Determinación no destructiva de parámetros de calidad en uvas, racimos y mostos mediante Espectroscopía de Reflectancia en el Infrarrojo Cercano

Abstract

La Espectroscopía de Infrarrojo Cercano (NIRS) se ha convertido en una técnica analítica muy útil para la determinación no destructiva de parámetros de calidad en alimentos, adaptándose plenamente a las exigencias de la industria vitivinícola en términos de control de calidad y trazabilidad. Aunque el número de aplicaciones NIRS en el proceso de elaboración de vinos se ha incrementado en los últimos años, el uso de la espectroscopía NIR en la industria vitivinícola se encuentra todavía en una etapa de desarrollo muy incipiente, siendo necesaria la optimización del empleo de sensores NIRS en dicha industria. En este sentido, la determinación de calidad de las uvas en campo y en bodega, directamente sobre el racimo, significaría un importante avance para el sector enológico. Ello permitiría no sólo el realizar el seguimiento del proceso de maduración en campo – lo que facilitaría la toma de decisiones respecto al momento óptimo de vendimia – sino también posibilitaría la rápida medición de los parámetros de calidad de la uva a su llegada a bodega, lo que permitiría acelerar la toma de decisiones en esta etapa, posibilitando el procesado por separado de lotes en función de la calidad inicial de la materia prima, evaluada de forma precisa y exacta, antes de su elaboración. El objetivo principal de esta Tesis Doctoral ha sido desarrollar modelos NIRS precisos y robustos destinados a la determinación de los principales parámetros de calidad interna (contenido de sólidos solubles y en azúcares reductores, pH, acidez titulable, contenidos en ácido tartárico, ácido málico, y en potasio) de uvas de vinificación durante su maduración en campo, en el momento de cosecha y en su recepción en bodega, utilizando el racimo como forma de presentación de muestra a los instrumentos, con el fin de permitir a los agricultores y bodegueros, el uso rutinario de la tecnología NIRS en la industria vitinivinícola para predecir con mayor precisión el momento óptimo de vendimia y la calidad inicial de las uvas a su llegada a la industria, garantizando así la más alta calidad posible tanto de la uva como del vino a elaborar. Con este propósito se han evaluado igualmente dos espectrofotómetros comercialmente disponibles, uno muy adecuado para efectuar mediciones in situ, directamente en las cepas (espectrofotómetro basado en la tecnología MEMS) y el otro idóneo para su utilización en las líneas de elaboración en bodega (espectrofotómetro de red de diodos). Asimismo, el presente Trabajo de Investigación analizó la viabilidad de utilizar un espectrofotómetro NIR miniatura, de bajo coste, para la predicción de la masa volúmica en vinos blancos y tintos durante la fermentación alcohólica, tratando de identificar al mismo tiempo las longitudes de onda más significativas asociadas a la determinación de dicho parámetro. Los resultados obtenidos permiten afirmar que la capacidad predictiva de los modelos desarrollados para la determinación de parámetros de calidad interna en uvas, empleando el racimo como modo de presentación de muestra, fueron similares a los obtenidos al utilizar bayas y mosto, lo que permite la aplicación de la tecnología NIRS para el análisis no destructivo de uvas en campo, durante la maduración de la vid, como a su llegada a la bodega, empleando para el caso de las determinaciones in situ en cepas, el instrumento NIR-MEMS seleccionado, mientras que en la bodega se utilizó el de red de diodos. En este sentido, el análisis de las uvas utilizando el racimo debe ser considerado como un primer paso en el empleo de la tecnología NIRS para el control de calidad in situ y en línea en la industria enológica, ya que ésta es la forma en la que se lleva a cabo el desarrollo de las uvas en las cepas, así como su recepción en bodega. Este Trabajo de Investigación ha sido el primer intento de utilización de la espectroscopía NIR tanto a nivel de campo como de bodega, empleando como forma de presentación de muestra al instrumento aquella en la que se lleva a cabo el desarrollo y recepción del fruto en la industria vitivinícola. Por otra parte, los resultados obtenidos confirman que la espectroscopía NIR es sensible a los cambios físicos/químicos (disminución de la masa volúmica) que se producen durante la fermentación alcohólica, en el rango espectral de 800 a 1050 nm. Asimismo, se llevó cabo la identificación de seis longitudes de onda fuertemente correlacionadas con la masa volúmica, las cuales podrían ser utilizadas para desarrollar un instrumento simple, eficiente, de bajo costo que podría emplearse también, para determinar el contenido de azúcares reductores en vinos durante la fermentación. Por tanto, los resultados obtenidos de este Trabajo de Investigación muestran la viabilidad de la utilización de la tecnología NIRS para cuantificar los cambios químicos que ocurren durante el proceso de maduración de la uva de vinificación en campo y la determinación del momento óptimo de recolección, así como durante el proceso de fermentación, lo que facilitaría la incorporación de NIRS en la industria vitivinícola, ayudando tanto a agricultores como a bodegueros a la toma de decisiones en tiempo real.

Near Infrared Spectroscopy (NIRS) is becoming a more attractive analytical technique for measuring quality parameters in food products, showing considerable promise for their non-destructive analysis, and is ideally suited to the requirements of the wine industry in terms of both quality control and traceability. Although the number of winemaking applications for which NIRS could be used has increased over the last few years, NIR spectroscopy in the wine industry is still in its infancy. Clearly, more can be done to optimize the use of NIRS sensors in the wine industry; the measurement of quality properties directly on the bunch would in this sense mark a considerable step forward. It would enable not only on-vine measurements during ripening – thus facilitating decisions regarding harvest timing – but also rapid measurement of quality parameters as the grapes arrive at the winery, thus speeding up decision making at that stage and enabling separate processing of batches depending on the initial quality of the raw material, assessed prior to processing. The main objective of this PhD dissertation was to develop accurate and robust NIRS models for measuring major internal quality parameters in intact wine grapes (soluble solid content, reducing sugar content, pH-value, titratable acidity, tartaric acid, malic acid, and potassium content) during ripening as a function of grape position and bunch orientation, and at harvest, regardless of growing season or variety, with a view to enabling growers and producers to routinely use NIRS technology under field conditions and at the reception in the winery to predict more precisely the timing of their harvest operations and the initial quality of the grapes on the arrival at the industry, and thus ensure the highest possible grape and wine quality. Two commercially available spectrometers were evaluated for this purpose, one of which is highly suited to field measurement (MEMS-based spectrometer) and the other better suited to on-line use in the winery (diode-array spectrophotometer). Furthermore the present study sough to assess the feasibility of using a miniature low-cost NIR spectrometer to predict volumic mass in red and white wines during alcoholic fermentation and to identify the most significant wavelengths associated with volumic mass, with a view to support instrument developers in the design of even more simple and inexpensive miniature spectrometers. Significantly, the results obtained with bunch presentation were similar to those obtained with berries and must, thus justifying further implementation of NIRS technology for the non-destructive analysis of quality properties both during on-vine ripening and on arrival at the winery, using a handheld NIR-MEMS spectrometer and a diode array instrument, respectively. This method allows musts to be processed separately depending on initial grape quality. Analysis of grapes in bunch form should be considered a first step in the tuning of NIRS technology for on-site and on-line control purposes, since it is the form in which the grape grows, and in which it arrives at the winery. To our knowledge, this is the first attempt to implement NIR spectroscopy on-vine for this purpose. Moreover, NIR spectroscopy was sensitive to physical/chemical changes (decrease in volumic mass) taking place during alcoholic fermentation, across the spectral range 800– 1,050 nm. Six wavelengths were identified as correlating strongly with volumic mass, and could be used to develop a simple, efficient, low-cost instrument that could also be used to measure reducing-sugar content in wines throughout fermentation. The results showed that changes in grapes and musts quality parameters can be measured non-destructively, with a single spectrum measurement and in a matter of seconds, during both on-vine ripening and wine making process, paving the way for using NIRS technology to assist growers and producers in making decisions in the enological sector.