Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10348/5685
Title: Optimization of mead production: design of different strategies for improvement of alcoholic fermentation
Authors: Pereira, Ana Paula Rodrigues
Advisor: Faia, Arlete Mendes
Estevinho, Maria Letícia Fernandes
Keywords: Hidromel
Análise sensorial
Composto volátil
Aroma
Leveduras
Fermentação
Concentração do inóculo
Issue Date: 4-Apr-2016
Abstract: O hidromel é uma bebida tradicional que contém 8% a 18% (v/v) de etanol e resulta da fermentação alcoólica de mel diluído, realizada por leveduras. Como o mel é uma matriz com uma baixa concentração de nutrientes e outras condições desfavoráveis de crescimento, normalmente são vários os problemas encontrados na produção de hidromel, nomeadamente, paragens ou amuos de fermentação, parâmetros insatisfatórios de qualidade, bem como propriedades sensoriais desagradáveis. Além disso, a fermentação do hidromel é um processo moroso e a qualidade do produto final é muito variável. Neste contexto, o objectivo global deste projecto de doutoramento foi a optimização do crescimento e desempenho fermentativo da levedura para conduzir à maximização da qualidade do hidromel. Para atingir esta finalidade foram seleccionadas duas estirpes da levedura Saccharomyces cerevisiae, QA23 e ICV D47, para realizar vários ensaios de fermentação. Inicialmente, para melhorar a fermentação do hidromel, avaliou-se o potencial do enriquecimento nutritivo do mosto-mel. O mosto foi suplementado com sais, vitaminas ou uma mistura de ambos, embora essas adições não tenham tido efeitos positivos no crescimento de leveduras, no perfil de fermentação ou nas características do hidromel. Na tentativa de optimizar o processo fermentativo, outras estratégias foram testadas, incluindo a utilização de elevadas densidades celulares ou a imobilização das células. O aumento da quantidade de inóculo resultou numa redução do tempo de fermentação, embora não se tenham verificado efeitos positivos adicionais no crescimento das leveduras. Com a menor quantidade de inóculo, detectaram-se pequenas diferenças na cinética de crescimento entre as duas estirpes. Para avaliar a concentração de alginato mais eficaz para a imobilização, as duas estirpes de levedura foram encapsuladas em esferas com 2 ou 4% (p/v) de alginato, embora nenhuma das concentrações tenha sido capaz de evitar a saída das células das esferas para o meio. Assim, a imobilização das células de levedura em camada simples de Ca-alginato ou em camada dupla de alginato-quitosano foi aplicada na produção de hidromel. A imobilização não teve qualquer efeito adverso na viabilidade celular, uma vez que foram observadas diferenças mínimas na cinética de fermentação entre as fermentações conduzidas com células livres ou encapsuladas. Além disso, a imobilização em camada dupla de alginato-quitosano não apresentou nenhuma vantagem comparativamente com a camada simples de Ca-alginato, uma vez que o número de células livres no meio, resultante da saída das células das esferas, foi semelhante. Adicionalmente aos estudos de cinética de crescimento das leveduras e de desempenho fermentativo, pesquisaram-se, em todas as fermentações, tanto a produção de compostos voláteis aromáticos como as características físico-químicas dos hidroméis. No final da fermentação alcoólica procedeu-se à identificação e quantificação dos compostos voláteis dos hidroméis por GC-FID e GC-MS. Os resultados obtidos mostraram que a composição aromática final do hidromel dependeu da concentração do inóculo: a formação de compostos voláteis em concentrações acima dos seus limites de detecção foi particularmente pronunciada com concentrações baixas de inóculo. As células imobilizadas produziram hidroméis com concentrações mais elevadas de compostos com características frutadas e de compostos indesejáveis. Os ésteres, acetato de isoamilo, octanoato de etilo e hexanoato de etilo e o acetaldeído foram os principais odorantes encontrados em todos os hidroméis, embora as concentrações tenham variado de acordo com a concentração do inóculo e a imobilização das células. Em geral, a qualidade enológica de hidroméis, excepto a acidez volátil, não foi influenciada pela concentração do inóculo ou imobilização. O hidromel obtido com células de levedura imobilizadas ou com maiores concentrações de inóculo apresentou mais ácido acético. Finalmente, as fermentações foram realizadas em volumes mais elevados para avaliar uma possível correlação entre a formação dos compostos aromáticos e os atributos sensoriais do hidromel. A formação dos compostos de aromáticos mais agradáveis foi detectada no hidromel fermentado por células de levedura não imobilizadas. A análise sensorial também corroborou esta observação, revelando que os descritores de aroma mais agradáveis estavam correlacionados com o hidromel obtido com células de levedura livres, independentemente da estirpe. Resumindo, as condições que melhoraram os desempenhos fermentativo e de crescimento não resultaram, necessariamente, em hidromel de alta qualidade.
Mead is a traditional drink that contains 8 % to 18 % (v/v) of ethanol, resulting from the alcoholic fermentation of diluted honey by yeasts. Honey is a matrix with a low nutrient concentration and other unfavourable growth conditions, so several problems are usually encountered in mead production, namely delayed or arrested fermentations, unsatisfactory quality parameters, as well as unpleasant sensory properties. Also, mead fermentation is a time-consuming process and the quality of the final product is highly variable. In this context, the global objective of this PhD research project was the optimization of growth and fermentative performance of yeast leading to the maximization of mead quality. To achieve this purpose, two wine yeast strains of Saccharomyces cerevisiae, QA23 and ICV D47 were selected to conduct several fermentation trials. Initially, it was evaluated the potential of the nutritive enrichment of honey-must to improve mead fermentation. The must was supplemented with salts, vitamins or a mixture of both, although those additions had no positive effects on yeast growth, fermentation profile or on the characteristics of the mead. In this line further strategies have been tested in an attempt to optimize the fermentative process, including the use of high cell density or cell immobilization. The increasing of inoculum size resulted in a reduction of fermentation length, although no additional positive effects where verified in yeasts net growth. At the lowest innoculum size, minor differences were detected in the growth kinetics between the two strains. In order to assess the most effective alginate concentration for immobilization, the two yeast strains were entrapped in 2 or 4% (w/v) alginate beads, although neither of the concentrations was able to prevent the cell leakage from the beads. So, the immobilization of yeast cells on single-layer Ca-alginate or double-layer alginate-chitosan was applied to mead production. Immobilization had no adverse effect on cell viability, since minor differences were found on fermentation kinetics between fermentations conducted with free or encapsulated cells. Also, the double-layer alginate-chitosan had no advantage compared with the single-layer Ca-alginate, as the number of free cells in the medium, resulting from cell leakage, was similar. In addition to the studies of yeast growth kinetics and fermentative performance, all fermentations have also been screened for the production of aroma volatile compounds and for the physicochemical characteristics of meads. Identification and quantification of volatile compounds was performed by GC-FID and GC-MS in all meads at the end of alcoholic fermentation. The results obtained showed that mead final aroma composition was dependent on the inoculum size: the formation of the volatile compounds in concentrations above their detection thresholds was particularly pronounced at low inoculum sizes. Immobilized cells produced meads with higher concentrations of compounds with fruity characteristics and of undesirable compounds. The esters isoamyl acetate, ethyl octanoate and ethyl hexanoate and acetaldehyde were the major powerful odorants found in all mead, although their concentrations varied according to the inoculum size and cell immobilization. In general, the oenological quality of meads was not influenced by the inoculum size or immobilizations, except for the volatile acidity. Mead obtained with entrapped yeast cells or with higher inoculum size presented more acetic acid. Finally, fermentations were conducted in higher volumes to evaluate a possible correlation between aroma compound formation and the sensory attributes of mead. The most pleasant aroma compounds formation was detected in mead fermented by non-immobilized yeast cells. Sensory analysis corroborates this observation, revealing that the most pleasant aroma descriptors were correlated with mead obtained with yeast free cells, independently of the strain. In sum, the conditions that improved the fermentation and growth performance were not necessarily associated with high quality mead.
Description: Tese de Doutoramento em Ciências Químicas e Biológicas
URI: http://hdl.handle.net/10348/5685
Document Type: Doctoral Thesis
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