DESARROLLO DE ESPUMANTE DE NARANJA-ESTUDIO DE LA FORMACIO N DE BURBUJAS APLICANDO ANA LISIS DE IMA GENES TESIS DOCTORAL Presentada por: Marí a Cristina Cayetano Arteaga Dirigida por: Dra. Marí a Luisa Gras Romero Dra. Marí a del Carmen Schvab Dr. Eduardo Boido Noviembre de 2015 A mis hijos, que desbordan mis días de energía y amor infinito, A mi familia, los que están aquí y los que desde alguna estrella me sonríen. 2 Agradecimientos Esta es la parte más grata del trabajo de tesis…después de tantos años llegar a la meta y mirar el camino recorrido para decir… ¡GRACIAS! A María del Carmen, Marisa, y Eduardo, por haber aceptado el desafío de orientarme y guiarme en este proyecto, porque siempre estuvieron atentos y disponibles cuando los requería, brindándome enseñanzas, consejos y aliento, ¡un orgullo haber sido dirigida por ustedes! A Mercedes, por tanta comprensión, compañía, sabias palabras y confianza A Andreína, porque encaramos este proyecto juntas, con muchas ganas y grandes dudas, compartimos charlas, logros y desvelos por los aromas y burbujas de los espumantes de naranja A Carina y Rodrigo, por tantas muestras analizadas y espumantes elaborados juntos A Patricia y Vanessa y Claudia, que con sus amables sonrisas siempre estuvieron dispuestas para hacer los ensayos A Cristina, Liliana, Flavia, Patricia, Delia, Gabriela, Romina, Verónica, Evangelina, Jorge, Fabricio, Ricardo, integrantes del panel sensorial que estuvieron cada viernes puntualmente y con la mejor disposición Al Dr Fernando Zamora que gentilmente realizó determinaciones analíticas impensables de realizar en Argentina, y trasladó las muestras personalmente hasta su laboratorio en Catalunya A Mercedes y Patricia por haber creído en mí y recomendarme para la beca A las docentes del Departamento de Inglés por los abstracts y consejos A las autoridades de la Facultad y de la Universidad, que realizaron las gestiones para acercarnos la posibilidad de realizar estos estudios 3 A todos los compañeros de trabajo de la Facultad de Ciencias de la Alimentación especialmente a Jorge, Claudio y Daniel, siempre dispuestos a colaborar A la UNER por los fondos proporcionados para realizar esta tesis a través del proyecto de investigación A las empresas de la región que colaboraron con materiales para las producciones A todos los que nos acercaron botellas (vacías) para reutilizar en los espumantes de naranja A mis amigos que estuvieron atentos, siempre con palabras de aliento y esperando el brindis A Ricardo mi compañero de vida, que supo bancarse los cambios de ánimo y las ausencias por estudiar A mis hijos Amparo, Sebastián, Eugenia y Micaela, este logro es por y para ellos, porque cada vez que la tarea me superaba al verlos entendía que la esperanza debe renovarse siempre A mis sobrinos, especialmente Lucía, Nacho, Fede, Santi y Sofi, a Florencia, a mis hermanas Margarita, Ana e Isabel, a mi madre, a mi suegra, a mis cuñados y concuñadas, a mis tíos gracias por compartir mi alegría ¡GRACIAS a Dios por tantas bendiciones! 4 RESUMEN En la región de Salto Grande el desarrollo de la citricultura es de una gran significación histórica, social y económica. Ligada a la producción citrícola se han generado emprendimientos relacionados a la producción primaria y a la industrialización. En la Facultad de Ciencias de la Alimentación se han estudiado las posibilidades de biotransformación de jugos de naranja, para generar productos innovadores con mayor valor agregado, y atractivos para los consumidores. Así se desarrolló el “espumante de naranja” obtenido a partir de vino base de naranja, adaptando el tradicional método “champenoise”. La característica de identidad y calidad de este producto es la formación y liberación de burbujas al servir una copa de espumante. Los objetivos planteados en esta tesis fueron desarrollar el producto “espumante de naranja”, describir la cinética de formación de burbujas aplicando técnicas de análisis de imágenes y analizar las características de calidad físicas, químicas y sensoriales del producto final, así como las condiciones de proceso, con la capacidad de formación de burbujas del producto “espumante de naranja”. Se estudió la influencia del tiempo de añejamiento de los espumantes en contacto con las borras, obteniendo espumantes de 9, 12 y 18 meses; y el efecto del agregado de chips de levaduras en el licor de tirage. Para caracterizar el producto final se realizaron determinaciones químicas básicas: graduación alcohólica, pH, acidez, contenido de azúcares, glicerol, anhídrido sulfuroso, y se midieron propiedades físicas: densidad, viscosidad, tensión superficial. Para evaluar sensorialmente el espumante se diseñó una ficha de cata y se entrenó un panel sensorial, haciendo énfasis en las características de la espuma y de las burbujas. Para observar la formación de burbujas y estudiar la cinética de desarrollo de las mismas, se analizaron videos digitales capturados durante el llenado de copas de cristal, con espumante de naranja, en condiciones similares a las de degustación. Los videos capturados se analizaron y procesaron con software Image J, programa de libre distribución, con licencia de dominio público. Los datos se procesaron utilizando software estadístico Statgraphic Centurion®. El espumante de naranja resultó un producto finamente gasificado, de coloración ligeramente ambarina, translúcido. La caracterización del espumante de naranja se realizó integrando diferentes técnicas analíticas, sensoriales y aplicando análisis de imágenes que resultaron complementarias para describir aspectos diferentes del producto. La combinación de variables de proceso permitió elaborar espumantes de naranja con características fisicoquímicas 5 comparables a los vinos espumantes comerciales, excepto por los valores de acidez total, levemente superior en los espumantes de naranja; los diferentes tiempos que se mantuvieron en contacto con las lías y la utilización de chips de levaduras en el licor de tirage, no afectaron significativamente la mayoría de las características fisicoquímicas estudiadas de estos espumantes. Los polisacáridos evolucionaron durante el añejamiento, aumentando los contenidos con ambas formulaciones de licor de tirage, mayores en el caso de los espumantes elaborados con aregado de chips de levaduras. Para analizar la influencia de los tiempos de añejamiento se deberían elaborar nuevos espumantes y observar su evolución en tiempos más cortos en contacto con las lías, para observar si el agregado de chips provoca un acortamiento efectivo de los tiempos de añejamiento, y se logran mejores características espumantes. Los resultados de la evaluación sensorial mostraron que la velocidad de ascenso de las burbujas es moderada así como la efervescencia en boca, resultando un producto con una valoración global satisfactoria. El análisis estadístico reveló que no se observaron diferencias significativas entre los diferentes tratamientos por lo que en base a estas conclusiones y las obtenidas del análisis fisicoquímico, se seleccionó el espumante con las mejores puntuaciones para realizar el procesamiento y análisis de imágenes. Del procesamiento de las imágenes obtenidas al filmar la evolución de la espuma generada al servir una copa de espumante, se calcularon características de la corona (persistencia, tamaño, radio crítico antes de colapsar); la frecuencia con que se generan y ascienden burbujas, y tasas de crecimiento de los trenes de burbujas durante su ascenso. En base a estos datos se calcularon valores casi instantáneos de los parámetros que definen el régimen de flujo (velocidad, aceleración) y aproximarse así al comportamiento local, microscópico del fluído. Utilizando esta técnica instrumental no destructiva, se pueden observar las propiedades espumantes en condiciones similares a las de degustación que experimenta un consumidor real, se lograron especificar parámetros que permiten describir las propiedades de las burbujas de espumante de naranja. El análisis de imágenes permitió obtener cuantitativamente valores de velocidad de ascenso de burbujas, frecuencia de generación, tasa de crecimiento, radios finales, tiempos de permanencia de la espuma que pueden relacionarse directamente con los atributos sensoriales velocidad de burbujas, efervescencia, tamaños de burbuja, corona, abundancia y persistencia de la espuma. De esta manera se podría evaluar de forma 6 integral la capacidad espumante de un producto. Las propiedades fisicoquímicas analizadas en combinación con los resultados obtenidos del análisis de imágenes posibilitaron describir la cinética de ascenso de las burbujas de espumante ajustando a un modelo que sigue la ley de Stokes modificada para champagne. Estos resultados permitirán avanzar en la descripción de la hidrodinámica que controla el ascenso de las burbujas, para lo que se deberán tomar como referencia los fundamentos de difusión molecular, fuerzas viscosas, inerciales y de tensión superficial. 7 ABSTRACT Citrus production has had a great social, historic as well as economic impact in Salto Grande region and it has lead to many developments related to primary production and industrialization. Many researches have been carried out in Faculty of Food Science on biotechnological transformations of orange juices, in order to generate innovative products, attractive for consumers, with added value. Thereby it has been developed the orange sparkling wine, obtained by second fermentation in bottle of a still orange wine, adjusting the traditional “champenoise” method. The main quality characteristic of this product is effervescence; bubbles form and ascend through the fluid mass when a bottle of sparkling wine is uncorked. The objectives of this thesis were to develop the “orange sparkling wine”, to describe the kinetics of bubbles released in a glass of wine applying image analysis and to analyse physical, chemical and sensory characteristics of the final product, as well as processing conditions, that could affect foaming properties. The influence of length of time in contact with yeasts was studied, orange sparkling wines were kept 9, 12 and 18 months aging on lees. In addition, the effect of autholised yeasts addition in the tirage liquor to enhance foaming properties was analysed. In order to describe the orange sparkling wine, chemical characteristics were determined: alcoholic degree, pH, acidity, sugar content, glycerol, sulphur dioxide. Physical properties such as density, viscosity, surface tension were measured. A special test chart to describe effervescence, nucleation, ascend and collapse of bubbles was deisgned to develop sensorial description of foaming features. A sensorial panel was specially trained to evaluate these characteristics, focusing on foam and bubble trains. In order to study bubbles ascent kinetic, digital videos were captured in real time, after pouring a glass of sparkling wine in similar conditions to those that a consumer experiments. Videos were processed and analysed using Image J, free software. Data analyses were carried out with Statgraphic Centurion® statistical package. The sparkling orange wines showed soft effervescence, and a transparent, brilliant, light amber colour. Analytical techniques were complemented with sensory evaluation and image analysis to describe final characteristics of this product. The combination of process conditions and factors involved, allowed us to obtain orange sparkling wine with similar physicochemical characteristics to commercial sparkling wines obtained from grapes, with the exception of acidity values that were always higher for orange sparkling wines. Different aging time in contact with lees did not affect significantly most of the physicochemical characteristics studied in these wines as neither did the addition of 8 autholised yeast. Polysaccharides levels increased during aging time in both formulations of tirage liquor and they were also higher in all samples of sparkling wines with autholised yeasts added. To deeply understand the influence of aging time on foaming properties, orange sparkling wine with shorter periods of time in contact with lees should be produced. Sensory evaluation results showed that effervescence is quite soft and the bubbles speed is moderate. All final products got a satisfactory global score. Statistical analysis showed there were no significant differences between samples obtained from different treatments. Both the physicochemical analysis values and the aforementioned results allowed the selection of the orange sparkling wine with the best characteristics to perform the digital analysis. The images obtained from the videos caught from a glass of sparkling wine, were processed, thus it was possible to follow foaming evolution as well as many other parameters. Persistence, size and critical radio before collapse were calculated to describe the foam ring formed at the periphery of a flute poured with the wine, the collar height; frequency of bubbles nucleation, as well as growing rates, that characterized each bubbles train, were measured. Using these parameters values, it was possible to modell kinetic flow regime at millimetric scale, and almost instant characteristics of speed and acceleration were estimated. An instrumental non-destructive technique, enabled us to investigate effervescence and foaming features, in conditions much closer to the real ones that a consumer enjoy while tasting a sparkling wine. The image analysis allowed us to quantify speed, frequency, growing rates, final size and persistence of foam. All these results were related to qualitative sensory attributes: velocity of bubbles, frequency of bubbles formation, size of bubbles, foam stability, thus enabling a thorough assessment of foaming properties that characterized the orange sparkling wine obtained. Image analysis results and the physicochemical determinations altogether allowed the thoroughly description of bubbles kinetic that fit a modified Stoke´s law. These parameters will be used to describe the hydrodynamic of bubbles ascent, applying principles of molecular diffusion. 9 RESUM En la regió de Salto Grande (Argentina) el desenrotllament de la citricultura és d'una gran significació històrica, social i econòmica. Lligada a la producció citrícola s'han generat emprendimientos relacionats a la producció primària i a la industrialització. En la Facultat de Ciències de l'Alimentació s'han estudiat les possibilitats de biotransformación de sucs de taronja, per a generar productes innovadors amb major valor agregat, i atractius per als consumidors. Així es va desenrotllar el "espumante de naranja" obtingut a partir de vi base de taronja, adaptant el tradicional mètode "champenoise". La característica d'identitat i qualitat d'este producte és la formació i alliberament de bambolles al servir una copa d'espumen-te. Els objectius plantejats en esta tesi van ser desenrotllar el producte "espumante de naranja", descriure la cinètica de formació de bambolles aplicant tècniques d'anàlisi d'imatges i analitzar les característiques de qualitat físiques, químiques i sensorials del producte final, així com les condicions de procés, amb la capacitat de formació de bambolles del producte "espumante de naranja". Es va estudiar la influència del temps d'envelliment dels espumantes en contacte amb les borres, obtenint espumantes de 9, 12 i 18 mesos; i l'efecte de l'agregat de xips de rents en el licor de tirage. Per a caracteritzar el producte final es van realitzar determinacions químiques bàsiques: graduació alcohòlica, pH, acidesa, contingut de sucres, glicerol, anhídrid sulfurós, i es van mesurar propietats físiques: densitat, viscositat, tensió superficial. Per a avaluar sensorialment l'espumen- te es va dissenyar una fitxa de tast i es va entrenar un panell sensorial, fent èmfasi en les característiques de la bromera i de les bambolles. Per a observar la formació de bambolles i estudiar la cinètica de desenrotllament de les mateixes, es van analitzar vídeos digitals capturats durant l'ompliment de copes de vidre, amb espumen-te de taronja, en condicions semblants a les de degustació. Els vídeos capturats es van analitzar i van processar amb programari Image J, programa de lliure distribució, amb llicència de domini públic. Les dades es van processar utilitzant programari estadístic Statgraphic Centurion®. L'espumen-te de taronja va resultar un producte finament gasificat, de coloració lleugerament ambarina, translúcid. La caracterització de l'espumen-te de taronja es va realitzar integrant diferents tècniques analítiques, sensorials i aplicant anàlisi d'imatges que van resultar complementàries per a descriure aspectes diferents del producte. La combinació de variables de procés va permetre 10