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

Abstract

Pulsed electric fields (pef) technology holds significant promise for the agrifood industry, considering the capacity of inducing cell electroporation, due to the disruption of cellular membranes. Pef-induced permeabilization is dependent of the chosen treatment protocol (i.e. Pulse shape, electrical field strength, specific energy) and of the matrix’s characteristics (i.e. Cell radii and size, ph, electrical conductivity). Thus, pef is quite versatile, considering its ability to be modulated according to the desired objective. This, paired with the non-thermal, purely physical, energy-efficient and scalability of this technology led pef to the spotlight of wine research over the last decades.  One of the most studied main applications in wine is mass transfer optimization. There has been consistent research on this topic over the last decades, with particular interest in extraction of polyphenolic compounds and aroma precursors in red wine vinification. However, some lacuna led to the necessity of contributing to a better understanding of this technology; namely the high variability of the matrix, due to the terroir-dependency of the grapes and the scarcity of investigation at semi-industrial scale. In addition, as far as we know, using bipolar square pulses to aid maceration is a novel approach. The investigation covered the harvest of tinta roriz wines in 2022, from grape reception to the sensory evaluation of the final product. A comparative study between control (trc), bipolar pulses (trpef2) and monopolar pulses (trpef1) pef protocols was performed (2kv/cm, ≈5kj/kg). A fourth subject was added to compare with other technologies widely accepted by the industry. The addition of maceration enzymes (tre). Physicochemical parameters such as ph, total acidity, electrical conductivity, tartaric stability, color characterization, total phenols and anthocyanins were monitored throughout various winemaking stages. The best results were achieved immediately after reception, with pef-treated grapes presenting up to 120% more anthocyanins. Over the course of maceration, it was observed that both pef treatments presented faster maceration dynamics, leading to a reduction of maceration period in 3 days, compared to enzyme-assisted and traditional processes. At the conclusion of alcoholic fermentation, tre and trpef2 exhibited similar behaviors, with ≈7% more anthocyanins in comparison to trc. Turbidity was reduced by enzyme use, while no significant differences were found between control and pef-treated wines. Total dry extract, tartaric stability and volatile acidity were not affected by the different aiding techniques.  Amongst both pef treatments, optimal results were obtained for bipolar pef. This can hold significant benefits considering it might reduce energy consumption, lower the risk of food electrolysis, minimize solid deposition on the electrodes, and decrease the potential for contamination with metal ions by mitigating electrode corrosion.  Qda sensory analysis indicated minimal differences in the sensory profile of wines. Catpca analysis confirmed the physicochemical results, indicating that both bipolar pef and enzymatic treatment yielded similar outcomes, being characterized by color intensity, spice aroma and persistence. In contrast, trpef1 was defined by acidity and trc by aromatic compounds (freshness, fruitiness, and red berries). Additionally, 68.8% of the panellists preferred pef-treated wines, assigning them higher scores in the global evaluation. These results corroborate that pef can as a sustainable and economic alternative to optimize vinification processes and boost quality, making it a valuable and versatile 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.