Tecnología de nanoingeniería de superficies para la eliminación de compuestos de azufre asociados con atributos negativos en vinos - Consumibles Co., Ltd de la histología de Nantong

npj Science of Food volumen 7, Número de artículo: 5 (2023) Citar este artículo

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Los compuestos volátiles de azufre (VSC), como el sulfuro de hidrógeno, el metanotiol y el etanotiol, están asociados con aromas 'reductivos' en el vino y contribuyen a aproximadamente el 30 % de todos los defectos del vino. Estos compuestos pueden tener un impacto significativo en el aroma del vino y la calidad percibida y, en consecuencia, en la preferencia del consumidor. En esta comunicación, presentamos un método para la eliminación de compuestos VSC basado en superficies de nanoingeniería que incorporan nanopartículas de oro inmovilizadas.

Los compuestos de azufre volátiles (VSC) pueden afectar significativamente la calidad percibida y la viabilidad de la producción de vino. Mientras que algunos VSC contribuyen positivamente a los caracteres afrutados, otros están asociados con los aromas 'reductores' no deseados (p. ej., huevo podrido, repollo, caucho quemado, putrefacción, sulfuroso). Estos caracteres en el vino acabado se consideran defectos de vinificación y representan hasta el 30%1 de todos los defectos detectados en los vinos comerciales. La prevención y el manejo de los aromas 'reductivos' son de gran importancia para los productores de vino, especialmente considerando que las fallas 'reductivas' no están aisladas solo a un cierto segmento de productores de vino, sino que afectan negativamente a los vinos tintos y blancos, a gran y pequeña escala. productores. El principal método para gestionar los aromas 'reductivos' es la clarificación con cobre. El límite legal para el cobre residual en el vino es de 1,0 mg/L en los Estados Unidos y la Unión Europea debido a consideraciones de salud y los impactos negativos del cobre en las propiedades organolépticas del vino. Se sabe que la clarificación de cobre puede estar asociada con una mayor oxidación, pérdida de dióxido de azufre, eliminación de aromas afrutados, cítricos y tropicales deseables2 e incluso podría promover la formación de VSC indeseables después del embotellado3,4. Por lo tanto, la adopción de una alternativa sostenible y no tóxica a la clarificación de cobre tendría el potencial de generar impactos ambientales y económicos beneficiosos.

En este documento, presentamos un método nuevo y sencillo para eliminar compuestos clave de VSC de los vinos, combinando la modificación química y estructural de la superficie. La tecnología se basa en aplicar una fina capa de polímero de plasma a una superficie y luego inmovilizar nanopartículas de oro en esa superficie. Nuestra hipótesis es que el uso de nanopartículas de oro permitiría eliminar los VSC del vino mediante la creación de enlaces oro-azufre, ya que se sabe que los sulfhidrilos se unen fuertemente a las superficies de oro. Nuestro enfoque se muestra en la Fig. 1. Elegimos nanopartículas de oro porque se pueden sintetizar fácilmente de manera controlada y son químicamente estables en el rango de tamaño utilizado en este estudio5. Figs suplementarias. 1 y 2 muestran las propiedades fisicoquímicas y el examen SEM de las superficies de nanoingeniería. Un beneficio clave de nuestro enfoque es que es una plataforma de procesamiento fácilmente implementable y recuperable, lo que lo convierte en un proceso de un solo paso (se agrega una superficie directamente al vino y luego se retira después de un cierto período de tiempo). El proceso se puede repetir si es necesario. Por el contrario, el refinado de cobre es un proceso de varios pasos. Los iones de cobre se unen a los compuestos que contienen azufre para formar sulfuros de cobre insolubles, que luego se eliminan mediante sedimentación en frío o filtración. Trabajos recientes han puesto de relieve las dificultades asociadas con el proceso de clarificación del cobre y que hasta el 50 % del cobre permanece en el vino después del tratamiento6.

a Las superficies se recubrieron con una capa delgada de alilamina polimerizada con plasma (AA) o 2-metil-2-oxazolina (POx) en un reactor de plasma hecho a la medida. b Se sintetizaron nanopartículas de oro por reducción de tetracloroaurato de hidrógeno (HAuCl4) con citrato trisódico. c Las superficies recubiertas de alilamina y 2-metil-2-oxazolina polimerizadas con plasma se sumergieron en una solución de AuNP durante 24 h. d Se agregaron superficies al vino y luego se retiraron después de 3, 6 o 24 h, y se midieron las concentraciones de H2S, EtSH y MeSH en el vino antes y después del tratamiento.

Se investigó la capacidad de eliminar el sulfuro de hidrógeno (H2S), el metanotiol y el etanotiol de soluciones de vino modelo enriquecidas utilizando dos tamaños diferentes de nanopartículas de oro depositadas en capas subyacentes de 2-metil-2-oxazolina (POx) y alilamina (AA). Como se muestra en la Fig. 3 complementaria, las superficies con nanopartículas de oro de 68 nm de diámetro inmovilizadas en POx fueron las más efectivas. Esto podría atribuirse a la fuerte unión covalente de las nanopartículas de oro a la superficie de la POx. Por el contrario, la unión de las nanopartículas de oro a la superficie AA se realiza a través de un enlace electrostático, reversible cuando se cambia el pH de la solución y/o la fuerza iónica.

En base a estos resultados, se seleccionó la plataforma POx/68 nm AuNPs para investigar más a fondo el efecto del tiempo de exposición en la eliminación de compuestos de azufre de un vino modelo para una gestión eficaz de los VSC. Como se muestra en la Fig. 3 complementaria, el tiempo de contacto más largo fue el más efectivo y se aplicó en experimentos de seguimiento.

Los umbrales de detección para los VSC seleccionados son los siguientes: H2S 1,1–1,6 ug/L, MeSH 1,8–3,1 ug/L y EtSH 1,1 ug/L7.

La eficacia de las superficies de nanoingeniería en la eliminación de H2S, metanotiol y etanotiol se evaluó en vinos reales y se comparó con la clarificación con cobre. Los resultados se muestran en la Fig. 2 y la Fig. 4 complementaria. La concentración de H2S disminuyó en todos los vinos blancos investigados y en la mayoría de los vinos tintos. El tratamiento con superficies de nanoingeniería fue tan eficaz como la clarificación con cobre para los vinos blancos e incluso más eficaz que el cobre para los vinos tintos, lo que indica que la tecnología recién desarrollada se puede utilizar como alternativa a la clarificación con cobre. La concentración de metanotiol y etanotiol también disminuyó en todos los vinos blancos investigados, y el tratamiento fue más eficaz que la clarificación con cobre en la mayoría de los casos. En cuanto a los vinos tintos, los resultados fueron menos evidentes ya que ninguno de los dos tratamientos mostró diferencias significativas, excepto en los vinos tintos n.º 1 y n.º 6, en los que el tratamiento con superficies de nanoingeniería redujo significativamente la concentración de metanotiol. Además, también se investigó la interferencia del dióxido de azufre (SO2) con la eliminación de H2S por las superficies y su efecto sobre los sulfhidrilos 'tropicales'. El SO2 se utiliza como conservante en el vino debido a sus propiedades antioxidantes y antimicrobianas.

Concentración de H2S a para vinos blancos y b vinos tintos, antes y después del tratamiento. Concentración de c metanotiol y d etanotiol en vinos blancos antes y después del tratamiento. e Concentración de tioles tropicales 4MSP, 3SH y 3SHA en SAB antes y después del tratamiento. f Concentración de H2S en SAB en función de la adición de SO2 al vino tratado en superficie. Cada punto de datos representa el promedio de al menos tres muestras preparadas de forma independiente. Las medias con asterisco son significativamente diferentes (p < 0,05) según la prueba t de Student. Las barras de error indican sd

Como se muestra en la Fig. 2f, el SO2 no interfiere con la capacidad de las superficies de nanoingeniería para eliminar el H2S, y las superficies de nanoingeniería no eliminan los sulfhidrilos tropicales. Ambos hallazgos son significativos. Por el contrario, cuando los enólogos agregan cobre a un vino terminado para eliminar los sulfuros, también eliminarán los tioles volátiles2. Si bien el cobre es bastante eficaz para eliminar el H2S y los sulfhidrilos simples, también se sabe que el cobre tiene efectos perjudiciales sobre el aroma del vino al disminuir los sulfhidrilos "tropicales" más complejos. Teniendo en cuenta que los compuestos asociados al aroma tropical son importantes para la expresión estilística de ciertas variedades de vino con un claro carácter de 'fruta tropical' o 'boj seto', es de suma importancia que estos compuestos permanezcan en el vino. Como se muestra en la Fig. 2e, la concentración de 4-metil-4-sulfanilpentan-2-ona (4MSP, imparte aromas de boj, maracuyá y grosella negra), 3-sulfanilhexan-1-ol (3SH, imparte pomelo, maracuyá, grosella espinosa y guayaba) y el acetato de 3-sulfanilhexilo (3SHA, imparte aroma de maracuyá, pomelo, boj, grosella espinosa y guayaba) no se alteraron después de un tratamiento de 24 horas con superficies de nanoingeniería. El cobre y el SO2 son aditivos comunes para el vino y, a menudo, se pueden encontrar en el vino al mismo tiempo. Mientras que el tratamiento combinado de cobre y SO2 puede aumentar significativamente la formación de H2S en las muestras de vino8, este efecto no se produce en los vinos tratados con superficies de nanonanoingeniería, ya que no se midió un aumento de las concentraciones de H2S al tratar el vino Sauvignon Blanc con 10, 20 o 30 mg/L de SO2 (Figura 1f).

Hemos desarrollado y demostrado que las superficies de nanoingeniería pueden eliminar selectivamente los aromas 'reductivos' no deseados del vino terminado sin alterar el carácter de frutas tropicales del vino. Se evaluó en vino real la capacidad de las superficies creadas mediante nanoingeniería para eliminar la fracción 'total' y la fracción 'libre/no unida a metales' de compuestos de sulfhidrilo no deseados. Descubrimos que una fracción de los sulfhidrilos fuertemente unidos no se puede eliminar ni con las superficies de nano nanoingeniería ni con la clarificación de cobre tradicional. Sin embargo, los sulfhidrilos "libres" se eliminaron fácilmente con las superficies recién desarrolladas. Las plataformas fueron más efectivas para eliminar el metanotiol que la clarificación de cobre, con cantidades de metanotiol eliminadas hasta cuatro veces mayores cuando se usaba la superficie de nanoingeniería en comparación con el uso de la clarificación de cobre. Potencialmente, estas superficies de nanoingeniería podrían adoptarse para aparatos de filtración comunes, dispositivos de aplicación de remediación, nuevos aireadores y decantadores, material de empaque de vino y cierres de vino.

El nonahidrato de sulfuro de sodio (98 %), el tiometóxido de sodio (95 %), el etanotiol (99,7 %), el sulfuro de etilmetilo (96 %), el metabisulfito de potasio (98 %) se obtuvieron de Sigma-Aldrich (Castle Hill, NSW, Australia). El ácido tartárico y el cloruro de sodio se obtuvieron de Merck (Frenchs Forest, NSW, Australia); etanol absoluto de Rowe Scientific (Lonsdale, SA, Australia); y el sulfato de cobre (II) pentahidratado se obtuvo de Ajax Chemicals (Sydney, NSW, Australia). El agua se obtuvo de un sistema de purificación Milli-Q (Millipore, North Ryde, NSW, Australia).

La alilamina (AA) (grado reactivo, 98 %) y la 2-metil-2-oxazolina (POx) (98 %) se obtuvieron de Sigma-Aldrich (Australia) y se usaron tal como se suministraron. Se utilizaron portaobjetos de microscopio y láminas de acero inoxidable de malla 100 como sustrato para la deposición de plasma.

Los compuestos volátiles de azufre se analizaron mediante cromatografía de gases con detección de quimioluminiscencia de azufre (GC-SCD) como se describe en Siebert et al.7. Los sulfhidrilos tropicales se midieron mediante LCMS según Capone et al.9.

Se utilizaron soluciones de vino modelo para evaluar la eficacia de las superficies para eliminar los VSC, para determinar el tiempo de tratamiento óptimo para eliminar los VSC, así como para evaluar si el SO2 interfería con la capacidad de la superficie inteligente para eliminar los VSC indeseables del vino. El vino modelo libre de oxígeno (<1 ppb de oxígeno) se preparó en una campana anaeróbica agregando etanol desgasificado (<1 ppb de oxígeno) a agua MilliQ desgasificada (<1 ppb de oxígeno) cuyo pH se ajustó previamente a pH 3,6 usando ácido tartárico. El vino modelo libre de oxígeno (10 ml) se añadió a viales ámbar de 22 ml dentro de una campana anaeróbica (<1 ppb de oxígeno). Las soluciones madre de sulfuro de hidrógeno, metanotiol y etanotiol se prepararon dentro de una campana anaeróbica usando agua MilliQ desgasificada y las soluciones madre se agregaron al vino modelo para obtener concentraciones finales de aproximadamente 25 μg/L para cada VSC. Luego, las superficies inteligentes se agregaron a los viales que contenían vino modelo que contenía VSC dentro de la campana anaeróbica y los viales se sellaron con tapas sólidas de PTFE. Para evaluar los diferentes materiales de recubrimiento, el análisis VSC se realizó después de 24 h. Para determinar el tiempo óptimo de tratamiento, el análisis VSC se llevó a cabo después de 3 h, 6 h y 24 h.

Para evaluar el efecto del SO2 en la unión de VSC a la superficie de nanoingeniería, las soluciones de SO2 libres de oxígeno se prepararon dentro de una campana anaeróbica usando agua Milli Q desgasificada y luego se agregaron al vino modelo libre de oxígeno para dar concentraciones finales de SO2 de 10, 20 , y 30 mg/l. Las superficies inteligentes se insertaron en el vino modelo libre de oxígeno que contenía sulfuro de hidrógeno y dióxido de azufre, los viales se sellaron con tapas de PTFE sólido y se almacenaron dentro de la campana anaeróbica durante 24 h. Las muestras de vino tratadas se retiraron de la campana anaeróbica después de 24 h y se realizó el análisis VSC.

Los vinos Chardonnay, Sauvignon Blanc y Shiraz de las cosechas 2020 y 2021 producidos en el sur de Australia se obtuvieron de bodegas locales. Los vinos fueron preseleccionados para las concentraciones de VSC y los vinos con niveles naturalmente altos de sulfuro de hidrógeno, metanotiol y etanotiol fueron seleccionados para esta prueba. Estos vinos se utilizaron para determinar la eficacia de la superficie en la eliminación de los VSC presentes de forma natural en el vino, para comparar la eficacia de la superficie inteligente en comparación con la clarificación con cobre y para evaluar si las superficies inteligentes eliminan los sulfhidrilos tropicales deseables. Para evaluar la eficacia de la superficie en la eliminación de los VSC presentes de forma natural en el vino, las superficies inteligentes se colocaron dentro de viales de 42 ml dentro de la campana anaeróbica, se agregaron 40 ml de cada vino y los viales se sellaron con tapas de PTFE sólidas y se almacenaron en el campana anaeróbica durante 24 h.

Para comparar la eficacia de la eliminación de VSC entre la clarificación de cobre y la remediación con la superficie inteligente, se prepararon soluciones de cobre sin oxígeno dentro de una campana anaeróbica con agua MilliQ desgasificada y se agregaron a un subconjunto de vino (40 ml) para obtener concentraciones finales de 0,1 mg. /L cobre. Los viales se sellaron con tapas de PTFE sólido y se almacenaron en la campana anaeróbica durante 24 h.

Para evaluar si las superficies inteligentes eliminan los sulfhidrilos tropicales deseables, las superficies inteligentes se colocaron dentro de botellas Schott de 150 ml dentro de la campana anaeróbica, se agregó vino (120 ml) que contenía concentraciones naturales de 4-MSP, 3-SH y 3-SHA, el recipientes sellados con tapas de PTFE sólido y almacenados en la campana anaeróbica durante 24 h.

Todos los vinos tratados se retiraron de la campana anaeróbica después de 24 h y se realizó un análisis VSC como se describe por Siebert et al. (2010). Todas las muestras se prepararon por triplicado.

La alilamina (AA) (grado reactivo, 98 %) y la 2-metil-2-oxazolina (POx) (98 %) se obtuvieron de Sigma-Aldrich (Australia) y se usaron tal como se suministraron. Se usaron portaobjetos de vidrio de microscopio y láminas de acero inoxidable de malla 100 como sustrato para la deposición de plasma. La polimerización por plasma se llevó a cabo en un reactor construido a medida equipado con un generador de plasma de 13,56 MHz10. La alilamina se depositó a una presión de precursor de 0,13 mbar y la 2-metil-2-oxazolina a 0,08 mbar. La potencia utilizada para la deposición de ambos monómeros fue de 40 W y 50 W, respectivamente. En ambos casos, el tiempo de depósito del plasma fue de dos minutos. Antes de la deposición, todas las superficies se limpiaron aplicando plasma de aire durante 2 min a 50 W.

Las nanopartículas de oro se sintetizaron mediante la reducción de tetracloroaurato de hidrógeno (HAuCl4) con citrato trisódico. Una solución de 50 ml de HAuCl4 al 0,01 % se llevó a la temperatura de ebullición con agitación vigorosa. Con agitación vigorosa, se añadió una solución acuosa al 1% de citrato trisódico (TSC). Para lograr tamaños de partícula de 38 y 68 nm de diámetro, se agregaron 0,5 mL y 0,3 mL de TSC, respectivamente. Después de agregar citrato trisódico, el color de la solución cambió de amarillo claro a rojo vino en cuestión de minutos. La solución se mantuvo durante 20 min más a temperatura de ebullición y luego se enfrió a temperatura ambiente11.

Las superficies recubiertas de alilamina polimerizada con plasma y 2-metil-2-oxazolina se sumergieron durante 24 h en una solución de AuNP de 38 y 68 nm. La alilamina lleva una carga positiva cuando se coloca en una solución acuosa, mientras que los AuNP funcionalizados con grupos de ácido carboxílico tienen una carga neta negativa. La inmersión de superficies recubiertas de AA en solución de AuNP conduce a una fuerte unión electrostática de las nanopartículas a la superficie. Después de la unión de las nanopartículas de oro, las superficies se lavaron con agua para eliminar las nanopartículas sueltas y se secaron al vacío. En el caso de POx, se sabe que estos recubrimientos de polímeros de plasma retienen una población en anillos de oxazolina intactos que se unen covalentemente a nanopartículas y otras entidades que portan funcionalidades COOH12,13.

Los espectros XPS se obtuvieron utilizando un espectrómetro Kratos Axis Ultra XPS (Kratos Analytical Ltd, Reino Unido) con una fuente de Al monocromática y se operó a 15 keV y 15 mA para obtener un espectro de estudio de 0 eV a 1100 eV para todos los revestimientos de superficie. Para compensar los efectos de la carga superficial, todas las energías de enlace se referenciaron al pico de carbono neutro C1s a 285 eV. Se utilizó el software CasaXPS para el procesamiento y ajuste de curvas.

El grosor de los polímeros de plasma depositados se determinó utilizando un elipsómetro de ángulo variable (VASE, JA Woolam Co. EE. UU.). Los datos experimentales fueron analizados por el software WVASE32 (JA Woolam). Las propiedades ópticas de la oblea de silicio y la capa de óxido nativo se tomaron del software. Se supuso un índice de refracción de 1,5514 para todas las capas de polímero de plasma.

El ángulo de contacto se midió utilizando el método de caída sésil con un goniómetro de ángulo de contacto hecho a medida. Se colocó una gota de agua sobre la superficie. Se tomaron imágenes de la gota con un microscopio digital horizontal. Los ángulos de contacto se determinaron dibujando la tangente cerca del borde de la gota utilizando el software de análisis de forma de gota ImageJ con el complemento DropSnake. Los experimentos se realizaron a temperatura ambiente en una sala limpia.

Para todas las mediciones se utilizó un espectrómetro IRTracer-100 FTIR (Shimadzu) equipado con un detector MCT enfriado con nitrógeno líquido. Las mediciones se realizaron utilizando el accesorio ATR de reflexión única Quest (Specac), equipado con un cristal ATR de diamante. En todos los casos se realizaron 128 escaneos a una resolución de 4 cm−1 para obtener una relación señal/ruido satisfactoria. El efecto ATR y las contribuciones atmosféricas del dióxido de carbono y el vapor de agua se corrigieron mediante un fondo realizado en un dispositivo ATR vacío.

Se empleó SEM para determinar la morfología y la densidad de las nanopartículas de oro inmovilizadas en la superficie. Para el análisis se utilizó un FEI Quanta 450 FEG-ESEM equipado con un espectrómetro de rayos X dispersivo de energía (EDX) EDAX Apollo X. Las imágenes SEM se analizaron utilizando el software Image J. Para calcular el número de nanopartículas por μm2, el porcentaje de cobertura de superficie y la distancia entre partículas, hemos preparado tres muestras por tamaño de nanopartícula. Estas muestras se analizaron tomando tres imágenes por muestra.

La significación de los datos se evaluó mediante la prueba t de Student. Los datos se presentan como medias ± (SD). P < 0,05 se consideró estadísticamente significativo. Todos los experimentos fueron repetidos al menos tres veces. Las figuras se prepararon utilizando el software Origin 6.0 y CorelDRAW 11.

Más información sobre el diseño de la investigación está disponible en el Resumen de informes de investigación de Nature vinculado a este artículo.

Los autores declaran que los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles en el documento y en los archivos de información complementaria. Los datos también pueden estar disponibles a petición razonable del autor de correspondencia.

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Este trabajo fue apoyado por Wine Australia, con gravámenes de los viticultores y enólogos de Australia y fondos equivalentes del gobierno australiano.

El Instituto Australiano de Investigación del Vino, Waite Precinct, Hartley Grove cnr Paratoo Road, Urrbrae, Adelaide, SA, 5064, Australia

Agnieszka M. Mierczynska-Vasilev, Allie C. Kulcsar y Marlize Z. Bekker

Facultad de Medicina y Salud Pública, Universidad de Flinders, Sturt Road, Bedford Park, SA, 5042, Australia

Pantihage Ruvini L. Dabare y Krasimir A. Vasilev

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Diseño del estudio: AMM-V. y MZB Trabajo experimental: ACK, PRLD, AMM-V. y MZB Análisis de datos: KAV, AMM-V. y MZB Redacción del manuscrito: AMM-V., KAV y MZB

La correspondencia es Agnieszka M. Mierczynska-Vasilev.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

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Mierczynska-Vasilev, AM, Kulcsar, AC, Dabare, PRL et al. Tecnología de nanoingeniería de superficies para la eliminación de compuestos de azufre asociados a atributos negativos en vinos. npj Sci Food 7, 5 (2023). https://doi.org/10.1038/s41538-023-00180-8

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Recibido: 06 Octubre 2022

Aceptado: 25 de enero de 2023

Publicado: 08 febrero 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41538-023-00180-8

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