المعالجة بالموجات فوق الصوتية للنبيذ – تطبيقات مبتكرة للموجات فوق الصوتية في مصانع النبيذ
الموجات فوق الصوتية طريقة معالجة غير حرارية تُستخدم بالفعل على نطاق واسع في صناعة الأغذية بفضل تطبيقها اللطيف وتأثيراتها الكبيرة في المنتج. وتتيح المعالجة بالموجات فوق الصوتية لمصانع النبيذ تطبيقات متنوعة، مثل استخلاص مركبات النكهة والمركبات الفينولية والمواد الملونة، والإنضاج والتعتيق، وإكساب النبيذ خصائص خشب البلوط، وكذلك إزالة الغازات.
النبيذ مشروب كحولي يُصنع غالبًا من العنب، ويُصنع أيضًا من فواكه أخرى (مثل نبيذ التفاح ونبيذ البيلسان) أو مواد نشوية (مثل نبيذ الأرز ونبيذ الذرة).
النبيذ سلعة استهلاكية محبوبة يتطلب إنتاجها عملية مكلفة. ومن المعروف أن صناعة النبيذ الجيد والعالي الجودة تستغرق وقتًا طويلًا، ولذلك تنطوي على تكاليف مرتفعة. وفي النهاية، من مصلحة صانع النبيذ تسريع التخمير (التحويل إلى كحول) والإنضاج (لإكسابه نكهات وروائح معقدة)، وإنتاج مشروب كحولي عالي الجودة في الوقت نفسه، يتمتع بالمذاق المطلوب والباقة العطرية المطلوبة والإحساس المطلوب في الفم واللون المطلوب.
تركيب جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UIP4000hdT لمعالجة النبيذ صناعيًا بمعدلات تدفق عالية.
التأثيرات المختلفة للموجات فوق الصوتية في معالجة النبيذ
يوفر تطبيق الموجات فوق الصوتية عالية القدرة على النبيذ العديد من التأثيرات المفيدة. وتشمل أهم التطبيقات تعزيز النكهة في الباقة العطرية للنبيذ باستخلاص المكونات الغنية بالنكهة، مثل المركبات الفينولية والمركبات العطرية، و إكساب النبيذ خصائص خشب البلوط، وتسريع الإنضاج والتعتيق.
استخلاص المركبات العطرية والفينولية من العنب
الموجات فوق الصوتية وسيلة معروفة ومثبتة لاستخلاص المواد النباتية الموجودة داخل الخلايا والمركبات العطرية. ويدعم النشاط الميكانيكي للموجات فوق الصوتية انتشار المذيبات داخل الأنسجة. ولأن الموجات فوق الصوتية تكسر جدار الخلية ميكانيكيًا بفعل قوى القص الناتجة عن التجويف، فإنها تسهّل انتقال المواد من الخلية إلى المذيب. ويزيد تقليل حجم الجسيمات بفعل التجويف فوق الصوتي مساحة سطح التلامس بين الطور الصلب والطور السائل.
يشتهر العنب بغناه بالبوليفينولات، ويزداد الطلب عليه لهذا السبب. وتُعرف هذه المركبات الفينولية في العنب (مثل الفلافانولات الأحادية والبروسيانيدينات الثنائية والثلاثية والبوليمرية، وكذلك الأحماض الفينولية) بخصائصها المضادة للجذور الحرة والمضادة للأكسدة. ويمكن تقسيمها كيميائيًا إلى فئتين فرعيتين: الفلافونويدات وغير الفلافونويدات. وأهم الفلافونويدات في النبيذ هي الأنثوسيانينات والتانينات، التي تسهم في اللون والمذاق والإحساس في الفم. وتشمل غير الفلافونويدات الستيلبينات، مثل الريسفيراترول، والمركبات الحمضية، مثل أحماض البنزويك والكافئيك والسيناميك. وتوجد معظم هذه المركبات الفينولية في قشور العنب وبذوره. وتستطيع القوى فوق الصوتية الشديدة استخلاص المكونات القيّمة من بذور العنب وقشوره بكفاءة.
أظهرت دراسة Cocito وآخرين (1995) أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية عملية سريعة وقابلة للتكرار وخطية لاستخلاص مركبات الرائحة من عصير العنب غير المخمّر والنبيذ. وكانت النتائج المتحصّل عليها لتركيزات المركبات باستخدام الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية أعلى من نتائج الاستخلاص بعمود C18 (الاستخلاص بالراتنج).
وخلاصة مزايا الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية أنه بديل منخفض التكلفة وبسيط وفعال لوسائل الاستخلاص غير الحرارية التقليدية، مثل الضغط الهيدروستاتيكي العالي (HP)، وثاني أكسيد الكربون المضغوط (cCO2)، وثاني أكسيد الكربون فوق الحرج (ScCO2)، ونبضات المجال الكهربائي العالي (HELP). ومن المزايا الإضافية أن الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية – بخلاف البدائل المذكورة أعلاه – يمكن اختباره بسهولة على نطاق المختبر أو على نطاق الأجهزة الموضوعة على طاولة العمل. وتوفر هذه التجارب نتائج قابلة لإعادة الإنتاج، بحيث لا يتطلب التوسع اللاحق في حجم العملية جهودًا إضافية لإيجاد الإعداد الأمثل. وللإنتاج التجاري الكامل، تتيح أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية الموثوقة والمخصصة للاستخدام الشاق ، بقدرة تصل إلى 16,000 واط لكل وحدة، معالجة تيارات ذات أحجام كبيرة جدًا بالموجات فوق الصوتية.
الاستخلاص بمساعدة الموجات فوق الصوتية لإكساب النبيذ خصائص خشب البلوط
خلال مرحلة إكساب النبيذ خصائص خشب البلوط، يلامس النبيذ خشب البراميل (الطريقة التقليدية) أو رقائق الخشب المضافة أو أعواد الخشب/ألواحه أو مسحوق خشب البلوط (الطريقة البديلة). وأكثر الأخشاب شيوعًا لهذه المعالجة (إكساب النكهة) هو – كما يدل اسم العملية – البلوط (quercus). ومن أنواع الخشب الأخرى الأقل استخدامًا، على سبيل المثال، الكستناء والصنوبر والخشب الأحمر والكرز والأكاسيا. وتُستخدم الخصائص الكيميائية للخشب لإحداث تأثيرات عميقة في نكهة النبيذ وباقته العطرية. وتتفاعل الفينولات الموجودة في البلوط مع النبيذ، فتنتج نكهات مثل الفانيليا والكراميل والقشدة والتوابل أو النكهات الترابية. وللإيلاجيتانينات (التانينات القابلة للتحلل المائي)، المشتقة من تراكيب اللجنين في الخشب، تأثير بالغ الأهمية، إذ تحمي النبيذ من الأكسدة والاختزال.
يفيد الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية في مرحلة إكساب النبيذ خصائص خشب البلوط، لأن دورات الضغط المرتفع والمنخفض التي تولّدها الموجات فوق الصوتية تعزز نفاذ السائل إلى البنية الخشبية للمسحوق أو الرقائق أو الأعواد أو الألواح. وبما أن ذلك يزيد انتقال الكتلة بصورة ملحوظة، فإنه يؤدي إلى تقصير مدة هذه المعالجة وتحقيق نتائج أفضل من حيث النكهة. وإذا أُضيف مسحوق البلوط أو مقطّرات نكهة الخشب إلى النبيذ (الطريقة البديلة)، فإن القوى فوق الصوتية توفر تشتيتًا بالغ الدقة للجسيمات أو القطيرات في النبيذ لتحسين ترطيب السطح وتعريضه للتلامس. وهذا مهم جدًا لتحقيق مذاق وإحساس في الفم بمستوى عالٍ، ويسهم في جودة المشروب الكحولي. وحقيقة أن التخزين في البراميل والتعتيق يشكّلان عاملًا كبيرًا من حيث الوقت والتكلفة في صناعة النبيذ تجعل الموجات فوق الصوتية طريقة معالجة جديرة بالاهتمام على نحو استثنائي، إذ تتميز أجهزة Hielscher للموجات فوق الصوتية بانخفاض تكاليف الاستثمار وسهولة التطبيق و كفاءة استثنائية في استخدام الطاقة.
تُستخدم الموجات فوق الصوتية لزيادة مردود العصر من عصير العنب غير المخمّر، مما يعطي محتويات أعلى من البوليفينولات. وإضافة إلى ذلك، يمكن للمعالجة بالموجات فوق الصوتية تعتيق النبيذ في غضون دقائق.
تفكيك التكتلات بمساعدة الموجات فوق الصوتية أثناء تعتيق النبيذ
خلال عملية تعتيق النبيذ التقليدية التي تستغرق وقتًا طويلًا، تحدث تفاعلات بين جزيئات مختلفة في النبيذ. وهذا يعني أن الجزيئات تتغير تبعًا لتفاعلها بعضها مع بعض. ويعتمد زمن هذا التغير الجزيئي ونتيجته على مكونات النبيذ وبيئته. ومن المتعارف عليه عمومًا أن الكحول يكون مشتتًا في المشروبات الكحولية، لكن ذلك لا يعني تحقق امتزاج الجزيئات. ولأن الطاقة المتاحة طبيعيًا في النبيذ للتفاعلات – مثل الترابط والامتزاج – منخفضة، فإن التغيرات الطبيعية تظل في معظمها غير مكتملة. ومع أن المكونات تميل إلى التفاعل والارتباط وتغيير الخصائص الجزيئية، فإنها لا تستطيع تحقيق تفاعل أو تحول أو ترابط كامل على المستوى الجزيئي بسبب انخفاض الطاقة المتاحة.
عند معالجة النبيذ بالموجات فوق الصوتية (أي إدخال الطاقة إلى السائل)، تُظهر المكونات درجة تشتيت أكثر اتساقًا وتجانسًا. وبالمعالجة بالموجات فوق الصوتية، يصبح النبيذ سائلًا متجانسًا ذا مدة صلاحية أطول خلال زمن معالجة قصير جدًا. ويسمح التجانس بتفاعل أكبر بين الجزيئات، ومن ثم بتغير جزيئي أكثر اكتمالًا. وهذا يعني تحسين المذاق والجودة.
التشتيت: قبل التعبئة في الزجاجات، تُعالج معظم أنواع النبيذ بمواد مضافة، مثل المواد الحافظة (مثل هيدروجين كبريتات البوتاسيوم وهيدروجين كبريتات الصوديوم)، ومواد التنظيف، ومساحيق التلوين، وغيرها من مواد الترويق والتحسين. وتُستخدم هذه المواد المضافة لتجنب الاسمرار المبكر والفساد، وتحسين جودة النبيذ، وإزالة العيوب، أو دعم عملية التخمير. وبالمعالجة بالموجات فوق الصوتية، يمكن تشتيت هذه المواد المضافة في النبيذ باتساق كبير، مما يحقق نتائج أفضل للمعالجة. ويؤدي ذلك في النهاية إلى جودة أعلى ومذاق أفضل – وهو ما يسعى إليه كل صانع نبيذ.
استخلاص المركبات الفعالة بالموجات فوق الصوتية
يحتوي النبيذ على مجموعة واسعة من المركبات الفعالة المفيدة للصحة، مثل التانينات والمركبات الفينولية والفلافونويدات وغيرها، وهي مكونات قيّمة تُستخدم في صناعات الأدوية والأغذية ومستحضرات التجميل.
اقرأ المزيد عن استخلاص المواد الكيميائية النباتية، مثل البوليفينولات والأنثوسيانيدينات والبروأنثوسيانيدين وغيرها من المركبات النشطة بيولوجيًا، من العنب ومنتجاته الثانوية!
MultiSonoReactor MSR-4 هو مفاعل تجانس صناعي يعمل ضمن خط الإنتاج ومناسب للمعالجة الصناعية بمعدلات معالجة عالية. ويمكن تجهيز MSR-4 بـ 4x UIP4000hdT أو 4x UIP6000hdT.
استطراد
تعتيق نبيذ الأرز ونبيذ الذرة: وجد Chang وآخرون (2002) في دراستهم عن نبيذ الأرز ونبيذ الذرة أن تأثيرات معالجة النبيذ بالموجات فوق الصوتية في التعتيق تعتمد على نوع النبيذ. فقد كان تعتيق نبيذ الأرز بالموجات فوق الصوتية، من حيث قيمة pH ومحتوى الكحول والأسيتالدهيد والنكهة والخصائص الحسية، أفضل بدرجة ملحوظة من تعتيق نبيذ الذرة بمساعدة الموجات فوق الصوتية. وفي كل من نبيذ الأرز ونبيذ الذرة، انخفض زمن التعتيق انخفاضًا كبيرًا (من 1 سنة إلى 1 أسبوع أو 3 أيام).
أجهزة معالجة صناعية بالموجات فوق الصوتية مزودة بمفاعلات ذات تدفق مستمر لمعالجة النبيذ و العصير.
معالجات Hielscher بالموجات فوق الصوتية
Hielscher هي المورد الرائد للأجهزة فوق الصوتية العالية الجودة والأداء. وتُستخدم أجهزة الموجات فوق الصوتية التي تصنعها Hielscher لعينات المختبر، والمعالجة على النطاق التجريبي، أو الإنتاج على النطاق الكامل في مجالات متعددة من الصناعة والبحث. ولتحقيق الأداء الأمثل والملاءمة لكل عملية، توفر Hielscher مجموعة واسعة من أجهزة الموجات فوق الصوتية لمعالجة أي حجم من السوائل، بدءًا من بضعة ميكرولترات وصولًا إلى مئات الأمتار المكعبة في الساعة. ويمكن بسهولة اختبار كفاءة هذه الأجهزة في العمليات على نطاق أصغر. وعادةً ما يُستخدم UIP1000hd (1kW) لتطوير العمليات لمعدلات تدفق تتراوح من 0.5L إلى 1000L في الساعة. وعلى هذا النطاق، يمكن تحسين كفاءة المعالجة بتغيير السعة والضغط ومعدل التدفق. كما أن تركيب نظام للموجات فوق الصوتية في خط إنتاج أو إضافته إلى خط قائم، وكذلك تشغيله وصيانته، أمور بسيطة وخالية من الصعوبات.
الموجات فوق الصوتية في السوائل
تولّد الموجات فوق الصوتية عالية القدرة التجويف في السوائل. وأثناء الانهيار الداخلي لفقاعات التجويف، تنشأ قوى شديدة الارتفاع موضعيًا: ففي «البقعة الساخنة» الناتجة عن التجويف، تصل درجات الحرارة إلى مستويات عالية جدًا (حوالي 5,000K)، وكذلك الضغوط (حوالي 2,000atm). ويؤدي الانهيار الداخلي لفقاعة التجويف أيضًا إلى توليد نفاثات سائلة تصل سرعتها إلى 280m/s. وعندما تؤثر هذه القوى الشديدة في السائل، فإنها تُحدث تأثيرات مختلفة. وفي السائل الكحولي، تؤدي المعالجة بالموجات فوق الصوتية إلى تسريع أكسدة الكحول والألدهيدات والإسترات والأوليفينات وبلمرتها وتكاثفها لتكوين مركبات جديدة تُنتج نكهة وباقة عطرية أغنى وأفضل.
ومن أكثر تطبيقات الموجات فوق الصوتية إثارة للاهتمام في صناعة النبيذ، ينبغي ذكر الاستخلاص، والتكتل، و التشتيت بمساعدة الموجات فوق الصوتية على وجه الخصوص. وتجعل هذه التأثيرات المعالجة بالموجات فوق الصوتية طريقة معالجة فعالة للغاية للنبيذ والمشروبات الأخرى.
يعطيك الجدول أدناه مؤشرًا على القدرة التقريبية للمعالجة لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لدينا:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 1 إلى 500mL | 10 إلى 200mL/min | UP100H |
| 10 إلى 2000mL | 20 إلى 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20L | 0.2 إلى 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100L | 2 إلى 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 إلى 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | أكبر | مجموعة من أجهزة UIP16000 |
تواصل معنا! / اسألنا!
تصنع Hielscher Ultrasonics مجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لتطبيقات الخلط والتشتيت والاستحلاب والاستخلاص على النطاق المختبري والتجريبي والصناعي.
المؤلفات / المراجع
- Chang, Audrey Chingzu; et al. (2002): The application of 20kHz ultrasonic waves to accelerate the aging of different wines. Food Chemistry 79, 2002. 501–506.
- Cocito, C.; et al. (1995): Rapid extraction of aroma compounds in must and wine by means of ultrasound.
- Ghafoor, Kashif; et al. (2009): Optimization of an extraction method of aroma compounds in white wine using ultrasound.
- Hernanz Vila, Dolores; et al. (1999): Optimization of an extraction method of aroma compounds in white wine using ultrasound. Talanta 50(2), 13.Sept.1999. 413-21.
- Jiranek, Vladimir et al. (2007): High power ultrasonics as a novel tool offering new opportunities for managing wine microbiology. Biotechnology Letters 2008. 1-6.
- Vilkhu, Kamaljit; et al. (2008): Applications and opportunities for ultrasound assisted extraction in the food industry — A review. Innovative Food Science & Emerging Technologies, Volume 9, Issue 2; 2008. 161-169.