UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA AGRONÓMICA, ALIMENTARIA Y DE BIOSISTEMAS Use of non-Saccharomyces yeasts to enhance the quality of red wines Tesis Doctoral Carlos Escott Pérez Licenciado en Ciencias Químicas Madrid 2018 i ii UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA AGRONÓMICA, ALIMENTARIA Y DE BIOSISTEMAS Departamento de Química y Tecnología de Alimentos Use of non-Saccharomyces yeasts to enhance the quality of red wines Tesis Doctoral Carlos Escott Pérez Licenciado en Ciencias Químicas -Director- Antonio Morata Barrado Prof. Tecnología de Alimentos Madrid 2018 iii iv AGRADECIMIENTOS Agradezco, en primer lugar, a mi tutor y director de tesis, Prof. Antonio Morata Barrado por la confianza depositada en mí al momento de aceptar dirigir este trabajo doctoral. Han sido tres años que me han dejado satisfacciones personales y profesionales y, además, me han devuelto la pasión por la investigación. Dra. Laura Romero Robles, mi reconocimiento a la profesional que eres. Mi cariño y agradecimiento por siempre darme un voto a favor. Agradezco al CONACYT México por la beca otorgada para la realización de este doctorado. Sin ella no habría sido capaz de realizar este logro personal. Agradezco a los profesores del Departamento de Tecnología de Alimentos por compartir conocimientos y buenos momentos. José Antonio, María Antonia, Wendu, María Jesús, Carmen, Karen, Felipe, Santiago, Fernando. Gracias también a Juan Antonio, Paco, José Antonio y, en particular, Cristian por el apoyo incondicional en todo momento. Gracias al personal de la Facultad de Veterinaria de la UCM que nos permitió el uso del equipo de Luz Pulsada para realizar ensayos de esterilización de uva. Por compartir vuestra experiencia y conocimientos. Agradezco al Profesor Jorge M. Ricardo da Silva del Instituto Superior de Agronomía de la Universidad de Lisboa por recibirme durante tres meses para la realización de una estancia de investigación. Gracias también a la gente maravillosa que conocí en el Edificio Ferreira Lapa y al resto de profesionales de la facultad con especial mención a Daniel, Joana, Diana, Sofía, Juliane, Diana, Ana Catarina, Joao, Gonçalo, Luis, Santiago, Francisco. Gracias por vuestra amistad. Gracias a mis compañeros de aventuras y despacho, Iris y Juan Manuel, habéis sido una parte importante en todo momento durante estos años. A mis amigos, los nuevos, los que siempre han estado, los que están aquí, los que están desde la distancia conmigo: Laura, Michelle, Jorge, Susana, Yesica, Sara, Marta, Marina, Álvaro O, v Álvaro L, Theano, Julia, Güicha, Lila, Karina, Anwar, Chivis, Ramón, Nayeli. Han recorrido este camino junto conmigo. Gracias familia, os quiero. Sé que os ha costado preocupaciones y desvelos también. Adán, Martha, Gabriela y Alejandro sois y seréis siempre mi motor. Os dedico este trabajo. vi RESUMEN El uso controlado de levaduras no-Saccharomyces, tanto en fermentaciones mixtas como en fermentaciones secuenciales, representa una alternativa biotecnológica en la búsqueda de parámetros organolépticos de calidad, y a la vez diferenciadores, en vinos tinos. El metabolismo microbiano de las distintas especies de levaduras favorece la producción de metabolitos fermentativos que no solo contribuyen al enriquecimiento del perfil aromático de los vinos, sino que, al mismo tiempo, favorecen reacciones de condensación y polimerización de polifenoles, incluidos los antocianos, así como la formación de compuestos del tipo vitisinas y vinilfenólicos. La selección microbiológica, de la mano de buenas prácticas enológicas durante la maceración, la vinificación y el envejecimiento del vino, favorecerá dicha mejora biotecnológica. Las tecnologías emergentes para el tratamiento de la conservación de los alimentos se han convertido en alternativas tecnológicas en el control de microorganismos durante los distintos procesos productivos y, al mismo tiempo, favorecen la protección del perfil aromático y una mayor extracción de pigmentos en el vino. Esta tesis presenta el estudio realizado con diversas levaduras no-Saccharomyces con el objetivo de evaluar su potencial en la formación de pigmentos del tipo pyranoantociánico y su capacidad en la formación de pigmentos poliméricos mediante el uso de técnicas analíticas avanzadas. Por otra parte, se evalúa el impacto que tienen dichas levaduras en los demás parámetros organolépticos a través del análisis sensorial de los vinos. Palabras clave: Vino tinto, no-Saccharomyces, pyranoantocianos, pigmentos poliméricos, acetaldehído, fermentación secuencial, HPLC-MS, vinilfenólicos, flavanoles, taninos vii viii ABSTRACT The use of non-Saccharomyces yeasts in controlled mixed and sequential fermentations is, nowadays, a biotechnological alternative in the production of wines with optimized organoleptic parameters. This optimization would become a differentiator of wines for the costumers. The metabolism of the diverse yeasts species allows the production of fermentative volatiles able to enrich que aroma profile of wines; in the same time, these yeasts contribute to the polymeric reactions and condensation of polyphenols, including anthocyanins, just as they promote the formation of vitisins and vinyl phenolics. Microbiological selection of yeasts, together with good oenological practices during maceration, wine making and wine ageing, will enhance such biotechnological practice. Emerging technologies used in food preservation and conservation, have become useful in the control of microorganisms during the different productive stages of wine making; these technologies would enrich aroma profile, pigments extraction and complexity of wines as an overall result. This thesis work explores the use of non-Saccharomyces yeasts with interest in the formation of pyranoanthocyan and polymeric pigments through pure culture and sequential fermentations. The assessment of the potential these yeasts may have, is achieved by instrumental analysis techniques. On the other hand, sensory analysis is also used to evaluate their impact on the organoleptic parameters of the experimental wines produced. Keywords: Red-wine, non-Saccharomyces, pyranoanthoycanins, polymeric-pigments, acetaldehyde, sequential-fermentation, HPLC-MS, vinyl phenolics, flavanols, tannins ix x TABLE OF CONTENTS LIST OF FIGURES ........................................................................................................................ XV LIST OF TABLES ......................................................................................................................... XXI 1. INTRODUCTION .......................................................................................................................... 1 1.1 COLOUR OF RED WINE: ANTHOCYANINS ........................................................................................... 3 1.1.1 Vitis vinifera L. cv. Tempranillo .................................................................................................... 4 1.1.2 Water stress and climate .................................................................................................................. 5 1.1.3 Maceration and anthocyanins extraction .................................................................................. 5 1.1.4 Nonthermal pasteurization technologies and anthocyanins extraction ......................... 6 1.1.5 Oak barrel and bottle ageing ......................................................................................................... 9 1.2 RED WINE COLOUR STABILITY .......................................................................................................... 11 1.2.1 Effect of pH variation and temperature. ................................................................................. 11 1.2.2 Use of SO2 ........................................................................................................................................... 12 1.3 COPIGMENTATION ............................................................................................................................... 15 1.4 PYRANOANTHOCYANINS AND POLYMERIC PIGMENTS. ............................................................... 20 1.4.1 Vitisins .................................................................................................................................................. 20 1.4.2 Vinylphenolics ................................................................................................................................... 24 1.4.3 Polymeric pigments ......................................................................................................................... 26 1.5 NON-SACCHAROMYCES YEASTS ........................................................................................................ 29 1.5.1 Effect on the colour ......................................................................................................................... 29 1.5.2 Effect on the aroma profile ........................................................................................................... 30 1.6 THESIS OBJECTIVES ............................................................................................................................. 33 2. MATERIALS AND METHODS ............................................................................................. 35 2.1 FERMENTATION MEDIA ....................................................................................................................... 37 2.1.1