Il potenziale redox per capire meglio i fenomeni di ossidazione

ENOLOGIA Il potenziale redox per capire meglio i fenomeni di ossidazione di GIANNI GRASSO Università della Basilicata Come comprendere gli aspetti tecnici dell’ossidazione in vinificazione nell’ambito dei principi e gli strumenti dell’ Elettrochimica I valori del potenziale elettrodico misurati in vinificazione assumono spiegazione solo se considerati alla luce dell’Equazione di Nernst, delle sue rappresentazioni grafiche e delle necessarie correzioni in sistemi reali che ne rendono fattibile l’applicazione tecnica. Studi recenti (Maioli et al., 2022) hanno dimostrato che le misure del potenziale redox (E) e della quantità di ossigeno disciolto ([O ]) presente in botte ( ) sono uno strumento utile per il monitoraggio dell’affinamento e del consumo di ossigeno da parte dei lieviti, entrambi fattori influenzati dalla presenza di SO . L’ossigenazione è dunque argomento di corrente discussione in enologia, tuttavia sono le basilari conoscenze di Elettrochimica che consentono di avere un quadro esplicativo, con piena cognizione di causa, dei dati di misura osservati nelle diverse pratiche di cantina 2 figura 1 2 . Schema di processo di controllo dei parametri di ossigenazione Figura 1 L’ EQUAZIONE DI NERNST PER INTERPRETARE I FENOMENI DI OSSIDAZIONE L’ossidazione fa parte delle reazioni di ossido-riduzione nelle quali avvengono scambi di elettroni (e–) o di atomi di idrogeno (H•, pensati come somme H+ + e–) fra le specie ossidanti Oxi e quelle riducenti Redi, che interagiscono in un dato sistema, generandovi “pressioni”/concentrazioni di elettroni (ambiente riducente) o loro “depressioni”/rarefazioni (ambiente ossidante). Misura elettrica di tali “pressioni” è il potenziale elettrodico E, grandezza collegata alle concentrazioni delle varie specie [Oxi] e [Redi] di ogni data semicoppia redox i del sistema, con semireazione: Red → 0x + n e + m H . a i b i i - i + Il collegamento tra il potenziale e le concentrazioni viene quantificato dall’equazione di Nernst (Mazzoleni, 1979), tramite il potenziale standard di riduzione E° di ogni data semicoppia, con fattore proporzionale m /n che tiene conto dell’influenza degli ioni H se partecipi alla semireazione: i i i + Per fare un esempio la semicoppia “ferro ferrico/ferroso” Fe /Fe ha E = 0,77 V, come dagli elenchi dei valori E delle varie semicoppie redox di interesse enologico riportati in . La semireazione di ossidazione “master” critica di tutti i sistemi acquosi, e quindi anche del vino, è tuttavia quella a carico dell’ossigeno liberamente disponibile dall’aria, della semicoppia redox O /H O la cui semireazione è: O + 4 H + 4 e → 2 H 0 Se la concentrazione di O è espressa (in quanto gas) come sua pressione parziale (in aria, p = 0,2 atm)e se quella dell’acqua in sé stessa è costante (= 55,5 M = mol/L) in quanto non varia nel corso della reazione (Mazzoleni, 1979), si ottiene la relazione generale del potenziale del sistema O /H O che risulta anche funzione del pH: E = E ° + 0,059/4(log0,2) - 0,059(pH) = +1,23V - 0,01 - 0,059(pH) = + 1,22 - 0,059(pH) 3+ 2+ ° i ° i Tabella 1 2 2 2 + - 2 2 O2 2 2 O2 O2 (2) . Potenziali normali di coppie redox significative in vinificazione, riferiti a pH standard = 0 (potenziali chimici E°) e in alcuni casi anche a pH standard = 7 più simile a quello dei sistemi biologici (potenziali biochimici E°‘) Tabella 1 I DIAGRAMMI DELL’EQUAZIONE DI NERNST CON [Ox] = [Red] Nel particolare caso di perfetto bilanciamento delle concentrazioni delle specie ossidanti e riducenti di una semicoppia, ossia di concentrazioni [Oxi] e [Redi] in parità, allora poichè log [Oxi]/[Redi] = log 1 = 0, l’equazione di Nerst si semplifica diventando dipendente dal solo valore E°i della semicoppia i e dal pH del mezzo: Quindi come è possibile visualizzare in nel diagramma del contesto redox del sistema o di Pourbaix, ogni semicoppia i che si trovi nella particolare condizione “50%/50%”è rappresentata in grafico da una retta E -pH con origine di valore E° a pH = 0 e “pendenza” negativa diagonale0,059 (o multiplo secondo la semireazione), con valore di retta rappresentativa del sistema redox considerato. Sono così rappresentabili in uno stesso diagramma E in funzione del pH le variazioni di potenziale delle varie specie di interesse in vinificazione poste nella condizione [Ox ] =[Redi], con i valori numerici di intercetta E° tratti dalla , come ad esempio per le seguenti specie sia ossidanti che riducenti: figura 2 i i i i i tabella 1 ossigeno (semicoppia O /H O con E° = +1.22V per pH = 0, coppia “master” del sistema redox); 2 2 semicoppia ossidante “ferro ferrico/ferroso” Fe /Fe (Fe attivatoredi ossidazione radicalico); 3+ 2+ 2+ specie riducente “anidride solforosa”SO /H SO (antiossidantetecnologico); 2 2 4 specie riducente “idrogeno solforato”H S/H SO (sottoprodottocatabolico dei lieviti). 2 2 4 . Variazione col pH dei potenziali E dei vari ossidanti (O , Fe ) e riducenti (H S, SO ) critici per il sistema vino, considerati nella comune condizione [Ox ] = [Redi], con indicazione infografica della progressiva variazione dell’ ossigeno (e del potenziale) dal valore massimo in libero contatto con l’ atmosfera (linea “a” superiore) fino all’ azzeramento in ambiente nettamente riducente (linea “b” inferiore) Figura 2 2 3+ 2 2 i COME SI LEGGONO I DIAGRAMMI REDOX L’utilità applicativa di tali diagrammi è di mostrare come le linee rette inclinate separano i campi di esistenza delle specie Ox e Redi, e quale di esse sarà predominante (> 50 %) se presenti in un dato sistema in soluzione acquosa, con le specie ossidanti “Ox e le specie riducenti “Red” figuranti rispettivamente al di sopra e al di sotto della linea. Ad esempio nella semicoppia H SO /H S con E° = +0,30V a pH = 0 la specie H S predomina su H SO per E < +0,30 V (campo al di sotto della retta), mentre a pH=3 ,5 predomina per E < +0,1 V. La semicoppia O /H O rappresentata dalla retta “a” di contatto dell’acqua con l’ atmosfera, con punti estremi a pH = 0 e 7 di coordinate (E° = + 1,22 V, pH = 0) e (E°’ = + 0,82 V, pH = 7), è caratterizzata dalla parità fra le concentrazioni dei relativi componenti, con l’ossigeno presente nel suo stato ossidato di gas disciolto “O (g)” in saturazione (in acqua la massima concentrazione possibile a pressione parziale atmosferica pO = 0,2 atm è pari a 9,1 mg/L a 20 °C), e nel suo stato ridotto di acqua stabile H O a concentrazione costante 55,5 M. L’area di stabilità dell’acqua (Pedeferri, 2018; Lower, 2021) è compresa tra la retta “a” con valore di “linea di demarcazione” Ox/Red, con la zona “al di sopra” dove ai corrispondenti valori di poteziale si osserva lo sviluppo di ossigeno (ad esempio in presenza di cloro disciolto), e la retta “b” al di sotto della quale si assiste alla riduzione dell’acqua. È su questa retta “di ossigenazione” dell’ acqua (semicoppia O /H O), e sulle sue modificazioni negli ambienti reali, che si concentrerà la nostra attenzione. i ” 2 4 2 2 2 4 2 2 2 2 2 2 2 In questo caso il potenziale risultante E è quello dato dall' "cumulo" algebrico dei vari potenziali E° delle diverse specie presenti come semicoppie ( ) che vanno reagendo e consumandosi reciprocamente: Tuttavia il valore del potenziale risultante del sistema non ne risulta calcolabile per la difficile conoscenza e continua variazione di tutte le concentrazioni (in realtà attività) delle specie redox presenti. QUANDO I SISTEMI REDOX SONO PIÙ COMPLESSI In un sistema di più reagenti ossidanti Ox e riducenti Red , come appunto il vino (Berovič, 2019), la reazione complessiva diviene: i i i Tabella 1 E LIMITI APPLICATIVI E INDICAZIONI UTILI Il diagramma di , delle specie redox di interesse in vinificazione, è segnatamente termodinamico e riferibile all’acqua pura distillata o a soluzioni elettrochimiche standard con componenti 1M. Inoltre la validità delle equazioni termodinamiche, come quella di Nernst, è riferita alle attività ai e non alle concentrazioni ci delle specie chimiche interessate e poi non considera le reali cinetiche di reazione delle varie specie redox, che possono interagire più o meno velocemente. Il diagramma considerato ha quindi valore di “contesto teorico” o quadro indicativo delle modalità reattive del sistema. È tuttavia possibile sovrapporvi un altro diagramma ( ) mutuato dallo studio delle acque e della chimica ambientale: quello del “sistema redox” master O /H O in tre diverse, possibili reali e comunemente ricorrenti situazioni di ossigenazione, con i dati medi di potenziale provenienti dai rilevamenti per le acque in Idrologia Ambientale (Černík, 2020) e con le relative concentrazioni di ossigeno nel sistema acquoso (rapporti O / H O) progressivamente decrescenti: figura 2 figura 3 2 2 2 2 “c” acque superficiali di ruscellazione/ meteoriche; “d” acque telluriche/di falda; “e” acque domestiche con carico organico; indicate sul grafico con linee in tratteggio e da considerarsi come effetti di deviazione sia dalla retta ideale limite superiore “a” di acque superficiali in perfetta saturazione, che dal caso limite inferiore “b”, di acque in perfetta anossia, di massima azione riducente, già presenti e descritte nel diagramma precedente. In tal modo sullo stesso diagramma di possono, per analogia, essere rappresentate con valori di potenziale tipici le corrispondenti situazioni di interesse in vinificazione. figura 3 . Diagramma del contesto redox con riferimento ai sistemi reali in tre diverse, possibili situazioni di ossigenazione delle acque nelle rette “c”, “d” ed “e”, e riportati al campo della vinificazione. In grigio, verticale, la zona di pertinenza/campo dei valori di pH propri del vino (3-4), a cui far corrispondere in ordinata i corrispondenti valori di potenziale E. Il diagramma di Pourbaix ha infatti valore di diagramma di stato, con ogni punto di date coordinate (E, pH) rappresentativo di un determinato stato redox del sistema; I 3 campi di attività redox ottimale dei microrganismi di interesse in vinificazione sono riportati con: Gli stati di potenziale elettrochimico caratteristici delle diverse condizioni di vinificazione sono indicati con frecce numerate, in stati da riduzione a progressiva ossidazione: Figura 3 I ossigenazione, aerobiosi, ossidazione (E ≈ 0,6-0,3 V); II transizione, attività dei facoltativi (E ≈ 0,3-0,1 V); III anossia, anaerobiosi, riduzione (E ≈ 0,1 ÷ –0,25 V); fermentazione alcolica/vini con aromi di riduzione (E ≈ –0,2 V, come da diagramma); vini sigillati in recipienti/rischio di riduzione; vini in affinamento in stato di aerazione controllata; vini “vecchi” ossidati; mosto aerato in prefermentazione (E ≈ 0,6 V, come da diagramma) L’ EQUAZIONE DI NERNST NEI SISTEMI REALI E IL SUO MODELLO DI INTERESSE APPLICATIVO Nei sistemi acquosi reali (Heduit, 1989) e anche per i vini (Vivas, 1992), si osservano sperimentalmente dei valori di concentrazione di ossigeno disciolto [O ] non termodinamicamente prevedibili da quelli del potenziale E e del pH così come calcolabili dall’equazione di Nernst (2). In tali condizioni sono, infatti, descritti dei modelli che esprimono l’effetto combinato della presenza dell’ossigeno e del pH posti nella forma: 2 E = E + b•log[O ] - 0,059 pH con [O ] espressa in mg/L (2’) * 2 2 con e coefficienti empirici e altre grandezze con i seguenti significati: : potenziale risultante da misura; : effetto del chimismo intrinseco al sistema: potenziale standard virtuale della semicoppia O /H O nel dato sistema, per effetto combinato della sua non-idealità e del contenuto di sostanze riducenti interferenti presenti; b: effetto della non-idealità dell’azione dell’ ossigeno e del suo trasporto dalla fase “aria”: coefficiente correttivo della sua concentrazione con valore concettuale di coefficiente di attività, indicante il reale “peso” di [O ] sul valore di ; [O ] effetto massico dell’ ossigenazione: concentrazione di [O ] espressa in mg/L; 0,059: effetto del pH (azione degli idrogenioni). Come pensabile ipotesi, per il vino, di cui per mineralità e contenuto di materia organica ad azione spiccatamente riducente è attendibile una somiglianza con le acque naturali a contenuto medio di sostanze organiche e solidi sospesi, si può immaginare una situazione descritta in termini ambientali come di “ambiente di transizione” (Garrels, 1965) fra i due limiti teorici dell’acqua pura in ossigenazione perfetta, = 1,22 V, e dell’acqua in assoluta anossia, = 0,00 V, con conseguente valore intermedio = 0,61 V quindi figurante in un’equazione del tipo: E * b E E * 2 2 2 E 2 2 E° E° E* E = 0,61 + b•log[O ] - 0,059 pH con [O ] espressa in mg/L 2 2 Per i coefficienti b stimati per il vino (Vivas, 1992), il valore 0,15 si è rivelato quello più promettente per la correlazione dei dati di ossigeno disciolto espressi in mg/L O . L’equazione-modello semiempirica diviene quindi: 2 E = 0,61 + 0,15•log [O ] - 0,059 pH con [O ] in mg/L (2’’) 2 2 ed è stata così utilizzata per confrontare due serie di dati sperimentali di letteratura ottenuti misurando i potenziali redox di un vino standard modello (12 % di etanolo, 5 % tartrato sodico) con due tipi di elettrodi (Vivas, 1992), uno di tipo convenzionale e un secondo ottimizzato all’uopo. In la sovrapposizione delle due curve sperimentali “1 e 2” con i dati calcolati (curva in tratteggio) dal modello ipotizzato dalla (2’’), ammettendo un pH = 3,5. Ne risulta una pratica coincidenza con i dati della curva 2 ottenuta con l’elettrodo specifico ottimizzato dagli stessi autori della sperimentazione, dimostrando conseguentemente la possibilità di dedurre valori di concentrazione di ossigeno disciolto [O ] reali direttamente dalle misure di E, nel caso in cui vengano predeterminate per il tipico sistema in esame i coefficienti empirici espressi dalla equazione di Nernst (2’). figura 4 2 La bibliografia di riferimento è disponibile al link