Eiwitten worden geproduceerd in de druif gedurende het rijpingsproces, en als reactie op ziektes en verwondingen1. Deze eiwitten komen in de wijn terecht en zijn slecht oplosbaar waardoor ze een ongewenste vertroebeling – een eiwitsluier – kunnen veroorzaken. In rode wijn blijven deze eiwitten opgelost omdat ze binden aan de aanwezige tannines. In witte wijn zijn deze tannines er niet en vormt de eiwitsluier een probleem. Bentoniet is een van de meest gebruikte producten om de eiwitten uit de wijn te verwijderen en een eiwitsluier te voorkomen. Helaas kleven er ook een aantal nadelen aan het gebruik van bentoniet.
In de komende paragrafen zal ingegaan worden op de (chemische) werking van bentoniet, de verschillende soorten bentoniet, de optimale omstandigheden voor de werking van bentoniet, en het optimale moment van gebruik tijdens de vinificatie. Als laatste bespreek ik de (toekomstige) alternatieven voor bentoniet.
VULKANISCHE KLEI
Bentoniet is een klei dat is ontstaan uit vulkanisch as dat miljoenen jaren geleden is neergedaald op het land. Het is in 1898 door Wilbur C. Knight vernoemd naar zijn vindplaats, de Benton formatie in Wyoming, USA. Bentoniet is een mengsel van mineralen dat voor het grootste gedeelte bestaat uit het mineraal montmorilloniet, aangevuld met mineralen zoals plagioklaas, biotiet, kwarts, gips en calciet, en sporen van zware metalen. Tegenwoordig wordt bentoniet op vele plaatsen ter wereld gedolven en is de samenstelling van het bentoniet telkens net iets anders2.
Figuur 1. Berg met witte lagen bentonietklei in het Theodore Roosevelt National Park, North Dakota, USA.
Chris Light via CC BY-SA 4.0
DE WERKING VAN BENTONIET MONTMORILLONIET
De werkzame functie van bentoniet is toe te schrijven aan het mineraal montmorilloniet. Montmorilloniet heeft de chemische formule (Na,Ca)0.33(Al,Mg)2(Si4O10)(OH)2·nH2O en is een 2:1 klei. Dit betekent dat de kristalstructuur van montmorilloniet is opgebouwd uit twee lagen siliciumatomen (Si) gebonden aan zuurstof (O), waartussen zich één laag aluminiumatomen (Al) bevindt die ook gebonden zijn aan zuurstof. Deze montmorillonietlagen zijn 1 nanometer dik, kunnen tot ongeveer 1000 nanometer breed worden, en liggen op hun beurt ook weer op elkaar gestapeld3 (Figuur 2).
Figuur 2. De moleculaire structuur van montmorilloniet. Elk montmorillonietdeeltje bestaat uit twee lagen van siliciumatomen gebonden aan zuurstof met daartussen een laag van aluminiumatomen gebonden aan zuurstof.
De silicium- en aluminiumatomen in het montmorilloniet hebben een positieve lading die wordt opgeheven door de negatieve lading van de zuurstofatomen. Alleen in het meest ideale geval bestaan de lagen van het montmorilloniet uit enkel silicium en aluminium. Vaak zijn ze deels vervangen door ijzer- en magnesiumatomen met een kleinere lading. Hierdoor zijn er minder positieve ladingen in de structuur en ontstaat er een negatieve lading aan het oppervlak van het montmorilloniet. Dit ladingsverschil moet worden opgeheven, en daarom binden de montmorillonietlagen kationen – dit zijn deeltjes met een positieve lading – zoals natrium (Na+), magnesium (Mg2+) en calcium (Ca2+) REF4 (Figuur 3).
Figuur 3. De negatieve oppervlaktelading van het montmorilloniet waaraan kationen binden.
Hoe meer silicium- en aluminiumatomen er zijn vervangen in de montmorillonietstructuur, hoe groter de negatieve lading van het oppervlak wordt, en hoe meer kationen er tussen de lagen worden gebonden. Deze kationen kunnen in een oplossing (zoals water of wijn) uitgewisseld worden tegen andere positief geladen moleculen, zoals positief geladen eiwitten. Het montmorilloniet adsorbeert de positieve eiwitten en de kationen komen in de wijn terecht5, 6 (Figuur 4). Een grotere negatieve oppervlaktelading zorgt voor een grotere kationuitwisselingscapaciteit – er zijn meer positief geladen deeltjes gebonden die uitgewisseld kunnen worden – en daardoor een betere adsorptie van eiwitten.
Figuur 4. De absorptie van water tussen de lagen en de adsorptie van eiwitten op de montmorillonietlagen.
KAARTENHUIS
De pH van de vloeistof, de most of de wijn waarin het montmorilloniet gebruikt wordt, bepaalt hoe de montmorillonietlagen zich opstapelen. Naast de negatieve oppervlaktelading heeft montmorilloniet ook een positieve lading aan de randen. Deze positieve lading wordt sterker bij een lagere pH. De positief geladen randen worden aangetrokken tot de negatieve oppervlakteladingen van andere montmorillonietlagen en gaan een interactie aan. Het montmorilloniet ligt dan niet enkel netjes gestapeld, maar vormen een kaartenhuis-structuur7-9 (Figuur 5). Eiwitten kunnen binnen deze poreuze structuur gemakkelijker bij de beschikbare adsorptieplaatsen. De kaartenhuis-structuur draagt daardoor bij aan de adsorptie van eiwitten uit de vloeistof10.
Figuur 5. Een structuurverandering van de montmorillonietlagen bij lage pH naar een “kaartenhuis” door de positieve lading aan de randen.
NATRIUM- vs. CALCIUMMONTMORILLONIET
De naamgeving van het type montmorilloniet – en ook bentoniet – is afhankelijk van het kation dat het meeste aanwezig is tussen de montmorillonietlagen. Montmorilloniet met voornamelijk Na+ ionen wordt natriummontmorilloniet genoemd en calciummontmorilloniet heeft vooral Ca2+ gebonden11.
De mate waarin het montmorilloniet water absorbeert en eiwitten kan adsorberen is afhankelijk van het type kation tussen de lagen, en van de pH van de vloeistof. In de praktijk zijn er twee type montmorilloniet (en bentoniet) die gebruikt worden; natriummontmorilloniet en calciummontmorilloniet. Na+ lost gemakkelijk op in water en zorgt er daardoor voor dat natriummontmorilloniet gemakkelijk water absorbeert (zie ook Figuur 6) en veel kationen kan uitwisselen. Ca2+ lost minder gemakkelijk op en blijft beter ‘plakken’ tussen de montmorillonietlagen. Hierdoor blijft het montmorilloniet compacter en wordt er minder water geabsorbeerd tussen de lagen. Wel zorgt Ca2+ er, in vergelijk met Na+, voor dat de randen van het montmorilloniet een grotere positieve lading hebben waardoor er gemakkelijker een kaartenhuis-structuur ontstaat. Desalniettemin adsorbeert natriummontmorilloniet eiwitten een stuk efficiënter dan calciummontmorilloniet5, 12.
De verhouding van de kationen in de montmorillonietstructuur is dus zeer bepalend voor de ab- en adsorberende werking bij het klaren van de wijn. Waar Na+ met name zorgt voor een hoge kationuitwisseling en het opzwellen van het montmorilloniet, zorgt Ca2+ er voor dat het montmorilloniet compacter blijft en een gunstige 3D-structuur aanneemt.
Figuur 6. Bentonietkorrels voor in de kattenbak. Meestal 100% natriumbentoniet omdat dit het meest absorberend is. F Ceragioli via CC0.
VERONTREINIGING
Ondanks dat natriumbentoniet het beste eiwitten adsorbeert, wordt er tijdens de vinificatie bijna altijd calciumbentoniet of een mengsel van natrium- en calciumbentoniet gebruikt. Het gebruik van natriumbentoniet heeft namelijk als nadeel dat het zorgt voor een groter volumeverlies én er komen grote hoeveelheden natrium in de wijn7. Hoge inname van natrium wordt in verband gebracht met cardiovasculaire ziektes13, en het gebruik van “puur” natriumbentoniet in de wijn is daarom verboden in onder andere Duitsland14. Daarnaast zijn er ook internationale richtlijnen opgesteld voor de maximale hoeveelheid aan uitwisselbare kationen zoals Na+ en Ca2+ die in de wijn mogen komen11. Ca2+ is een stuk veiliger, maar kan bij te hoge concentraties wel zorgen voor de uitval van wijnsteen15.
Wil je meer weten over wijn? Bekijk nu het volledige cursusaanbod op de onderwijspagina van WijnWetenschap
Door het gebruik van bentoniet komt er naast natrium en calcium een waslijst aan andere elementen zoals Li, Be, Na, Mg, Al, Ca, Sc, V, Mn, Fe, Co, Ni, Ga, Ge, As, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Cd, Sn, Sb, Ba, W, Tl, Bi, en W in de wijn16. Om grote verontreinigingen te voorkomen schrijft de Internationale Oenologische Codex voor dat enkel bentoniet bestaande uit minstens 80% montmorilloniet gebruikt dient te worden11. In de praktijk is het echter vaak lastig om de precieze samenstelling van het bentoniet te achterhalen. Hierdoor kan het bentoniet bestaan uit een laag percentage montmorilloniet, kan het onduidelijk zijn wat de verhouding calcium- en natriummontmorilloniet is, kan de uitwisselingscapaciteit van kationen beperkt zijn, en kunnen er verontreinigingen van zware metalen in zitten. Het is daarom belangrijk om niet alleen zo min mogelijk bentoniet te gebruiken, maar ook bentoniet van een zo zuiver mogelijke kwaliteit.
OPTIMAAL VOOR BENTONIET
Om zo min mogelijk bentoniet te gebruiken moet het gebruikt worden onder omstandigheden waarop het zo efficiënt mogelijk werkt. De optimale werking van bentoniet is afhankelijk van de pH, de temperatuur en het alcoholpercentage van de most/wijn. De pH is de belangrijkste variabele voor de adsorptie van eiwitten. Deze bepaalt namelijk niet alleen de lading van het bentoniet (montmorilloniet, zie hierboven), maar ook de ionisatie van de eiwitten17. Bij een lage pH zijn meer eiwitten positief geladen (hun iso-elektrisch punt ligt hoger) en zullen ze binden aan het negatief geladen oppervlak van het montmorilloniet. Een te hoge pH van de most / wijn kan er voor zorgen dat niet alle eiwitten een positieve lading krijgen en daardoor niet binden aan het montmorilloniet. Er blijft dan nog steeds een eiwitsluier in de wijn aanwezig. Om het bentoniet beter te laten werken kan in dit geval de most worden aangezuurd, of kan het bentoniet worden gebruikt voor de gisting wanneer de pH nog wel laag genoeg is. De minimale pH die noodzakelijk is om alle eiwitten door bentoniet te laten binden is per druivensoort verschillend18. Dit komt doordat de samenstelling van de eiwitten verschilt per druivensoort19 en per jaar beïnvloed wordt door de klimatologische omstandigheden in de wijngaard20.
Naast de pH zorgen zowel een hogere temperatuur als een hoger alcoholpercentage – met name bij >10% – voor een verbeterde adsorptie van de eiwitten5, 21. Alcohol nestelt zich net als water tussen de lagen van het montmorilloniet en maakt de ruimte tussen de lagen een stukje groter waardoor de eiwitten makkelijker de dieper liggende uitwisselbare kationen kunnen bereiken5. Een hoger alcoholpercentage zorgt zodoende voor een betere adsorptie van grote eiwitten, maar heeft geen effect op de eiwitten die sowieso al geadsorbeerd worden17, 21.
Met de optimale condities voor het gebruik van bentoniet in gedachten zou men bentoniet dus het liefst gebruiken in een most/wijn stadium waarin de pH laag is, en de temperatuur en het alcoholpercentage hoog zijn. Tijdens de alcoholische gisting stijgt de pH, maar zijn de temperatuur en het alcoholpercentage hoger. De optimale conditie is dus altijd een afweging van deze drie factoren.
OPTIMAAL VOOR DE WIJN
Bentoniet zorgt voor een verlies van kleurstoffen en aroma’s in de wijn doordat deze worden geadsorbeerd door montmorilloniet, of binden aan de eiwitten die door bentoniet uit de wijn worden gehaald4, 22 (Figuur 7). Om dit verlies te beperken is het wenselijk om bentoniet zo min mogelijk en zo efficiënt mogelijk te gebruiken. Om de hoeveelheid benodigd bentoniet te bepalen kan een hittetest of een bentotest gebruikt worden. Het is echter lastiger om te bepalen wat het beste moment tijdens de vinificatie is om bentoniet te gebruiken. Het moment van toevoegen (voor, tijdens of na de gisting) is niet alleen van belang voor de efficiëntie van bentoniet (zie bovenstaande paragraaf), maar kan ook een verschillend effect hebben op het verlies van aroma’s en kleurstoffen. Daarnaast bindt bentoniet ook stikstofverbindingen waardoor het effect heeft op de hoeveelheid aanwezige gistvoeding23.
Figuur 7. Verlies van aroma’s en kleurstoffen (paarse zeshoeken) doordat ze binden aan het montmorilloniet en aan de eiwitten.
Bentoniet werkt het efficiëntst in het midden en tegen het einde van de alcoholische gisting, én heeft dan ook het minste effect op de aroma’s van de wijn24. Het lijkt er dus op dat wanneer bentoniet efficiënt werkt er ook minder schade toegebracht wordt aan het aromaprofiel van de wijn. Verder wordt het gebruik van bentoniet na de gisting en vlak voor het bottelen afgeraden25. De wijn kan dan namelijk nog maar moeilijk herstellen van het verlies aan aroma’s en kleurstoffen en raakt in onbalans.
De hoeveelheid onderzoek dat verricht is naar het moment van bentonietgebruik en het effect op het aromaprofiel van de wijn is beperkt. Al geeft bovenstaande studie een mooie indicatie, het onderzoek is enkel uitgevoerd bij stille Spaanse Albarino wijnen. Het is waarschijnlijk dat het ideale moment om bentoniet te gebruiken verschilt per druivensoort en per wijntype. Elke druif en type wijn (mousserend, wit, orange) heeft tenslotte een unieke samenstelling van aroma’s én van (onopgeloste) eiwitten.
DE (TOEKOMSTIGE) ALTERNATIEVEN
De nadelen van bentonietgebruik bij de vinificatie – volume- en aromaverlies – worden breed erkend, en er wordt daarom volop gezocht naar betere alternatieven. Zo wordt er bijvoorbeeld onderzoek gedaan naar genetisch gemodificeerde gisten die meer mannoproteïnen produceren26, naar enzymen zoals proctase die gericht de eiwitten afbreken die verantwoordelijk zijn voor de eiwitsluier27, en wordt er volop geëxperimenteerd met vervangende filterstoffen zoals de polysaccharide chitosan28 en poreuze nanodeeltjes29, 30. Genetisch gemodificeerde gisten zijn echter vaak (nog) niet gewenst, en proctase heeft om effectief te zijn een flash-pasteurisatie nodig (een snelle verhitting naar 70 ℃). Afgezien van de effecten die dit heeft op de wijn is er voor zo’n korte snelle verhitting ook kostbare apparatuur nodig. Gelukkig zien de resultaten met chitosan en met name van de poreuze nanodeeltjes er veelbelovend uit. Deze nanodeeltjes zijn net als montmorilloniet opgebouwd uit silicium- en aluminiumatomen en vormen een poreuze structuur waar eiwitten in kunnen binden. In vergelijk met bentoniet hebben ze echter een veel kleiner effect op het aromaprofiel van de wijn29. Maar, totdat dit goed is uitgezocht én goedgekeurd is voor gebruik in (Europese) wijnen, zal bentoniet – ondanks de nadelen die eraan kleven – de standaard blijven voor het verwijderen van eiwitten uit de wijn.
REFERENTIES
1. Sarry JE, Sommerer N, Sauvage FX, Bergoin A, Rossignol M, Ablbagnac G, et al. Grape berry biochemistry revisited upon proteomic analysis of the mesocarp. Proteomics. 2004;4:201-15.
2. Hosterman JW, Patterson SH. Bentonite and Fuller’s earth resources of the United States. US Geological Survey Professional Paper 1522 United States Government Printing Office, Washington DC, USA. 1992:1-45.
3. Kelessidis VC. Yield Stress of Bentonite Dispersions. Rheology: Open Access. 2017;1(1):1-12.
4. Lambri M, Dordoni R, Silva A, de Faveri DM. Effect of Bentonite Fining on Odor-Active Compounds in Two Different White Wine Styles. American Journal of Enology and Viticulture. 2010;61(2):225-33.
5. Blade WH, Boulton R. Adsorption of Protein by Bentonite in a Model Wine Solution. American Journal of Enology and Viticulture. 1988;39(3):193-9.
6. Lambri M, Dordoni R, Giribaldi M, Violetta MR, Giuffrida MG. Heat-unstable protein removal by different bentonite labels in white wines. LWT – Food Science and Technology. 2012;46(2):460-7.
7. Zoecklein B. Bentonite Fining of Juice and Wine. Department of Horticulture Virginia Polytechnic Institute & State University. 1988; Publication 463-014.
8. Benna M, Kbir-Ariguib N, Magnin A, Bergaya F. Effect of pH on Rheological Properties of Purified Sodium Bentonite Suspensions. Journal of colloid and interface science. 1999;218(2):442-55.
9. Shamsuddin RM, Verbeek CJR, Lay MC. Settling of Bentonite Particles in Gelatin Solutions for Stickwater Treatment. Procedia Engineering. 2016.
10. Dordoni R, Colangelo D, Giribaldi M, Giuffrida MG, De Faveri DM, Lambri M. Effect of Bentonite Characteristics on Wine Proteins, Polyphenols, and Metals under Different pH Conditions. American Journal of Enology and Viticulture. 2015.
11. Organisation Internationale de la Vigne et du Vin. International Oenological Codex. Paris, France. 2018.
12. Segad M, Jonsson B, Akesson T, Cabane B. Ca/Na montmorillonite: structure, forces and swelling properties. Langmuir : the ACS journal of surfaces and colloids. 2010;26(8):5782-90.
13. Voedingscentrum. Zout en natrium 2018 [16-11-2018]. Beschikbaar op: https://www.voedingscentrum.nl/encyclopedie/zout-en-natrium.aspx.
14. Marbé-Sans D. Taschenbuch der Kellerwirtschaft. 2018.
15. Clark JP, Fugelsang KC, Gump BH. Factors Affecting Induced Calcium Tartrate Precipitation from Wine. American Journal of Enology and Viticulture. 1988;39:155-61.
16. Catarino S, Madeira M, Monteiro F, Rocha F, Curvelo-Garcia AS, de Sousa RB. Effect of bentonite characteristics on the elemental composition of wine. Journal of agricultural and food chemistry. 2008;56(1):158-65.
17. Xifang S, Chun L, Zhansheng W, Xiaolin X, Ling R, Hongsheng Z. Adsorption of Protein from Model Wine Solution by Different Bentonites. Chinese Journal of Chemical Engineering. 2007;15(5):632-8.
18. Anelli G. The Proteins of Musts. American Journal of Enology and Viticulture. 1977;28:200-3.
19. Hayasaka Y, Baldock G, Pocock K, Waters E, Pretorius I, Høj P. Varietal differentiation of grape juices by protein fingerprinting. AWRI Report. 2003;18(3):27-31.
20. Sommer S, Wegmann-Herr P, Fischer U. Correlating the need for bentonite fining in wine with anomalous weather patterns. Journal of Wine Research. 2015;26(1):29-39.
21. Achaerandio I, Pachova V, Güell C, López F. Protein adsorption by bentonite in a white wine model solution: effect of protein molecular weight and ethanol concentration. American Journal of Enology and Viticulture. 2001;52:122-6.
22. Vincenzi S, Panighel A, Gazzola D, Flamini R, Curioni A. Study of combined effect of proteins and bentonite fining on the wine aroma loss. Journal of agricultural and food chemistry. 2015;63(8):2314-20.
23. Burin VM, Caliari V, Bordignon-Luiz MT. Nitrogen compounds in must and volatile profile of white wine: Influence of clarification process before alcoholic fermentation. Food chemistry. 2016;202:417-25.
24. Lira E, Rodriguez-Bencomo JJ, Salazar FN, Orriols I, Fornos D, Lopez F. Impact of bentonite additions during vinification on protein stability and volatile compounds of Albarino wines. Journal of agricultural and food chemistry. 2015;63(11):3004-11.
25. Binder G. Bentoniteinsatz. Abteilung Weinbau & Oenology (Gruppe Oenologie), Dienstleistungszentrum Ländlicher Raum Rheinpfalz, Neustadt an der Weinstraße. 2013.
26. Gonzalez-Ramos D, Quiros M, Gonzalez R. Three different targets for the genetic modification of wine yeast strains resulting in improved effectiveness of bentonite fining. Journal of agricultural and food chemistry. 2009;57(18):8373-8.
27. Van Sluyter SC, McRae JM, Falconer RJ, Smith PA, Bacic A, Waters EJ, et al. Wine protein haze: mechanisms of formation and advances in prevention. Journal of agricultural and food chemistry. 2015;63(16):4020-30.
28. Colangelo D, Torchio F, De Faveri DM, Lambri M. The use of chitosan as alternative to bentonite for wine fining: Effects on heat-stability, proteins, organic acids, colour, and volatile compounds in an aromatic white wine. Food chemistry. 2018;264:301-9.
29. Dumitriu GD, Lopez de Lerma N, Cotea VV, Peinado RA. Antioxidant activity, phenolic compounds and colour of red wines treated with new fining agents. Vitis. 2018;57:61-8.
30. Dumitriu GD, Lopez de Lerma N, Luchian CE, Cotea VV, Peinado RA. Study of the potential use of mesoporous nanomaterials as fining agent to prevent protein haze in white wines and its impact in major volatile aroma compounds and polyols. Food chemistry. 2018;240:751-8.
OPMERKING: Dit artikel is eerder gepubliceerd in Wijn en Wijngaard no. 4, 2018.