Characterization of Port wine’s aroma by gas chromatography coupled with olfactometry and mass spectrometry

Abstract

Port wine is a sweet, fortified wine produced in the Douro Demarcated Region. This wine is known for its exceptionally complex aroma profile, where volatile organic compounds (VOCs) play a dominant role. The present work consists in an internship at Symington Family Estates and aims to characterize the volatile profile of Ruby and Tawny Port wines using techniques already optimized and applied in the company’s laboratory. Therefore, Port wine’s VOCs were extracted using liquid-liquid extraction (LLE) and studied using gas chromatography coupled with olfactometry (GC-O) and mass spectrometry (GC-MS). Furthermore, a headspace solid phase microextraction (HS-SPME) method, coupled with GC-MS, was developed for Port wine VOCs’ study and finally a bibliographic study was conducted to explore greener alternatives for VOCs extraction for GC-O application. Regarding the characterization of Tawny and Ruby Port’s volatile profile, the extracted VOCs were analysed using GC-O where 56 and 71 aroma descriptors were detected in the Ruby and Tawny wine, respectively. The overall GC-O screening demonstrated that Ruby presents more fruity aromas whereas Tawny presents more woody and caramel descriptors. The aromas with highest impact on the overall wine aroma were determined by AEDA technique. In addition, wine extracts were also analysed by GC-MS. These analyses allowed the detection of 112 VOCs, of which 52 were identified (25 tentatively) in Ruby and the detection of 114 VOCs, of which 52 identified (23 tentatively) in Tawny. Furthermore, using the retention index of Kovats for comparison, the key aromas derived from the AEDA technique were matched with VOCs that were potentially responsible for each descriptor. Regarding the optimization of the HS-SPME method for GC-MS, it was determined, through experimentation, that the most effective extraction of VOCs for Port wine matrix was achieved using a liquid to headspace volume ratio (1/β) of 1, a NaCl concentration of 100 g/L, and an extraction and pre-equilibrium temperature of 50ºC. Furthermore, the optimal pre-equilibrium, extraction, and desorption times were found to be 7 min, 60 min, and 0.5 min, respectively. The optimized HS-SPME method offers a reliable and effective approach for studying the volatile profile of Port wines through GC-MS analysis, with potential practical applications. Regarding the bibliography study, HS-SPME emerged as the most promising alternative to LLE for GC-O application. This technique is straightforward, efficient, cost-effective and in line with the principles of green sample preparation. The findings of this bibliographical study provide a valuable foundation for the practical implementation of the HS-SPME-GC-O technique.

O vinho do Porto é um vinho doce e fortificado produzido na Região Demarcada do Douro. Este vinho é conhecido pelo seu perfil aromático complexo, onde os compostos orgânicos voláteis (VOCs) desempenham o papel principal. O presente trabalho insere-se no âmbito da realização de um estágio curricular na empresa Symington Family Estates e tem como objetivo a caracterização do perfil volátil de vinhos do Porto Ruby e Tawny através de técnicas previamente otimizadas e aplicadas no laboratório da empresa. Desta forma, os VOCs presentes nos vinhos foram extraídos por extração líquido-líquido (LLE) e estudados por cromatografia em fase gasosa acoplada à olfatometria (GC- O) e à espetrometria de massa (GC-MS). Este trabalho tem ainda como objetivo o desenvolvimento de um método de microextração em fase sólida (SPME) para análise por GC-MS que permita o estudo dos VOCs presentes no vinho do Porto e, por fim, a realização de um estudo bibliográfico que visa explorar alternativas verdes para a extração de VOCs para aplicação no GC-O. Relativamente à caracterização do perfil volátil dos vinhos do Porto Tawny e Ruby, os VOCs extraídos foram analisados por GC-O, tendo sido detetados 56 e 71 descritores de aroma no vinho Ruby e Tawny, respetivamente. A análise global por GC-O demonstrou que o vinho Ruby apresenta mais aromas frutados, enquanto o vinho Tawny apresenta mais descritores de madeira e caramelo. Os aromas com maior impacto no perfil aromático global do vinho foram determinados pela técnica AEDA. Além disso, os extratos de vinho foram analisados por GC-MS. Esta análise permitiu a deteção de 112 VOCs, dos quais 52 foram identificados (25 tentativamente) no Ruby e a deteção de 114 VOCs, dos quais 52 foram identificados (23 tentativamente) no Tawny. Adicionalmente, utilizando o índice de retenção de Kovats para comparação, os aromas-chave determinados pela técnica AEDA foram comparados com os VOCs potencialmente responsáveis por cada descritor. Relativamente à otimização do método HS-SPME para GC-MS, determinou-se, experimentalmente, que a extração mais eficaz de VOCs para a matriz do vinho do Porto foi conseguida utilizando uma relação de volume líquido/espaço cabeça (1/β) de 1, uma concentração de NaCl de 100 g/L e uma temperatura de extração e pré-equilíbrio de 50ºC. Além disso, a eficácia de extração foi maximizada com tempos de pré-equilíbrio, extração e dessorção de 7 min, 60 min e 0,5 min, respetivamente. O método otimizado de HS-SPME oferece uma abordagem fiável e eficaz para estudar o perfil volátil dos vinhos do Porto por GC-MS, com potenciais aplicações práticas. Relativamente ao estudo bibliográfico, a técnica HS-SPME emergiu como a alternativa mais promissora à LLE para aplicação em GC-O. Esta técnica permite uma extração de VOCs simples, eficiente, económica e em linha com os princípios de preparação de amostras sustentáveis. Os resultados deste estudo bibliográfico fornecem uma base importante para a implementação prática da técnica HS- SPME-GC-O.