Innovative red winemaking strategy: biosurfactant-assisted extraction and stabilization of phenolic compounds

Abstract

The color is the first attribute perceived by consumers and a major factor determining the quality of red wines. This depends mainly on the content of grape anthocyanins and their extraction into the juice/wine during winemaking. Furthermore, these compounds can undergo reactions that influence the chemical and sensory characteristics of the wine. Monomeric forms are prone to oxidation and adsorption on solid parts. Nevertheless, polymerization and copigmentation reactions with other metabolites are highly valuable for color preservation. Several studies have evaluated the effect of adding different oenological tannins or copigments on anthocyanin preservation and color stabilization during maceration. A novel alternative strategy has promoted the anthocyanin solubilization within micelles by using surface-active compounds, such as polysorbate-based chemical surfactants. However, the chemical surfactants are not suitable for food use. Nowadays, the production of biological surfactants, namely biosurfactants, by microorganisms opens new opportunities in food industry due to their low toxicity, biodegradability and biocompatibility. In the present study, a biosurfactant obtained from a fermented residual stream of agri-food waste from corn industry, named corn steep liquor (csl), has been used during winemaking to improve the color features of red wines. Therefore, the first aim of this study was to evaluate the effectiveness of csl biosurfactant to increase the release and preservation of anthocyanins during skin simulated macerations, and to compare its effect with four treatments based on exogenous tannin additions (grape seeds, grape skins, quebracho and acacia tannins), considering two red winegrape varieties (‘cabernet sauvignon’ and ‘aglianico’). Then, the pre-fermentative addition of csl biosurfactant was evaluated through nano-vinifications of ‘merlot’ winegrapes, during spontaneous or inoculated fermentations with saccharomyces cerevisiae. Technological parameters, color characteristics and phenolic composition were determined, as well as the fermentation dynamics. For the simulated maceration study, the results obtained showed that the addition of the csl biosurfactant increased color intensity from the beginning of maceration, particularly for ‘cabernet sauvignon’. After 168 h of maceration, the color differences (δe* parameter) achieved 5.02 and 11.53 units for ‘aglianico’ and ‘cabernet sauvignon’, respectively, with respect to untreated control. Although total anthocyanin content was not significantly affected by the csl biosurfactant, the color preservation seems to be mainly due to copigmentation for ‘cabernet sauvignon’ whereas a combined effect of copigmentation and polymerization reactions could be hypothesized for ‘aglianico’. During ‘merlot’ grapes nano-vinifications, the inoculated samples confirmed higher values of color intensity with the addition of csl biosurfactant and, at the end of alcoholic fermentation, a higher percentage of large polymeric pigments was also observed. Moreover, the extraction of anthocyanins and high molecular weight flavanols was higher, leading to significantly higher concentrations of these compounds in the final wine, as well as for total polyphenols. After malolactic fermentation, the color of csl biosurfactant-added wines was also darker. The csl biosurfactant addition did not negatively affect the fermentation dynamics. When a spontaneous fermentation was carried out, no significant changes were observed on color features and related compounds. These results highlight the effectiveness of the csl biosurfactant to protect and stabilize the color traits through winemaking.

Strategia innovativa di vinificazione in rosso: effetto di un biosurfattante nell’estrazione e stabilizzazione dei composti fenolici

Il colore è il primo attributo percepito dai consumatori ed un fattore importante che determina la qualità dei vini rossi. Esso dipende soprattutto dal contenuto di antociani nell’uva e dalla loro estrazione nel mosto/vino durante la vinificazione. Questi composti possono inoltre subire reazioni che influenzano le caratteristiche chimiche e sensoriali del vino. Le forme monomeriche sono soggette a ossidazione e adsorbimento sulle parti solide. Tuttavia, le reazioni di polimerizzazione e copigmentazione con altri metaboliti favoriscono la protezione del colore. Diversi studi hanno valutato l’effetto dell’aggiunta di diversi tannini enologici o copigmenti sulla protezione degli antociani e sulla stabilizzazione del colore durante la macerazione. Una nuova soluzione alternativa ha aumentato la solubilizzazione degli antociani all’interno delle micelle utilizzando tensioattivi chimici a base di polisorbato. Tuttavia, i tensioattivi chimici non sono adatti all’uso alimentare. Oggigiorno, la produzione di tensioattivi biologici o biosurfattanti, operata da parte di microrganismi, apre nuove opportunità nell’industria alimentare grazie alla loro bassa tossicità, biodegradabilità e biocompatibilità. Nel presente studio, un biosurfattante ottenuto da un flusso residuale fermentato di scarti agroalimentari dell’industria del mais, denominato corn steep liquor (csl), è stato utilizzato durante la vinificazione con lo scopo di migliorare le caratteristiche cromatiche dei vini rossi. Il primo obiettivo di questo studio è stato quindi quello di valutare la sua efficacia nell’aumentare il rilascio e la protezione degli antociani durante macerazioni simulate delle bucce, e di confrontarla con quattro diversi trattamenti a base di tannini esogeni (tannini di vinaccioli, bucce d’uva, quebracho e acacia), considerando due varietà di uve nere (‘cabernet sauvignon’ e ‘aglianico’). Successivamente, l’aggiunta pre-fermentativa del biosurfattante csl è stata valutata in nano-vinificazioni di uve ‘merlot’, attraverso fermentazioni spontanee o inoculate con saccharomyces cerevisiae. Sono stati determinati i parametri tecnologici, le caratteristiche del colore e la composizione fenolica, nonché le dinamiche di fermentazione. Nel caso della macerazione simulata, i risultati ottenuti hanno mostrato che l’aggiunta del biosurfattante csl ha aumentato l’intensità del colore fin dall’inizio della macerazione, in particolare per ‘cabernet sauvignon’. Dopo 168 ore di macerazione, le differenze di colore (parametro δe*) rispetto al controllo hanno raggiunto 5,02 e 11,53 unità rispettivamente in ‘aglianico’ e ‘cabernet sauvignon’. Sebbene il contenuto totale di antociani non sia stato influenzato in modo significativo dal biosurfattante csl, la protezione del colore sembra essere dovuta principalmente alla copigmentazione per ‘cabernet sauvignon’, mentre è ipotizzato un effetto combinato delle reazioni di copigmentazione e polimerizzazione per ‘aglianico’. Nelle nano-vinificazioni delle uve ‘merlot’, i campioni inoculati hanno confermato valori più elevati di intensità del colore con l’aggiunta del biosurfattante csl e, al termine della fermentazione alcolica, è stata osservata anche una maggiore percentuale dei pigmenti più polimerizzati. Inoltre, l’estrazione di antociani e di flavanoli ad alto peso molecolare è stata maggiore, con concentrazioni significativamente più elevate di questi composti nel vino finale, così come per i polifenoli totali. Dopo la fermentazione malolattica, il colore dei vini addizionati con il biosurfattante csl è risultato più intenso. L’aggiunta del biosurfattante csl non ha influenzato negativamente la dinamica della fermentazione. Nel caso della fermentazione spontanea, non sono stati osservati cambiamenti significativi sulle caratteristiche del colore e sui composti correlati. Questi risultati hanno evidenziato l’efficacia del biosurfattante csl nel proteggere e stabilizzare il colore durante vinificazione.

Estrategia innovadora de elaboración de vinos tintos: efecto de un biosurfactante en la extracción y estabilización de compuestos fenólicos

El color es el primer atributo percibido por los consumidores y un factor determinante en la calidad de los vinos tintos. Este depende principalmente del contenido de antocianos en la uva y de su extracción en el mosto/vino durante el proceso de vinificación. Además, estos compuestos pueden sufrir reacciones que influencian las características químicas y sensoriales del vino. Las formas monoméricas son propensas a la oxidación y adsorción en las partes sólidas. No obstante, las reacciones de polimerización y copigmentación con otros metabolitos favorecen la protección del color. Varios estudios han evaluado el efecto de la adición de diferentes taninos enológicos o copigmentos sobre la protección de los antocianos y la estabilización del color durante la maceración. Una nueva solución alternativa ha promovido la solubilización de los antocianos dentro de micelas mediante el uso de tensioactivos químicos a base de polisorbato. Sin embargo, los tensioactivos químicos no son aptos para uso alimentario. Hoy en día, la producción de tensioactivos biológicos, concretamente biosurfactantes, por microorganismos abre nuevas oportunidades en la industria alimentaria debido a su baja toxicidad, biodegradabilidad y biocompatibilidad. En el presente estudio, se ha utilizado un biosurfactante, obtenido a partir de una corriente residual fermentada de residuos agroalimentarios de la industria del maíz, denominado corn steep liquor (csl), durante el proceso de vinificación para mejorar las características de color de los vinos tintos. El primer objetivo de este estudio fue evaluar su efectividad para aumentar la extracción y protección de antocianos durante maceraciones simuladas de hollejos, y compararla con cuatro tratamientos basados en la adición de taninos exógenos (taninos de pepitas, hollejos, quebracho y acacia), considerando dos variedades de uva tinta (‘cabernet sauvignon’ y ‘aglianico’). A continuación, se evaluó la adición pre-fermentativa del biosurfactante csl en nano-vinificaciones de uva ‘merlot’, a través de fermentaciones espontáneas o inoculadas con saccharomyces cerevisiae.  Se determinaron parámetros tecnológicos, características de color y composición fenólica, así como la dinámica de fermentación. En el caso de la maceración simulada, los resultados mostraron que la adición del biosurfactante csl aumentó la intensidad del color desde el inicio de la maceración, particularmente para ‘cabernet sauvignon’. Después de 168 h de maceración, las diferencias de color (parámetro δe*) con respecto al control alcanzaron 5,02 y 11,53 unidades para ‘aglianico’ y ‘cabernet sauvignon’, respectivamente. Aunque el contenido total de antocianos no se vio afectado significativamente por el biosurfactante csl, la protección del color en ‘cabernet sauvignon’ parece deberse principalmente a la copigmentación, mientras que se plantea la hipótesis de un efecto combinado de las reacciones de copigmentación y polimerización en ‘aglianico’. Durante las nano-vinificaciones de uvas ‘merlot’, las muestras inoculadas confirmaron valores más altos de intensidad de color con la adición del biosurfactante csl y, al final de la fermentación alcohólica, también se observó un mayor porcentaje de los pigmentos más polimerizados. Además, la extracción de antocianos y flavanoles de alto peso molecular fue superior, con concentraciones significativamente mayores de estos compuestos en el vino final, así como de polifenoles totales. Después de la fermentación maloláctica, el color de los vinos adicionados con el biosurfactante csl también fue más intenso. La adición de biosurfactante csl no afectó negativamente la dinámica de fermentación. En el caso de la fermentación espontánea, no se observaron variaciones significativas en las características de color y compuestos relacionados. Estos resultados han evidenciado la eficacia del biosurfactante csl para proteger y estabilizar el color durante el proceso de vinificación.