Impact of monopolar and bipolar pulsed electric fields on the quality of Tinta Roriz wines

Abstract

Considering its capacity to optimize mass transfer processes, Pulsed Electric Fields (PEF) technology holds great promise for the Winemaking industry. This study comapred Control (TRC), Bipolar pulses (TRPEF2), Monopolar pulses (TRPEF1) PEF protocols (W_s≈5kJ/kg and E=2kV/cm), and enzyme-assisted maceration (TRE) was performed. Physicochemical parameters such as pH, Total Acidity, Electrical Conductivity, Tartaric Stability, Total Phenols, and Anthocyanins were monitored, among others. PEF significantly influenced pH, Electrical Conductivity, and Total Acidity during the first three days of maceration, leading to higher extraction rates in PEF-treated musts. Total Phenols in TRPEF1 and TRPEF2 increased by 29% and 23-33%, respectively, at Stage 0 (Grape Reception) and Stage 3 (3 days after grape reception). Anthocyanins increased by up to 120% in PEF-treated groups at Stage 0. Optimal results were obtained for TRPEF2. QDA sensory analysis indicated minimal differences in sensory profiles, with CATPCA confirming similar outcomes for bipolar PEF and enzymatic treatment. Additionally, 68.8% of panellists preferred PEF-treated wines, assigning them higher scores. These findings support PEF as a sustainable, economic alternative to reduce the maceration period by up to 3 days and enhance wine quality, making it a valuable tool for winemakers.

Impacto de los campos eléctricos pulsados monopolares y bipolares en la calidad de vinos Tinta Roriz

La tecnología de campos eléctricos pulsados (pef) ofrece un gran potencial para la industria agroalimentaria, considerando su capacidad para inducir la electroporación celular, debido a la disrupción de las membranas celulares. La permeabilización inducida por pef depende del protocolo de tratamiento elegido (e.j., forma del pulso, intensidad del campo eléctrico, energía específica) y de las características de la matriz (e.j. Radios y tamaños celulares, ph, conductividad eléctrica). Así, pef es bastante versátil, considerando su capacidad de modulación según el objetivo deseado. Esto, junto con su naturaleza no térmica, puramente física, energéticamente eficiente y escalable, llevó el pef al centro de atención de la investigación enológica durante las últimas décadas. Una de las aplicaciones más estudiadas en el vino es la optimización de la transferencia de masa. La investigación ha sido consistente sobre este tema, con un interés particular en la extracción de compuestos polifenólicos y precursores de aromas en la vinificación de vinos tintos. Sin embargo, algunas lagunas llevan a la necesidad de contribuir a una mejor comprensión de la tecnología. En específico, la alta variabilidad de la matriz, causada por la dependencia del terroir de las uvas y la escasez de investigación a escala semiindustrial. Asimismo, el uso de pulsos bipolares para auxiliar en la maceración puede ser un enfoque innovador. La investigación cubrió la cosecha de vinos tinta roriz de 2022, desde la recepción de la uva hasta la evaluación sensorial del producto final. Se realizo un estudio comparativo entre el control (trc), e dos protocolos pef (2kv/cm, ≈5kj/kg): pulsos bipolares (trpef2) y pulsos monopolares (trpef1). Se incluyó un cuarto sujeto para realizar comparaciones con otras tecnologías aceptadas por la industria: la adición de enzimas de maceración (tre). Se monitorearon parámetros fisicoquímicos como ph, acidez total, estabilidad tartárica, caracterización del color, fenoles totales y antocianinas a lo largo de varias etapas de vinificación. Los mejores resultados se lograron inmediatamente después de la recepción, con los sujetos tratados con pef presentando hasta +120% antocianinas. A lo largo de la maceración, se observó que ambos tratamientos de pef presentaban una dinámica de maceración más rápida, lo que ha llevado a una reducción del período de maceración en 3 días, en comparación con los procesos asistidos por enzimas y tradicionales. Al final de la fermentación, tre y trpef2 exhibieron comportamientos similares, con ≈7% más antocianinas (vs trc). La turbidez se vio reducida gracias al uso de enzimas, en contraste, no se observaron diferencias significativas en la turbidez entre los vinos tratados con pef y trc. El extracto seco total, estabilidad tartárica y acidez volátil no fueron afectados por las diferentes metodologías. Comparando los dos tratamientos pef, los resultados óptimos se obtuvieron con pef bipolar. Esto puede tener beneficios significativos considerando que la utilización de pef bipolar puede reducir el consumo de energía y disminuir el riesgo de electrólisis de los alimentos, la deposición de sólidos en los electrodos y el potencial de contaminación con iones metálicos por mitigar la corrosión de los electrodos.  Qda indicó diferencias mínimas en el perfil sensorial de los vinos. El análisis catpca confirmó los resultados fisicoquímicos, indicando que tanto el pef bipolar como tre arrojaron resultados similares, presentando vinos caracterizados por su intensidad de color, aroma especiado y persistencia. Además, se concluí que 68,8% de los panelistas prefirieron los vinos tratados con pef, asignándoles puntajes más altos en la evaluación global. Estos resultados corroboran que la tecnología pef tiene el potencial de ser una alternativa sostenible y económica para la optimización de los procesos de vinificación y mejora de la calidad del vino, convirtiéndose en una herramienta valiosa y versátil para los enólogos.

Impact des champs électriques pulsés monopolaires et bipolaires sur la qualité des vins Tinta Roriz

La technologie des champs électriques pulsés (pef) est très prometteuse pour l’industrie agroalimentaire, étant donné sa capacité à induire l’électroporation des cellules en rompant les membranes cellulaires. La perméabilisation induite par les pef dépend du protocole de traitement choisi (p.ex. Intensité du champ électrique, énergie spécifique) et des caractéristiques de la matrice (p.ex. Rayon et taille des cellules, conductivité électrique). Les pef sont donc très polyvalents, car ils peuvent être modulés en fonction de l’objectif recherché. Cette combinaison, ainsi que la nature non thermique, purement physique, économe en énergie et scalable du pef, ont propulsé cette technologie au premier plan de la recherche vitivinicole au cours des dernières décennies. L’une des applications les plus étudiées dans le domaine du vin est l’optimisation du transfert de masse. Des recherches constantes ont été menées sur ce sujet, avec un intérêt particulier pour l’extraction des composés polyphénoliques et des précurseurs d’arômes dans la vinification du vin rouge. Cependant, certaines lacunes ont rendu nécessaire de contribuer à une meilleure compréhension du pef, notamment la grande variabilité de la matrice, due à la dépendance du terroir des raisins, et la rareté des recherches à l’échelle semi-industrielle. De plus, à notre connaissance, l’utilisation d’pulsés bipolaires pour faciliter la macération est une approche innovante. L’étude a porté sur la récolte des vins Tinta Roriz en 2022, de la réception des raisins à l’évaluation sensorielle du produit final. Une étude comparative a été réalisée entre les protocoles pef de contrôle (trc), bipolaire pulsés (trpef2) et monopolaire pulsés (trpef1) (2 kv/cm, ≈5 kj/kg). Une quatrième méthode, l’ajout d’enzymes de macération (tre), a été intégrée pour être comparée à d’autres technologies bien établies dans l’industrie. Les paramètres physico-chimiques tels que le ph, l’acidité totale, la stabilité tartrique, la caractérisation de la couleur, les phénols totaux et les anthocyanes ont été contrôlés tout au long des différentes étapes de la vinification. Les meilleurs résultats ont été obtenus immédiatement après la réception, les raisins traités au pef présentant jusqu’à +120 % d’anthocyanes. Au cours de la macération, il a été observé que les deux traitements pef présentaient une dynamique de macération plus rapide, ce qui a permis de réduire la période de macération de 3 jours par rapport aux procédés assistés par enzyme et aux méthodes traditionnelles. A la fin de la fermentation alcoolique, tre et trpef2 ont eu un comportement similaire, avec environ 7 % d’anthocyanes (vs trc). La turbidité a été réduite par l’utilisation d’enzymes, et aucune différence significative n’a été constatée entre les vins témoins et ceux traités avec le pef. L’extrait sec total, la stabilité tartrique et l’acidité volatile n’ont pas été affectés par les différentes techniques d’aide.  Parmi les deux traitements pef, les meilleurs résultats ont été obtenus avec le pef bipolaire. Cette méthode pourrait présenter des avantages significatifs, car elle permettrait de réduire la consommation d’énergie, le risque d’électrolyse alimentaire, le dépôt de solides sur les électrodes et le risque de contamination par des ions métalliques en atténuant la corrosion des électrodes. Qda a indiqué des différences minimes dans le profil sensoriel des vins. Catpca a confirmé les résultats physico-chimiques, indiquant que le traitement par pef bipolaire et tre produisait des résultats similaires, caractérisés par l’intensité de la couleur, l’arôme épicé et la persistance. En outre, 68,8 % des membres du jury ont préféré les vins traités au pef, leur attribuant des notes plus élevées dans l’évaluation globale. Ces résultats confirment que le pef peut être une alternative durable et rentable pour optimiser les processus de vinification et améliorer la qualité, ce qui en fait un outil précieux et polyvalent pour les vinificateurs.