Use of cyclodextrins to improve grape must fermentability thanks to their sequestering effect on medium-chain fatty acids

Abstract

Cyclodextrins are complex cyclic oligosaccharides of glucose units. They are produced from the breakdown of starch by the enzymatic reaction of glucosyltransferase. The result is a ring-shaped molecule with a cavity with a hydrophilic outer part and a hydrophobic inner part. As a consequence of this cavity, cyclodextrin is able to form complexes with non-polar organic molecules [1,2]. The most common cyclodextrins are alpha-cyclodextrin, beta-cyclodextrin and gamma-cyclodextrin, which differ in having 6, 7 and 8 units of glucopyranose respectively [3]. Cyclodextrins can accommodate a wide variety of chemical substances in their cavity through hydrophobic interactions, van der waals forces or hydrogen bonds [4]. Their application in oenology is not yet well defined, although some studies have shown that they can eliminate certain negative odours [5,6]. However, given their ability to encapsulate substances, it can be hypothesized that they would be able to improve the fermentability of grape musts by eliminating substances toxic to yeasts such as medium-chain fatty acids [7] or certain pesticide residues [8]. The aim of this research was to study if the supplementation with cyclodextrins can improve the fermentability of a grape must containing medium chain fatty acids. This application of cyclodextrins is protected by a patent registered in the oficina española de patentes y marcas (es 2 728 795 a1).  A grape must was supplemented or not with a mixture of octanoic, decanoic and dodecanoic acids (15 mg/l, 5 mg/l and 1 mg/l respectively) and with 200 mg/l of alpha-cyclodextrin, beta-cyclodextrin o gamma-cyclodextrin. This grape must was then inoculated with 30 g/hl of a saccharomyces cerevisiae commercial strain (uvaferm exence™, lallemand inc, montreal, canada). All the fermentations were performed by triplicate at 18 ± 2 oc. The kinetics of alcoholic fermentation was monitored measuring daily the density using a digital densimeter. The enumeration of total yeast population was monitored by microscopy using a neubauer chamber and viable yeasts were enumerated using rhodamine b stain [9]. The analytical methods recommended by the oiv were used to determine the wine standard parameters [10].  As expected, supplementation with the mixture of fatty acids caused a very significant decrease in the multiplication of yeasts and a delay in the development of alcoholic fermentation, confirming therefore its inhibitory effect. When alpha-cyclodextrin was also added to the fermentation media, the inhibitory effect of the medium-chain fatty acid mixture was dimmed until it almost disappeared after a few days. The other cyclodextrins (betaand gamma) were barely effective.  It can be concluded that supplementation with alpha-cyclodextrin eliminates the inhibitory effect of medium-chain fatty acids, achieving better performance in the kinetics of alcoholic fermentation. Further studies are needed to determine the interest of using alpha-cyclodextrin as a tool to detoxify fermenting must of medium-chain fatty acids and in this way avoid stuck and sluggish fermentations. 

Acknowledges  this research has been carried out thanks to the authorization of the company inbiolev, s.l. That owns the patent for the use of cyclodextrins in oenology. Authors wants to thank this company for providing cyclodextrins. 

Bibliography  [1] Astray, G., Gonzalez-Barreiro, C., Mejuto, J.C.,  Rial-Otero, R., Simal-Gándara, J. (2009) Food Hydrocoll., 23,1631-1640. [2] Shieh, W.J., Hedges, A.R. (1996). Pure Appl. Chem., 33, 673-683. [3] Del Valle, E.M. (2004) Process Biochem., 39,1033-1046. [4] Irwin, P.L., Pfeffer, P.E., Doner, L.W., Sapers, G.M.,  Brewster, J.D., Nagahashi, G.,  Hicks, K.B. (1994) Carbohydr. Res., 256, 13-27. [5] Botelho, G., Valiau, C., Moreira Da Silva, A. (2011) Ciência Téc. Vitiv., 26, 63-68. [6] Dang, C., Jiranek, V., Taylor, D.K., Wilkinson, K. L. (2020) Molecules, 25, 910. [7] Viegas, C.A., Rosa, M.F., Correia, I.S., Novais, J.M. (1989).

Utilisation de cyclodextrines pour améliorer la fermentescibilité des moûts de raisin grâce à leur effet séquestrant des acides gras à chaîne moyenne

Les cyclodextrines sont des oligosaccharides cycliques complexes d’unités glucose. Ils sont produits à partir de la dégradation de l’amidon par la réaction enzymatique de la glucosyltransférase. Le résultat est une molécule en forme d’anneau avec une cavité avec une partie externe hydrophile et une partie interne hydrophobe. Grâce à cette cavité, la cyclodextrine est capable de former des complexes avec des molécules organiques non polaires [1,2]. Les cyclodextrines les plus courantes sont la alpha-cyclodextrine, la beta-cyclodextrine et la gamma-cyclodextrine, qui diffèrent respectivement par 6, 7 et 8 unités de glucopyranose [3]. Les cyclodextrines peuvent accueillir une grande variété de substances chimiques dans leur cavité grâce à des interactions hydrophobes, des forces de van der waals ou des liaisons hydrogène [4]. Leur application en œnologie n’est pas encore bien définie, même si certaines études ont montré qu’ils pouvaient éliminer certaines odeurs négatives [5,6]. Cependant, compte tenu de leur capacité à encapsuler des substances, on peut émettre l’hypothèse qu’ils seraient capables d’améliorer la fermentescibilité des moûts de raisin en éliminant les substances toxiques pour les levures comme les acides gras à chaîne moyenne [7] ou certains résidus de pesticides [8]. Le but de cette recherche était d’étudier si la supplémentation en cyclodextrines peut améliorer la fermentescibilité d’un moût de raisin contenant des acides gras à chaîne moyenne. Cette application des cyclodextrines est protégée par un brevet déposé auprès de l’oficina española de patentes y marcas (es 2 728 795 a1).  Un moût de raisin a été supplémenté ou non avec un mélange d’acides octanoïque, décanoïque et dodécanoïque (respectivement 15 mg/l, 5 mg/l et 1 mg/l) et avec 200 mg/l de alpha-cyclodextrine, beta-cyclodextrine ou gamma-cyclodextrine. Ce moût de raisin a ensuite été inoculé avec 30 g/hl d’une souche commerciale de saccharomyces cerevisiae (uvaferm exence™, lallemand inc, montréal, canada). Toutes les fermentations ont été réalisées en triple à 18 ± 2 oc. La cinétique de la fermentation alcoolique a été suivie en mesurant quotidiennement la densité à l’aide d’un densimètre digital. La population totale de levures a été déterminée par microscopie à l’aide d’une chambre neubauer et les levures viables ont été dénombrées par coloration à la rhodamine b [9]. Les méthodes analytiques recommandées par l’oiv ont été utilisées pour déterminer les paramètres standards des vins [10].  Comme prévu, la supplémentation avec le mélange d’acides gras a provoqué une diminution très significative de la multiplication des levures et un retard dans le développement de la fermentation alcoolique, confirmant ainsi son effet inhibiteur. Lorsque de la alpha-cyclodextrine a également été ajoutée au milieu de fermentation, l’effet inhibiteur du mélange d’acides gras à chaîne moyenne a été atténué jusqu’à ce qu’il disparaisse presque après quelques jours. Les autres cyclodextrines (beta et gamma) étaient par contre peu efficaces.  On peut donc conclure que la supplémentation du moût avec l’alpha-cyclodextrine élimine l’effet inhibiteur des acides gras à chaîne moyenne, obtenant ainsi de meilleures performances dans la cinétique de la fermentation alcoolique. Des études complémentaires sont nécessaires pour déterminer l’intérêt de l’utilisation de l’alpha-cyclodextrine comme outil pour détoxifier les moûts de fermentation des acides gras à chaîne moyenne et ainsi éviter des arrêts de fermentation. 

Remerciements  cette recherche a été réalisée grâce à l’autorisation de la société inbiolev, s.l. Qui détient le brevet pour l’utilisation des cyclodextrines en œnologie. Les auteurs souhaitent remercier cette société pour avoir fourni des cyclodextrines. 

Bibliographie [1] Astray, G., Gonzalez-Barreiro, C., Mejuto, J.C.,  Rial-Otero, R., Simal-Gándara, J. (2009) Food Hydrocoll., 23,1631-1640. [2] Shieh, W.J., Hedges, A.R. (1996). Pure Appl. Chem., 33, 673-683. [3] Del Valle, E.M. (2004) Process Biochem., 39,1033-1046. [4] Irwin, P.L., Pfeffer, P.E., Doner, L.W., Sapers, G.M.,  Brewster, J.D., Nagahashi, G.,  Hicks, K.B. (1994) Carbohydr. Res., 256, 13-27. [5] Botelho, G., Valiau, C., Moreira Da Silva, A. (2011) Ciência Téc. Vitiv., 26, 63-68. [6] Dang, C., Jiranek, V., Taylor, D.K., Wilkinson, K. L. (2020) Molecules, 25, 910. [7] Viegas, C.A., Rosa, M.F., Correia, I.S., Novais, J.M. (1989).

Utilización de ciclodextrinas para mejorar la fermentabilidad del mosto de uva gracias a su efecto secuestrante de ácidos grasos de cadena media

Las ciclodextrinas son oligosacáridos cíclicos compuestos de unidades de glucosa. Se producen a partir de la degradación del almidón por la reacción enzimática de la glucosil transferasa. El resultado es una molécula en forma de anillo con una cavidad con una parte exterior hidrófila y una parte interior hidrófoba. Como consecuencia de esta cavidad, la ciclodextrina es capaz de formar complejos con moléculas orgánicas no polares [1,2]. Las ciclodextrinas más comunes son la alfa-ciclodextrina, la beta-ciclodextrina y la gamma-ciclodextrina, que se diferencian por tener 6, 7 y 8 unidades de glucopiranosa respectivamente [3]. Las ciclodextrinas pueden acomodar una amplia variedad de sustancias químicas en su cavidad mediante interacciones hidrofóbicas, fuerzas de van der waals o puentes de hidrógeno [4]. Su aplicación en enología aún no está bien definida, aunque algunos estudios han demostrado que pueden eliminar ciertos olores negativos [5,6]. Sin embargo, dada su capacidad para encapsular sustancias, se puede plantear la hipótesis de que serían capaces de mejorar la fermentabilidad de los mostos de uva eliminando sustancias tóxicas para las levaduras como los ácidos grasos de cadena media [7] o ciertos residuos de pesticidas [8]. El objetivo de esta investigación fue estudiar si la suplementación con ciclodextrinas puede mejorar la fermentabilidad de un mosto de uva que contiene ácidos grasos de cadena media. Esta aplicación de las ciclodextrinas está protegida por una patente registrada en la oficina española de patentes y marcas (es 2 728 795 a1).  Un mosto de uva fue suplementado o no con una mezcla de ácidos octanoico, decanoico y dodecanoico (15 mg/l, 5 mg/l y 1 mg/l respectivamente) y con 200 mg/l de alfa-ciclodextrina, beta-ciclodextrina o gamma-ciclodextrina. A continuación, esta uva fue inoculada con 30 g/hl de una cepa comercial de saccharomyces cerevisiae (uvaferm exence™, lallemand inc, montreal, canadá). Todas las fermentaciones se realizaron por triplicado a 18 ± 2 oc. La cinética de la fermentación alcohólica se controló midiendo la densidad diariamente mediante un densímetro digital. La enumeración de la población total de levaduras se controló mediante microscopía utilizando una cámara de neubauer y las levaduras viables se enumeraron mediante tinción con rodamina b [9]. Para determinar los parámetros estándar del vino se utilizaron los métodos analíticos recomendados por la oiv [10].  Como era de esperar, la suplementación con la mezcla de ácidos grasos provocó una disminución muy significativa en la multiplicación de las levaduras y un retraso en el desarrollo de la fermentación alcohólica, confirmando así su efecto inhibidor. Cuando también se añadió alfa-ciclodextrina al medio de fermentación, el efecto inhibidor de la mezcla de ácidos grasos de cadena media se atenuó hasta casi desaparecer después de unos días. Las otras ciclodextrinas (beta y gamma) apenas fueron efectivas. Se puede concluir que la suplementación con alfa-ciclodextrina elimina el efecto inhibidor de los ácidos grasos de cadena media, logrando mejor rendimiento en la cinética de la fermentación alcohólica. Se necesitan más estudios para determinar el interés de utilizar la alfa-ciclodextrina como herramienta para desintoxicar los mostos en fermentación de ácidos grasos de cadena media y de esta manera evitar las pardas de fermentación.  Agradecimientos  esta investigación se ha realizado gracias a la autorización de la empresa inbiolev, s.l. Propietaria de la patente para el uso de ciclodextrinas en enología.

Los autores quieren agradecer a esta empresa por proporcionar ciclodextrinas. 

Bibliografía [1] Astray, G., Gonzalez-Barreiro, C., Mejuto, J.C.,  Rial-Otero, R., Simal-Gándara, J. (2009) Food Hydrocoll., 23,1631-1640. [2] Shieh, W.J., Hedges, A.R. (1996). Pure Appl. Chem., 33, 673-683. [3] Del Valle, E.M. (2004) Process Biochem., 39,1033-1046. [4] Irwin, P.L., Pfeffer, P.E., Doner, L.W., Sapers, G.M.,  Brewster, J.D., Nagahashi, G.,  Hicks, K.B. (1994) Carbohydr. Res., 256, 13-27. [5] Botelho, G., Valiau, C., Moreira Da Silva, A. (2011) Ciência Téc. Vitiv., 26, 63-68. [6] Dang, C., Jiranek, V., Taylor, D.K., Wilkinson, K. L. (2020) Molecules, 25, 910. [7] Viegas, C.A., Rosa, M.F., Correia, I.S., Novais, J.M. (1989).