Discriminant Analysis of Geographical Origin of Cork Planks and Stoppers by Near Infrared Spectroscopy

The objective of this study was to assess the potential of visible and near infrared spectroscopy (VIS+NIRS) combined with multivariate analysis for identifying the geographical origin of cork. The study was carried out on cork planks and natural cork stoppers from the most representative cork-producing areas in the world. Two training sets of international and national cork planks were studied. The first set comprised a total of 479 samples from Morocco, Portugal, and Spain, while the second set comprised a total of 179 samples from the Spanish regions of Andalusia, Catalonia, and Extremadura. A training set of 90 cork stoppers from Andalusia and Catalonia was also studied. Original spectroscopic data were obtained for the transverse sections of the cork planks and for the body and top of the cork stoppers by means of a 6500 Foss-NIRSystems SY II spectrophotometer using a fiber optic probe. Remote reflectance was employed in the wavelength range of 400 to 2500 nm. After analyzing the spectroscopic data, discriminant models were obtained by means of partial least square (PLS) with 70% of the samples. The best models were then validated using 30% of the remaining samples. At least 98% of the international cork plank samples and 95% of the national samples were correctly classified in the calibration and validation stage. The best model for the cork stoppers was obtained for the top of the stoppers, with at least 90% of the samples being correctly classified. The results demonstrate the potential of VIS + NIRS technology as a rapid and accurate method for predicting the geographical origin of cork plank and stoppers

Cork structural characteristics and their influence on the oxygen ingress through wine stoppers

Doutoramento em Engenharia Florestal e dos Recursos Naturais - Instituto Superior de Agronomia - UL

Cork stoppers industry: defining appropriate mould colonization

Aims: The main aims of this work were the study of cork slabs moulds colonization and the evaluation of the moulds diversity during cork processing steps, in different cork stoppers factories. Simultaneously, it was envisaged to perform an evaluation of the air quality. Methods and Results: Moulds were isolated and identified from cork slabs and cork samples in four cork stoppers factories. The identification was based on morphological characters and microscopic observation of the reproductive structures. Airborne spore dispersion was assessed using a two stage Andersen sampler. It was observed that Chrysonilia sitophila was always present on cork slabs during the maturing period, but mould diversity appeared to be associated to the different factory configurations and processing steps. Conclusions: Spatial separation of the different steps of the process, including physical separation of the maturation step, is essential to guarantee high air quality and appropriate cork slabs colonization, i.e. C. sitophila dominance. The sorting and cutting of the edges of cork slabs after boiling and before the maturing step is also recommended. Significance and Impact of the Study: This study is very important for the cork stopper industry as it gives clear indications on how to keep high quality manufacturing standards and how to avoid occupational health problems.

Control by ATR-FTIR of surface treatment of cork stoppers and its effect on their mechanical performance

Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy was applied to determine the type of surface treatment and dose used on cork stoppers and to predict the friction between stopper and bottleneck. Agglomerated cork stoppers were finished with two different doses and using two surface treatments: P (paraffin and silicone), 15 and 25 mg/stopper, and S (only silicone), 10 and 15 mg/stopper. FTIR spectra were recorded at five points for each stopper by attenuated total reflectance (ATR). Absorbances at 1,010, 2,916, and 2,963 cm -1 were obtained in each spectrum. Discriminant analysis techniques allowed the treatment, and dose applied to each stopper to be identified from the absorbance values. 91.2% success rates were obtained from individual values and 96.0% from the mean values of each stopper. Spectrometric data also allowed treatment homogeneity to be determined on the stopper surface, and a multiple regression model was used to predict the friction index (If = Fe/Fc) (R 2 = 0.93)

Quality grading of cork stoppers based on porosity, density and elasticity.

An objective control method for grading cork stoppers is presented using a cork stopper quality index based on porosity, density and elasticity, these being the properties which have the greatest influence on the closure capacity of the stopper. The elasticity of the cork stopper is measured through the relaxation ratio, which is defined by the relationship between the relaxation force exerted by the cork in the bottleneck and the compressive force exerted by a caliper to fit the stopper in the bottle. The relaxation ratio, defined in this way, represents the part of the compression force which is applied to the stopper on insertion and which is recovered in the form of the relaxation force to achieve closure. The calculation of the relaxation ratio involves the measurement of the relaxation force of the fitted stopper. This force has been measured rigorously and precisely using a device developed in the Cork Laboratory at the INIA-CIFOR and which is presented for the first time in this paper.

Design of experiments to optimized the determination of TDIs in agglomerated cork stoppers

Isocyanates are included into a class with an extreme commercial importance because their use in the manufacture of polyurethanes. Polyurethanes are used in several applications such as adhesives, coatings, foams, thermoplastics resins, printing inks, foundry moulds and rubbers. Agglomerated cork stoppers are currently used for still wines, semi-sparkle and gaseous wines, beer and cider. Methylene diphenyl diisocyanate (MDI) is presently the isocyanate used in the production of polyurethane based adhesive in use due to its lowest toxicity comparing with toluene diisocyanate (TDI) previously employed. However, free monomeric TDI or MDI, depending on the based polyurethane, can migrate from agglomerated cork stoppers to beverages therefore it needs to be under control. The presence of these compounds are usually investigated by HPLC with Fluorescence or UV-Vis detector depending on the derivatising agent. Ultra Performance Liquid Chromatography with Diode Array Detector (UPLC-DAD) method is replacing HPLC. The objective of this study is to determine which method is better to analyze isocyanates from agglomerated cork stoppers, essentially TDI to quantify its monomer. A Design of Experiments (DOE) with three factors, column temperature, flow and solvent, at two levels was done. Eight experiments with three replications and two repetitions were developed. Through an ANOVA the significance of the factors was evaluated and the best level’s factors were selected. As the TDI has two isomers and in this method these two isomers were not always separated an ANOVA with results of resolution between peaks was performed. The Design of Experiments reveals to be a suitable statistical tool to determine the best conditions to quantified free isocyanates from agglomerated cork stoppers to real foodstuff. The best level’s factors to maximize area was column temperature at 30ºC, flow to 0,3 mL/min and solvent 0,1% Ammonium Acetate, to maximize resolution was the same except the solvent that was 0,01% Ammonium Acetate.

Efeito do revestimento nas propriedades das rolhas de cortiça

A utilização de revestimentos poliméricos em rolhas de cortiça natural é uma prática recorrente na indústria de produção de rolhas. A sua aplicação tem como principal objetivo a melhoria da qualidade visual das rolhas. Contudo, este tratamento altera também as suas caraterísticas de molhabilidade, pelo que é importante otimizar os processos de revestimento de superfície. O presente trabalho teve como objetivo principal a averiguação da influência de um revestimento colorido e de diferentes tratamentos de superfície no comportamento da rolha em garrafa. Foram utilizadas amostras, cedidas pela Cork Supply Portugal, provenientes de quatro branqueamentos distintos (LVL, CSP, CPI e SIL). Foram estudadas amostras com e sem revestimento colorido e, todas elas, tratadas superficialmente com quatro tipos de tratamento (TS1, TS2, TS3 e TS4), sendo as quantidades de parafina e silicone administradas todas diferentes. Para observar o efeito do revestimento colorido e dos tratamentos de superfície nas rolhas de cortiça, procedeu-se a testes para determinação de capilaridade, inserções e forças de extração, simulando as condições de engarrafamento/extração do cliente, de forma a verificar a conformidade dos resultados. Todos estes testes procederam-se nas instalações da CSP. Foram também efetuados testes de molhabilidade pela determinação de ângulos de contacto para três diferentes solventes, nomeadamente água, formamida e diiodometano, e obtidos os Wetting Envelopes, pelo método de OWRK, de forma a prever a molhabilidade das várias amostras. Os procedimentos experimentais descritos efetuaram-se nos laboratórios da Universidade de Aveiro. Aliando as análises aos vários testes efetuados, concluiu-se que o revestimento colorido tem um possível efeito favorecedor nas propriedades mecânicas das rolhas de cortiça, possui maior recetividade aos agentes lubrificantes e maior molhabilidade. Relativamente aos tratamentos de superfície, o melhor, tendo em conta os fatores de molhabilidade, foi o TS4, proporcionando melhor vedação ao vinho. Já a respeito da lubrificação, verificou-se melhores resultados para os tratamentos TS1 e TS2. A lavação SIL apresenta menor afinidade aos agentes vedantes e a CSP possui maior recetibilidade aos agentes lubrificantes.

RFID-based wireless passive sensors utilizing cork materials

This paper presents the design of low-cost, conformal UHF antennas and RFID tags on two types of cork substrates: 1) natural cork and 2) agglomerate cork. Such RFID tags find an application in wine bottle and barrel identification, and in addition, they are suitable for numerous antenna-based sensing applications. This paper includes the high-frequency characterization of the selected cork substrates considering the anisotropic behavior of such materials. In addition, the variation of their permittivity values as a function of the humidity is also verified. As a proof-of-concept demonstration, three conformal RFID tags have been implemented on cork, and their performance has been evaluated using both a commercial Alien ALR8800 reader and an in-house measurement setup. The reading of all tags has been checked, and a satisfactory performance has been verified, with reading ranges spanning from 0.3 to 6 m. In addition, this paper discusses how inkjet printing can be applied to cork surfaces, and an RFID tag printed on cork is used as a humidity sensor. Its performance is tested under different humidity conditions, and a good range in excess of 3 m has been achieved, allied to a good sensitivity obtained with a shift of >5 dB in threshold power of the tag for different humid conditions.

Biomorphous SiC ceramics prepared from cork oak as precursor

Porous ceramic materials of SiC were synthesized from carbon matrices obtained via pyrolysis of natural cork as precursor. We propose a method for the fabrication of complex-shaped porous ceramic hardware consisting of separate parts prepared from natural cork. It is demonstrated that the thickness of the carbon-matrix walls can be increased through their impregnation with Bakelite phenolic glue solution followed by pyrolysis. This decreases the material's porosity and can be used as a way to modify its mechanical and thermal characteristics. Both the carbon matrices (resulted from the pyrolysis step) and the resultant SiC ceramics are shown to be pseudomorphous to the structure of initial cork. Depending on the synthesis temperature, 3C-SiC, 6H-SiC, or a mixture of these polytypes, could be obtained. By varying the mass ratio of initial carbon and silicon components, stoichiometric SiC or SiC:C:Si, SiC:C, and SiC:Si ceramics could be produced. The structure, as well as chemical and phase composition of the prepared materials were studied by means of Raman spectroscopy and scanning electron microscopy.

The impact of wine closure and packaging type, and light and temperature exposure on the concentration of 3-alkyl-2 -methoxypyrazines and other key constituents of wine

3-alkyl-2-methoxypyrazines (MPs) are grape- and insect-derived odor-active compounds responsible for vegetative percepts that are detrimental to wine quality when elevated. This study tested both the effect of closure/packaging types and light/temperature storage conditions on MPs (isopropyl-, secbutyl-, and isobutyl-MP) in wine. An MP-emiched wine rapidly (after 140 hours) and significantly decreased in MP concentration after natural and synthetic cork contact (immersion of closures in wine). This decrease was greatest with synthetic closures (70% - 89% reduction) and secbutyl-MP. Subsequently storage trials tested the effects of commercial closure/packaging options (natural cork, agglomerate cork, synthetic corks, screwcaps and TetraPak® cartons) on MPs in MP-emiched Riesling and Cabernet Franc over 18 months. Regardless of packaging, isobutyl-MP was the most altered from bottling. Notably, all MP levels tended to decrease to the greatest extent in TetraPak® cartons (~34% for all MPs) and there was evidence of contribution ofisoproyl- and secbutyl-MP from cork-based closures (i.e. ~30% increase in secbutyl-MP after 6 months) or from an unidentified wine constituent. To test the effects of various light/temperature conditions (light exposed at ambient temperature in three different bottle hues, light excluded at ambient temperature and light excluded at a "cellar" temperature (14°C)), MP-emiched Riesling and Cabernet Franc were also analyzed for MP concentrations over 12 months. MPs did not vary consistently with light or temperature. Other odorants and physico-chemical properties were tested in all wines during storage trials and closely agree with previous literature. These results provide novel insights into MPs during ageing, interactions with packaging and storage conditions, and assist in the selection of storage conditions/packaging for optimal wine quality.

Detecció de compostos volàtils, clorofenols, cloroanisoles i 2,4,6-tribromoanisole, relacionats amb el "gust del suro"

D'entre els defectes organolèptics associats al vi, en destaca l'anomenat "gust de suro" habitualment vinculat a la presència de cloroanisoles, els quals són productes de l'activitat microbiana formats a partir dels corresponents clorofenols. La present tesi doctoral recull, en primer lloc, metodologies analítiques adreçades principalment a la determinació dels compostos clorofenòlics (2,4,6-triclorofenol, 2,3,4,6-tetraclorofenol i pentaclorofenol) en el control de qualitat dels taps suro, emprant dissolucions hidroalcohòliques com a medi de maceració o d'extracció i utilitzant les tècniques d'extracció en fase sòlida (SPE) i microextracció en fase sòlida (SPME) acoblades a la cromatografia de gasos (GC). En segon lloc, per tal de dur a terme l'anàlisi de cloroanisoles juntament amb els seus precursors en matrius de suro s'ha avaluat un mètode basat en l'extracció amb dissolvent orgànic, el qual ha estat aplicat per a l'estudi de diferents sistemes d'eliminació d'aquests anàlits en la matriu citada. En darrer lloc, s'han proposat metodologies per l'anàlisi de mostres de vi, en les quals d'una banda s'han determinat els compostos clorofenòlics utilitzant la SPME i de l'altra el 2,4,6-tricloroanisole i el 2,4,6-tribromoanisole mitjançant l'acoblament de la SPE i la injecció de grans volums (LVI) en el sistema cromatogràfic.

Melhoria do processo de lavação das rolhas de cortiça

O presente trabalho, realizado na empresa Amorim & Irmãos, S.A. teve como principal objetivo a avaliação e otimização da lavação de rolhas de cortiça técnicas, designadas por Twin Top®, em termos do perfil de consumo de reagentes químicos e do desenvolvimento da sua brancura. Para tal foi desenvolvida uma metodologia de análise de brancura de rolhas Twin Top® que serviu de base para a determinação de uma gama de brancuras aceitável. Para além disto, efetuou-se a avaliação do processo de lavação atualmente praticado e apartir do qual se realizaram os ensaios de otimização a nível laboratorial e piloto. Foram aplicados diferentes métodos de análise tais como, UV-Vis, FTIR-ATR, RMN e brancura ISO. Tendo como base de análise os espetros de refletância difusa de espetroscopia de UV-Vis foi proposta uma metodologia de determinação da brancura de rolhas Twin Top® a 457nm, adoptando as condições da Norma ISO 3688, aplicada na indústria da pasta e papel. De seguida, aplicando o método anteriormente definido, analisaram-se 1000 rolhas Twin Top® de lavação branca. Sendo que os resultados demonstraram que para rolhas dentro de especificação a brancura ISO deve estar entre os 30 e 35%. Foram ainda analisadas rolhas de diferentes classes visuais e provenientes de várias máquinas de lavação da fábrica para determinar possíveis diferenças. Para proceder à avaliação da lavação existente analisaram-se as colas usadas na produção das rolhas, um grânulo de cortiça e a matéria seca do efluente de lavação por FTIR-ATR e RMN. Desta avaliação resultou a presença de compostos de cortiça e cola degradada no efluente de lavação. Determinou-se a concentração dos reagentes intervenientes no processo que se mostraram de acordo com as especificações indicadas pelos fornecedores. Para a otimização da lavação combinou-se o peróxido de hidrogénio e hidróxido de sódio em diferentes quantidades, concentrações e diferentes tempos de reação o que permitiu identificar a melhor alternativa à lavação convencional. Assim existem duas propostas que devem ser tidas em consideração: uma em que a lavação mantém a mesma sequência da convencional e em que se altera o local de adição dos reagentes, que deve ser o mais próxima e direta possível das rolhas, e a outra em que se reduz o tempo do processo em 29,3 min, que compreende apenas uma oxidação e em que a quantidade de reagentes aplicada corresponde à soma dos volumes de reagentes das três oxidações do processo convencional.

Tratamentos de superfície em rolhas de cortiça

Este trabalho foi desenvolvido na empresa Amorim & Irmãos, SA e teve dois objectivos fundamentais. O primeiro centrou-se na análise do processo de tratamento de superfície das rolhas, procurando um produto alternativo ao actualmente implementado na empresa e a sua optimização. O segundo objectivo foi a elaboração de um novo método de determinação da absorção em garrafa, que permitisse a sua determinação sem o conhecimento da massa inicial da rolha. Para a concretização do primeiro objectivo foram estudados doze produtos químicos em comparação com o actualmente utilizado, em que o objectivo foi obter-se forças de extracção entre 15 e 20 daN. Após realização do tratamento de superfície para cada produto foram realizados vários testes laboratoriais, nomeadamente: forças de extracção, vedação em tubo, absorção em garrafa, capilaridade, análise de risco à quantidade de produto adicionado e análise de risco ao tempo de distribuição do tratamento. Após análise global dos resultados obtidos verificou-se que o produto T13, embora apresente forças de extracção no limite inferior ao desejado possui uma boa estabilização. Os produtos T5 e T6 são bons alternativos ao produto actualmente implementado (T8), embora seja necessário ter alguns cuidados no seu manuseamento. O produto T5 como foi considerado mau no teste da absorção em garrafa não poderá ser utilizado para mercados mais distantes (EUA, Austrália e África do Sul) devido ao risco de ocorrência de migração de vinho através da rolha de cortiça. O produto T6 como apresentou um comportamento irregular na análise de risco à quantidade de produto adicionado, e na análise de risco à distribuição de produto, deve-se ter muita atenção à quantidade inserida no tambor assim como o tempo de distribuição. Para a concretização do segundo objectivo foi determinada a absorção em garrafa pelo método actual e comparou-se com o novo método. Apesar do desvio padrão ser de aproximadamente 0,85, pode-se afirmar que o novo método de determinação da absorção em garrafa é um método eficaz que pode ser aprovado pela empresa. Desta forma, foi possível solucionar esta questão e permitir ao laboratório de controlo de qualidade determinar a absorção em garrafa de garrafas de vinho provenientes de clientes.

Avaliação de Impacto Ambiental, Valorização do Efluente e dos Resíduos Sólidos da Indústria Corticeira

A preocupação com o meio ambiente, nomeadamente na descarga de águas residuais, consumo de água excessivo e produção de resíduos industriais, está cada vez mais presente no quotidiano. Devido a estas problemáticas, efetuou-se a avaliação de impacte ambiental (AIA) do processo produtivo das rolhas de cortiça naturais, tratamento das águas de cozedura da cortiça (estudo da possível reutilização do efluente tratado) e valorização de subprodutos – resíduo sólido (raspa de cortiça), sendo estes os objetivos propostos para a realização da presente dissertação. Na AIA, efetuada no decorrer das fases da Análise do Ciclo de Vida (ACV), foram selecionadas 8 categorias de impacte – aquecimento global, acidificação, dessecação, toxicidade e ecotoxicidade, eutrofização, consumo de recursos não renováveis e oxidação foto-química. A água de cozedura caracterizou-se por uma elevada carga poluente, apresentando elevada concentração de cor, Carência Química de Oxigénio (CQO), taninos e lenhina e Sólidos Suspensos Totais (SST). O processo de tratamento proposto consistiu num pré-tratamento por ultrafiltração (UF), com membranas de 30.000 e 20.000 MWCO, seguido de adsorção por carvão ativado (comercial e produzido a partir de raspa de cortiça). No tratamento por UF, utilizando uma membrana de 30.000 MWCO, foram obtidas percentagens de remoção para a primeira amostra de água de cozedura de 74,8 % para a cor, 33,1 % para a CQO e para a segunda amostra de 85,2 % para a cor e 41,8 % para a CQO. Posteriormente, apenas para a segunda amostra de água de cozedura e com uma membrana de 20.000 MWCO, as percentagens de remoção obtidas foram superiores, de 93% para a cor, 68,9 % para a CQO, 88,4 % para taninos e lenhina e 43,0 % para azoto total. No tratamento por adsorção com carvão ativado estudou-se o tempo de equilíbrio do carvão ativado comercial e do carvão ativado produzido a partir de aparas de cortiça, seguindo-se o estudo das isotérmicas de adsorção, no qual foram analisados os parâmetros da cor e CQO para cada solução. Os ajustes dos modelos teóricos aos pontos experimentais demonstraram que ambos os modelos (Langmuir e Freundlich) poderiam ser considerados, uma vez que apresentaram ajustes idênticos. Relativamente ao tratamento de adsorção em contínuo do permeado, obtido por UF com membrana de 20.000 MWCO, constatou-se que ambos os carvões ativados (comercial e produzido) não ficaram saturados, tendo em consideração os tempos de saturação estimados pela capacidade máxima de adsorção (determinada para a isotérmica de Langmuir) e as representações gráficas dos valores experimentais obtidos para cada ensaio. No ensaio de adsorção com carvão ativado comercial verificou-se que o efluente tratado poderia ser descarregado no meio hídrico ou reutilizado no processo industrial (considerando os parâmetros analisados), uma vez que até aos 11 minutos de ensaio a concentração da solução à saída foi de 111,50 mg/L O2, para a CQO, e incolor, numa diluição de 1:20. Em relação à adsorção em contínuo com carvão ativado produzido verificou-se no ensaio 4 que o efluente resultante apresentou uma concentração de CQO de 134,5 mg/L O2 e cor não visível, numa diluição de 1:20, ao fim de 1h22 min de ensaio. Assim, concluiu-se que os valores obtidos são inferiores aos valores limite de emissão (VLE) presentes no Decreto-Lei n.º 236/98 de 1 de Agosto. O carvão ativado produzido apresentou elevada área superficial específica, com 870 m2/g, comparativamente ao carvão comercial que foi de 661 m2/g. O processo de extração da suberina a partir de raspa de cortiça isenta de extraíveis, efetuado através da metanólise alcalina, apresentou percentagens de extração superiores aos restantes métodos. No processo efetuado em scale-up, por hidrólise alcalina, obteve-se uma extração de 3,76 % de suberina. A aplicação da suberina no couro demonstrou que esta cera apresenta enormes potencialidades, uma vez que a sua aplicação confere ao couro um aspeto sedoso, com mais brilho e um efeito de “pull-up”.

Plasmid biology of natural Lactococcus lactis strains and molecular mechanisms of bacteriophage-host interaction

Lacticin 3147, enterocin AS-48, lacticin 481, variacin, and sakacin P are bacteriocins offering promising perspectives in terms of preservation and shelf-life extension of food products and should find commercial application in the near future. The studies detailing their characterization and bio-preservative applications are reviewed. Transcriptomic analyses showed a cell wall-targeted response of Lactococcus lactis IL1403 during the early stages of infection with the lytic bacteriophage c2, which is probably orchestrated by a number of membrane stress proteins and involves D-alanylation of membrane lipoteichoic acids, restoration of the physiological proton motive force disrupted following bacteriophage infection, and energy conservation. Sequencing of the eight plasmids of L. lactis subsp. cremoris DPC3758 from raw milk cheese revealed three anti-phage restriction/modification (R/M) systems, immunity/resistance to nisin, lacticin 481, cadmium and copper, and six conjugative/mobilization regions. A food-grade derivative strain with enhanced bacteriophage resistance was generated via stacking of R/M plasmids. Sequencing and functional analysis of the four plasmids of L. lactis subsp. lactis biovar. diacetylactis DPC3901 from raw milk cheese revealed genes novel to Lactococcus and typical of bacteria associated with plants, in addition to genes associated with plant-derived lactococcal strains. The functionality of a novel high-affinity regulated system for cobalt uptake was demonstrated. The bacteriophage resistant and bacteriocin-producing plasmid pMRC01 places a metabolic burden on lactococcal hosts resulting in lowered growth rates and increased cell permeability and autolysis. The magnitude of these effects is strain dependent but not related to bacteriocin production. Starters’ acidification capacity is not significantly affected. Transcriptomic analyses showed that pMRC01 abortive infection (Abi) system is probably subjected to a complex regulatory control by Rgg-like ORF51 and CopG-like ORF58 proteins. These regulators are suggested to modulate the activity of the putative Abi effectors ORF50 and ORF49 exhibiting topology and functional similarities to the Rex system aborting bacteriophage λ lytic growth.