lunes, 10 de junio de 2013

Coloides Interacciones Moleculares en el Vino





EL ESTADO COLOIDAL EN MOSTOS Y VINOS (M. FEUILLAT, S. LUBBERS, A. VERNHET)

M. Feuillat - S. Lubbers - A. Vernhet

GENERALIDADES

Es más exacto hablar del estado coloidal del mosto y del vino que de coloides (Feuillat, 1987a). Lo que define este estado es el tamaño de los compuestos existentes en un sistema o más exactamente sus dimensiones lineales (Hiemenz, 1986; Usseglio-Tomasset, 1986). Se consideran como coloides las macromoléculas o las partículas que tienen un tamaño comprendido entre 10-9 y 10-6 m, siendo estos límites relativamente arbitrarios. El estado coloidal se refiere a varios tipos de sistemas.

- En el caso de macromoléculas que formas soluciones verdaderas con el medio que les rodea, el sistema coloidal, llamado solución coloidal, no tiene más que una fase. Se trata entonces de coloides liófilos; hidrófilos si el solvente es agua.
- La materia subdividida finamente forma sistemas coloidales (dispersiones coloidales) en los que coexisten dos fases: una fase dispersa, representada por las partículas coloidales, y una fase dispersante o continua. Se pueden considerar diferentes sistemas según la naturaleza respectiva de estas dos fases, sólida, líquida o gaseosa. En este caso se habla de coloides liófobos, y si el solvente es agua, hidrófobos.

La fase continua será el agua en el caso del mosto, y una solución hidroalcohólica en el caso del vino. En enología, encontramos macromoléculas y partículas coloidales (agregados de moléculas, precipitados, coadyuvantes de la clarificación como las bentonitas, etc.). Un sistema coloidal especial en enología y que afecta a los vinos efervescentes es la espuma; en este caso fase dispersa es un gas.

Los coloides y los sistemas coloidales tienen algunas características importantes.

Ya se han mencionado el tamaño de los compuestos coloidales y su afinidad por el solvente. En cuanto al tamaño, es importante observar que lo más frecuente es la presencia de sistemas polidispersos, que tienen una distribución del tamaño de las particulas (o de la masa molecular si se trata de macromoléculas) alrededor de una media. En lo que se refiere a su afinidad por el solvente, para hablar con más claridad, nos referiremos a coloides hidrófilos y de coloides hidrófobos; también en el vino en el que el solvente no es agua sino una solución hidroalcohólica.

Otra característica de la mayoría de los compuestos coloidales es que generalmente tienen una carga. Esta carga puede estar relacionada con la presencia de grupos ionizables o bien con una diferencia de afinidad entre las dos fases, dispersa y continua, con los iones del medio (Hunter, 1981a).

Los sistemas coloidales pueden ser estables o inestables (Hiemenz, 1986).

Bajo el punto de vista termodinámico, un coloide hidrófilo, que forma una solución verdadera con el solvente, es estable indefinidamente. Esto es cierto cuando no hay modificaciones químicas o fisicoquímicas en el medio.

En el caso de dispersión de una fase sólida en una fase líquida, la inestabilidad se refleja en sedimentación y floculación. La sedimentación se corresponde con la decantación, por gravedad, de partículas de tamaño suficiente y de densidad superior a la de la fase líquida. La floculación se corresponde con la unión de pequeñas partículas formando estructuras mayores bajo el efecto de fuerzas de atracción. La estabilidad o inestabilidad de un sistema coloidal con relación a la floculación depende de las interacciones fisicoquímicas que se produzcan entre las partículas coloidales o entre estas partículas y el solvente.

Las espumas correspondientes a dispersiones gas-líquido son sistemas inestables. En la destrucción de la espuma participan dos fenómenos. Por un lado, el drenado que por gravedad hace descender al líquido contenido en la espuma en la masa de la solución; cuando se produce esta bajada hay un adelgazamiento de la película de líquido que separa a las burbujas y una disminución de la resistencia de esta película. Por otro lado, la coalescencia de pequeñas partículas (aquí, burbujas de gas) dando partículas de mayor tamaño, después de la ruptura de la película (Brissonet, 1992).

INTERACCIONES FISICOQUÍMICAS

La estabilidad (o inestabilidad) de las partículas coloidales es función de interacciones fisicoquímicas. Estas interacciones son esencialmente: interacciones electrostáticas, interacciones apolares relacionadas con las fuerzas de London-van der Waals, interacciones polares o ácido-base de Lewis (Israelachvili, 1991; van Oss, 1994). Estas mismas interacciones son al principio fenómenos de adsorción de los compuestos coloidales sobre las superficies.

Las interacciones electrostáticas están relacionadas con cargas de superficie. Cuando una partícula (ó más frecuentemente una superficie) sumergida en un medio acuoso tiene cargas de superficie, se produce una acumulación de iones en la fase acuosa que rodea a esta partícula. Esta acumulación produce la formación de una doble capa eléctrica en la que el exceso de iones disminuye progresivamente cuando se separa de la superficie; el fenómeno continúa hasta que se alcanza el equilibrio iónico de la fase acuosa (James, 1979; Hunter, 1981). Las interacciones electrostáticas están relacionadas con el recubrimiento de estas dobles capas cuando dos partículas cargadas se aproximan una a otra. Se atraen si tienen cargas de signos opuestos y se repelen en el caso contrarío. Su importancia depende, entre otras cosas, de la naturaleza de los iones presentes en el medio y de su concentración.

Las interacciones relacionadas con las fuerzas de London-van der Waals tienen un origen molecular; las fuerzas de London son fuerzas de interacción entre dipolo instantáneo y dipolo inducido (efecto de dispersión). Estas fuerzas son universales y al principio son interacciones entre cuerpos macroscópicos así como entre estos cuerpos y el medio que les rodea (Israelachvili, 1991; Hiemens, 1986). Lo más frecuente es que estas interacciones sean de atracción, pero no necesariamente.

Las interacciones polares ó ácido-base de Lewis representan, sobre todo en medio acuoso, las interacciones relacionadas con la formación de enlaces hidrógeno (Van Oss, 1994). Estas interacciones, como las de London-van der Waals, se producen entre compuestos coloidales así como entre estos últimos y el solvente. Su resultante puede dar lugar a una atracción ó a una; repulsión entre las partículas.

Estos tres tipos de interacciones dependen de la distancia que separa a los cuerpos considerados; son efectivas hasta distancias del orden de 10 nm. El conocimiento y la previsión del comportamiento de un coloide en medio acuoso (estabilidad ó inestabilidad, adsorción a las superficies ó a una interfase) requiere que se tengan en cuenta estos diferentes tipos de interacciones así como su evolución (evolución de la variación de energía libre de la interacción a la que está asociada) en función de las distancias que separan a los cuerpos. La resultante (suma) será una atracción ó una repulsión, que darán lugar respectivamente a una estabilidad ó a una inestabilidad del sistema (y del mismo modo, a una adsorción ó a la ausencia de adsorción en el caso de interacción entre un coloide y una superficie sólida). La consideración de estas interacciones en enología ha permitido comprender mejor el origen de los turbios en vinificación y el papel de las bentonitas en su prevención (Vemhet etal., 1998).

Hay otro tipo de interacciones: las interacciones estéricas (Israelachvili, 1991), que pueden existir en el caso de un medio que contenga a la vez macromoléculas y partículas, con una adsorción de las macromoléculas por las partículas. Estas interacciones son complejas, y han sido estudiadas especialmente en dos casos: con un débil y con un fuerte recubrimiento de las superficies. En el caso de un recubrimiento débil las interacciones estéricas se traducen en una atracción relacionada con la formación de puentes entre las partículas. Pueden presentarse casos de interacciones macromolécula / partícula y un segmento de una macromolécula adsorbida por una partícula dada puede ser adsorbida por la superficie de otra partícula. Por el contrarío, un recubrimiento fuerte de las superficies da lugar a la aparición de una repulsión fuerte, repulsión estérica. cuando las dos partículas se aproximan. Esta repulsión da lugar a una estabilidad al impedir la aglomeración de las partículas; se llama estabilidad estérica. La estabilidad de dispersiones de partículas por polímeros frente a la floculación es un fenómeno muy frecuente.

CASO DE MOSTOS Y VINOS

El estado coloidal en mostos es complejo. Encontramos coloides hidrófilos, macromoleculares y hidrófobos:

Diferentes estados físicoqufmícos en los vinos:

- nm
. Moléculas en solución: iones, osas, ácidos orgánicos compuestos fenólicos aromas, etc.
. Macromoléculas: polisacáridos, proteínas. (Compuestos colidales).
. Partículas: quiebras metálicas en vías de formación, precipitados de compuestos fenólicos (materia cobrante, etc.) quiebras proteicas, cristales de THK, agregados diversos, etc. (Compuestos colidales).

- μm (Dispersiones Groseras)
. Micro-organismos
. Restos, precipitados, etc.

COLOIDES HIDRÓFILOS

Los coloides hidrófilos macromoleculares existentes en los vinos pueden ser de origen endógeno ó exógeno. Las macromoleculas de origen endógeno son proteínas y polisacáridos procedentes de la uva (cf. capítulos 2 y 3). Los coloides hidrófilos de origen exógeno son manoproteínas liberadas por las levaduras durante la fermentación alcohólica y el envejecimiento con lias (cf capítulos 2 y 11.1, apartado autolisis) glucanos producidos por Botntis cinerea (Dubourdieu et al., 1981; Dubourdicu. 1982) y polisacáridos liberados por las bacterias lácticas (Canal-Llaubcres et al, 1989). Estas macromoléculas han sido objeto de numerosos estudios durante los últimos veinte años. Las técnicas de separación y analíticas utilizadas han permitido aumentar los conocimientos relativos a su estructura y a su composición química; estas técnicas no han podido dar una información exhaustiva sobre sus propiedades físicas y fisicoquímicas así como sobre su comportamiento durante el proceso de elaboración y los tratamientos de mostos y vinos.

Las proteínas son el origen de la formación de turbios en los vinos blancos (Hsu y Heartherbell, 1987; Dawes et al., 1994; Ledoux et al, 1992: Pacizold et al., 1990; Waters et al, 1992; Waters et al, 1995a, 1995b). Estos turbios aumentan con el calor y parece que en su formación interviene la mayoría de las proteínas del vino. También las proteínas están implicadas en las propiedades espumantes (facilidad para formar espuma y estabilidad de esta espuma) de los vinos de Champagne (Brissonet y Maujean, 1993; Maivy et al., 1994; Marshal et al., 1996).

Los polisacáridos son los responsables de los fenómenos de colmatación de los elementos filtrantes (Villetaz, 1990) y sobre todo de las membranas de micro filtración tangencial (Belleville et ai, 1990; Bellevillc et al., 1992; Cameira dos Santos, 1995). Los resultados obtenidos indican que este efecto colmatante está relacionado en parte con fenómenos de adsorción de estas macromoléculas por las membranas, dependiendo esta adsorción de las propiedades fisicoquímicas de la superficie de los materiales (Vemhet et al, 1997). Una retención excesiva de coloides glucídicos durante la clarificación de un vino por microfiltractón tangencial da lugar a una alteración de sus características organolépticas (Feuillat et al., 1987). Esto está relacionado con las interacciones entre estas macromoléculas y las substancias aromáticas, interacciones que influyen en las características aromáticas del vino (Lubbers, 1993). Por ello se ha estudiado mucho este aspecto del estado coloidal relacionado con las substancias aromáticas.

Los compuestos macromoleculares de naturaleza proteica y glucída del mosto y del vino pueden ser evaluados globalmente precipitación con etanol en medio clorhídrico (Usseglio-Tomasset, 1976). Estos contenidos en coloides totales son muy variables en distintos vinos y dependen, entre otros factores, de la tecnología de la vinificación. En la vinificación en blanco, el vino es menos rico que el mosto correspondiente por la hidrólisis enzimática y por la eliminación parcial de los polisacáridos durante la clarificación prefermentativa (desfangado) de los mostos. En la vinificación en tinto, el vino es más rico que el mosto correspondiente; en efecto, la solubilización parcial de los polisacáridos por las pectinasas es menos importante que la extracción a partir de las partes sólidas del racimo, incluso si una parte de los coloides extraídos precipitan durante la crianza.

En el caso de vinos espumosos elaborados según el método tradicional el contenido en coloides que precipitan con etanol aumenta durante la formación de espuma después del envejecimiento en contacto con las levaduras (Parenthocn y Feuillat, 1978; Feuìllat, 1987; Feuillat et al., 1988). Este enriquecimiento corresponde a un aumento de las manoproteínas debido a lai levaduras, vivas o muertas.

COLOIDES HIDRÓFOBOS    

Los coloides hidrófobos en los vinos corresponden a agregados de moléculas de estructura cristalina (caso de los cristales de tartratos en su origen) ó más frecuentemente amorfa: inicio de quiebras férrica y cúprica, materia colorante coloidal, precipitados diversos, etc. (Ribéreau-Gayon y Peynaud, 1935; Glories, 1978; Usseglio-Tomasset, 1986; Saucier et al., 1995). Estos coloides hidrófobos proceden de una primera etapa de transformaciones químicas y/ó fisicoquímicas que han permitido el paso de moléculas en solución al estado de partículas coloidales dispersas en el medio. Los fenómenos relacionados con estos coloides hidrófobos son poco conocidos todavía (Ribéreau-Gayon et al., 1977a).

Los coloides hidrófobos son inestables y son el origen de turbios y precipitados. La hipótesis básica es que estos coloides tienen carga electronegativa al pH del mosto y del vino, carga que contribuye a su estabilidad. La precipitación de los coloides hidrófobos se ve favorecida, es decir provocada, por los cationes y las proteínas de encolado que, al pH del mosto y del vino, tienen una carga electropositiva. No obstante, los mecanismos de cargas no son realmente los únicos que hay que considerar en estos fenómenos.

Algunos compuestos, que están en el medio o, más frecuentemente, que son añadidos antes del embotellado, son capaces de impedir la floculación de estos coloides hidrófobos. Este es el caso, por ejemplo, de la goma arábiga, que permite evitar la precipitación de materias colorantes en los vinos tintos. Dichos compuestos se llaman «coloides protectores». Esta noción de coloide protector es muy vaga y los mecanismos que actúan en la prevención de la floculación no están claros, pero permite entender los fenómenos de mayor inestabilidad observados durante las operaciones de tratamiento demasiado fuerte y que dan lugar a una modificación de la composición coloidal del vino.

La presencia de coloides protectores endógenos ha sido comprobada en el caso de la quiebra proteica de los vinos blancos (Waters et al., 1993; Waters et al., 1994). Se han purificado dos polisacáridos del vino, una manoproteína de alto peso molecular procedente de levaduras y un arabino-galactano proteico, a partir de un vino de moscatel y de un vino de Carignan respectivamente. Estos dos compuestos tienen un efecto estabilizador frente a los turbios proteicos desarrollados con el calor. Moine y Dubourdieu (1966) han obtenido, por digestión enzimática de membranas de levaduras, un extracto de manoproteinas que tiene un efecto similar. En este extracto el compuesto activo es verdaderamente una glicoproteina que tiene un peso molecular de 30.000 Da. También se ha encontrado esta glicoproteina en los vinos blancos criados sobre lías, donde sería el origen de la mejora espontánea de la estabilidad proteica de dichos vinos durante su crianza.

La noción de «coloides protectores» también es empleada en el caso de precipitados tartáricos (Maujean et al., 1985; Lubbers et al., 1993). La presencia de compuestos coloidales en el vino se refleja en un aumento de la estabilidad de éste ante la cristalización del hidrogenotartrato de potasio. En este caso, el efecto protector es atribuido a una adsorción en las caras del cristal, bloqueando así su crecimiento (Gerbaud, 1996; Gerbaud et al., 1997).

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