Valorization of woods from wine ageing and development of methodologies for their reutilization

Abstract

Ageing is a key step in the production of several premium products and has been for long used in the modification of sensory characteristics of alcoholic beverages. Scientific research has unraveled the complex phenomena occurring during ageing, focusing mainly on beverage transformations. This thesis however, sets out on understanding the transformations occurring to cooperage wood when used in ageing beverages, and its impact when reused for ageing subsequent matrices. Study of mass transfer showed that the porous structure of oak wood retains wine, along with its chemical composition. Uptake follows a saturation curve, with rate of uptake influenced by particle size and maximum uptake influenced by wood variety. Several wine volatile compounds are retained in wood, namely esters, alcohols and acids, while wood still maintains some content in its characteristic compounds, namely furans, lactones, phenolic compounds and aldehydes. Research on compound extraction showed that wine volatiles are adsorbed by hydrophobic interactions with wood, generating novel extractable composition. These compounds are subsequently extracted to other matrices when reusing cooperage wood, attaining a novel partition equilibrium. Ethanol concentration was shown to affect significantly extraction of compounds adsorbed by wood, whereas temperature showed no significant effect. Extraction of wood compounds is also affected by ethanol concentration as well as temperature for some compounds. Thus, control of extraction conditions can lead to targeted volatile composition. Impact of wood reuse was demonstrated by reapplying oak chips for the incorporation of volatile compounds in beer, wine and spirits, where beer stood out as a more favorable matrix. By using different wood concentrations and extraction temperatures, different volatile compositions were generated, leading to different perceived sensory characteristics. Transference of wine compounds was also shown in traditional barrel ageing of beer, where ageing methods further impacted volatile composition. A prominence of D. bruxellensis was identified, which motivated its isolation for the development of an accelerated process for beer ageing. D. bruxellensis was applied in co-culture with S. cerevisiae as multi-starter for beer ageing, which allowed the accelerated production of metabolites associated with barrel aged beer. Thus, the added value of used cooperage wood was shown along with methodologies for its reutilization and revalorization.

A maturação é um passo chave na produção de vários produtos premium, e tem sido usada há muito na modificação de características sensoriais de bebidas. A investigação tem desvendado fenómenos complexos que ocorrem durante a maturação, focando principalmente nas transformações da bebida. Esta tese, no entanto, visa compreender as transformações que ocorrem na madeira de tanoaria quando usada na maturação de bebidas, e o seu impacto quando reutilizadas na maturação de matrizes subsequentes. O estudo da transferência de massa mostrou que a estrutura porosa da madeira de carvalho retém vinho, tal como a sua composição química. A absorção segue uma curva de saturação, sendo a taxa influenciada pelo tamanho da partícula e a absorção máxima influenciada pela variedade de madeira. Vários compostos voláteis do vinho são retidos na madeira, nomeadamente ésteres, álcoois e ácidos, enquanto a madeira mantém ainda algum teor em compostos característicos, nomeadamente furanos, lactonas, compostos fenólicos e aldeídos. A investigação da extração mostrou que os voláteis do vinho são adsorvidos por interações hidrofóbicas com a madeira, gerando uma nova composição extrativa. Estes compostos são subsequentemente extraídos para outras matrizes durante a reutilização, com um novo equilíbrio de partição. Demonstrou-se que a concentração de etanol afeta significativamente a extração de compostos adsorvidos, enquanto que a temperatura não mostrou efeitos significativos. A extração de compostos da madeira é também afetada pela concentração de etanol, tal como, para alguns deles, pela temperatura. Portanto, o controlo das condições de extração pode levar a uma composição volátil desejada. O impacto da reutilização foi demonstrado reaplicando aparas de carvalho para a incorporação de compostos voláteis em cerveja, vinho e destilados, onde a cerveja se destacou como matriz mais favorável. Diferentes concentrações de madeira e temperaturas de extração, permitiram obter diferentes composições voláteis, levando à perceção de diferentes características sensoriais. A transferência de compostos foi também demonstrada na maturação de cerveja em barrica, onde os métodos de maturação influenciaram adicionalmente a composição volátil. Foi identificada uma proeminência de D. bruxellensis, motivando o seu isolamento para desenvolvimento de um processo acelerado de maturação de cerveja. Aplicou-se D. bruxellensis em co-cultura com S. cerevisiae como inóculo multi-starter para a maturação de cerveja, permitindo a produção acelerada de metabolitos associados à cerveja maturada. O valor acrescentado da madeira de tanoaria usada foi demonstrado, tal como metodologias para a sua reutilização e revalorização.