Stanovení hliníku a organických kyselin s nízkou molekulovou hmotností ve víně a vzájemný vztah těchto složek

Bc. Alena Janošcová

Master's thesis

Determination of aluminum and low molecular mass organic acids in wine and the relationship of these components

Abstract:

Hliník (Al) je prvkem, který postrádá biologickou funkci a jeho koncentrace ve víně by mohla při nadměrném užívání, potenciálně způsobit vážná onemocnění. Z tohoto důvodu se práce zaměřila na výzkum obsahu Al ve víně, s konkrétní vazností na organické kyseliny, které představují významnou, vysoce reaktivní složku vína. Celkem bylo provedeno měření na 15 vzorcích vína, kde byla pozorována koncentrace Al v rozmezí 624–2302 µg/l. V červeném víně se obsah pohyboval v rozmezí 624–1614 µg/l a v bílém 696–2302 µg/l. Důvodem vyššího obsahu Al v porovnání s červeným je především díky vyšší celkové kyselosti, která umožňuje přestup Al z bentonitu během výroby vína, co naznačuje i silná pozitivní korelace (r = 0,59). V rámci organických kyselin bylo stanoveno 10 z 13 očekávaných kyselin, kdy nejvyšší celková koncentrace ve víně dosahovala až 3387 mg/l. V nejvyšším obsahu byly zastoupené kyselina vinná (445–2040 mg/l), mléčná (54,7–1750 mg/l) a jablečná (3,62–1820 mg/l), méně už kyselina octová (35–212 mg/l), šťavelová (11,6–67,5 mg/l) a galakturonová (6,50–24,8 mg/l), zatímco kyselina citronová (6,05–412 mg/l), mravenčí (0,24–1,70 mg/l), jantarová (17,1–406 mg/l) a fumarová (1,56–3,82 mg/l) nebyly pokaždé stanoveny. Simulováním interakcí reálných koncentrací Al a vybraných organických kyselin pomocí programu Visual MINTEQ 3.1 se odhaduje, že Al může přednostně, tvořit komplexy zejména s kyselinou šťavelovou, citronovou a vinnou. S přihlédnutím na vysokou koncentraci a dobrou schopnost interagovat s hliníkem je v reálném víně očekáván i vznik komplexů s kyselinou jablečnou. Celkový obsah hliníku vázaného na konkrétní organické kyseliny bude však ovlivněn stabilitou komplexu, která bude záviset od hodnoty pH vína. Z experimentálních stanovení vyplívá, že hodnoty pH budou především ovlivňovat vázaní Al při nízkých hodnotách pH (3,01) zejména na kyselinu mléčnou, jantarovou a octovou, méně se vliv tohoto pH projeví u kyseliny jablečné. Zvýšením pH (3,69) se však u těchto kyselin zlepšuje schopnost stabilně Al vázat, což se projevilo dodatečným poklesem signálu měřitelných molekul. U kyseliny jablečné a mléčné přibližné o 24 %, jantarové o 43 % a octové až o 67 %. Kyseliny šťavelová, vinná a citronová nebudou změnou pH ovlivněny skoro vůbec, jejich schopnost vázat stabilně hliník se změní jen o 6 %. Rozsah interakce Al s organickými kyselinami bude primárně určen hodnotou disociační konstanty kyseliny (pKa), která definuje schopnost molekuly udržet negativní náboj a setrvat v disociovaném stavu v závislosti od podmínek pH, kdy nižší hodnoty pKa budou potenciálně vázaný Al zvyšovat. Významný faktor bude rovněž počet karboxylových skupin v molekule, díky čemu bude Al daleko silněji vázán na molekulách se dvěma nebo třemi karboxylovými skupinami. Bez ohledu na hodnotu pH vína bude Al ve značné míře však vázán na organické kyseliny.

Abstract:

Aluminium (Al) element lacking a positive biological function and its high content in wine could cause some serious diseases if consumed in excess For this reason, the aluminium content in wine, with a specific link to organic acids, which represent an important highly reactive component of wine was investigated in this work. In total, measurements on 15 wine samples determined the Al content in the range of 624–2302 µg/l. In red wine its concentrations ranged from 624–1614 µg/l and in white wine they reached 696–2302 µg/l. The reason for the higher Al content in white wine compared to red wines is due to the higher total acidity, which allowed transfer of Al from bentonite during the processing and is indicated by strong positive correlation (r = 0.63). Content of 10 of the 13 expected organic acids was subsequently determined, with the highest total acid concentration in the sample reaching 3387 mg/l. The most abundant were tartaric (445–2040 mg/l), lactic (54.7–1750 mg/l) and malic (3.62–1820 mg/l) acid, lower content was observed for acetic (35–212 mg/l), oxalic (11.6–67.5 mg/l) and galacturonic (6.50–24.8 mg/l) acid, while citric (6.05–412 mg/l), formic (0.24–1.70 mg/l), succinic (17.1–406 mg/l) and fumaric (1.56–3.82 mg/l) acid were determined only in some samples. By simulating the interactions of realistic concentrations of Al with selected organic acids using Visual MINTEQ 3.1, it was shown that in selected samples, Al will form complexes predominantly with oxalic, citric and tartaric acid, but if the abundance and reactivity of malic acid is also taken into consideration, formation of complexes with malic acid will is also expected to occur in real wine. Total Al content bound to specific acids will be influenced by the complex stability, which will depend on pH level of wine. From experimental results is obvious, that pH value will mainly influence Al bonding at low pH (3.01) especially for lactic, succinic, and acetic acid, less so for malic acid. On the other hand, increase of pH (3.69) will lead to drastic improvement in ability to bond the aluminium, as addiotional decrease in measurable molecule content was observed. For malic and lactic acid by 24 %, succinic acid by 43 % and acetic acid by 67 %. Oxalic, citric and tartaric acids won’t be influenced by pH significantly, as their ability to interact with Al changed only by 6 %. Scale of Al interaction with organic acids will be given by value of acid dissociation constant (pKa), which defines the ability of molecule to retain the negative charge and remain in dissociated (reactive) state depending on pH value. Lower the pKa, higher potential for Al bonding. Other important factor is the number of carboxyl groups in molecules, where Al bonding will be much greater with organic acids with two or three carboxyl groups. Despite the pH value of wines, the content of organic acids bound Al will be significant.

Keywords

hliník, organické kyseliny, pH, víno

Keywords

aluminium, organic acids, pH, wine

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 15. 4. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 16. 5. 2023
• Supervisor: Mgr. Filip Polák, Ph.D.
• Reader: Slavomír Čerňanský, externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Master programme:
Food Quality and Processing of Agricultural Products