FOR WINES CARACTERISATION

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1 FOR WINES CARACTERISATION
H2 QUANTITATIVE NMR FOR WINES CARACTERISATION JM FRANCONI UMR 5536 / CNRS Université Victor Segalen 146 rue Léo-Saignat 33076 BORDEAUX CEDEX

2 S N I F Spécifique Naturel Isotopique Fractionnement

3 SNIF NMR LES INVENTEURS DU CONCEPT G. J. MARTIN M.L MARTIN

4 SNIF NMR REFERENCES L.A.I.E.M EUROFINS S. AKOKA M TRIERWEILLER F MABON G. MARTIN Fondamental research Economical valorisation

5 Définition: Stable isotope SNIF NMR STABLE ISOTOPE P P P P P P N
nucleus N N P P P

6 STABLE ISOTOPE QUANTIFICATION
SNIF NMR STABLE ISOTOPE QUANTIFICATION Lo représente la quantité d ’isotope lourd Le représente la quantité d'isotope léger ISOTOPIC RATIO R = Lo / Le (en ppm) Abondance isotopique A = Lo / (Le+Lo) la déviation isotopique di = ((Ri - Rref) / Rref).1000 R i rapport isotopique d'une substance i R ref rapport isotopique d'une référence

7 SNIF NMR STABLE ISOTOPES In foods and beverages we can find the following isotopes: isotopes abundance référence H2 / 1H % H2O V.SMOW C13 / C % CaCO3 PDB N15 / N % N2 de l'air O18 / % H2O V SMOW

8 Range of variation of isotopic composition
SNIF NMR Range of variation of isotopic composition 70 X C13 H2 C13 / C12 H2 / H1 < 40 % 500 %

9 Difference between deuterium and proton
SNIF NMR Difference between deuterium and proton électron électron P P N proton deutérium

10 SNIF NMR WATER ISOTOPIC DISTRIBUTION H H D H D O O D O H2O HOD D2O 0.015% 2.25 ppm

11 SNIF NMR deutérium(D/H) distribution Vénus 16 000ppm espace 0.01ppm Soleil mercure La Terre 155ppm Mars 900ppm

12 (D/H) variation with latitude
SNIF NMR (D/H) variation with latitude 130ppm 160ppm

13 SNIF NMR (D/H) diminue (D / H) variation with altitude and ocean distance (D/H) diminue

14 A B SNIF NMR ISOTOPIC FRACTIONNEMENT MECHANISM Gaz phase Liquid phase
EVAPORATION eau D / H liquide > D / H vapeur

15 SNIF NMR FRACTIONNEMENT - ORIGIN THERMODYNAMIC A-[D] B-[D] + C éthanol

16 SNIF NMR FRACTIONNEMENT - ORIGIN KINETIC A B + C AH AD AH BH AD BD

17 SNIF NMR NATURAL SPECIFIC FRACTIONNEMENT IN THE VINE ?

18 NATURAL SPECIFIC FRACTIONNEMENT
SNIF NMR NATURAL SPECIFIC FRACTIONNEMENT CLIMAT H2O évaporation H2O PLANT Different isotopic distribution H2O sol GROUND

19 SNIF NMR NATURAL SPECIFIC FRACTIONNEMENT CLIMAT EFFECT high evaporation Low evaporation (D / H) faible (D / H) élevé

20 SNIF NMR NATURAL SPECIFIC FRACTIONNEMENT SOL EFFECT eau eau sand clay

21 SNIF NMR NATURAL SPECIFIC FRACTIONNEMENT PLANT EFFECT Isotopic fractionment generated by metabolism reactions

22 SNIF NMR NATURAL SPECIFIC FRACTIONNEMENT PLANT EFFECT Inter molecular Isotopic fractionment generated by metabolism reactions Intra molecular

23 NATURAL SPECIFIC FRACTIONNEMENT
SNIF NMR NATURAL SPECIFIC FRACTIONNEMENT PLANT EFFECT Pour le deutérium GJ Martin, ML Martin Journal de Chimie Physique 1983,80,n°3

24 SNIF NMR FRACTIONNEMENT C4 C4 C4 C3

25 SNIF NMR FRACTIONNEMENT dD Blé (C 3) Mais (C 4) Environmental effect
dC13 Metabolic pathway

26 THE PLANT IS FIXED (vine C3) THE MOLECULE IS FIXED (wine ethano)
SNIF NMR WINE CARACTERISATION THE PLANT IS FIXED (vine C3) THE MOLECULE IS FIXED (wine ethano) CLIMAT The differences are related to PROCESS

27 SNIF NMR FRACTIONNEMENT Isotopic distribution for ethanol CH3 - CH2 - OH CH3 - CH2 - OH CH3 - CH2 - OH CH3 - CHD - OH CH3 - CH2 - OH CH3 - CH2 - OH CH3 - CH2 - OH CH3 - CH2 - OD CH2D - CH2 - OH

28 Statistical distribution
SNIF NMR Isotopic distribution for ethanol CH3 - CH2 - OH CH3 - CH2 - OH Statistical distribution Natural distribution

29 SNIF NMR MEASUREMENT

30 3 STEPS FOR WINE ANALYSIS
SNI F NMR 3 STEPS FOR WINE ANALYSIS NMR ACQUISITION POSTPROCESSING SAMPLE PREPARATION

31 Extraction-purification
SNIF NMR SAMPLE PREPARATION Extraction-purification WINE Rendement 100% ETHANOL DISTILLATION Alcool 95%

32 SNIF NMR MEASUREMENT TOOLS MASS SPECTROMETRY
permet d ’obtenir le rapport isotopique global. Les produits à analyser sont préalablement transformés en H2O ou CO2 - sensible - précise

33 SNIF NMR MEASUREMENT TOOLS QUANTITATIVE NMR
permet d ’obtenir le rapport isotopique de chacun des isotopomères (molécule mono substituée sur un des sites moléculaires) La méthode permet de connaître la répartition isotopique sur chacun des sites moléculaires et de mesurer les fractions molaires des différentes espèces isotopiques - peu sensible

34 SENSITIVITY IMPROVEMENT
SNIF NMR QUANTITATIVE NMR SENSITIVITY IMPROVEMENT  High magnetic field (400 Mhz)  concentrated sample  15 mm tube diameter  average with a big number of scans  avoiding T1 saturation -TA >= 5* T1 - flip angle (90°,..)  broad band decoupling  lock system (F19)  avoiding NOE effect

35 NOE effect does not exist
SNIF NMR Quantitative NMR deutérium électrons NOE effect does not exist nucleus Quadripolar momentum

36 ETHANOL DEUTERIUM SPECTRUM
SNIF NMR ETHANOL DEUTERIUM SPECTRUM CH3—CH2--OH

37 RELATIVE ISOTOPIC RATIO
SNIF NMR RELATIVE ISOTOPIC RATIO R = 3 I II / I III I II teneur isotopique du site méthylène I III teneur isotopique du site méthyle Dans une répartition statistique ---> R = 2 On constate un appauvrissement du site méthyle par rapport au site méthyléne

38 ACP,AFD,réseaux de neurones
SNIF NMR STATISTICAL ANALYSIS G1 G2 variable X Y Z Z I n d i v u s 1 2 3 n SDM data G3 I2 Y NMR Data Y X Data Base Factorial analysis ACP,AFD,réseaux de neurones External data (climat,geology,…)

39 WINE CHAPTALISATION CONTROL
SNIF NMR WINE CHAPTALISATION CONTROL Ethanolic fermentation Wine sugar distillation wine Éthanol Vine (,sol,climat) Sucre betterave canne

40 WINE CHAPTALISATION CONTROL
SNIF NMR WINE CHAPTALISATION CONTROL (D/H en ppm) sugar CH2D CHD Beet(n=120) 90 (0.06) (0.1) grape (n=130) 101 (0.08) (0.1) cane (n=126) (0.07) (0.1) G J Martin, M L Martin Annual report on NMR Spectroscopy, Volume

41 WINE CHAPTALISATION CONTROL
SNIF NMR WINE CHAPTALISATION CONTROL sugar (%) T % en éthanol R chaptalisation(% sugar) Détection 0.5%

42 WINE CHAPTALISATION CONTROL
SNIF NMR WINE CHAPTALISATION CONTROL Wine isotopic composition is related to - wine fermentation process - vine climatenvironment Vin sec : influence négligeable du procédé de vinification car le mout initial est entièrement transformé ex blancs de Loire normal R= 2.522 chaptalisé R =2.594

43 Wine authentification
SNIF NMR Wine authentification en O18, D, C13

44 WINE AUTHENTIFICATION
x x x x x ? r r r R r

45 Measurement sensitivity improvement
SNIF NMR QUANTITATIVE NMR PERPECTIVES : Measurement sensitivity improvement ERETIC (L Barantin, S Akoka) Magnetisation transfer (INEPT,DEPT) Extention to other product

46 SNIF NMR OTHER APPLICATIONS

47 ANETHOLES (natural et synthetic)
SNIF NMR ANETHOLES (natural et synthetic) Axe Aromatique Axe éthylénique Axe méthylique

48 SNIF NMR VANILLINE L lignine G guaïacol N gousse de vanille

49 SNIF NMR NICOTINE

50 SNIF NMR Nicotine extraite de la feuille de tabac

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52 LES OUTILS DE MESURE - RMN
SNIF NMR LES OUTILS DE MESURE - RMN Elle est connue pour ses applications: - Imagerie médicale (anatomique, diagnostique, fonctionnelle) - Chimie structurale (élucidation des structures et conformation des macromolécules) - Analyse quantitative - faible sensibilité - grande spécificité - mise en évidence de faibles différences

53  multiplication du signal d ’induction libre par une fonction
SNIF NMR LA RMN QUANTITATIVE POST-TRAITEMENT DES SPECTRES  multiplication du signal d ’induction libre par une fonction exponentielle constante  correction de phase automatique  intégration entre des bornes définies  simulation et lissage des signaux

54 Détection de la chaptalisation et
SNIF NMR Détection de la chaptalisation et caractérisation de l ’origine des vins La mesure de la répartition isotopique du deutérium sur la molécule d ’éthanol informe sur: - l ’environnement géo-climatique de la vigne (terroir). - le procédé de vinification.

55 LE FACTIONNEMENT NATUREL SPECIFIQUE
SNIF NMR LE FACTIONNEMENT NATUREL SPECIFIQUE Il se produit aussi un fractionnement isotopique intra-moléculaire (la répartition intramoléculaire du deutérium sur les différents sites s ’écarte d ’une répartition statistique)

56 Observation d ’autres molécules (lipides)
SNIF NMR PERSPECTIVES: Observation d ’autres molécules (lipides) Mesure du SNIF du C13 par RMN QUANTITATIVE les premiers résultats (B Zhang, S Akoka) sont encourageants

57 A temps d ’échantillonnage du signal
SNIF NMR LA RMN QUANTITATIVE OPTIMISATION DE LA RESOLUTION SPECTRALE (Pour différencier des signaux voisins) F bande passante en Hz A temps d ’échantillonnage du signal N nombre de points(taille mémoire) la résolution R = 1/A le théorème de l ’échantillonnage impose 2.F.A = N F(Hz) Pour le deutérium par exemple F=600Hz N=16K R = 0.15Hz

58 - Le T1 est élevé (S/B diminue)
SNIF NMR LA RMN QUANTITATIVE DEUTERIUM - CARBONE 13 Le C13 est un candidat moins bon que le deutérium pour l ’analyse isotopique par RMN quantitative - Le T1 est élevé (S/B diminue) - La large bande de fréquence rend le découplage Incomplet et difficile à réaliser - Il existe un effet NOE résiduel La gamme de variation des rapports isotopiques est réduite

59 SNIF NMR JM FRANCONI UMR 5536 / CNRS Université Victor Segalen 146 rue Léo-Saignat 33076 BORDEAUX CEDEX