Evaluation of the efficiency of dialysis membranes in the wine dealcoholization process

Abstract

This study investigated the effectiveness of dialysis membranes for the complete dealcoholization of wine (<0.50% v/v) using five different approaches. The results indicated that the sample (Dia) was ineffective due to significant water transfer into the wine, leading to considerable losses in metals, aromas, and color through the membrane. On the other hand, dealcoholized wines produced using NF+ dialysis membranes (Dia 1 and Dia 2) exhibited good retention of magnesium (Mg⁺⁺) and calcium (Ca⁺⁺), though with substantial potassium (K⁺) losses. Furthermore, Dia 2 displayed higher chroma values (C* _ab) compared to the original wine (OW). In contrast, wines dealcoholized with RO + dialysis membrane (Dia 3 and Dia 4) exhibited decreased b* and C* _ab values, indicating reduced yellow coloration, while the a* value remained unchanged. Dia 4 showed no significant alteration in L* values, whereas Dia 3 exhibited lower L* values compared to OW. Principal component analysis (PCA) of the quantitative data revealed that the first two principal components (PC1 and PC2) accounted for 99.22% of the total variance. The dealcoholized samples Dia, Dia 1, and Dia 2 clustered together in the negative quadrants of both PC1 and PC2, showing no distinct association with volatile compounds. In contrast, Dia 3 and Dia 4 were positioned in the positive region of PC2, correlating with volatile compounds such as 3-methylbutanol, isobutanol, succinic acid diethyl ester, decanoic acid, and 1-hexanol.

Valutazione dell’efficienza della membrana per dialisi nel processo di dealcolizzazione del vino

La produzione globale di vino è in continua evoluzione per soddisfare le nuove richieste e preferenze dei consumatori. In questo scenario di sviluppo, è importante determinare quali tendenze saranno momentanee e quali rimarranno nel tempo. La promozione di abitudini più salutari ha incoraggiato i consumatori a cercare alternative con basso o senza contenuto alcolico. La sfida per l’industria è quella di produrre un vino senza alcool che conservi gli aromi e il gusto tipico del vino tradizionale. L’etanolo è il composto più abbondante nel vino, escludendo l’acqua. Numerosi studi sono stati condotti negli ultimi anni su diverse tecnologie nel campo della riduzione del contenuto alcolico del vino (belisario-sánchez et al. 2009; bithika saha et al. 2013; calvo et al. 2022; catarino und mendes 2011b; pilipovik und riverol 2005; sam et al. 2021; sun et al. 2020; schmitt und christmann 2019). Una classificazione è stata proposta da bithika saha et al. (2013), che ha classificato le tecniche in base al momento di applicazione. Queste includono metodi pre-fermentativi, come pratiche viticole. Metodi applicati durante la fermentazione, come l’utilizzo di ceppi di lievito modificati e l’utilizzo di enzimi per la metabolizzazione alternativa dell’etanolo. Questi metodi sono promettenti, tuttavia non riducono i livelli di etanolo al di sotto dello 0,5% vol. Per raggiungere questi livelli di alcool è necessario l’uso di metodi fisici utilizzati dopo la fermentazione. Questi metodi possono essere ulteriormente suddivisi in processi termici, come la distillazione sotto vuoto, l’evaporazione sotto-vuoto e la distillazione con centrifugazione, nonché processi a membrana come l’osmosi inversa, la nano-filtrazione, la distillazione osmotica, la pervaporazione e la dialisi. Inoltre, c’è una ulteriore categoria di rimozione dell’alcool, che include l’estrazione con solvente, l’estrazione con biossido di carbonio e tecniche di adsorbimento (schmitt und christmann 2019). Fino a questo momento, la dialisi a membrana non è stata utilizzata per la produzione industriale di vino senza alcool. Nelle tecnologie alimentari, è più comunemente utilizzata per la concentrazione dei succhi e la dealcolizzazione della birra (carlos muller et al. 2019). Questa membrana ha un potenziale significativo poiché opera a basse temperature senza richiedere un aumento della pressione, mentre trattiene anche il co2 all’interno del sistema. E economica e adattabile per il trattamento di piccoli volumi. Consiste in membrane semipermeabili composte da fasci di fibre cave realizzate con derivati della cellulosa o vari materiali sintetici come il polisolfone e il polieterosolfone (brányik et al. 2012). Il suo meccanismo coinvolge la diffusione, che facilita il passaggio dell’etanolo tra il vino e la draw-solution, e la convezione, consentendo il passaggio di molecole più grandi, influenzando la permeabilità del processo. L’efficienza della membrana dipende dal tipo di membrana di dialisi e dalla pressione del sistema. Gli svantaggi di questo metodo sono l’impossibilità, fino ad ora, di impedire il passaggio dell’acqua della draw sollution nel vino e una perdita di composti, che si spostano dal liquido con una concentrazione dei composti elevata, il vino, al liquido con una concentrazione dei composti più bassa, l’acqua. Questi problemi hanno reso l’uso della dialisi di difficile impiego nella dealcolizzazione del vino. Tuttavia, determinate misure, come il cambiamento della draw solution, la combinazione di questa membrana con altre tecnologie (a membrana o a distillazione) e l’ottimizzazione dei parametri operativi, possono rendere questa membrana adatta alla produzione di vino dealcolizzato. Questo studio mira a valutare la possibilità di utilizzare una membrana a dialisi per la dealcolizzazione del vino, prevenendo il reflusso dell’acqua lavorando sui parametri operativi e potenzialmente accoppiandola con un’altra metodologia.

Bewertung der effizienz von dialysemembranen zur entalkoholisierung von wein

Die weltweite weinproduktion entwickelt sich ständig weiter, um den neuen anforderungen und vorlieben der verbraucher gerecht zu werden. In diesem sich entwickelnden szenario ist es wichtig zu bestimmen, welche trends nur von kurzer dauer sein werden und welche sich über einen längeren zeitraum halten werden.   Die herausforderung für die industrie besteht darin, einen entalkoholisierten wein herzustellen, der die vertrauten aromen und das mundgefühl eines herkömmlichen weins beibehält, aber keinen alkohol enthält. Ein realistischerer ansatz wäre die verbesserung bestehender technologien zur herstellung hochwertiger alkoholfreier weine und der versuch, eine andere produktkategorie zu schaffen, die sich deutlich vom herkömmlichen wein unterscheidet. In den letzten jahren wurden zahlreiche studien zu verschiedenen technologien im bereich der des reduzierung alkoholgehalts in wein durchgeführt (belisario-sánchez et al. 2009; bithika saha et al. 2013; calvo et al. 2022; catarino und mendes 2011b; pilipovik und riverol 2005; sam et al. 2021; sun et al. 2020; schmitt und christmann 2019). Eine vorläufige kategorisierung wurde von (bithika saha et al. 2013) vorgeschlagen, die techniken nach dem zeitpunkt ihrer anwendung klassifiziert. Dazu gehören methoden vor der gärung, als weinbautechniken. Während der gärung können modifizierte hefestämme und die verwendung von enzymen für die alternative metabolisierung, eingesetzt werden. Diese methoden sind vielversprechend, reichen jedoch nicht aus, um den alkoholgehalt unter 0,5 % vol. Zu senken. Physikalische methoden lassen sich in thermische verfahren wie vakuumdestillation, vakuumverdampfung und zentrifugaldestillation sowie in membranverfahren wie umkehrosmose, nanofiltration, osmotische destillation, pervaporation und dialyse einteilen. Darüber hinaus gibt es die kategorie der extraktionsverfahren, zu denen die lösungsmittelextraktion, die kohlendioxidextraktion und die adsorptionstechniken gehören (schmitt und christmann 2019). Bislang wurde die membrandialyse noch nicht für die industrielle herstellung von alkoholfreiem wein eingesetzt. In der lebensmitteltechnologie wird sie eher für die saftkonzentration und die entalkoholisierung von bier eingesetzt (muller, carlos et al. 2019). Diese membran hat ein erhebliches potenzial, da sie bei niedrigen temperaturen arbeitet, ohne dass ein erhöhter druck erforderlich ist, und gleichzeitig co2 im system zurückhält. Sie ist kosteneffizient und anpassungsfähig für die verarbeitung kleiner mengen. Sie besteht aus semipermeablen membranen, die aus bündeln von hohlfasern aus zellulosederivaten oder verschiedenen synthetischen materialien wie polysulfon und polyethersulfon bestehen (brányik et al. 2012). Ihr mechanismus umfasst die diffusion, die den durchgang von ethanol zwischen dem wein und der strippenziehlösung erleichtert, und die konvektion, die den durchgang größerer moleküle ermöglicht und die durchlässigkeit des prozesses beeinflusst. Die effizienz der membran hängt von der art der dialysemembran und dem druck des systems ab. Die nachteile dieser methode sind die bisherige unfähigkeit, das eindringen von wasser in den weinstrom der membran zu verhindern, und der verlust von kleinen verbindungen, die von der flüssigkeit mit hoher konzentration, dem wein, in die flüssigkeit mit niedriger konzentration, das wasser, übergehen. Diese probleme haben die anwendung der dialyse bei wein zu einer herausforderung gemacht. Bestimmte maßnahmen, wie die anpassung der dialysatlösung, die kombination dieser membran mit anderen technologien und die optimierung der betriebsparameter, können diese membran jedoch für die herstellung von entalkoholisiertem wein geeignet machen. Ziel dieser studie ist es, die möglichkeit des einsatzes einer dialysemembran für die entalkoholisierung von wein zu bewerten, den wasserrückfluss zu verhindern, indem an den betriebsparametern optimiert und die membran möglicherweise mit einer anderen trenntechnik kombiniert.