Influence of short-term postharvest ozone treatments in nitrogen or air atmosphere on the metabolic response of white wine grapes
Author(s)
Carbone, Katya
Date Issued
June 4, 2015
Type
Doctoral Thesis
Abstract
This PhD thesis aimed to clarify the effects due to different ozone postharvest
treatments on quality traits and accumulation of phenolic healthy compounds
in white wine grapes, belonging to Grechetto cv. The thesis also aimed to
investigate whether and how the ozone treatments could affect the flavor
profile of the grapes. Finally, it aimed to apply one of the most used
chemometric tools, the principal component analysis (PCA), to gain insights
into variations in the nutritional profiles between different postharvest
treatments trying to classify them on the basis of some molecular markers of
oxidative state.
Grapes were exposed to ozone gas in air (GO) or in nitrogen atmosphere
(GNO) for 12 hours at 10°C and then kept in normal atmosphere for one day
at room temperature. Grapes kept at 10°C, for 12 hours without ozone
treatment plus one day at room temperature, were considered as the control
sample (GC). Results showed that low temperature induced a great change
of ripening features only in GC with reduction of weight, loss of sugars (about
20%) and increase in titratable acidity but, above all, 15% of increase in
malondialdehyde (MDA).
The use of ozone in air or in nitrogen neither altered the fruit quality
attributes nor modified MDA concentration. Ozone provoked a high
decrease of hydroxycinnamic acids, compared to the harvest grapes, overall
in GNO samples (caftaric acid: -38.8%; coutaric acid: -26.1%). Besides, cold
storage treatment without ozone enhanced the antiradical capacity of
grapes. Three main flavonols, named hyperoside (quercetin-3-O-galactoside),
rutin (quercetin-3-O-rutinoside) and kaempferol-3-O-glucoside were found in
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all grape extracts analysed and the total flavonol content increased
significantly (p < 0.008) in all the samples starting from 1.79 mg/g dry matter
of grapes at harvest (GH sample) up to 2.13 mg/g of GNO one. Both cold
storage and ozone in air treatments significantly increased catechin content
compared to that in the grapes at harvest (+54.6% and +35.7% for GC and
GO, respectively; p < 0.008).
GC-MS untargeted metabolic screening of polar extracts from different
treated grapes pointed out a significant variability in the physiological
response of grapes to different postharvest treatments, mainly in the first part
of the chromatograms for retention times between 3 and 35 minutes (polar
compounds). The most representative classes of organic compounds
identified were alcohols, ketones, aldehydes, acids, esters, and anhydrides.
Among them, sugar degradation products linked with chemical like Maillard
reactions were predominant. They were volatile heterocyclic compounds
such as furans, furanones, pyranones, alkyl ketones and to a lesser extent
pyrazines, and oxazolidines.
Finally, the interrelationships between the parameters analysed and the
different postharvest treatments, as well as the relationships among variables,
were investigated by principal component analysis. Component loadings
showed significant groupings for concentrations of hydroxycinnamic acid
derivates and flavonols, which appeared as good candidates to be further
considered as biomarkers of the physiological status of grapes. Similarly, the
component scores grouped according to the different postharvest
treatments, highlighting hyperoside as a useful indicator of the ozone effect
on the grape’s physiology.
Lo scopo principale di questa tesi di dottorato è stato quello di chiarire
l'effetto esercitato dall’ozono durante il post-raccolta di uve enologiche
appartenenti alla cultivar Grechetto sulle caratteristiche fisiologiche e
nutraceutiche delle bacche. La tesi ha avuto anche l'obiettivo di indagare se
e come i trattamenti di ozono potessero influenzare il profilo aromatico delle
uve. Infine, si è applicato uno degli strumenti più utilizzati in chemiometria,
l’analisi delle componenti principali (PCA), per acquisire conoscenze in merito
alle variazioni nel profilo nutrizionale tra i diversi trattamenti post-raccolta,
cercando di classificarli sulla base di alcuni marcatori molecolari di stato
ossidativo.
Grappoli di uva varietà Grechetto sono stati accuratamente raccolti a mano, a
maturità tecnologica, selezionati e posti su singolo strato in cassette
perforate (60 x 40 x 15 cm), di circa 6 kg (±500 g) ognuna. Le cassette sono
state quindi poste in celle termo-igrometriche (12 m3) a 10 (±1)°C e al 90% di
umidità relativa, per 12 ore. Gli effetti dell’esposizione all’ozono sui campioni
d’uva selezionati sono stati studiati fumigando le uve con un flusso di ozono
(1,5 g/h) in atmosfera normale (codice campione: GO) e con un flusso di
ozono (1,5 g/h) in atmosfera d’azoto (codice campione: GNO). Come
controlli sono stati utilizzati i) uve poste in cella termo igrometrica in
atmosfera normale (codice campione: GC) e ii) uve alla raccolta (codice
campione: GH). Alla fine dei rispettivi trattamenti le uve sono state tenute
per un giorno a temperatura ambiente in atmosfera normale.
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La refrigerazione ha indotto delle variazioni importanti nella qualità dei
grappoli, producendo perdita di peso, perdita di solidi solubili (circa il 20%),
aumento dell’acidità titolabile e soprattutto un aumento del 15% del
contenuto di malondialdeide (MDA) rispetto alle uve alla raccolta. Al
contrario, la bio-fumigazione dei campioni con ozono, sia in aria sia in
atmosfera inerte, non ha provocato alcuna alterazione significativa nei
parametri qualitativi delle uve, né nel loro contenuto di MDA. Tuttavia,
l’ozono ha provocato una drastica diminuzione nel contenuto di acidi
idrossicinnamici, soprattutto nei campioni GNO (acido caftarico: -38,8%;
acido cutarico: -26,1%). Al contrario, la refrigerazione ha aumentato la
capacità antiradicalica delle uve. Tre flavonoli, l’iperoside (quercitina-3-Ogalattoside),
la rutina (quercitina-3-O-rutinoside) e il kampferolo-3-Oglucoside
sono stati trovati in tutti gli estratti d’uva analizzati e il contenuto di
flavonoli totali è aumentato significativamente, rispetto alle uve alla raccolta,
in tutti i campioni da 1,79 mg/g di sostanza secca in GH fino a 2,13 mg/g di
sostanza secca in GNO. Sia il freddo sia la bio-fumigazione in aria hanno
prodotto un incremento significativo nei livelli di catechina rispetto a quelli
registrati nelle uve alla raccolta (+54,6% e +35,7% per GC e GO,
rispettivamente; p < 0,008).
Lo screening metabolico non mirato degli estratti polari delle uve trattate ha
rivelato una significativa variabilità nella risposta fisiologica dell'uva ai diversi
trattamenti post raccolta applicati, soprattutto nella prima parte dei
cromatogrammi acquisiti per tempi di ritenzione tra 3 e 35 minuti (composti
polari). Le classi più rappresentative di composti organici individuati sono
state quelle degli alcoli, chetoni, aldeidi, acidi, esteri e anidridi. Tra queste, i
metaboliti predominati erano quelli derivanti dalla degradazione degli
zuccheri, formatisi presumibilmente a seguito di reazioni tipo Maillard, tra cui
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composti eterociclici volatili come furani, furanoni, pyiranoni, chetoni alchilici
e, in minor misura, pirazine e ossazolidine.
Infine, le inter-relazioni tra i parametri analizzati e i trattamenti post-raccolta
applicati, così come le relazioni tra le variabili investigate, sono state studiate
per mezzo dell’analisi delle componenti principali. La matrice delle
componenti ha evidenziato un significativo raggruppamento dei campioni
analizzati in base al contenuto di derivati degli acidi idrossicinnamici e di
flavonoli, che sembrano quindi buoni candidati per il ruolo di biomarcatori
dello stato fisiologico delle uve. La rappresentazione grafica delle saturazioni
nei tre fattori principali ha permesso di evidenziare chiaramente la
separazione dei gruppi sperimentali sulla base dei trattamenti applicati e ha
evidenziato il ruolo dell’iperoside come possibile marcatore metabolico della
risposta delle uve all’azione dell’ozono.
Additional information
Dottorato di ricerca in Biotecnologie degli alimenti
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