Modelisation of Heat Treatment of Portuguese Oak Wood (Quercus pyrenaica L.). Analysis of the Behaviour of Low Molecular Weight Phenolic Compounds.

 

Sara Canas¹, Nelson Grazina², A. Pedro Belchior¹, M. Isabel Spranger¹, R. Bruno de Sousa³

 

¹ Estação Vitivinícola Nacional. INIA. 2565-191 DOIS PORTOS. Portugal. E-mail: inia.evn@mail.telepac.pt

² Estagiário do Instituto Superior de Humanidades e Tecnologias

³ Instituto Superior de Agronomia -Departamento de Química Agrícola e Ambiental. Tapada da Ajuda. LISBOA.Portugal

E-mail: bruno@reitoria.utl.pt

(Manuscrito recebido em 10.10.00. Aceite para publicação em 28.11.00)

 

 

SUMMARY

The heat treatment is of primary significance for the barrel quality. In the last fifteen-years many papers have been focused on the effects of heat treatment on the phenolic composition of French and American oak woods, but the oak species grown in Portugal traditionally used in Portuguese cooperage have never been studied. In this study we characterised the toasting levels with temperature and time by modelling, in laboratory, the heat treatment applied to barrels of a Portuguese oak wood (Quercus pyrenaica L.) during coopering. The effect on some phenolic acids and aldehydes was assessed by HPLC. In all toasting levels and throughout the depth, it was found that the best curve to fit the data was given by a 5^th degree polynomial equation. The analysis of phenolic composition indicates that the optimization of this technological operation, in order to maximize the quality of the wood barrels, implies the control of both temperature and time. The results also show that the time has a secondary role in comparison with temperature. The phenolic fraction trends to increase with toasting temperature over time. These effects essentially derive from the increment of ellagic acid and phenolic aldehydes contents, as a consequence of ellagitannins and lignins degradations respectively. Except for ferulic acid, it was observed a decrease of phenolic compounds contents from the surface layer (0 to 2 mm) to the depth layer (2 to 4 mm) of the stave. This could be due to the higher temperature in the surface layer, which certainly causes more intense degradation of the wood constituents, as well as the modification of wood physical and structural properties. Ellagic acid has a more pronounced decrease than the lignin breakdown products throughout the depth, which could indicate that ellagitannins are more affected than lignins.

 

 

RESUMO

Modelização do tratamento térmico de madeira de carvalho português (Quercus pyrenaica L.). Análise do comportamento dos compostos fenólicos de baixo peso molecular.

O tratamento térmico constitui um factor determinante da qualidade da quartola. Nos últimos 15 anos muitos foram os trabalhos que abordaram os efeitos do tratamento térmico na composição fenólica de carvalhos franceses e americanos. Já as espécies cultivadas em Portugal e tradicionalmente utilizadas em tanoaria nunca foram objecto deste tipo de estudo. No presente trabalho é efectuada a caracterização do nível de queima em madeira de carvalho português (Quercus pyrenaica L.) com base na temperatura e no tempo, através da simulação laboratorial do tratamento térmico em tanoaria. A evolução da temperatura com o tempo, em qualquer dos níveis de queima e ao longo da profundidade da madeira, é explicada por um modelo matemático não linear (polinómio de 5º grau). A determinação dos teores de alguns ácidos e aldeídos fenólicos da madeira foi efectuada por HPLC. Pela análise da composição fenólica constata-se que a optimização do tratamento térmico, no sentido de maximizar a qualidade das quartolas produzidas, implica o controlo da temperatura e do tempo. A fracção fenólica tende a aumentar com a temperatura ao longo do tempo. Estes efeitos resultam essencialmente do aumento dos teores de ácido elágico e de aldeídos fenólicos, em consequência da degradação dos taninos elágicos e das lenhinas, respectivamente. À excepção do ácido ferúlico, observa-se um decréscimo dos teores dos compostos fenólicos da camada mais superficial (0 a 2 mm) para a camada subjacente (2 a 4 mm) da aduela. Este facto pode ser atribuído à temperatura mais elevada à superfície, a qual será certamente responsável por uma degradação mais intensa dos constituintes da madeira, bem como pela alteração da estrutura e propriedades da mesma. A diminuição mais acentuada do ácido elágico relativamente aos produtos de degradação da lenhina, ao longo da profundidade, poderá ser indicadora de uma maior afectação dos elagitaninos face às lenhinas.

 

 

RÉSUMÉ

Modélisation de la chauffe du bois de chêne portugais (Quercus pyrenaica L.). Analyse du comportement des composés phénoliques de faible poids molecular.

Les opérations de chauffe représentent un facteur fondamental de la qualité d’une barrique. Dans les dernières quinze années beaucoup de recherche ont été effectuée sur les effets de la chauffe sur la composition phénolique du bois des chênes français et américains. Cette recherche n’a pas été faite pour les espèces du Portugal qui sont utilisées par la tonnellerie. Dans ce travail il est réalisé la caractérisation des niveaux de brûlage de bois de chêne portugais (Quercus pyrenaica L.) par mesure de la température et du temps de chauffe au laboratoire. L’évolution de la température avec le temps, à différents dans niveaux de brûlage et de profondeur du bois est expliqué par un modèle mathématique non linéaire (polynôme de 5^éme degré). La détermination des teneurs de quelques acides et aldéhydes phénoliques dans le bois a été réalisée par HPLC. Par l’analyse de la composition phénolique on vérifie que l’optimisation du brûlage, dans le sens de maximiser la qualité des barriques, conduit au contrôle de la température et du temps de chauffage. La fraction phénolique à tendance à augmenter avec la température tout au long du temps. Ces effets résultent surtout de l’augmentation des teneurs de l’acide ellagique et des aldéhydes phénoliques, en conséquence de la dégradation des ellagitanins et des lignines. Á l’exception de l’acide férulique on observe une diminution des composés phénoliques de la couche superficielle (0 -2 mm) par rapport à la couche subjacente (2 -4 mm) du merrain. On peut attribuer ce fait à une température plus élevée en surface, laquelle sera certainement responsable par une plus intense dégradation des composants du bois, ainsi que pour l’altération de la structure et propriétés du même. La plus forte diminution de l’acide ellagique comparativement aux produits de la dégradation de la lignine, tout au long de la profondité, peut indiquer une plus grande degradation des ellagitanins par rapport aux lignines.

 

 

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REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

 

Artajona J., Barbero E., Llobet M., Marco J., Parente F., 1990. Influence du “bousinage” de la barrique sur les qualites organoleptiques des brandies viellies en fûts de chêne. In: Les eaux-de-vie traditionnelles d’origine viticole. 197-205. Bertrand, A. (ed.), Lavoisier -Tec & Doc, Paris.

Baldwin G., 1995. Oak barrels -revisiting old issues. The Austr. Grape Grap. Winemaker, 25-27.         [ Links ]

Belchior A.P., 1995. Tecnologias de utilização de madeiras no envelhecimento de aguardentes e vinhos. 77 p. INIA -EVN, Dois Portos.

Belchior A.P., Caldeira I., Tralhão G., Costa S., Lopes C., Carvalho E., 1998. Incidência da origem e queima da madeira de carvalho (Q. pyrenaica, Q. robur, Q. sessiliflora, Q. alba/ stellata+Q.lyrata/bicolor) e de castanho (C. sativa) em características fisico-químicas e organolépticas de aguardentes Lourinhã em envelhecimento. Ciência Tec. Vitiv., 13 (1-2), 107118.

Biermann C.S., Mc Ginnis G., Schultz T.P., 1987. Scanning electron microscopy of mixed hardwoods subjected to various pretreatment process. J. Agric. Food Chem., 35, 713-716.

Bourgois J., Guyonnet R., 1988. Characterization and analysis of torrified wood. Wood Sci. Technol., 22, 143-155.

Bricout K., 1971. Analyse de quelques constituants dérivés du chêne dans les vieillies eaux-de-vie d’Armagnac. Ann. Technol. Agric., 20, 217-223.

Caldeira I., Canas S., Belchior A.P.., 1996. Optimização das condições de extracção de aparas de madeira. Relatório interno, Secção de aguardentes, EVN -INIA.

Canas S., Leandro M.C., Spranger M.I., Belchior A.P., 1999. Low molecular weight organic compounds of chestnut wood (Castanea sativa L.) and corresponding aged brandies. J. Agric. Food Chem., 47 (12), 5023-5030.

Canas S., Leandro M.C., Spranger M.I., Belchior A.P., 2000. Influence of botanical species and geographical origin on the content of low molecular weight phenolic compounds of woods used in Portuguese cooperage. Holzforschung, 54 (3), 255-261.

Cantagrel R., Mazerolles G., Vidal J.P., Galy B., Boulesteix J.M., Lablanquie O., Gaschet J., 1992. Evolution analytique et organoleptique des eaux-de-vie de Cognac au cours du vieillissement. 2ª partie: Incidence de la temperature et de l’hygrometrie des lieux de stockage. In: Elaboration et connaissance des spiritueux. 573 -576. Cantagrel R. (ed.), Lavoisier -Tec & Doc, Paris.

Carvalho A., 1998. Identificação anatómica e caracterização física e mecânica das madeiras utilizadas no fabrico de quartolas para produção de aguardentes velhas de qualidade - denominação Lourinhã. Ciência Tec. Vitiv., 13 (1-2), 71-105.

Chatonnet P., 1995. Influence des procédés de tonnellerie et des conditions d’élevage sur la composition et la qualité des vins élévés en fûts de chêne. Thèse doctorat de l’Universite de Bordeaux II. Institut d’Oenologie.

Chatonnet P., 1999. Discrimination and control of toasting intensity and quality of oak wood barrels. Am. J. Enol. Vitic., 50 (4), 479-494.

Chatonnet P., Boidron J.N., 1989. Incidence du traitement thermique du bois de chêne sur sa composition chimique. 1^ere Partie: Définition des paramètres thermiques de la chauffe des fûts en tonnellerie. J. Intern. Sci. Vigne Vin, 23 (2), 77-87.

Chatonnet, P., Boidron, J.N., Dubourdieu, D., 1993. Maitrise de la chauffe de brulage en tonnellerie. Application à la vinification et à l’elevage des vins en barriques. Rev. Fr. Oenol., 144, 41-53.

Chatonnet P., Boidron J.N., Dubourdieu D., Pons M., 1994. Évolution des composés polyphénoliques du bois de chêne au cours de son séchage. Premiers résultats. J. Intern. Sci. Vigne Vin, 28, 337-357.

Chatonnet P., Boindron J.N., Pons M., 1989. Incidence du traitement thermique du bois de chêne sur sa composition chimique. 2e Partie: Evolution de certains composés en function de l’intensité de brûlage. J. Intern. Sci. Vigne Vin, 23 (4), 223-250.

Fengel D., Wegener G., 1989. In: Wood. Chemistry, Ultrastructure, Reactions. Walter de Gruyter, Berlin.

Francis I.L., Sefton M.A., Williams P.J., 1992. A study by sensory descriptive analysis of the effects of oak origin, seasoning, and heating on the aromas of oak model wine extracts. Am. J. Enol. Vitic., 43 (1), 23-30.

Goldschmidt N., 1999. Cooper vs forests: which is more important? Am.J.Enol.Vitic., 50 (4), 537-538.

Guymon J.F., Crowell E.A., 1968. Separations of vanillin, syringaldehyde and other aromatic compounds in the extracts of french and american oak woods by brandy and aqueous alcohol solutions. Qual. Plant. Materiae, 16, 302-333.

Guymon J.F., Crowell E.A., 1970. Brandy aging. Some comparisons of American and French oak cooperage. Wines & vines, 23-25.

Hale M.D., McCafferty K., Larmie E., Newton J., Swan J.S., 1999. The influence of oak seasoning and toasting parameters on the composition and quality of wine. Am. J. Enol. Vitic., 50 (4), 495-502.

Holman J.P., 1989. Heat tranfer. 676p. McGraw-Hill Book Co, Singapore.

Keller R., 1992. Les chênes dans le monde. Les chênes de tonnellerie en France: Quercus petraea et Quercus robur. J. Intern. Sci. Vigne Vin, nº special, 7-28.

Lavergne J., Olivier J., Thomas Y., Raffier C., 1990. Origine geographique des grumes -“bousinage” et gestion des futs neufs - incidences sur la composition des Cognacs. In: Les eaux-de-vie traditionnelles d’origine viticole. 206 - 212. Bertrand, A. (ed.), Lavoisier - TEC & DOC, Paris.

Marco J., Artajona J., Larremi M.S., Rius F.X., 1994. Relationship between geographical origin and chemical composition of wood of oak barrels. Am. J. Enol. Vitic., 45, 192-200.

Martinez R.G., Serrana H.L.G, Mir M.V., Granados J.Q., Martinez M.C.L., 1996. Influence of wood heat treatment, temperature and maceration time on vanillin, syringaldehyde and gallic acid contents in oak wood and wine spirit mixtures. Am. J. Enol. Vitic., 47, 441-446.

Masson G., Guichard E., Fournier N., Puech J.-L., 1997. Teneurs en stéréo-isomères de la β-méthyl-γ-octalactone des bois de chêne européens et américains. Application aux vins et eaux-de-vie. J. Sci. Tech. Tonnellerie, 3, 1-8. Matricardi L., Waterhouse A.L., 1999. Influence of toasting technique on color and ellagitannins of oak wood in barrel making. Am. J. Enol. Vitic., 50 (4), 519-526.

Miller D.P., Howell G.S., Michaelis C.S., Dickmann D.I., 1992. The content of phenolic acid and aldehyde flavor components of white oak as affected by site and species. Am. J. Enol. Vitic., 43, 333-338.

Monties B., 1992. Composition chimique des bois de chêne: composés phénoliques, relations avec quelques propriétés physiques et chimiques susceptibles d’influencer la qualité des vins et eaux-de-vie. In: Le bois et la qualité des vins et eaux-de-vie. 59-72. Vigne et Vin Publications Internationales, Martillac.

Mosedale J.R., Ford A., 1996. Variation of the flavour and extractives of European oak wood from two French forests. J. Sci. Food Agric., 70, 273-287.

Mosedale J.R., Savill P.S., 1996. Variation of heartwood phenolics and oak lactones between the species and phenological types of Quercus petraea and Q .robur. Forestry, 69 (1), 47-55.

Moutounet M., Masson G., Scalbert A., Baumes,R., Lepoutre J.P., Puech J.L., 1995. Les facteurs de variabibilité de la composition des eaux-de-vie en extractibles du bois de chêne. Revue Fr. Oenol., 151, 25-31.

Moutounet M., Rabier P., Sarni F., Scalbert A., 1992. Les tanins du bois de chêne. Les conditions de leur présence dans les vins. In: Le bois et la qualité des vins et eaux-de-vie. 75-79. Vigne et Vin Publications Internationales, Martillac.

Nishimura, K., Ohnishi, M., Masahiro, M., Kunimasa, K., Ryuichi, M., 1983. Reactions of wood components during maturation. In: Flavour of distilled beverages: origin and development. 241 -255. Piggott, J.R. (ed.), Ellis Horwood Limited, Chichester.

Pontallier P., Salagoity-Auguste M.-H., Ribéreau-Gayon P., 1982. Intervention du bois de chêne dans l’évolution des vins élevés en barriques. Conn. Vigne Vin, 16 (1):45-61.

Puech J.-L, Jouret C., Goffinet B., 1985. Évolution des composés phénoliques du bois de chêne au cours du vieillissement de l’armagnac. Sci. Aliments, 5, 379-391.

Puech J.-L, Leauté R., Clot G., Nomdedeu L., Mondies H., 1984. Évolution de divers constituants volatiles et phénoliques des eaux de vie de cognac au cours de leur vieillissement. Sci. Aliments, 4, 65-80.

Rabier P., Moutounet M., 1990. Evolution d’extractibles de bois de chêne dans une eau-de-vie de vin. Incidence du thermotraitement des barriques. In: Les eaux-de-vie traditionnelles d’origine viticole. 220-230. Bertrand, A. (ed.), Lavoisier -TEC & DOC, Paris.

Ractliffe J.F., 1967. In: Elements of mathematical statistics. 224p. Crank J. e Ritchie C.C. (ed.), Oxford University Press, London.

Reazin G.H., 1981. Chemical mechanisms of whiskey maturation. Am. J. Enol. Vitic., 32, 283289.

Rous C., Alderson B., 1983. Phenolic extraction curves for white wine aged in French and American oak barrels. Am. J. Enol. Vitic., 34 (4), 211-215.

Salagoity-Auguste M.H., Tricard C., Marsal F., Sudraud P., 1987. Preliminary investigation for the differentiation of enological tannins according to botanical origin: determination of gallic acid and its derivatives. Am. J. Enol. Vitic., 37, 301-303.

Sarni F., Moutounet M., Puech J.-L., 1990a. Compóses phenoliques de copeaux de bois de chêne. In: Les eaux-de-vie traditionnelles d’origine viticole. 231-239. Bertrand, A. (ed.), Lavoisier - TEC & DOC, Paris.

Sarni F., Moutounet M., Puech J.-L., Rabier Ph., 1990b. Effect of heat treatment of oak wood extractable compounds. Holzforschnung, 44, 461-466.

Sarni F., Rabier P., Moutounet M. 1990c. Fabrication des barriques et thermotraitements: relevé des températures. Rev. Franc. Oenol., 123, 53-58.

Scalbert A., Lapierre C., 1994. Ellagitanins et lignines du coeur de chêne. Structure et évolution au cours du vieillissement du bois. Revue Oenologues, 71, 9-12.

Scalbert A., Monties B., Dupouey J.L., Becker M., 1986. Polyphenols extractibles du bois de chene: variabilite interspecifique, interindividuelle et effet de la duraminisation. In: Proceedings of the XIII^th . International Conference of the Groupe Polyphénols, 13, 617-619.

Sefton M.A., Francis I.L., Pocock K.F., Williams P.J., 1993. The influence of natural seasoning on the concentrations of eugenol, vanillin, and cis- and trans-ß-methyl-γ-octalactone extracted from french and American oakwood. Science Aliments, 13, 629-643. Towey J.P., Waterhouse A.L., 1996. The extraction of volatile compounds from French and American oak barrels in Chardonnay during three sucessive vintages. Am. J. Enol. Vitic., 47 (2), 163-172.

Viriot C., Scalbert A., Lapierre C., Moutounet M., 1993. Ellagitannins and lignins in aging of spirits in oak barrels. J. Agric. Food Chem., 41, 1872-1879.

Viriot, C., Scalbert A., Lapierre C., Moutounet M., Hervé du Penhoat C.L.M., 1992. Polyphénols du bois de chêne et vieillissement des cognacs en fût. In: Élaboration et connaissance des spiritueux. 400-409. R. Cantagrel (ed.), Lavoisier -Tec & Doc, Paris.

Vivas N., Gaulejac N.S-C., Doneche B., Glories Y., 1997. The duration effect of natural seasoning of Quercus petraea Liebl. and Quercus robur L. on the diversity of existing fungi flora and some aspects of its ecology. J. Sci. Tech. Tonnellerie, 3, 27-35.

Vivas N., Glories Y., 1996. Étude et optimisation des phénoménes impliqués dans le sechage naturel du bois de chêne. Rev. Franc. Oenol., 158, 28-35.

Vivas N., Lagune L., Glories, Y., 1996. Application du dosage des ellagitanins a la chimiotaxonomie de quelques especes de Quercus et de Castanea. In: Proceedings of the XVIII^th . International Conference of the Groupe Polyphénols, 18, 253-254.

 

 

ACKNOWLEDGEMENTS

We thank to Eng. José Silvestre and Mr. Manuel Lopes for the technical support provided during the technological essay and to Eng. Ilda Caldeira and Eng. Estrela Carvalho for their help in the statistical analysis.