Studie zeigt, dass der Nicotinsäuregehalt entscheidend für die Hefegärung und die Weinqualität ist

Eine kürzlich in der Zeitschrift IVES veröffentlichte Studie hat der Rolle der Nikotinsäure, einer Form von Vitamin B3, bei der Weingärung neue Aufmerksamkeit geschenkt. Nikotinsäure ist eine Vorstufe für die essenziellen Redox-Cofaktoren NAD⁺ und NADP, die für viele Stoffwechselprozesse in der Hefe unerlässlich sind. In Saccharomyces cerevisiae, der bei der Weinherstellung am häufigsten verwendeten Hefe, werden diese Cofaktoren unter anaeroben Bedingungen ausschließlich durch Recycling verschiedener Formen von Vitamin B3 hergestellt. Dies macht deutlich, wie wichtig es ist, dass während der Gärung genügend Nikotinsäure im Traubenmost vorhanden ist.

Die Forscher untersuchten, wie sich ein Mangel an Nikotinsäure auf die Gärungsleistung in S. cerevisiae auswirkt und wie er das Stoffwechselprofil des Weins beeinflusst. Für die Studie wurde ein synthetischer Traubenmost mit 230 Gramm pro Liter Zucker verwendet und drei verschiedene Konzentrationen von Nikotinsäure getestet: Mangel (0,1 mg/L), Durchschnitt (2,0 mg/L) und Überschuss (4,0 mg/L). Die Versuche wurden bei 25°C mit dem kommerziellen Hefestamm EC1118™ durchgeführt.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Fermentationskinetik in den ersten 24 Stunden bei allen Behandlungen ähnlich war, ein Mangel an Nikotinsäure jedoch zu einer langsameren Fermentation und einer um 37,5 % geringeren Produktion von Hefebiomasse führte. Überhöhte Nikotinsäurekonzentrationen verbesserten weder die Fermentationsraten noch die Biomasse im Vergleich zu normalen Konzentrationen, was darauf hindeutet, dass es einen optimalen Schwellenwert für die Supplementierung gibt.

In der Studie wurden auch die Konzentrationen von NAD⁺ und NADH während der Fermentation gemessen. Zunächst stiegen die NAD⁺-Konzentrationen bis zum Ende der Lag-Phase an, fielen jedoch stark ab, als die Hefe in das exponentielle Wachstum überging. Dieser Rückgang spiegelt die erhöhte Stoffwechselaktivität und das Zellwachstum wider, wobei NAD⁺ während der Glykolyse und anderer Stoffwechselwege schnell zu NADH reduziert wird. Bei Behandlungen mit niedriger Nikotinsäure waren die NAD⁺-Werte nach 24 Stunden fast nicht mehr nachweisbar, was auf ein schweres Redox-Ungleichgewicht hinweist, das die Fermentation verlangsamt und die Biomasseproduktion verringert.

Weitere Analysen ergaben, dass die Hefezellen die gesamte verfügbare Nikotinsäure zu Beginn der Gärung importieren und aufbrauchen, bevor sie die Hälfte ihrer maximalen Populationsgröße erreicht haben. Danach sind sie auf die Wiederverwertung interner Vitamin-B3-Vorräte angewiesen, um die NAD⁺-Produktion aufrechtzuerhalten. Es wurde auch ein gewisser Export von Vitamin B3 zurück in das Medium beobachtet, insbesondere bei höheren Anfangskonzentrationen.

Die Auswirkungen des Nicotinsäuremangels erstreckten sich auch auf die Produktion von Primärmetaboliten. Mangelhafte Bedingungen führten zu einem signifikanten Anstieg von Glycerin, Apfelsäure und Acetoin als Ausgleichsmechanismen für die Regeneration von NAD⁺ sowie zu höheren Bernsteinsäure-, aber niedrigeren Essigsäurewerten. Die Ethanolproduktion blieb unabhängig von der Nikotinsäurekonzentration stabil, was ihre zentrale Rolle im Hefestoffwechsel unterstreicht.

Ein Mangel an Vitamin B3 im Traubenmost ist weniger häufig als ein Mangel an Vitamin B1 (Thiamin), der häufig auftreten kann. Allerdings können Pilzinfektionen wie Botrytis cinerea die Nährstoffe verarmen lassen und die Nikotinsäurekonzentration nach der Traubenverarbeitung aktiv verringern. In den frühen Stadien der Gärung werden Thiamin und andere B-Vitamine von der Hefe schnell aufgenommen, wodurch ihre Verfügbarkeit im weiteren Verlauf der Gärung eingeschränkt wird. Eine verlängerte Mazeration vor der Gärung oder eine anschließende Beimpfung mit Hefen, die nicht zu den Saccharomyces gehören, kann den Nikotinsäuregehalt weiter senken und das Risiko eines Mangels erhöhen.

Um diesen Risiken entgegenzuwirken, wird eine Ergänzung mit aus Hefe gewonnenen Nährstoffen, die Vitamin B3 enthalten, als praktikable Strategie in Szenarien betrachtet, in denen ein Mangel wahrscheinlich ist. Die kontrollierte Zugabe von Sauerstoff während der frühen oder mittleren Gärung ist ein weiterer vielversprechender Ansatz, da Sauerstoff die De-novo-Synthese von Vitamin B3 durch die Hefe ermöglicht und die Abhängigkeit von externen Quellen verringert. Die Optimierung des Zeitpunkts und der Dosierung ist jedoch entscheidend, um eine ausreichende Niacinproduktion ohne Beeinträchtigung der Fermentation zu gewährleisten.

Die Studie unterstreicht, dass die Aufrechterhaltung ausreichender Mengen an Nikotinsäure nicht nur für eine effiziente Gärkinetik, sondern auch für stabile Metabolitenprofile im Wein notwendig ist. Ein Mangel führt zu einem schwerwiegenden Redox-Ungleichgewicht, da die NAD⁺-Pools erschöpft sind, was zentrale Stoffwechselfunktionen beeinträchtigt und die Gärung verlangsamt. Eine übermäßige Supplementierung bringt keine zusätzlichen Vorteile über die normalen Bedingungen hinaus.

Es wurden auch artspezifische Reaktionen beobachtet: Während S. cerevisiae die Gärung unter allen getesteten Bedingungen abschließen konnte (wenn auch langsamer, wenn ein Mangel vorlag), kam es bei einigen Nicht-Saccharomyces-Spezies zu einer noch stärkeren Verringerung der Gärungsraten oder zu einem vorzeitigen Abbruch, wenn Nikotinsäure fehlte.

Die Ergebnisse legen nahe, dass sich die künftige Forschung auf die Verfeinerung von Strategien zur Nährstoffergänzung und die Optimierung des Sauerstoffmanagements konzentrieren sollte, um die NAD⁺-Biosynthese während der Weinherstellung zu unterstützen. Dies würde zu einer reibungslosen Gärung beitragen und es den Winzern möglicherweise ermöglichen, das Stoffwechselprofil des Weins durch gezielte Eingriffe auf der Grundlage der Nährstoffverfügbarkeit zu beeinflussen.