Study of the influence of high hydrostatic pressure on wine chemical and sensorial characteristics

Abstract

During the last years, the use of high hydrostatic pressure (HHP) as a non-thermal technology for preservation or aging of wine has increased substantially in the academic community. However, HHP treated wine has been only analysed after the pressure treatment, with no knowledge available on the effects of HHP during subsequent storage. The results presented in this thesis showed that HHP treatments influence the chemical and sensorial properties of wine during storage. The application of high hydrostatic pressure treatments in winemaking for wine preservation, as an alternative to sulphur dioxide, was evaluated studying the effect of HHP in the physicochemical and sensorial properties of red and white wines during bottle storage. High pressure treatments with 5 min of processing time and pressures of 425 and 500 MPa were shown to influence on both red and white wine physicochemical and sensorial characteristics. However, the effects were only perceptible after, at least, 6 months of storage. The alterations that occurred on the pressurized red wine characteristics, such as the more orange-red colour and the lower antioxidant activity (15-27% less), total phenolic content (9% less), and anthocyanins content (45–61% less), were due to an increase of condensation reactions of phenolic compounds. The increase of these condensation reactions lead to the formation of compounds with higher degree of polymerisation that became insoluble along storage, increasing consequently the amount of wine deposits in the pressurized wines. In terms of white wines, pressurized wines showed, after one year of storage, a more brownish colour and a lower antioxidant activity (15% less) and total content of phenolic compounds (10% less) when compared to the unpressurized wines. These results, together with the lower content of free amino acids (15-20% less) and higher content of furans (up to 70% more), present in the pressurized wines after nine months of storage, led to propose an effect of HHP treatments in the acceleration of Maillard reactions that occur during the wine storage period. Therefore, contrary to the pressurized sulphur dioxide-free red wine, the pressurized white wines were not considered suitable for commercialization as table wines due to the higher brownish colour and cooked fruit aroma, characteristics of an aged or thermally treated wine.Additionally, the impact of the pressure treatments on the volatile composition of sulphur dioxide-free red and white wines, during bottle storage, was evaluated. More than 160 volatile compounds, distributed by 12 chemical groups, were identified in both wines. At the end of storage, the pressurized wines presented a higher content of furans, aldehydes, ketones, and acetals when compared to the unpressurized wines. These results indicate that pressure influences the white and red wine long term volatile composition, being this particularly evident for longer storage periods. The changes on the volatile composition of the pressurized wines, indicated that the HHP treatments accelerate the Maillard reactions, and the oxidation of alcohols and fatty acids, leading to wines with a volatile composition network approaching the characteristic of faster aged and/or thermally treated wines. The acceleration of Maillard reactions and phenolic compounds condensation by HHP treatments was also studied in model wine solutions (hydro alcoholic solution at acidic pH). The results showed that the high pressure treatment accelerated the Maillard reaction and this effect was quantifiable, mainly, after 6 months of storage. Pressurized model solutions presented higher concentration of 2-furfural, phenylacetaldehyde and benzaldehyde, when compared to the controls. In terms of phenolic compounds condensation reactions, the pressurized model wine solutions showed no relevant differences, when compared to controls. Therefore, it seems that the pressure treatment had a higher impact in terms of kineticks of reactions and in less extent in terms of different compounds formed. Lastly, the application of HHP treatments in winemaking to improve the properties of young wines was evaluated. For this propose, the effect of HHP treatments in the phenolic composition of a red wine was studied and compared with the effect of different oenological practices. Wines pressurized at 500 MPa for 5 min, and 600 MPa for 20 min, at 20 ºC, showed, after 5 months of storage, a lower monomeric anthocyanins (8-14%), phenolic acids (8-11%) and flavonols (14-22%) content, when compared to the unpressurized ones. The wine pressurized at 500 MPa presented a flavanols content and a degree of polymerization very similar to the wines treated by traditional aging processes. In terms of sensorial properties, the pressure treatments increased the cooked fruit aroma and decreased the floral and fruit odours and, in the case of the 600 MPa treatment, increased the bitterness. Therefore, the HHP treatments seem to promote reactions that are similar to those observed in wines treated with wood aging processes. In conclusion, the results presented in this thesis showed that HHP treatments accelerated the Maillard reaction and the polymerization reactions between phenolic compounds present in the wine, influencing the chemical and sensorial properties of wine. HHP can be potentially used to preserve or accelerate the wine aging process, producing wines with pleasant and distinct characteristics.

Durante os últimos anos, o uso de alta pressão hidrostática (APH) como tecnologia não-térmica para a preservação ou envelhecimento de vinho tem aumentado substancialmente na comunidade académica. No entanto, os vinhos tratados por APH têm sido analisados após o tratamento de pressão, não havendo referências sobre as suas propriedades durante o armazenamento. Os resultados apresentados nesta tese mostram que a aplicação de tratamentos de APH altera as propriedades químicas e sensoriais de vinhos ao longo do armazenamento. Os tratamentos de alta pressão hidrostática foram aplicados na vinificação para a preservação de vinho, como alternativa ao dióxido de enxofre, sendo o seu efeito avaliado nas propriedades físico-químicas e sensoriais de vinhos tintos e brancos durante o armazenamento em garrafa. Os tratamentos de alta pressão com 5 min de processamento e pressões de 425 e 500 MPa mostraram influenciar as características físico-químicas e sensoriais de vinhos tintos e brancos. No entanto, o efeito foi apenas percetível após pelo menos 6 meses de armazenamento. As alterações que ocorreram nas características do vinho tinto pressurizado, tais como a cor mais laranja-vermelho, menor atividade antioxidante (menos 15 a 27%), menor conteúdo de compostos fenólicos totais (menos 9%) e menor teor de antocianinas (menos 45-61%), foram devidas a um aumento das reacções de condensação de compostos fenólicos. O aumento destas reações de condensação levou à formação de compostos com maior grau de polimerização que se tornaram insolúveis no vinho ao longo do armazenamento, aumentando consequentemente a quantidade de depósito nos vinhos pressurizados. Em relação ao vinho branco, os vinhos pressurizados mostraram, depois de um ano de armazenamento, uma cor mais acastanhada, menor atividade antioxidante (menos 15%) e menor teor de compostos fenólicos totais (menos 10%) comparando com os vinhos não pressurizados. Estes resultados, juntamente com o baixo teor de aminoácidos livres (menos 15 a 20%) e um maior teor de furanos (até 70% mais) para os vinhos pressurizados após nove meses de armazenamento, levam a propor que os tratamentos de APH aceleraram as reações de Maillard que ocorrem durante o período de armazenamento do vinho. No entanto, ao contrário dos vinhos tintos pressurizados, os vinho brancos pressurizados não foram considerados adequados para comercialização como vinhos de mesa, visto que apresentavam uma cor acastanhada e um elevado aroma a fruta cozida, características estas de vinhos envelhecidos ou tratados termicamente.Adicionalmente, foi avaliado o impacto dos tratamentos de APH sobre a composição volátil dos vinhos tintos e brancos sem dióxido de enxofre durante o armazenamento em garrafas. Mais de 160 compostos voláteis, distribuídos por 12 grupos químicos, foram identificados em ambos os vinhos. No final do armazenamento, os vinhos pressurizados apresentaram um teor mais elevado de furanos, aldeídos, cetonas e acetais quando comparados com os vinhos não pressurizados. Estes resultados indicam que os tratamentos de APH influenciam a composição volátil de vinhos brancos e tintos, , sendo mais evidente em longos períodos de armazenamento. As mudanças na composição volátil dos vinhos indicaram que os tratamentos de APH aceleraram as reações de Maillard e também a oxidação de álcoois e ácidos gordos, originando vinhos com uma composição volátil próxima de vinhos com envelhecimento acelerado ou tratados termicamente. A aceleração das reações de Maillard e de polimerização dos compostos fénolicos causada pelos tratamentos de APH foi também estudada em soluções modelo de vinho (solução hidroalcoólica com pH ácido). Os resultados mostraram que o tratamento de APH acelera a reação de Maillard , sendo este efeito quantificado, apenas, após 6 meses de armazenamento. As soluções modelo de vinho pressurizadas apresentaram concentrações mais elevadas de 2-furfuraldeído, fenilacetaldeído e benzaldeído, em comparação com os controlos. Em termos de polimerização dos compostos fénolicos, as soluções modelo pressurizadas não apresentaram diferenças relevantes, em comparação com os controlos. Por conseguinte, os tratamentos de APH aparentem ter mais impacto em termos de modificações nas cineticas de reação do que na formação de novos compostos. Por último, a aplicação de tratamentos de APH foi estudada para melhorar as propriedades de vinhos jovens. Para este propósito, o efeito de tratamentos de APH na composição fenólica de um vinho tinto foi estudado e comparado com o efeito de diferentes práticas enológicas. Vinhos pressurizados a 500 MPa durante 5 min e a 600 MPa durante 20 min, a 20 ºC, mostraram depois de 5 meses de armazenamento um menor teor de antocianinas monoméricas (8-14%), ácidos fenólicos (8-11%) e flavonóis (14 -22%), quando comparados com os vinhos não-pressurizados. O vinho pressurizado a 500 MPa apresentou um teor de flavonóis e um grau de polimerização de taninos muito semelhante aos vinhos tratados por processos de envelhecimento tradicionais. Em termos de propriedades sensoriais, os tratamentos de pressão aumentaram o aroma de fruta cozida e diminuiram os aromas florais e frutados, tendo no caso do tratamento de 600 MPa sido verificado também um aumento da amargura. Assim sendo, os tratamentos de APH parecem promover reações que são semelhantes às observadas em vinhos tratados com processos de envelhecimento em madeira. Em conclusão, os resultados apresentados nesta tese mostram que a aplicação de tratamentos de APH acelera as reações de Maillard e a polimerização dos compostos fenólicos presentes no vinho, ao longo do armazenamento, alterando assim as propriedades químicas e sensoriais dos vinhos. A APH pode ser potencialmente utilizada para preservar ou acelerar o processo de envelhecimento de vinho tinto produzindo vinhos com características agradáveis e distintas.