Characterization of bioactive compounds of dealcoholized wine: valuation of distillation process

O vinho tinto é uma importante fonte de compostos fenólicos com atividade antioxidante e que estão relacionados com a prevenção de doenças cardiovasculares e cancro. Estes compostos são um sub-produto do processo de destilação vínica utilizado para produzir aguardente necessária para a produção de Vinho do Porto. Esta tese tem como objetivo valorizar os compostos fenólicos resultantes das destilarias de vinho, através do estudo da sua composição, das interações com o material polimérico do vinho, da sua estabilidade durante o armazenamento e avaliação dos seus potenciais efeitos biológicos in vitro. Isto irá permitir definir aplicações para estes compostos como ingredientes alimentares com propriedades funcionais. Dois vinhos tintos (RW1 e RW2) foram utilizados como fonte de compostos fenólicos. A fim de estudar estes compostos, cada vinho foi evaporado à pressão atmosférica, permitindo obter o respetivo vinho desalcolizado (DW1 e DW2). Os polissacarídeos e compostos fenólicos presentes nos vinhos desalcolizados foram fracionados por extração em fase sólida utilizando cartuchos C18 sep-pak. A fração hidrofóbica, rica em compostos fenólicos, foi separada em frações ricas em ácidos fenólicos, em procianidinas e em antocianinas, as quais foram usadas para avaliar a sua contribuição para a atividade antioxidante total e caracterização fenólica detalhada dos DW. Foram obtidas quantidades comparáveis de compostos fenólicos totais (1.3 g/L para RW1 e DW1, e 3.1 para RW2 e DW2), de taninos (1.2 g/L para RW1 e DW1 e 1.6 para RW2 e DW2) e de antocianinas (0.24 g/L para RW1 e DW1 e 0.41 para RW2 e DW2) para os vinhos e para os respetivos vinhos desalcolizados. A determinação da atividade antioxidante de RW e DW pelos métodos do DPPH e ABTS também originou valores semelhantes, permitindo inferir que o processo de destilação realizado não promoveu uma perda relevante de compostos fenólicos. A atividade antioxidante total de vinho deveu-se essencialmente à fração rica em antocianinas. Os dois DW foram dialisados para se obter o material polimérico dos vinhos (WPM1 e WPM2). O WPM1 e WPM2 apresentavam 1.1 e 1.3 g/L de material sólido, respetivamente. O WPM (WPM1 e WPM2) era composto por polissacarídeos (31 e 36%), proteínas (10 e 12%) e também por compostos fenólicos (32 e 43%). A análise de açúcares mostrou que as manoproteínas e as arabinogalactanas eram os principais polissacarídeos presentes. A extração do WPM com metanol deu origem a um material insolúvel em metanol (PMi) e a uma fração solúvel em metanol, que continuava a conter hidratos de carbono e compostos fenólicos, mostrando uma forte interação entre estes compostos. Para determinar a energia de ativação (Ea) da libertação dos compostos fenólicos de fracções de material polimérico do vinho, foram realizadas diálises do DW, WPM e PMi, utilizando-se quatro concentrações diferentes, a cinco temperaturas (5-40 °C). O valor da Ea foi 25 para o WPM e 61 kJ/mol para o PMi, mostrando que os compostos fenólicos do vinho podem estar associados de forma diferente à matriz polimérica e que uma fração pode estar, ainda, fortemente associada a esta matriz. A fim de avaliar a possível existência de interações seletivas com os compostos fenólicos, o WPM foi fracionado, permitindo a obtenção de uma fração rica em manoproteínas (MP), através de uma cromatografia de afinidade com concanavalina A e 3 frações ricas em arabinogalactanas (AG0, AG1 e AG2) obtidas por cromatografia de troca aniónica. Foi avaliada a difusão de nove antocianinas monoméricas através de uma membrana de diálise, em presença do WPM, e das frações ricas em MP e em AG. A diálise dos compostos fenólicos livres do vinho foi realizada como ensaio em branco. Todas as frações poliméricas mostraram capacidade para reter as antocianinas, embora em diferente extensão. Foi observada uma capacidade de retenção maior para as antocianinas acilglucosiladas do que para as antocianinas glucosiladas. A fração rica em AG teve uma maior contribuição para a capacidade de retenção das antocianinas pelo material polimérico vinho do que a fração rica em MP, principalmente quando as antocianinas estavam acetiladas. Com o objetivo de estudar formas para preservar, a longo prazo, as propriedades antioxidantes dos compostos fenólicos, o extrato de compostos fenólicos (PCE), em pó, foi armazenado em diferentes condições de luz e atmosfera, à temperatura ambiente durante 1 ano. Observou-se que o PCE armazenado no escuro, dentro de um exsicador sob atmosfera de azoto, preservou 95% da atividade antioxidante inicial. Também foram avaliadas as melhores condições para preservar as antocianinas quando em solução, armazenadas a duas temperaturas (5 e 30 ºC) durante 3 meses. A adição de 0.5 g/L de uma fração rica em polissacarídeos a um vinho armazenado a 30 ºC promoveu a proteção das antocianinas, especialmente das antocianinas cumaroiladas. Os potenciais efeitos biológicos dos compostos fenólicos foram avaliados em diferentes sistemas celulares in vitro utilizando as seguintes frações: WPM, WPS (polissacarídeos do vinho), WPC (compostos fenólicos do vinho), PA-E (fração rica em ácidos fenólicos), PR-E (fração rica em procianidinas) e APP-E (fração rica em antocianinas e procianidinas poliméricas). Foi observada uma maior viabilidade celular quando as células do carcinoma do cólon HT-29 foram expostas a dois agentes oxidantes (radiação UV e H2O2) em presença das frações PR-E e APP-E. Além disso, os extratos WPS, WPC, PR-E e APP-E mostraram propriedades anti-inflamatórias, avaliadas pela inibição da produção de NO por células de macrófagos RAW264.7, sendo o extrato APP-E (0.19 mg/mL) o que exibiu a maior capacidade anti-inflamatória. A fim de elucidar as propriedades antioxidantes dos extratos do vinho em células humanas, os glóbulos vermelhos (RBC) foram selecionados como um modelo metabolicamente simples. Os extratos WPM, WPS, WPC, PR-E, e APP-E mostraram efeito anti-hemolítico para a hemólise dos RBC provocada pelo peróxido de hidrogénio (H2O2) e pelo di-hidrocloreto de 2,2'-azo-bis(2-diaminopropano) (AAPH). Os resultados obtidos permitem concluir que o processo de desalcoolização dos vinhos à pressão atmosférica, preservou as principais características antioxidantes dos compostos fenólicos. Estes compostos podem contribuir para a defesa das células contra agentes oxidantes, nomeadamente por terem um potencial de atividades anti-inflamatória e anti-hemolítica, promovendo a viabilidade celular. A interação dos compostos fenólicos do vinho com o material polimérico permite inferir uma dosagem contínua e gradual das antocianinas vinho tinto após a sua ingestão, contribuindo para um período mais longo da sua exposição e, como consequência, dos seus potenciais benefícios para a saúde.

Sustainable viticulture in Bairrada appellation: vineyard and harvest year effects on grapes oenological potential

The sustainable viticulture of a region passes, among other aspects, for maximizing the varieties potential minimizing subsequent interventions during winemaking, which should contribute to the production of quality wines maintaining their typicity and rationalizing costs. The detailed knowledge of each Appellation specificities, namely vineyard parcel (soil type and topographical peculiarities) and harvest climatic conditions is crucial for sustainability in this sector. Thus, in line with this current trend, the starting point for the development of this PhD thesis was to evaluate the oenological potential of different varieties cultivated throughout Bairrada Appellation (Portugal). During maturation several changes in grape varieties occur, namely berries become sweeter, less acidic, and they develop flavour, aroma and colour properties. The development of these characteristics is essential to define grapes oenological potential, i.e. to estimate the possibility of their usage to produce specific wines. A three years sampling plan was designed to evaluate the effect of harvest year and parcel characteristics on V. vinifera cv. Arinto, Bical, Sauvignon Blanc, Baga, Castelão, Touriga Nacional, and Sousão grapes composition. For each variety, 3 parcels with different characteristics were selected. Several physicochemical parameters were evaluated, during maturation: berry weight, pH, titratable acidity, sugar and phenolic contents, antiradical activity, and volatile composition (free fraction). Special attention was devoted to grapes at technologic maturity, since, besides these parameters, glycosidically-linked fraction was also considered. By using the results obtained at technologic maturity, a comprehensive approach was applied to identify the significance of harvest and parcel characteristics effects on each variety composition. Considering all the parameters under study, it may be highlighted some significant differences. According to the obtained results determined during maturation, it was possible to conclude that Arinto, Bical and Sauvignon Blanc grapes from parcels with clay-sandy and clay-calcareous soils have higher phenolic content and antiradical activity. Otherwise, Sauvignon Blanc presented similar volatile composition for grapes cultivated in the 3 parcels, while Arinto and Bical exhibited higher volatile content in grapes from claysandy and clay-calcareous soils. For Baga, Castelão and Touriga Nacional red varieties, grapes with higher phenolic content, antiradical activity, and volatile content were obtained from clayey and clay-calcareous soils. Furthermore, for Touriga Nacional, parcels altitude seems also to modulate grapes composition. Beyond parcel effect, harvest year conditions also influence grapes composition: 2011 harvest was related with lower phenolic and volatile contents, as well as lower antiradical activity.For grapes collected at technologic maturity, analysis of variance-simultaneous component analysis (ASCA) was applied combining all the parameters under study, in order to assess the influence of harvest and parcel characteristics on each variety oenological potential. The results obtained using this comprehensive approach is closely related with those observed during maturation and revealed that harvest was the main factor that influenced grapes composition (53% to 68% of the total data set variance) followed by parcel characteristics, explaining ca. 15-19% of the total data set variance. The oenological potential of each variety may be different from one parcel to another, i.e., clay-sandy and clay-calcareous related-environments seem to favour Arinto and Bical white grapes composition, but for the red varieties, grapes composition was favoured by clayey and clay-calcareous soils. Besides, also higher altitude seems to favour Touriga Nacional grapes composition. Sauvignon Blanc seems to be a variety well adapted to the different parcel characteristics. In order to go forward in the valuation of these varieties, the aroma properties of 6 monovarietal wines were studied based on an aroma network-approach, linking molecular data related to volatile composition and aroma data about the key odor active molecules. This approach allowed to identify different wine aroma properties and to infer about the consumer’s sensory perception. It was found that aroma properties differ from one wine variety to another: while Arinto and Sauvignon Blanc wine exhibited higher tree fruity, sweety and flowery aromas, related essentially with ester compounds and C13 norisoprenoids, the opposite was obtained for Bical wine, corroborating the aroma sensory perceptions of the trained panel. Sauvignon Blanc also exhibited higher toasted aromas (related with thiols, mainly with 2-methyl-3-furanthiol). Touriga Nacional red wine exhibited higher tree, tropical, and berry fruits notes (sensory described as sweet fruits), toasted and flowery aromas, while these are similar for the other red wines under study. Besides Portuguese Bairrada wines, this aroma network approach is a tool that can be used to explain the aroma properties of wines worldwide. The grape and wine data generated under the present PhD thesis, in the context of Bairrada Appellation, shows the unique character of each variety, and may be used by growers and wine producers as a support for decisionmaking based on objective criteria, increasing the sustainability in this sector. For instance, it is possible to take advantage of the natural resources and produce products with different characteristics obtained from the same variety, minimizing costs during the winemaking process.

Pathways of oxidative degradation of wine

The production of color/flavor compounds in wine is the result of different interrelated mechanism reactions. Among these, the oxidation phenomenon and the Maillard reaction stands out with particular relevance due to their large impact on the sensory quality of wines and consequently on the product shelflife. The aim of this thesis is to achieve a global vision of wine degradation mechanisms. The identification of mediators’ reactions involved in oxidative browning and aromatic degradation will be attempted based on different detectors. Two approaches are implemented in this work: a “non-target” approach by which relevant analytical tools will be used to merge the information of cyclic voltammetry and Diode-Array (DAD) detectors, allowing a broader overview of the system and the note of interesting compounds, and a “target” approach by which the identification and quantification of the different compounds related to the wine degradation process will be performed using different detectors (HPLC-UV/Vis, LC-MS, GC-MS, and FID). Two different patterns of degradation will be used in this study: wines generated by O2 and temperature perturbations, and synthetic solutions with relevant wine constituents for mechanisms validation. Results clearly demonstrate a “convolution” of chemical mechanisms. The presence of oxygen combined with temperature had a synergistic effect on the formation of several key odorant compounds.The results of this work could be translated to the wine-making and wine-storage environment from the modelling of the analysed compounds.