Elemental composition and electrochemical profile of Chilean wines for determination of geographical and varietal origin through chemometric models

Abstract

The biochemical importance that the elements have in the elaboration of the wine, a characterization of the main metals in the wines of the area of the Itata Valley has been proposed. Three geographical zones are distinguished within this territory that is recognized empirically by the producers. As well as vitivinicultural traditions have transcended throughout the time maintaining at present the production of these wines with low chemical and technological intervention. The approach of our study is on the behavior of the elemental fraction content in wine and its potential for geographic differentiation, resorting to chemometric techniques for the analysis of multivariate data, extracting information that relates the concentrations of metals with the quality and denomination of the wines. Besides, non-directed electrochemical studies were included to identify and quickly differentiate the type of cultivar. Specifically, the wines were selected across the Itata valley and the classification focuses on the geomorphological characteristics of east to west. The samples correspond to the artisan wines, elaborated with traditional methodologies and with minimal chemical treatments. The determination of the inorganic components of the wine required a mass spectrometer with inductively coupled plasma or ICP - MS. Techniques with the ability to detect traces of metals up to the ultra-trace levels and, additionally, contain sample reading options (automated sample dilution and isotopic dilutions) capable of counteracting matrix interferences or those caused by determinations multi-analysis To this must be added an optimal sample preparation that manages to establish concentrations accuracy and precision. In the case of wine, this matrix is recognized for its complexity for analysis, coexisting with a large number of compounds distributed in a hydroalcoholic suspension, which constitute approximately 3% of the total fraction of compounds other than water and to ethanol. These, in turn, are organized by the level of concentration in which they are found in wine. Complementarily, the development of an exploratory methodology for the determination of low molecular weight complexes (LMWC) is included, using liquid chromatography with UV detection and Inductively coupled plasma mass spectrometry (SEC / AEC-ICP-MS). Also to the in vitro study of bioavailability for this metals. For the elaboration of the geographic and varietal classification models, classification and prediction models were developed with multivariate statistical tools and chemometric analysis. The classification and prediction methods used included, the exploration techniques such as principal component analysis (PCA) to perform exploratory analyzes and more rigorous mathematical and statistical techniques with which the percentages of classification and error were calculated, among them Soft Modeling Independent of Class Analogies (SIMCA) and Linear Discriminate Analysis (LDA). On the other hand, descriptive research applied to the electrochemical profiles of different wine cultivars was carried out by means of an array of sensors. To generate classification models with electrochemical techniques, it was necessary to use Parallel Factor Analysis (PARAFAC).

Teniendo en cuenta la importancia bioquímica que los elementos tienen en la elaboración del vino, se ha propuesto una caracterización de los principales metales en los vinos de la zona del valle del Itata. Se distinguen dentro de este territorio tres zonas geográficas que son reconocidos empíricamente por los productores. Así como tradiciones vitivinícolas han trascendido a lo largo del tiempo manteniéndose en la actualidad la producción de estos vinos con baja intervención química y tecnológica. Este estudio se enfocó en el comportamiento de la fracción elemental inmersa en el vino y su potencial para la diferenciación geográfica, recurriendo a técnicas quimiométricas para el análisis de datos multivariados, extrayendo información que relacione las concentraciones de los metales con la calidad y denominación de los vinos. En paralelo se incluyeron estudios electroquímicos no dirigidos para identificar y diferenciar de forma rápida el tipo de cultivar. Específicamente los vinos fueron seleccionados a lo ancho del valle del Itata y la clasificación se centra en las características geomorfológicas de este a oeste. Las muestras corresponden a vinos campesinos, elaborados con metodologías tradicionales y con mínimos tratamientos químicos. La determinación de los componentes inorgánicos del vino, requirió de un espectrómetro de masas con plasma de acoplamiento inductivo o ICP – MS. Técnicas con capacidad de detectar vestigios de metales hasta los niveles de ultra trazas y que, adicionalmente, contienen opciones de lectura de muestra (sistemas automatizados de dilución de muestra y diluciones isotópicas) capaces de contrarrestar las interferencias de la matriz o las causadas por las determinaciones multianalisis. A esto debe añadirse una óptima preparación de muestra que consiga establecer con precisión y exactitud las concentraciones. En el caso del vino, esta matriz es reconocida por su complejidad para el análisis, al coexistir con una gran cantidad de compuestos distribuidos en una suspensión hidroalcohólica, los que constituyen aproximadamente un 3% del total de la fracción total de compuestos diferentes al agua y al etanol. Estos a su vez se organizan por el nivel de concentración en que se encuentran en el vino. De forma complementaria se incluye el desarrollo de una metodología exploratoria para la determinación de complejos de bajo peso molecular (LMWC), empleando cromatografía líquida con detección UV y detección por espectrometría de masas con plasma de acoplamiento inductivo (SEC/AEC-ICP-MS). Además del estudio in vitro de biodisponibilidad para los metales. Para la elaboración de los modelos de clasificación geográfica y varietal, se desarrollaron modelos de clasificación y predicción con herramientas estadísticas multivariadas y análisis quimiométrico. Los métodos de clasificación y predicción utilizados incluyeron técnicas de exploración como análisis de componentes principales (PCA) para realizar análisis exploratorios y técnicas con más rigurosidad matemática y estadística con las cuales se calcularon los porcentajes de clasificación y error sobre un porcentaje de predicción, entre ellos Modelado Suave Independiente de Analogías de Clase (SIMCA) y Análisis Discriminate Lineal (LDA). Por otro lado, se realizó la investigación descriptiva aplicada a los perfiles electroquímicos de diferentes cultivares de vinos por medio de un arreglo de sensores. Para generar modelos de clasificación con técnicas electroquímicas, fue necesario el uso del Análisis Paralelo de Factores (PARAFAC).