Fermentazione alcoli superiori

Gli aromi che compongono il complesso bouquet di un vino, di una birra o di qualsiasi altra bevanda alcolica derivano da diversi sottoprodotti metabolici dei lieviti in fermentazione. Tra questi vi sono quelli prodotti dalla sintesi e dalla metabolizzazione degli amminoacidi (elenco sotto [5]).

Questi amminoacidi sono sostanze essenziali per la produzione delle proteine, infatti, possono essere visti come i mattoni utilizzati per la costruzione di tutte le proteine. Ciò è possibile grazie alla presenza nella loro molecola di un gruppo amminico (-NH2) e di un gruppo carbossilico (-COOH), che si possono unire per creare un legame ammidico (-NH-OC-), andando così a creare lunghe catene di amminoacidi, come illustrato nell'immagine sopra [5]. Siccome sin ora abbiamo visto come il gruppo carbossilico e la catena carboniosa vengono costruite dalla cellula, volgeremo lo sguardo al gruppo amminico.

Il complesso meccanismo illustrato sopra [2], permette alla cellula di regolare i livelli ammonio (NH4+) all'interno di essa, utilizzando come molecole accettori l'α-ketoglutarato e il glutammato, mentre come molecole donatrici il glutammato e la glutammina. Secondo le seguenti equazioni:

α-ketoglutarato + Amminoacido + NADPH-H+ <=> Glutammato + α-ketoacido + NADP+

α-ketoglutarato + NH4+ + NADPH-H+ => Glutammato + NADP+

Glutammato + NAD+ => α-ketoglutarato + NH4+ + NADH-H+

Glutammato + NH4+ + ATP => Glutammina + ADP + Pi

Così facendo la cellula può utilizzare l'ammonio presente nel substrato per sintetizzare gli amminoacido che servono in quel momento, oppure prenderlo da un amminoacido che in quel momento non serve e trasferirlo alla sintesi di un altro aminoacido.

In questo modo si verrà a creare un'α-ketoacido, cioè un acido carbossilico che presenta un atomo di ossigeno legato al primo atomo di carbonio seguente quello carbossilico (carbonio alfa). Questo tipo di molecole più essere utilizzata per la sintesi d'intermedi di produzione di altri amminoacidi, oppure nella produzione di alcoli superiori.

La sintesi degli amminoacidi può portare come è illustrato sopra [1], alla produzione di alcoli superiori, cioè alcoli con una catena carboniosa più lunga di quella dell'etanolo. I quali sono il componente principale del fusel oil o meglio conosciuto come olio di flemma, che altro non è che la coda di distillazione di una bevanda alcolica.

In questa miscela avremo propanolo, isopropanolo, butanolo o alcol butilico, alcol second-butilico, alcol terz-butilico, isobutanolo, pentanolo o amile, isoamile, ecc...

Ma principalmente la produzione di alcoli superiori avviene attraverso la metabolizzazione degli amminoacidi, infatti, come si può vedere sopra [4], questi vengono, inizialmente come detto prima trasformati in α-ketoacidi, per poi essere ridotti nella rispettiva aldeide e successivamente nel rispettivo alcole. Mella tabella sottostante vi sono elencati alcuni amminoacidi con i rispettivi sottoprodotti [5].

Comunque il metabolismo e la sintesi degli amminoacidi oltre all'assorbimento o al rilascio di ammonio da parte della cellula di lievito, porta anche all'assorbimento di solfati e alla produzione di solfiti. Questo meccanismo di regolazione dello zolfo è illustrato nell'immagine accanto [3], e serve alla sintesi di due amminoacidi, la cisteina e l'omocisteina, che oltre ai gruppi amminico e carbossilico, sono funzionalizzati con quello tiolo (-SH). 

Il quale serve a legarsi a un altro gruppo tiolo e conglomerare meglio la lunga catena di amminoacidi della proteina. 

La reazione di sintesi consiste nell'assorbimento del solfato da parte della cellula e della sua riduzione in solfito, attraverso l'intervento dell'APS e del PAPS, con il consumo di un ATP. E successivamente ridurlo in solfidrico:

SO4-- => SO3-- => S--

Lo ione solfidrico può essere legato all'omoserina, un altro amminoacido e produrre omocisteina:

Omoserina + S-- + H+ => Omocisteina + H2O

Mentre dall'omocisteina insieme alla serina si andrà a produrre cisteina e α-ketobutirato:

Omocisteina + Serina => Cisteina + α-ketobutirato + H2O + NH4+

Un effetto collaterale di questa via metabolica è che lo ione solfito è instabile e tende a uscire dalla cellula, per diventare anidride solforata. Questa in fermentazione tenderà ad uscire insieme all'anidride carbonica dal mosto, dando il caratteristico odore di uova marce a essa. Mentre parte di essa rimarrà in soluzione andando a costituire i così detti solfiti della benanda.

Con ciò volevo introdurre una piccola nota sui solfiti. Il vino e le altre bevande fermentate da saccharomyces ceravisiae, contengono naturalmente solfiti e i produttori di vini sono tenuti a dichiarare la loro presenza se nel vino vi sono più di 10mg/l, a meno che non li aggiungono loro, in quel caso vi è la dicitura di "solfiti aggiunti".

Bibliografia

[1] Li W., Chen S., Wang J., Zhang C., Shi Y., Guo X., Chen Y., Xiao D., Genetic engineering to alter carbon flux for various higher alcohol productions by Saccharomyces cerevisiae for Chinese Baijiu fermentation, Springer-Verlag GmbH Germany, part of Springer Nature 2018;

[2] Magasanik B., Kaiser C. A., Nitrogen regulation in Saccharomyces cerevisiae, Gene 290 (2002) 1–18;

[3] Mendes-Ferreira, A., Barbosa, C., Jiménez-Martí, A., del Olmo, M., Mendes-Faia, A.,The Wine Yeast Strain-Dependent Expression of Genes Implicated in Sulfide Production in Response to Nitrogen Availability, J. Microbiol. Biotechnol. (2010), 20(9), 1314–1321;

[4] Tse, T. J., Wiens, D. J., Chicilo, F., Purdy, S. K., Reaney, M. J. T., Value-Added Products from Ethanol Fermentation—A Review, Fermentation 2021, 7, 267;

[5] https://www.chimica-online.it/organica/legame-peptidico.htm

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