Development of an integrated process for continuous winemaking

Abstract

Microorganisms play an important role in the food industry, particularly in the processing of foods and beverages. In wine production, two consecutive fermentation processes occurs, involving yeasts (alcoholic fermentation) and lactic acid bacteria (malolactic fermentation), its control is being crucial to obtain high quality products. Considering that the raw material used in wine production is seasonal these two fermentations are conducted in batch mode. The advances made in cell immobilization techniques in the last decade, led to further exploration of these techniques for continuous fermentation processes. This work aims at the implementation of a continuous wine production process by the use of sequential continuous fermentations with immobilized cells, in the different stages of the fermentative process of winemaking, i.e. in alcoholic fermentation and in malolactic fermentation. For this purpose, separate immobilization of commercial strains of Saccharomyces cerevisiae and Oenococcus oeni were carried out by adsorption on different natural waste materials such as: grape skins, grape stems, grape seeds and corn cobs. Following preliminary batch trials the best immobilized cell systems were studied in the corresponding packed bed reactors operated in continuous mode. The influence of the operating parameters of the system over the cell physiology and quality of the final product - physicochemical and sensory characteristics (colour, aroma and taste) - was evaluated. The operational stability of the immobilized systems was also characterized. Fermentations with immobilized cells were much faster than fermentations with free cells and the quality of the product was maintained, making the process more advantageous and economical. Also, the uses of natural supports that are agro-industrial residues make the process more environmentally friendly. The quality of the wines produced using immobilized cells was confirmed by sensory evaluation as it was difficult to distinguish between wines produced by the different methods. Volatile aroma compounds evaluation confirmed the good quality of wines produced with immobilized cells. Initially, wines produced with immobilized cells presented a darker colour compared with wines produced by the traditional free cells method. However, with time and with the reuse of the immobilized cell system the colour stabilized and wines became similar to the wines produced with free cells. The used immobilized cell systems were found to have strong operational and mechanical stabilities. Moreover it was found that immobilized cells can be stored for at least 1 month at 4 °C and used again in fermentation processes of winemaking, as confirmed by its successful application in continuous alcoholic and malolactic fermentation processes. Overall, the integrated continuous process of winemaking demonstrated to have good operational stability making it a valuable alternative for the production of good quality wines.

Os microrganismos desempenham um papel relevante na indústria alimentar, nomeadamente no processamento de alimentos e de bebidas. No caso particular da produção de vinho, ocorrem dois processos fermentativos, onde intervêm leveduras (fermentação alcoólica) e bactérias lácticas (fermentação maloláctica), cujo controlo é crucial para obtenção de produtos de qualidade. Devido à sazonalidade da matéria-prima, estas duas fermentações são tradicionalmente conduzidas em descontínuo. Nos últimos, os avanços conseguidos nas técnicas de imobilização celular e o uso de suportes passíveis de contacto com produtos alimentares, conduziu a uma maior exploração de processos fermentativos em contínuo. Este trabalho teve por finalidade a implementação, em contínuo, com células imobilizadas, das etapas fermentativas de um processo de vinificação, i.e. a fermentação alcoólica e a fermentação maloláctica. Para o efeito foi ensaiada a imobilização de culturas comerciais de Saccharomyces cerevisiae e de Oenococcus oeni, por adsorção natural em suportes resultantes de resíduos da indústria agroalimentar: películas de uva, bagaço de uva e carolo de milho. Após operação em modo descontínuo as melhores combinações célula-suporte foram estudadas em reator empacotado. A qualidade final do produto, quer em termos físico-químicos quer em termos organolépticos (aspeto, gosto e aroma), depende não só da qualidade da uva utilizada, que depende da casta, do terroir e do ano de vindima, mas também dos procedimentos adotados durante todo o processo de vinificação. Sendo assim foi avaliada a influência dos parâmetros de operação do sistema sobre a fisiologia celular e a qualidade do produto final. Foi também avaliada a estabilidade operacional dos sistemas imobilizados. As fermentações conduzidas com células imobilizadas foram muito mais rápidas do que fermentações com células livres, tornando o processo mais vantajoso e económico. Assim também o uso dos resíduos agroindustriais torna o processo mais ambientalmente amigável. A avaliação sensorial dos vinhos produzidos com células imobilizadas e com células livres demonstrou que é difícil distingui-los. A avaliação aromática dos vinhos elaborados com células imobilizadas demonstrou que estes vinhos são de boa qualidade. Inicialmente os vinhos produzidos com células imobilizadas apresentaram uma cor mais escura comparados com os vinhos produzidos pelo método tradicional com células livres. No entanto, com o tempo e com a reutilização dos sistemas imobilizadas a cor tende a estabilizar e torna-se semelhante aos dos vinhos produzidos com células livres. Os sistemas de células imobilizadas evidenciaram estabilidades operacionais e mecânicas. Além disso, verificou-se que as células imobilizadas podem ser armazenadas durante pelo menos 1 mês a 4 °C e utilizadas novamente nos processos fermentativos de vinificação. Os processos de fermentação em contínuo (alcoólica e maloláctica) com células imobilizadas, foram bem sucedidos e bem conduzidos. O processo integrado de vinificação em contínuo demonstrou uma estabilidade operacional eficaz. Os resultados obtidos foram considerados promissores para fomentar estudos futuros.