Automated red microvinification (1kg) adapted to the needs of varietal innovation

Abstract

The creation of disease-resistant varieties adapted to climate change is a key challenge for the future of the wine industry. At present, the selection of these new varieties is essentially based on screening for genetic markers of resistance and agronomic criteria, due to the small number of vines available per genotype. Integrating screening for oenological criteria into the early stages of selection would speed up this process. However, getting into the selection process at a very early stage means vinifying i) few grapes (1 kg) ii) at high throughput iii) in a repeatable and robust way. Small-scale winemaking itineraries make it possible to vinify at “high throughput” and to move towards the oenological phenotyping of varieties, known as “oenotyping”. The design of a complete itinerary (<1kg) adapted to the study of red wines, integrating an automated device, was a real technical challenge that required 5 years of development. The results presented will illustrate the performance of the automated winemaking system for red wines, as well as the oenotyping of varieties. The vinimag system, equipped with a collaborative robotic arm, provides on-line monitoring of sixty fermentations by weighing and colour extraction, using reflectance measurements of cielab parameters (l*, a*, b*). Three infrared sensors at each fermentation station monitor temperature and provide a better understanding of the temperature differentials between the pomace and the liquid phase. The system provides independent, robust regulation of the 60 fermenters to within +/-0.3°c. An hourly measurement of the weight and the a* coordinate (red component of the colour) makes it possible to i) calculate instantaneous fermentation rates and plot fermentation kinetics ii) calculate a colour extraction rate as a function of alcohol production during fermentation. A pressing plant with 9 stations ensures reproducible pressing of the 60 fermenters in less than a day, with a yield of 60 to 65%. To enable the fermentation robot to be used at high speed, and so enable experiments to be carried out throughout the year, the 1kg batches of grapes are frozen during the harvest and stored in vacuum bags at -20°c, allowing up to 1,000 deferred fermentations per year. The 1kg scale has been validated by trials compared with vinification on a 100kg scale. The comparative ranking of the modalities between the two scales is similar on the oenological parameters, aromas and colour, showing the potential of 1 kg fermentations to compare the oenological aptitudes of different varieties. To illustrate oenotyping, 19 red grape varieties were vinified in triplicate. Traditional oenological parameters, colour and metabolomics data on polyphenols in the wines produced from these varieties were used to characterise them in depth. Vinimag’s applications are many and varied, ranging from varietal selection to the screening of yeast strains and oenological products. Knowledge of the ability of new varieties to be transformed into wine will provide the keys to understanding what is needed to adapt winemaking conditions to a given raw material. The red micro-vinification itinerary developed will make the experiments more robust. This automated system meets the needs for high throughput and performance that varietal and oenological innovation requires to think about the vines and wines of tomorrow and meet the challenges of the wine sector.

Microvinificación automatizada de tinto (1 kg) adaptada a las necesidades de innovación varietal

La creación de variedades resistentes a las enfermedades y adaptadas al cambio climático es un reto clave para el futuro de la industria vitivinícola. En la actualidad, la selección de estas nuevas variedades se basa esencialmente en el cribado de marcadores genéticos de resistencia y en criterios agronómicos, debido al reducido número de cepas disponibles por genotipo. La incorporación del cribado de criterios enológicos en las primeras fases de la selección aceleraría este proceso. Sin embargo, implicarse en el proceso de selección en una fase muy temprana significa vinificar i) pocas uvas (1 kg) ii) con un alto rendimiento iii) de forma repetible y robusta. Los itinerarios de vinificación a pequeña escala permiten, vinificar con un “alto rendimiento” y avanzar hacia el fenotipado enológico de las variedades, conocido como “enotipado”. El diseño de un itinerario completo (<1kg) adaptado al estudio de los vinos tintos, incorporando un dispositivo automatizado, fue un verdadero desafío técnico que requirió 5 años de desarrollo. Los resultados presentados ilustrarán el rendimiento del sistema automatizado de vinificación de vinos tintos y el enotipado de variedades. El sistema vinimag, equipado con un brazo robótico colaborativo, permite el seguimiento en línea de sesenta fermentaciones mediante pesaje y extracción de color utilizando mediciones de reflectancia de los parámetros cielab (l*, a*, b*). Tres sensores infrarrojos situados en cada estación de fermentación controlan la temperatura y permiten comprender mejor las diferencias de temperatura entre el orujo y la fase líquida. El sistema proporciona una regulación independiente y robusta de los 60 fermentadores con una tolerancia de +/-0,3°c. Una medición horaria del peso y de la coordenada a* (componente rojo del color) permite i) calcular los índices instantáneos de fermentación y trazar la cinética de fermentación ii) calcular un índice de extracción de color en función de la producción de alcohol durante la fermentación. Una planta de prensado con 9 estaciones garantiza un prensado reproducible de los 60 fermentadores en menos de un día, con un rendimiento de entre el 60 y el 65%. Para poder utilizar el robot de fermentación a gran velocidad y realizar así experimentos durante todo el año, los lotes de uva de 1 kg se congelan durante la vendimia y se almacenan en bolsas de vacío a -20 °c, lo que permite realizar hasta 1.000 vinificaciones diferidas al año. La escala de 1 kg ha sido validada mediante ensayos comparados con la vinificación en una escala de 100 kg. La clasificación comparativa de las modalidades entre las dos escalas es similar en los parámetros enológicos, aromas y color, lo que demuestra el potencial de las fermentaciones de 1 kg para comparar las aptitudes enológicas de distintas variedades. Para ilustrar el enotipado, se vinificaron por triplicado 19 variedades de uva tinta. Los parámetros enológicos tradicionales, el color y los datos metabolómicos sobre polifenoles en los vinos producidos a partir de estas variedades se utilizaron para caracterizarlas en profundidad.  Las aplicaciones de vinimag son múltiples y variadas, desde la selección varietal hasta el cribado de cepas de levadura y productos enológicos. El conocimiento de la capacidad de las nuevas variedades para transformarse en vino proporcionará las claves para comprender lo que se necesita para adaptar las condiciones de vinificación a una materia prima determinada. El itinerario de microvinificación en tinto desarrollado dará mayor solidez a los experimentos. Este sistema automatizado responde a las necesidades de alto rendimiento y rendimiento que requiere la innovación varietal y enológica para pensar en las vides y los vinos del mañana y hacer frente a los retos del sector vitivinícola.

La microvinification automatisée en rouge (1kg) au service de l’innovation variétale

La création de variétés résistantes aux maladies et adaptées au changement climatique est un enjeu primordial pour l’avenir de la filière viti-vinicole. Actuellement, la sélection de ces nouvelles variétés est essentiellement basée sur le criblage de marqueurs génétiques de résistance et de critères agronomiques du au faible nombre de ceps disponibles par génotypes. L’intégration d’un criblage sur des critères œnologiques dès les premières phases de la sélection permettrait d’accélérer ce processus. Cependant, s’intégrer très tôt dans le processus de sélection nécessite de vinifier i) peu de raisins (1 kg) ii) à haut débit iii) de façon répétable et robuste. Les itinéraires de vinification à petite échelle permettent de vinifier à « haut débit » et d’aller vers le phénotypage œnologique des variétés, appelé « l’oenotypage ». La conception d’un itinéraire complet (<1kg) adapté à l’étude des vins rouges intégrant un dispositif automatisé était un réel défi technique qui a nécessité 5 ans de développement. Les résultats présentés illustreront les performances du système de vinification automatisé pour les vins rouges ainsi que l’oenotypage des variétés. Le dispositif vinimag, doté d’un bras robotisé collaboratif, assure le suivi en ligne de soixante fermentations par pesée et de l’extraction de la couleur par la mesure en réflectance des paramètres cielab (l*, a*, b*). Trois capteurs infrarouges équipant chaque poste de fermentation, permettent de contrôler la température et de mieux appréhender les différentiels de température existants entre marc et phase liquide. Le système permet une régulation indépendante et robuste des 60 fermenteurs à +/-0.3°c. Une mesure par heure du poids et de la coordonnée a* (composante rouge de la couleur) permet i) de calculer les vitesses de fermentations instantanées et tracer les cinétiques fermentaires ii) de calculer une vitesse d’extraction de la couleur en fonction de la production d’alcool durant la fermentation. Une centrale de pressurage dotée de 9 postes permet d’assurer un pressurage reproductible des 60 fermenteurs en moins d’une journée avec un rendement de 60 à 65 %. Pour permettre une utilisation haut-débit du robot de fermentation et donc la réalisation d’expérimentation tout au long de l’année, les lots de raisins de 1 kg sont surgelés lors des vendanges et conservés en sachets sous vide à -20°c, permettant ainsi jusqu’à 1000 vinifications différées par an. L’échelle 1kg a été validée par des essais comparés à la vinification à l’échelle 100 kg. Le classement comparatif des modalités entre les deux échelles est similaire sur les paramètres œnologiques, arômes et couleur montrant le potentiel des fermentations en 1 kg pour comparer les aptitudes œnologiques de différentes variétés. Pour illustrer l’oenotypage, 19 variétés de raisins rouges ont été vinifiées en triplicata. Les paramètres œnologiques classiques, la couleur et les données de métabolomique sur les polyphénols des vins issus de ces variétés ont permis de les caractériser de manière approfondie.  Les applications de vinimag sont multiples et variées allant de la sélection variétale au criblage de souches de levures et produits œnologiques. La connaissance de l’aptitude à la transformation en vin des nouvelles variétés permettra d’obtenir des clés de compréhension nécessaire à l’adaptation des conditions de vinification à une matière première donnée. L’itinéraire de microvinification en rouge mis au point apporte de la robustesse aux expérimentations. Ce système automatisé répond aux besoins de haut débit et de performance que nécessite l’innovation variétale et œnologique pour penser la vigne et le vin de demain et faire face aux défis du secteur viti-vinicole.