Critical characteristics of activated carbons for efficient removal of Ochratoxin A (OTA) from wine 

Abstract

OTA occurrence in wine is well-documented, with higher levels typically found in red (< 0.01-7.63 μg/l), followed by rose (0.01-2.40 μg/l) and white wine (<0.01-1.72 μg/l). Incidence rates are nOTAble, with studies showing OTA present in 53% of 521 red wines, 69% of 98 rose, and 61% of 301 white wines analysed. In europe, wine is estimated to be the second source of OTA intake after cereals. Since 2006, the maximum allowable limit for OTA in wine is 2 μg/l, according to regulation (ec) no. 1881/2006. Various methods have been described for OTA elimination from foods. Activated carbon shows promise in absorbing OTA in model solutions (125 μg of OTA/mg of activated carbon). However, the wine matrix, especially in red wines, reduces the OTA adsorption capacity of activated carbon. Reductions of up to 98.3% for white wines (5 μg/l OTA contamination level) were observed using 1 g/l of activated carbon. Activated carbon can remove 32–61% of the original OTA concentration (3.78 μg/l OTA contamination level), depending on the physicochemical characteristics of the activated carbon used. Oenological decolourising carbon at 0.030 g/l showed an OTA decrease in red wines, up to 72% (5 μg/l OTA contamination level). Different activated carbon made from cherry stones at 0.012 g/l obtained OTA removal percentage ranging from negligible to a maximum of 54% in red wine (7.38 μg/l OTA contamination level). Similar reduction results were obtained in sweet wines using activated carbons at 0.40 g/l dose, which were able to remove approximately 90% of the OTA present. Activated carbon is a fining agent used in oenology with a maximum recommended dose of 1 g/l. Its adsorption efficiency is related to physicochemical characteristics, namely pore structure, magnitude, distribution of pore volume, and surface area. Though the application of activated carbon for OTA removal needs optimization, careful selection based on physicochemical properties to mitigate its non-specific adsorption behaviour, balancing quality, and safety improvements. Understanding this relationship will minimize its impact on wine quality. This study aims to evaluate different well-characterized deodorizing oenological activated carbons in OTA removal from white and red wines and their impact on wines’ quality. To optimise OTA removal at high levels (10.0 μg/l) different commercial deodorising activated carbons previously characterized [brunauer-emmett-teller (bet) method (sBET), mesopores area (Smeso), tOTAl volume of pores (Vp), volume of micropores (Vmicro), and volume of mesopores (Vmeso)] were tested. OTA elimination from white wines was less dependent on activated carbon characteristics, with 100% removal observed with all but one activated carbon. For red wines, only one activated carbon was successful in completely removing OTA. The structural characteristics of activated carbons are critical, especially in red wines due to anthocyanins competing with OTA for the mesopores. Activated carbon treatment positively impacted white wine chromatic characteristics, decreasing yellowness-brownish colour, while for the red wine, a higher but limited impact on wine colour was observed. Pore volume distribution, with specific pore sizes, was important for efficient OTA removal. These results allow the rational design of activated carbon for OTA elimination with less impact on wine colour. Therefore, activated carbons with appropriate pore size distribution can completely remove OTA from both white and red wines.

Funding project vine&wine portugal – driving sustainable growth through smart innovation, application n. º c644866286-00000011, co-financed in the scope of the mobilising agendas for business innovation, under reg. (EU) 2021/241, in the plano de recuperação e resiliência (prr) to portugal, na sua componente 5 – capitalização e inovação empresarial

Acknowledgments: the authors acknowledge fundação para a ciência tecnologia (FCT-portugal) to CQ-VR (UIDB/00616/2020 and UIDP/00616/

Caractéristiques critiques des charbons actifs pour l’élimination efficace de l’Ochratoxine A (OTA) du vin

La présence d’OTA dans le vin est bien documentée, avec des niveaux plus élevés généralement trouvés dans les vins rouges (< 0,01-7,63 μg/l), suivis par les vins rosés (0,01-2,40 μg/l) et les vins blancs (<0,01-1,72 μg/l). Les taux d’incidence sont remarquables, des études montrant la présence d’ota dans 53 % des 521 vins rouges analysés, 69 % des 98 vins rosés et 61 % des 301 vins blancs analysés. En europe, le vin est estimé être la deuxième source d’apport en OTA après les céréales. Depuis 2006, la limite maximale autorisée pour l’ota dans le vin est de 2 μg/l, selon le règlement (ce) n° 1881/2006. Diverses méthodes ont été décrites pour l’élimination de l’ota des aliments. Le charbon activé montre des promesses dans l’absorption de l’ota dans des solutions modèles. Des réductions allant jusqu’à 98,3 % pour les vins blancs (niveau de contamination en OTA de 5 μg/l) ont été observées en utilisant 1 g/l de charbon activé. Le charbon activé peut éliminer 32 à 61 % de la concentration initiale en OTA (niveau de contamination en OTA de 3,78 μg/l), en fonction des caractéristiques physico-chimiques du charbon activé utilisé. Un charbon œnologique décolorant à 0,030 g/l a montré une diminution de l’ota dans les vins rouges, jusqu’à 72 % (niveau de contamination en OTA de 5 μg/l). Différents charbons activés à base de noyaux de cerise à 0,012 g/l ont obtenu un pourcentage d’élimination de l’ota allant de négligeable à un maximum de 54 % dans le vin rouge (niveau de contamination en OTA de 7,38 μg/l). Des résultats de réduction similaires ont été obtenus dans les vins doux en utilisant des charbons activés à une dose de 0,40 g/l, capables d’éliminer environ 90 % de l’ota présent. L’efficacité d’adsorption est liée à des caractéristiques physico-chimiques, notamment la structure des pores. Bien que l’application du charbon activé pour l’élimination de l’ota nécessite une optimisation, une sélection soigneuse basée sur les propriétés physico-chimiques permet de réduire son comportement d’adsorption non spécifique, en équilibrant les améliorations de qualité et de sécurité. Cette étude vise à évaluer différents charbons activés œnologiques déodorants bien caractérisés dans l’élimination de l’ota des vins blancs et rouges et leur impact sur la qualité des vins. Pour optimiser l’élimination de l’ota à des niveaux élevés (10,0 μg/l), différents charbons activés déodorants commerciaux préalablement caractérisés ont été testés. L’élimination de l’ota des vins blancs dépendait moins des caractéristiques du charbon activé, 100 % d’élimination étant observés avec tous les charbons activés, sauf un. Pour les vins rouges, un seul charbon activé a réussi à éliminer complètement l’ota. Les caractéristiques structurales des charbons activés sont cruciales, en particulier dans les vins rouges en raison de la compétition des anthocyanes avec l’ota pour les mésopores. Le traitement au charbon activé a eu un impact positif sur les caractéristiques chromatiques du vin blanc, diminuant la couleur jaunâtre-brunâtre, tandis que pour le vin rouge, un impact plus élevé mais limité sur la couleur du vin a été observé. Ces résultats permettent la conception rationnelle de charbons activés pour l’élimination de l’ota avec moins d’impact sur la couleur du vin. Par conséquent, les charbons activés avec une distribution appropriée de la taille des pores peuvent éliminer complètement l’ota des vins blancs et rouges.

Financement  project vine&wine portugal – driving sustainable growth through smart innovation, application n. º c644866286-00000011, co-financed in the scope of the mobilising agendas for business innovation, under reg. (EU) 2021/241, in the plano de recuperação e resiliência (PRR) to portugal, na sua componente 5 – capitalização e inovação empresarial.

Remerciements  les auteurs remercient la fundação para a ciência tecnologia (FCT-portugal) à CQ-VR (UIDB/00616/2020 et UIDP/00616/2020).

Kritische eigenschaften von aktivkohlen für die effiziente entfernung von ochratoxin A (OTA) aus wein

Die präsenz von OTA im wein ist gut dokumentiert, wobei in der regel höhere werte in rotweinen (<0,01-7,63 μg/l) als in rosé (0,01-2,40 μg/l) und weißwein (<0,01-1,72 μg/l) gefunden werden. Studien zeigen, dass OTA in 53 % von 521 rotweinen, 69 % von 98 roséweinen und 61 % von 301 weißweinen nachgewiesen wurde. In europa ist wein nach getreide die zweithäufigste quelle für OTA-aufnahme. Seit 2006 liegt der maximal zulässige grenzwert für OTA im wein bei 2 μg/l gemäß verordnung (eg) nr. 1881/2006. Verschiedene methoden zur OTA-eliminierung aus lebensmitteln wurden beschrieben. Aktivkohle zeigt vielversprechende ergebnisse bei der absorption von OTA in modelllösungen (125 μg OTA/mg aktivkohle). Die weinmatrix, insbesondere in rotweinen, reduziert jedoch die OTA-adsorptionskapazität von aktivkohle. Reduzierungen von bis zu 98,3 % für weißweine (5 μg/l OTA-kontaminationsniveau) wurden unter verwendung von 1 g/l aktivkohle beobachtet. Aktivkohle kann 32–61 % der ursprünglichen OTA-konzentration (3,78 μg/l OTA-kontaminationsniveau) entfernen, abhängig von den physikochemischen eigenschaften. Oenologische entfärbungskohle bei 0,030 g/l zeigte eine OTA-abnahme in rotweinen um bis zu 72 % (5 μg/l OTA-kontaminationsniveau). Verschiedene aktivkohlen, hergestellt aus kirschsteinen bei 0,012 g/l, erzielten einen OTA-entfernungsprozentsatz von vernachlässigbar bis zu einem maximum von 54 % in rotwein (7,38 μg/l OTA-kontaminationsniveau). Ähnliche reduktionsergebnisse wurden in süßweinen unter verwendung von aktivkohlen bei einer dosierung von 0,40 g/l erzielt, die etwa 90 % des OTA entfernen konnten. Aktivkohle ist ein klärungsmittel in der önologie mit einer maximal empfohlenen dosis von 1 g/l. Ihre adsorptionsfähigkeit hängt von physikochemischen eigenschaften ab. Obwohl die anwendung von aktivkohle zur OTA-entfernung optimiert werden muss, kann eine sorgfältige auswahl basierend auf physikochemischen eigenschaften ihr unspezifisches adsorptionsverhalten mildern. Das verständnis dieser beziehung wird ihre auswirkungen auf die weinqualität minimieren. Diese studie bewertet verschiedene, gut charakterisierte, desodorierende önologische aktivkohlen bei der OTA-entfernung aus weißem und rotem wein und deren auswirkungen auf die weinqualität. Zur optimierung der OTA-entfernung bei hohen konzentrationen (10,0 μg/l) wurden verschiedene zuvor charakterisierte kommerzielle desodorierende aktivkohlen getestet. Die OTA-eliminierung aus weißweinen hing weniger von den aktivkohleeigenschaften ab, wobei bei allen, außer einer aktivkohle eine 100%ige entfernung beobachtet wurde. Für rotweine war nur eine aktivkohle erfolgreich bei der vollständigen entfernung von OTA. Die strukturellen eigenschaften von aktivkohlen sind insbesondere bei rotweinen aufgrund von anthocyanen, die mit OTA um die mesoporen konkurrieren, entscheidend. Die behandlung mit aktivkohle hatte positive auswirkungen auf die chromatischen eigenschaften von weißwein, wobei eine abnahme der gelbbrauntöne festgestellt wurde, während für rotwein eine höhere, aber begrenzte auswirkung auf die weinfarbe beobachtet wurde. Die verteilung des porenvolumens mit spezifischen porengößen war wichtig für eine effiziente OTA-entfernung. Diese ergebnisse ermöglichen die rationale gestaltung von aktivkohlen für die OTA-eliminierung mit geringerer auswirkung auf die weinfarbe. Daher können aktivkohlen mit geeigneter porengrößenverteilung OTA vollständig aus weißem und rotem wein entfernen. 

Finanzierung  project vine&wine portugal – driving sustainable growth through smart innovation, application n. º c644866286-00000011, co-financed in the scope of the mobilising agendas for business innovation, under reg. (eu) 2021/241, in the plano de recuperação e resiliência (PRR) to portugal, na sua componente 5 – capitalização e inovação empresarial.

Danksagungen die autoren danken der fundação para a ciência e tecnologia (FCT-portugal) für CQ-VR (UIDB/00616/2020 und UIDP/00616/2020).