The potential of yeast proteins to substitute for traditional fining agents : technological and sensory aspects

Abstract

Fining must or wine with proteins of animal origin such as out of egg or milk is a traditional treatment. On the other hand proteins of milk or egg can cause intolerances and allergies in some people. Traces of these proteins out of egg or milk may remain in the wine after fining and can cause such health problems. Treatment of must or wine with egg or milk products has thus to be declared towards the consumer in the European Union (regulation (EC) No 579/2012) since 2012. Therefore alternative sources of proteins were looked for.The objective of the studies of this doctoral thesis was to obtain protein extracts by yeast autolysis that could be used for fining treatments of musts and wines.Mutants of a yeast strain of the species Saccharomyces cerevisiae were created by mutagenesis induced by UV-radiation. These mutants showed reduced viability and autolysis when exposed to stressors such as elevated temperature or change in osmotic pressure. A methodology was established at laboratory scale to produce protein extracts out of selected mutants which were forced to autolyse by stress conditions. Upscaling of the protein extraction process to industrial conditions was possible.The yeast protein extracts could successfully clarify red wines and had a clarification capacity and kinetic as well as an influence on wine colour comparable or similar to the traditional fining agent gelatine. The sensory quality of the red wines was maintained after fining with yeast protein extracts and no aroma impressions typical of other yeast extracts used in the food industry such as cheesy or meaty notes were detected in the wines. A partial characterization of proteins, glycoproteins and sugars (after acid hydrolysis) of the yeast protein extract was also performed. The quantitative analysis of proteins by two methods gave differing results. Therefore, no simple conclusion about the relation between protein concentration and clarification behaviour (onset of visible flocculation and speed of sedimentation) could be drawn. A qualitative analysis of molecular masses by SDS-PAGE (electrophoresis on polyacrylamide gels after unfolding of proteins with SDS (sodium dodecyl sulphate)) showed that proteins were in a mass range at the end of the developing process of the industrial extract comparable to extract produced at the laboratory. However, no direct relation between the profile of molecular masses of the protein extracts and their clarification performance and influence on wine colour could be stated. All yeast protein extracts contained mannoproteins and mannose was detected in them after acid hydrolysisYeast protein extracts are now permitted for fining of must and wine in the European Union (regulation (EC) No 144/2013) and offer an alternative for wine professionals. Die Schönung von Mosten und Weinen mit tierischem Eiweiß, z.B. aus Eiern oder Milch ist ein traditionelles Behandlungsverfahren. Andererseits kann Eiweiß aus Milch oder Eiern Unverträglichkeiten und Allergien bei bestimmten Personen auslösen. Spuren von diesem Eiweiß können in den Weinen nach der Schönung verbleiben und solche gesundheitlichen Probleme auslösen.Die Behandlung von Most oder Wein mit Produkten aus Eiern oder Milch muss deswegen für den Verbraucher in der Europäischen Union seit 2012 gekennzeichnet werden (Verordnung (EG) Nr. 579/2012). Daher wurde nach alternativen Eiweißquellen gesucht.Das Ziel der Studien dieser Doktorarbeit war es, Eiweißextrakte durch Autolyse von Hefe zu gewinnen, die zur Schönung von Mosten und Weinen genutzt werden könnten.Mutanten eines Hefestammes der Art Saccharomyces cerevisiae wurden durch Mutagenese, die durch UV-Bestrahlung ausgelöst wurde, erzeugt. Diese Mutanten zeigten eine reduzierte Vitalität und Autolyse, wenn sie Stressbedingungen, wie hohen Temperaturen oder einem Wechsel des osmotischen Druckes ausgesetzt wurden. Eine Methodik wurde im Labormaßstab entwickelt, um Eiweißextrakte aus den ausgewählten Mutanten, die durch Stressbedingungen zur Autolyse gezwungen wurden, zu erzeugen. Eine Übertragung des Extraktionsprozesses auf industrielle Bedingungen war möglich.Die Eiweißextrakte aus Hefe konnten Rotweine erfolgreich klären und hatten ein Klärungsverhalten, sowie einen Einfluss auf die Weinfarbe, der dem des traditionellen Schönungsmittels Gelatine vergleichbar oder ähnlich war. Die sensorische Qualität der Rotweine blieb nach der Schönung mit Eiweißextrakten aus Hefe erhalten und Aromanoten, die für andere Hefeextrakte, die in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden, typisch sind, wie Noten von Käse oder Fleisch, wurden in den Weinen nicht gefunden. Eine teilweise Charakterisierung der Proteine, Glykoproteine und Zucker (nach saurer Hydrolyse) wurde in den Eiweißextrakten aus Hefe durchgeführt. Die quantitative Proteinmessung mit zwei Methoden gab unterschiedliche Ergebnisse. Daher konnte keine einfache Schlussfolgerung über den Zusammenhang zwischen der Proteinkonzentration und dem Klärungsverhalten (Beginn einer sichtbaren Flockung und Sedimentationsgeschwindigkeit) gezogen werden. Eine qualitative Bestimmung der Molekülmassen durch SDS-PAGE (Elektrophorese auf Polyacrylamidgelen nach Denaturierung der Proteine mit SDS (Sodium-Natriumdodecylsulfat)) zeigte, dass die Proteine am Ende des Entwicklungsprozesses des industriellen Extraktes in einer Größenordung waren, die der eines im Labor hergestellten Extraktes vergleichbar war. Es konnte jedoch keine direkte Beziehung zwischen dem Profil der Molekülmassen der Eiweißextrakte und ihrer Klärungsleistung und ihrem Einfluss auf die Weinfarbe festgestellt werden. Alle Eiweißextrakte enthielten Mannoproteine und Mannose wurde in ihnen nach saurer Hydrolyse nachgewiesen.Eiweißextrakte aus Hefe sind jetzt zur Schönung von Most und Wein in der Europäischen Union zugelassen (Verordnung (EG) Nr. 144/2013) und stellen eine Alternative für Weinerzeuger dar.