Wine metabolomics – authenticity and nutritional value of Greek wines

Abstract

Wine is a compositionally complex dietary matrix whose physiological relevance extends to the metabolites generated through human absorption and biotransformation. This thesis characterizes the phenolic composition of Greek wines and traces their metabolic fate in vivo through targeted, suspect-screening, and untargeted LC-QTOF-MS with multilevel chemometric modelling, from acute responses in healthy individuals to sustained metabolome restructuring in CHD patients. Targeted LC-QTOF-MS survey of 67 monovarietal wines from 12 underexplored Cretan varieties (Assyrtiko, Dafni, Malvazia, Melissaki, Moschato Spinas, Plito, Vidiano, Vilana, Kotsifali, Liatiko, Mandilaria, and Romeiko) established compound-resolved varietal fingerprints across flavonoid and non-flavonoid classes, constituting a preliminary reference for varietal differentiation and proof-of-concept for authenticity assessment. A four-arm crossover study in healthy male volunteers applied suspect screening against 124 phenolic metabolites across twelve postprandial time points, revealing that red and white wine generated temporally distinct plasma profiles governed by beverage matrix rather than ethanol. Red wine produced early phase II conjugates including ethyl gallate sulfate and pyrogallol sulfate, followed by delayed microbial catabolites including dihydroxyphenyl-γ-valerolactone (DHPV) glucuronide. White wine responses were dominated by hydroxycinnamic acid conjugates and hydroxytyrosol sulfate. Four putative metabolic pathways were proposed for gallic acid, vanillic acid, catechin, and chlorogenic acid biotransformation. A three-arm parallel untargeted plasma metabolomics study in CHD patients (n = 57, eight weeks, ethanol-matched tsipouro) revealed that red wine produced the most sustained metabolome restructuring, remaining significantly separated from tsipouro at the eight-week endpoint. Three temporally distinct phases were identified: early upregulation (weeks 0–4) involving indole-3-propionic acid and sulfated hydroxycinnamic acid conjugates; mid-phase metabolic decline (weeks 4–8) with enrichment of colonic sulfate-conjugating activity; and a late cumulative response implicating short-chain fatty acid-producing microbial taxa, reflecting deepening gut microbial engagement.

Ο οίνος αποτελεί ένα σύνθετο τρόφιμο, του οποίου η διατροφική αξία εκτείνεται στους μεταβολίτες που παράγονται μετά την απορρόφηση και τη βιομετατροπή τους στον ανθρώπινο οργανισμό. Η παρούσα διδακτορική διατριβή χαρακτηρίζει τη φαινολική σύσταση ελληνικών οίνων και διερευνά την in vivo μεταβολική τους πορεία μέσω στοχευμένης, ημι-στοχευμένης και μη στοχευμένης LC-QTOF-MS με πολυπαραγοντική χημειομετρική μοντελοποίηση, από την οξεία απόκριση σε υγιή άτομα έως την παρατεταμένη αναδιαμόρφωση του μεταβολώματος σε ασθενείς με στεφανιαία νόσο. Η στοχευμένη ανάλυση 67 μονοποικιλιακών οίνων από 12 ανεπαρκώς μελετημένες κρητικές ποικιλίες (Ασύρτικο, Δαφνί, Μαλβάζια, Μελισσάκι, Μοσχάτο Σπίνας, Πλυτό, Βιδιανό, Βηλάνα, Κοτσιφάλι, Λιάτικο, Μανδηλαριά και Ρωμέικο) ανέδειξε τα φαινολικά αποτυπώματα τους σε φλαβονοειδή και μη φλαβονοειδή κλάσεις, αποτελώντας πλαίσιο αναφοράς για την ποικιλιακή διαφοροποίηση και απόδειξη αρχής για την αξιολόγηση της αυθεντικότητας. Σε κλινική μελέτη τεσσάρων σκελών με διασταυρούμενο σχεδιασμό σε υγιείς άνδρες ερευνήθηκαν 124 φαινολικοί μεταβολίτες σε 12 χρονικά σημεία, αποκαλύπτοντας ότι ερυθρός και λευκός οίνος παρήγαγαν διακριτά προφίλ πλάσματος, καθοριζόμενα από τη σύσταση του ποτού και όχι από την αιθανόλη. Ο ερυθρός οίνος παρήγαγε αρχικά μεταβολίτες της φάσης ΙΙ, συμπεριλαμβανομένων του θειικού αιθυλεστέρα γαλλικού οξέος και της θειωμένης πυρογαλλόλης, ενώ μετά τις 2 ώρες εμφανίστηκαν μικροβιακοί καταβολίτες, συμπεριλαμβανομένης της γλυκουρονιδιωμένης DHPV. Ο λευκός οίνος συσχετίστηκε με παράγωγα υδροξυκινναμικών οξέων και υδροξυτυροσόλης. Προτάθηκαν τέσσερα εικαζόμενα μεταβολικά μονοπάτια για τη βιομετατροπή γαλλικού, βανιλλικού, χλωρογενικού οξέος και κατεχίνης. Σε παράλληλη κλινική μελέτη τριών σκελών με μη στοχευμένη μεταβολωμική πλάσματος σε ασθενείς με στεφανιαία νόσο (n = 57, οκτώ εβδομάδες, τσίπουρο ως ισοδύναμο αιθανόλης), ο ερυθρός οίνος προκάλεσε την πιο παρατεταμένη αναδιαμόρφωση του μεταβολώματος, παραμένοντας σημαντικά διαφοροποιημένος από το τσίπουρο έως τις οκτώ εβδομάδες. Διακρίθηκαν τρεις χρονικά διακριτές φάσεις: πρώιμη αύξηση (εβδομάδες 0–4) σε ινδολο-3-προπιονικό οξύ και συζευγμένα υδροξυκινναμικά οξέα, ενδιάμεση μεταβολική μείωση (εβδομάδες 4–8) με θειωμένα παράγωγα εντερικής προέλευσης, και όψιμη αθροιστική απόκριση που εμπλέκει μικροβιακές ομάδες παραγωγής λιπαρών οξέων βραχείας αλυσίδας, αντανακλώντας ενισχυμένη συμμετοχή του εντερικού μικροβιώματος.