Sonikering af vin – innovative anvendelser af ultralyd på vingårde

Ultralyd er en ikke-termisk behandlingsmetode, som allerede anvendes bredt i fødevareindustrien på grund af den skånsomme behandling og dens betydelige virkninger på produktet. På vingårde tilbyder sonikering forskellige anvendelsesmuligheder såsom ekstraktion af smagsstoffer, fenolforbindelser og farvestoffer, modning og lagring, behandling med egetræ samt afgasning.

Vin er en alkoholisk drik, som oftest fremstilles af druer, men også af andre frugter (f.eks. æblevin og hyldebærvin) eller stivelsesbaserede råvarer (f.eks. risvin og majsvin).
Vin er en populær forbrugsvare, hvis fremstilling kræver en omkostningskrævende proces. Fremstilling af kvalitetsvine og vine af høj kvalitet er kendt for at være tidskrævende og dermed omkostningskrævende. I sidste ende er det i vinproducentens interesse at fremskynde gæringen (omdannelsen til alkohol) og modningen (for at tilføre komplekse smagsnuancer og aromaer) og samtidig fremstille en alkoholisk drik af høj kvalitet med den ønskede smag, bouquet, mundfornemmelse og farve.

Forskellige virkninger af ultralyd ved vinbehandling

Anvendelse af ultralyd med høj effekt på vin har mange gavnlige virkninger. De vigtigste anvendelser omfatter intensivering af smagen i vinens bouquet ved ekstraktion af smagsrige bestanddele såsom fenolforbindelser og aromastoffer, behandling med egetræ samt fremskyndelse af modning og lagring.

Ekstraktion af aromatiske forbindelser og fenolforbindelser fra druer

Ultralyd er et velkendt og gennemprøvet middel til ekstraktion af intracellulært plantemateriale og aromatiske forbindelser. Ultralydens mekaniske aktivitet fremmer diffusionen af opløsningsmidler ind i vævet. Da ultralyd nedbryder cellevæggen mekanisk ved hjælp af kavitationens forskydningskræfter, letter den overførslen fra cellen til opløsningsmidlet. Reduktionen af partikelstørrelsen ved ultralydskavitation øger kontaktfladen mellem den faste og den flydende fase.
Druer er kendte og efterspurgte på grund af deres høje indhold af polyfenoler. Disse fenolforbindelser i druer (såsom monomere flavanoler, dimere, trimere og polymere procyanidiner samt fenolsyrer) er kendt for deres radikalhæmmende og antioxidative egenskaber. Kemisk kan de opdeles i to underkategorier: flavonoider og ikke-flavonoider. De vigtigste flavonoider i vin er anthocyaniner og tanniner, som bidrager til farve, smag og mundfornemmelse. Blandt ikke-flavonoiderne findes stilbener såsom resveratrol og syreforbindelser såsom benzoesyre, kaffesyre og kanelsyre. Størstedelen af alle disse fenolforbindelser findes i druernes skind og kerner. De intense ultralydskræfter kan effektivt ekstrahere de værdifulde indholdsstoffer fra druekerner og drueskind.
I undersøgelsen af Cocito et al. (1995) blev sonikering påvist at være en hurtig, gentagelig og lineær proces til ekstraktion af aromaforbindelser i most og vin. De opnåede koncentrationer af forbindelserne ved ultralydsekstraktion var højere end ved ekstraktion med en C18-kolonne (harpiksekstraktion).
Samlet set gør fordelene ved ultralydsekstraktion ultralyd til et billigt, enkelt og effektivt alternativ til konventionelle ikke-termiske ekstraktionsmetoder såsom højt hydrostatisk tryk (HP), komprimeret kuldioxid (cCO2), superkritisk kuldioxid (ScCO2) og impulser med høj elektrisk feltstyrke (HELP). En yderligere fordel er, at ultralydsekstraktion – i modsætning til de ovennævnte alternativer – nemt kan afprøves i laboratorie- eller bordskala. Disse forsøg giver reproducerbare resultater, så en efterfølgende opskalering ikke kræver yderligere indsats for at finde den optimale indstilling. Til fuld kommerciel produktion muliggør pålidelige ultralydsapparater til krævende drift med op til 16.000 watt pr. enhed sonikering af strømme med meget store væskevolumener.

Ultralydsassisteret ekstraktion til behandling af vin med egetræ

Under behandlingen med egetræ kommer vinen i kontakt med fadets træ (traditionel behandling med egetræ) eller med tilsatte træspåner, træstave/fadstave eller egetræspulver (alternativ behandling med egetræ). Den mest almindelige træsort til denne behandling (smagstilsætning) er – som metodens betegnelse antyder – eg (quercus). Andre træsorter, der anvendes mere sjældent, er f.eks. kastanje, fyr, redwood, kirsebær eller akacie. Træets kemiske egenskaber udnyttes til at opnå dybtgående virkninger på vinens smag og bouquet. Fenolerne i egetræet interagerer med vinen og frembringer smagsnuancer såsom vanilje, karamel, fløde, krydderier eller jordagtige noter. Ellagitanninerne (hydrolyserbare tanniner), som stammer fra ligninstrukturer i træet, har en meget vigtig virkning, da de beskytter vinen mod oxidation og reduktion.
Ultralydsekstraktion er nyttig under behandlingen af vin med egetræ, fordi de højtryks- og lavtrykscyklusser, der genereres af ultralyd, fremmer væskens indtrængning i træstrukturen i pulver, spåner, træstave eller fadstave. Da masseoverførslen dermed øges markant, medfører dette en kortere behandlingsperiode med egetræ og bedre resultater med hensyn til smagen. Hvis egetræspulver eller destillater med træaroma (alternativ behandling med egetræ) tilsættes vinen, sikrer ultralydskræfterne en meget fin dispergering af partiklerne eller dråberne i vinen, så overfladebefugtningen og eksponeringen forbedres. Dette er meget vigtigt for at opnå en smag og mundfornemmelse af høj kvalitet og bidrager til den alkoholiske driks kvalitet. Da fadlagring og modning udgør en betydelig tids- og omkostningsfaktor ved vinfremstilling, er ultralyd en usædvanligt interessant behandlingsmetode, idet ultralydsapparater fra Hielscher udmærker sig ved lave investeringsomkostninger, enkel implementering og en fremragende energieffektivitet.

Ultralydsassisteret deagglomerering under vinlagring

Under den traditionelle tidskrævende lagringsproces for vin sker der reaktioner mellem forskellige molekyler i vinen. Det betyder, at molekylerne ændrer sig i overensstemmelse med deres indbyrdes interaktion. Tiden og resultatet for denne molekylære ændring afhænger af vinens bestanddele og dens omgivelser. Det er almindeligt anerkendt, at alkohol er dispergeret i alkoholiske drikke, men dette betyder ikke, at der opnås en blanding af molekylerne. Da der i vin naturligt kun er lidt energi til rådighed for reaktioner – såsom binding og blanding – vil de naturlige ændringer for det meste være ufuldstændige. Selvom bestanddelene har tendens til at interagere, binde sig til hinanden og ændre molekylære egenskaber, kan de ikke opnå fuldstændig interaktion, omdannelse eller binding på molekylært niveau på grund af den lave tilgængelige energi.
Når vin sonikeres (hvilket betyder, at der tilføres energi til væsken), opnår bestanddelene en mere ensartet og jævn dispergeringsgrad. Ved sonikering bliver vin til en homogen væske med forlænget holdbarhed efter meget kort behandlingstid. Homogeniteten muliggør øget interaktion mellem molekylerne og dermed en mere fuldstændig molekylær ændring. Dette betyder en forbedring af smag og kvalitet.

Dispergering: Før aftapning behandles de fleste vine med tilsætningsstoffer såsom konserveringsmidler (f.eks. kaliumbisulfat og natriumbisulfat), rensemidler, farvepulvere og yderligere klaringsmidler og forbedringsmidler. Disse tilsætningsstoffer anvendes til at undgå for tidlig brunfarvning og fordærv, forbedre vinens kvalitet, afhjælpe mangler eller understøtte gæringsprocessen. Ved sonikering kan disse tilsætningsstoffer dispergeres meget ensartet i vinen, så der opnås bedre behandlingsresultater. Dette fører i sidste ende til højere kvalitet og bedre smag – det, enhver vinproducent stræber efter.

Ultralydsekstraktion af aktive forbindelser

Vin indeholder en bred vifte af sundhedsgavnlige aktive forbindelser såsom tanniner, fenolforbindelser, flavonoider og andre, som er værdifulde indholdsstoffer, der anvendes i medicinal-, fødevare- og kosmetikindustrien.
Læs mere om ekstraktion af fytokemikalier såsom polyfenoler, anthocyanidiner, proanthocyanidin og andre bioaktive forbindelser fra druer og biprodukter fra druer!

Ekskurs

Lagring af risvin og majsvin: Chang et al. (2002) fandt i deres undersøgelse af risvin og majsvin, at sonikeringens virkninger på vinens modning afhænger af vintypen. Ultralydsmodning af risvin var således betydeligt bedre end ultralydsassisteret modning af majsvin med hensyn til pH-værdi, alkoholindhold, acetaldehyd, smag og sensoriske egenskaber. For både risvin og majsvin blev lagringstiden reduceret betydeligt (fra 1 år til 1 uge eller 3 dage).

Industrielle ultralydsapparater med gennemstrømningsreaktorer til sonikering af vin og juice.

Hielschers ultralydsprocessorer

Hielscher er den førende leverandør af ultralydsapparater med høj kvalitet og høj ydeevne. Ultralydsapparater fremstillet af Hielscher anvendes til laboratorieprøver, behandling i pilotskala eller produktion i fuld skala inden for mange områder af industri og forskning. For at sikre perfekt ydeevne og tilpasning til hver enkelt proces tilbyder Hielscher et bredt udvalg af ultralydsapparater til sonikering af enhver væskevolumen, fra flere mikroliter til hundredvis af kubikmeter pr. time. Ultralydsapparaterne kan nemt afprøves i mindre skala for at undersøge deres proceseffektivitet. Typisk anvendes UIP1000hd (1kW) til procesudvikling ved gennemstrømningshastigheder fra 0,5L til 1000L pr. time. I denne skala kan behandlingseffektiviteten optimeres ved at variere amplitude, tryk og gennemstrømningshastighed. Installation eller eftermontering af et ultralydssystem i en produktionslinje samt drift og vedligeholdelse er enkle og uden vanskeligheder.

Ultralyd i væsker

Ultralyd med høj effekt frembringer kavitation i væsker. Under implosionen af kavitationsboblerne opstår der lokalt ekstremt store kræfter: I kavitationens »hotspot« opnås meget høje temperaturer (ca. 5.000K) og tryk (ca. 2.000atm). Implosionen af kavitationsboblen resulterer også i væskestråler med hastigheder på op til 280m/s. Når disse intense kræfter virker i væsken, forårsager de forskellige virkninger. I en alkoholisk væske fremskynder sonikering oxidation, polymerisation og kondensation af alkoholen, aldehyder, estere og olefiner, så der dannes nye forbindelser, som giver mere og bedre smag og bouquet.
Blandt de mest interessante ultralydsanvendelser til vinfremstilling (vinifikation) skal især ultralydsassisteret ekstraktion, agglomerering og dispergering fremhæves. Disse virkninger gør sonikering til en så effektiv behandlingsmetode for vin og andre drikkevarer.
Tabellen nedenfor giver en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet: