folge der Mechanismen für die Nährstoffaufnahme und derjenigen, die an der Regulierung des atmungs-fermentativen Stoffwechsels beteiligt sind. Im Allgemeinen metabolisieren diese Nicht-Saccharomyces-Spezies Zucker, ohne Ethanol zu erzeugen, oder tun dies mit weniger Effizienz.³ 

Zu diesem Zweck wurden zahlreiche Studien durchgeführt, um Nicht-Saccharomyces-Stämme zu finden, die in der Lage sind, den Alkoholgehalt im Wein zu reduzieren, indem sie sich diesen Unterschied im Atmungsstoffwechsel zunutze machen. Einer der bisher identifizierten Hauptkandidaten ist Metschnikowia pulcherrima. In einer von Angela Contreras et al. durchgeführten Studie führte Metschnikowia pulcherima in Verbindung mit sequentiellen Inokulationen von S. cerevisiae durchweg zu niedrigeren Ethanol Erträgen sowohl in Chardonnay- als auch in Shiraz-Weinen.² Während es gleichzeitig einen Anstieg der Glycerolproduktion und einiger organischer Säuren gab, reichten diese Anstiege nicht aus, um den Ethanolrückgang vollständig zu erklären. Leider waren die in dieser Studie erzielten Ergebnisse bisher nicht in einem kommerziellen Umfeld reproduzierbar. Zum Teil war dies das Ergebnis der Unfähigkeit, die Versuche in größerem Umfang zu replizieren, wie sie im Labor durchgeführt wurden. 

In einer Studie aus dem Jahr 2015 zeigten Pilar Morales et al., dass in Laborversuchen Reduktionen von bis zu 3,7 % (v/v) möglich waren.⁴ Diese Ergebnisse waren signifikant höher als die Ergebnisse von Angela Contreras et al., die Reduktionen bis zu 1,6 % erreichten.² In beiden Fällen wiesen die Autoren auf Schwierigkeiten bei der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse hin. Im Fall von Angela Contreras et al. wurde dies der Tatsache zugeschrieben, dass Metschnikowia pulcherrima zwar potenziell den Ethanolgehalt reduziert, dies jedoch kein gemeinsames Merkmal aller Mitglieder der Art Metschnikowia pulcherrima war. 

Schwierigkeiten/Herausforderungen 

Nicht-Saccharomyces-Stämme haben das Potenzial, wertvolle Verfahrensweisen für Winzer zu werden. In einigen Fällen haben spontane Gärungen möglicherweise nicht genügend Mikroflora, um groß genug Fuß zu fassen, um den dominanten, ansässigen Hefestamm zu Beginn der Gärung aktiv zu übertreffen. Die Fähigkeit, mit einem kommerziell hergestellten, zuverlässigen Inokulum von Nicht-Saccharomyces-Stämmen zu inokulieren, kann potenziell ein wertvoller Vorteil für Winzer sein, sowohl im Hinblick auf die Komplexität als auch auf andere Eigenschaften, die diese Stämme besitzen. 

Lachancea thermotolerans zum Beispiel zeigt eine hohe Produktion von Milchsäure, die den pH-Wert des Weins stark beeinflussen kann und manchmal den pH-Wert des Weins während der Gärung um 0,5 Einheiten oder mehr senkt. Im Falle von Metschnikowia pulcherrima kann dies in Form eines Biokontrollmittel oder eines aktiven positiven Beitrags zum Geschmacksprofil eines fertigen Weins oder sogar als potenziell praktikable Methode zur Reduzierung des Alkoholgehalts beitragen. Andere Arten tragen ebenfalls spezifische Eigenschaften mit sich, die nützlich sein könnten. 

Abgesehen von der geringen Gärkraft von Metschnikowia pulcherrima: Es wird im Allgemeinen in Verbindung mit einer sequentiellen Inokulation mit S. cerevisiae verwendet, um die Gärung bis zum Ende durchzuführen. Pilar Morales et al. bemerkten die Schwierigkeiten beim Hochskalieren vom Labormaßstab auf den kommerziellen Maßstab.⁴ Weitere Forschung ist erforderlich zur Stammauswahl und anschließenden Inokulationsstrategien, dem nachfolgenden Hefestamm, der für die sequentielle Inokulation verwendet wird, um sicherzustellen, dass die Gärungen bis zum Ende verlaufen, sowie zu Geräten und Entwicklung spezifischer Fermentationsnährstoffe.² 

Immer mehr dieser vorteilhaften Nicht-Saccharomyces-Hefen werden in naher Zukunft im Handel erhältlich sein, da Weinhefeforscher ein tiefes Verständnis ihrer Fähigkeiten erlangen und Hefehersteller in der Lage sind, sie kommerziell verfügbar zu machen. Zweifellos werden sie ein sehr wichtiges Werkzeug für die Weinindustrie in der Zukunft werden.

Wenn Sie mehr über Nicht-Saccharomyces-Hefe erfahren möchten, wenden Sie sich bitte an unsere technischen Berater:
wineinfo@abbiotek.com
oder besuchen Sie uns:
www.maurivin.com/yeast-strains (Next Generation range)
Metschnikowia pulcherrima

Quellen

1. Chambers, P. and S. Pretorius. 2010 Fermenting knowledge: The history of winemaking, science and yeast research. EMBO Reports, 11, 914 – 920.

2. Contreras, A. et al. 2014 Evaluation of non-Saccharomyces yeasts for the reduction of alcohol content in wine, Applied Environmental Microbiology, 80, 1670 – 1678.

3. Gonzalez, R. et al. 2013 Yeast respiration of sugars by non-Saccharomyces yeast species: A promising and barely explored approach to lowering alcohol content of wines. Trends in Food Science & Technology, 29, 1, 55-61.

4. Morales, P. et al. 2015 The impact of oxygen on the final alcohol content of wine fermented by a mixed starter culture. Applied Microbiol Biotechnology, 99, 3993–4003.

5. Morata, A. et al. 2019 Applications of Metschnikowia pulcherrima in wine biotechnology, Fermentation, 5, 63.

6. Oro, L. 2014 Antimicrobial activity of Metschnikowia pulcherrima on wine yeasts, J. of Applied Microbiology 116, 1209—1217.

7. Rankine, B. 1968 The importance of yeasts in determining the quality and composition of wines, Vitis 7, 22 - 49.

8. Romano, P. et al., 1992 Higher alcohol and acetic acid production by apiculate wine yeasts, J. of Applied Bacteriology, 73 (2), 126 – 130.

9. Sipiczki, M. 2020 Metschnikowia pulcherrima and Related Pulcherrimin-Producing Yeasts: Fuzzy Species Boundaries and Complex Antimicrobial Antagonism, Microorganisms 8 (7), 1029.

10. Varela, C. et al. 2017 Sensory profile and volatile aroma composition of reduced alcohol Merlot wines fermented with Metschnikowia pulcherrima and Saccharomyces uvarum. Intrnl J. of Food Microbiology, 252, 1 – 9.

11. Varela, C. et al. 2021 Composición del aroma volátil y perfil sensorial de los vinos Shiraz y Cabernet Sauvignon producidos con nuevos cultivos iniciadores de levadura Metschnikowia pulcherrima, Australian Journal of Grape and Wine Research 27 (2), 1 - 13

12. Vejarano, R. 2020 Non-Saccharomyces in winemaking: Fuente de manoproteínas, nitrógeno, enzimas y compuestos antimicrobianos, Fermentación, 6, 76.