Innovative biotechnological approaches for enhancing the aromatic profile and longevity of Catarratto wine under sustainable winemaking strategies

Catarratto is the most widely cultivated white grape variety in Sicily. It plays a pivotal role in Sicilian viticulture due to its remarkable adaptability to diverse environmental conditions and its capacity to produce high-quality wines. Despite its significance, the extent of knowledge regarding the aromatic, chemical and microbiological characteristics of wines produced from this grape variety remains limited. Consequently, there is a necessity for additional research to enhance its value and competitiveness in the market. In recent years, non-Saccharomyces yeasts, once considered undesirable microorganisms, are becoming increasingly important due to their ability to produce enzymes and metabolites that contribute to the aromatic complexity, acidity modulation and overall quality of wine. The exploitation of these indigenous microorganisms, in conjunction with innovative inoculation strategies, such as co-inoculation or sequential inoculation with Saccharomyces cerevisiae yeasts and lactic bacteria, signifies a promising biotechnological approach to enhancing the sustainability of production processes and reinforcing the territorial identity of Catarratto wines.The present doctoral thesis focused on the characterisation and evaluation of the oenological potential of non-Saccharomyces yeasts, with the aim of developing new multi-species fermentation strategies capable of improving the aromatic complexity, sensory quality and functional properties of Catarratto wines. The initial section of the thesis focused on the identification of a collection of yeast strains previously isolated from honey by-products and manna. These strains were characterised genotypically through the sequencing of the D1/D2 domains of the 26S rRNA gene and the ITS region of the 5.8S gene. The subsequent differentiation of the strains was achieved using RAPD-PCR. Following preliminary in vitro technological screening, the selected strains were characterised by low H2S production and good tolerance to ethanol, sulphites, osmotic stress and copper. These strains were then evaluated by microvinification tests. In particular, the strains Lachancea thermotolerans, Starmerella lactis-condensi and Candida oleophila were sequentially inoculated together with a control strain of Saccharomyces cerevisiae to evaluate their technological and oenological potential. The results demonstrated a high diversity of yeast strains, which was promising in terms of oenological characteristics. However, further testing in real fermentations is required to validate these findings.In consideration of the results obtained, the second part of this thesis focused on the yeast strain Candida oleophila YS209, which was isolated from honey by-products. This strain was characterised for the first time in multi-species fermentations involving Saccharomyces cerevisiae and lactic acid bacteria. It has been demonstrated that this strain has the capacity to promote a metabolomic cross-feeding mechanism capable of remodelling the fermentation kinetics and volatilome of Catarratto wines by means of an integrated multi-omic approach. The release of metabolites such as vitamin B6 and (R)-4-dehydropantothenate stimulated specific metabolic pathways in Saccharomyces cerevisiae, enhancing acetyl-CoA synthesis and promoting ester biosynthesis. Consequently, fermentations inoculated with YS209 exhibited an acceleration of both alcoholic and malolactic fermentation, accompanied by a substantial increase in key aromatic compounds, including ethyl hexanoate, ethyl octanoate, and isoamyl acetate. This development resulted in an enhancement of fruity and floral sensory notes.The third part of the thesis focused on the Starmerella lactis-condensi MN412 strain, specifically how it affects the volatile and non-volatile composition of Catarratto wine. The employment of untargeted metabolomics in conjunction with relationship indicator values (RI values) has facilitated the identification of specific molecular interactions associated with distinctive sensory characteristics, including notes of lavender and pear. Furthermore, MN412 demonstrated a bioprotective effect, preserving bioactive compounds such as trans-resveratrol and resveratrol-2-O-β-glucopyranoside, while maintaining a stable ester fraction in the volatile profile. Finally, this thesis studied the antioxidant properties of wines and sparkling wines obtained using different fermentation strategies. These strategies included sequential inoculation with non-Saccharomyces yeasts, vinification with different maceration times, and the production of sparkling wines with selected Saccharomyces cerevisiae strains. Specifically, the total polyphenol content and antioxidant capacity were determined using the Folin-Ciocalteu, TEAC and ORAC assays. Preliminary results indicated that fermentation strategies, yeast selection and maceration conditions significantly influence the polyphenol content and antioxidant potential of wines.This work demonstrates that non-Saccharomyces yeasts from unconventional ecological niches have the potential to serve as a valuable resource in the development of innovative starter cultures. The utilisation of these in multi-species fermentations has been demonstrated to be an effective strategy for the modulation of fermentation dynamics, resulting in enhanced aromatic complexity and an improvement in the quality and functional properties of regional wines, particularly those derived from the Catarratto grape. This contributes to the development of innovative and sustainable approaches in precision oenology. Furthermore, the implementation of targeted oenological protocols has the potential to enhance the antioxidant properties and quality of Catarratto wines. Further statistical analysis of the data obtained from the TEAC and ORAC assays will allow a more complete assessment of the antioxidant potential of the wines studied.

Il Catarratto è il vitigno a bacca bianca più coltivato in Sicilia. Esso riveste un ruolo centrale nella viticoltura dell’isola grazie alla sua elevata adattabilità a diverse condizioni ambientali e al suo potenziale nella produzione di vini di qualità. Nonostante la sua importanza, le conoscenze relative alle caratteristiche aromatiche, chimiche e microbiologiche dei vini ottenuti da questo vitigno sono ancora limitate. Vi è dunque la necessità di ulteriori studi finalizzati a migliorarne la valorizzazione e la competitività sul mercato. Negli ultimi anni, i lieviti non-Saccharomyces considerati un tempo microrganismi indesiderabili, stanno acquisendo sempre più importanza per la loro capacità di produrre enzimi e metaboliti che contribuiscono alla complessità aromatica, alla modulazione dell’acidità e alla qualità complessiva del vino. Lo sfruttamento di questi microrganismi autoctoni, combinato con strategie innovative di inoculo, quali co-inoculo o inoculo sequenziale con lieviti Saccharomyces cerevisiae e batteri lattici rappresenta un promettente approccio biotecnologico per aumentare la sostenibilità dei processi produttivi e rafforzare l’identità territoriale dei vini Catarratto. Il presente lavoro di dottorato si è focalizzato sulla caratterizzazione e valutazione del potenziale enologico dei lieviti non-Saccharomyces, al fine di sviluppare nuove strategie di fermentazione multispecie capaci di migliorare la complessità aromatica, la qualità sensoriale e le proprietà funzionali dei vini Catarratto. La prima parte della tesi ha riguardato l’identificazione di una collezione di ceppi di lievito precedentemente isolati da sottoprodotti del miele e dalla manna mediante tecniche di caratterizzazione genotipica, attraverso il sequenziamento dei domini D1/D2 del gene 26S rRNA e della regione ITS del gene 5.8S, seguito dalla differenziazione dei ceppi mediante RAPD-PCR. Dopo uno screening tecnologico preliminare in vitro, i ceppi selezionati caratterizzati da bassa produzione di H2S e da una buona tolleranza a etanolo, solfiti, stress osmotico e rame, sono stati valutati mediante prove di microvinificazione. In particolare, i ceppi Lachancea thermotolerans, Starmerella lactis-condensi e Candida oleophila sono stati inoculati in modo sequenziale insieme a un ceppo controllo di Saccharomyces cerevisiae, al fine di valutarne il potenziale tecnologico ed enologico. I risultati hanno evidenziato un’elevata diversità di lieviti e hanno permesso di selezionare ceppi con caratteristiche enologiche promettenti, che dovranno essere ulteriormente testati in fermentazioni reali. Dai risultati ottenuti, la seconda parte del presente lavoro di tesi si è incentrata sul ceppo di lievito Candida oleophila YS209, isolato da sottoprodotti del miele. Tale ceppo è stato caratterizzato per la prima volta in fermentazioni multispecie che coinvolgono Saccharomyces cerevisiae e batteri lattici. Tramite un approccio multi-omico integrato, è stata dimostrata la capacità di questo ceppo di promuovere un meccanismo di cross-feeding metabolomico in grado di rimodellare la cinetica fermentativa e il volatiloma dei vini Catarratto. Il rilascio di metaboliti quali la vitamina B6 e l’(R)-4-deidropantotenato ha stimolato specifici percorsi metabolici in Saccharomyces cerevisiae, potenziando la sintesi dell’acetil-CoA e favorendo la biosintesi degli esteri. Di conseguenza, le fermentazioni inoculate con YS209 hanno mostrato un’accelerazione della fermentazione alcolica e malolattica, accompagnata da un significativo incremento di composti aromatici chiave, come esanoato di etile, ottanoato di etile e acetato di isoamile, con conseguente miglioramento delle note sensoriali fruttate e floreali.La terza parte della tesi ha riguardato il ceppo Starmerella lactis-condensi MN412, in particolare come influisca sulla composizione volatile e non volatile del vino Catarratto. Utilizzando la metabolomica non mirata combinata con l’utilizzo dei valori indicatori di relazione (valori RI), sono state individuate specifiche interazioni molecolari associate a caratteristiche sensoriali distintive, quali note di lavanda e pera. Inoltre, MN412 ha mostrato un effetto bioprotettivo, preservando composti bioattivi come il trans-resveratrolo e il resveratrolo-2-O- β-glucopiranoside, mantenendo al contempo una frazione estere stabile nel profilo volatile. Infine, il presente lavoro di tesi si è focalizzato sull’investigazione delle proprietà antiossidanti di vini e vini spumanti ottenuti mediante differenti strategie fermentative, tra cui l’inoculo sequenziale con lieviti non-Saccharomyces, vinificazioni con differenti tempi di macerazione e produzione di spumanti con ceppi di Saccharomyces cerevisiae selezionati. Nello specifico, sono stati determinati il contenuto di polifenoli totali e la capacità antiossidante mediante i saggi Folin-Ciocalteu, TEAC e ORAC. I risultati preliminari hanno mostrato che le strategie di fermentazione, la selezione dei lieviti e le condizioni di macerazione influenzano significativamente il contenuto di polifenoli e il potenziale antiossidante dei vini.Complessivamente, questo lavoro dimostra che i lieviti non-Saccharomyces provenienti da nicchie ecologiche non convenzionali rappresentano una risorsa promettente per lo sviluppo di colture starter innovative. L’impiego in fermentazioni multispecie costituisce una strategia efficace per modulare le dinamiche fermentative, aumentare la complessità aromatica e migliorare la qualità complessiva e le proprietà funzionali dei vini regionali, in particolare del Catarratto, contribuendo allo sviluppo di approcci innovativi e sostenibili nell’enologia di precisione. Inoltre, l’adozione di protocolli enologici mirati, può contribuire al miglioramento delle proprietà antiossidanti e la qualità dei vini Catarratto. Ulteriori analisi statistiche dei dati ottenuti dai saggi TEAC e ORAC consentiranno una valutazione più completa del potenziale antiossidante dei vini studiati.