Wein Ausbauen und Reifen mittels Ultraschall

Die Phase des Weinausbaus und der Reifung tragen wesentlich zum endgültigen Geschmack und zur Qualität des Weins bei. Beide Prozesse sind dafür bekannt, dass sie viel Zeit benötigen, wobei sich der Reifeprozess oftmals über mehrere Jahre erstrecken kann. Ultraschall ist eine hochwirksame und schnelle Technologie, welche die Weinreifung intensiviert und Prozesse wie die Extraktion von Eichenbestandteilen, die Mikro-Oxygenierung und chemische Prozesse (z.B. Polymerisation) erheblich beschleunigt. Mit der Ultraschallbehandlung können junge Weine innerhalb von Minuten zu gereiften Weinen mit dem Bouquet einer mehrjährigen Reifung in Eichenfässern ausgebaut werden.

Aus Eichenholz gewonnene Weinaromen mittels Ultraschallextraktion

Phenolische Verbindungen, die zur Adstringenz beitragen, und aromatische Verbindungen stammen beide aus Eichenholz. Wird Eichenholz in Wein mit Ultraschall behandelt, werden diese aus Eichenholz gewonnenen Substanzen extrem schnell aus der Holzstruktur freigesetzt und im Wein verteilt. Während bei der traditionellen Reifung im Weinfass dieser Prozess aufgrund des langsamen Stoffaustausches sehr viel Zeit benötigt, kann Ultraschall die Extraktion von Eichenholzverbindungen auf wenige Minuten reduzieren – im Vergleich dazu dauert die traditioneller Fassreifung von Weinen oftmals mehrere Jahre.

Eichenholz-basierte Reifung von Wein mit Ultraschall

Qulaitätswein wird in Eichenfässern ausgebaut. Die Ultraschallbehandlung, d.h. die Anwendung von Hochleistungs-Ultraschallwellen, intensiviert und beschleunigt die Reifung der Weine. Zur Intensivierung des Oakings werden Eichenholzchips oder Dauben in Wein beschallt. Die Ultraschallwellen öffnen Zellstrukturen und brechen Zellwände des Holzmaterials auf, so dass die intrazellulären Verbindungen wie Tannine, Phenole, Furone, Laktone usw. durch die Turbulenzen der Ultraschallkavitation in den Wein abgegeben werden. Da Ultraschallschwingung und -kavitation intensive Turbulenzen und Mikroströmungen erzeugen, wird der Stoffaustausch zwischen dem Zellinneren und dem umgebenden Lösungsmittel drastisch intensiviert, so dass die Biomoleküle (d. h. die Aromastoffe) effizient und schnell freigesetzt werden. Da die Beschallung eine rein mechanische Behandlung ist, werden dem Wein bei der Ultraschallbehandlung keinerlei Chemikalien zugesetzt.

Mit Ultraschall gealterter Wein erreicht seine Spitzenqualität wesentlich schneller als traditionell im Fass gealterter Wein.

Qualitätsvergleich von traditionell gealtertem Wein und mittels Ultraschall gealtertem Wein. Mit Ultraschall gealterter Wein erreicht seine Spitzenqualität deutlich schneller.
(Grafik: ©Yıldırım und Dündar, 2017, bearbeitet nach Leonhardt und Morabito, 2007).

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Ultraschall wird eingesetzt, um die Extraktion der aus Eichenholz stammenden Verbindungen (Phenole, Furane, Vanillin, Tannine usw.) in einem beschleunigten Eichungs- und Alterungsprozess während der Weinherstellung zu erhöhen. Hielscher Ultraschallsysteme sind leistungsstarke Extraktoren für bioaktive Verbindungen und Pflanzenpigmente.

Die Ultraschallbehandlung kann Wein innerhalb von Minuten altern lassen. Ultraschall wird eingesetzt, um chemische Prozesse in Gang zu setzen und die Übertragung der in Eichenholz vorhandenen Verbindungen (z. B. Aromastoffe) in den Wein zu beschleunigen.

Ultraschall – ein Verfahren basierend auf rein mechanischen Kräften

Hochintensiver, niederfrequenter Ultraschall erzeugt ein energetisches Umfeld, das von hohen Drücken, hohen Temperaturen und hohen Scherkräften gekennzeichnet ist. Diese physikalischen Kräfte bewirken den Aufschluss von Zellstrukturen, um intrazelluläre Verbindungen in das Medium (den Wein) freizusetzen. Zusätzlich fördert der ultraschall-gestützte Alterungsprozess von Wein die Mikrooxygenierung und weitere Oxidationsprozesse. Dadurch kann eine kontrollierte Ultraschallbehandlung die chemischen Reaktionen im Wein positiv beeinflussen. Mittels Ultraschall gealterte Weine erreichen ihre Spitzenqualität deutlich schneller als traditionell gealterte Weine. Darüber hinaus weisen ultraschall-gealterte Weine ein höheres Konservierungsniveau auf, wodurch mittels Ultraschall gealterte Weine ihre Spitzenqualität länger beibehalten als Weine, die im herkömmlichen Alterungsprozess ausgebaut wurden.

Hochintensive Ultraschallwellen erzeugen akustische Kavitation. Durch die Ultraschallkavitation werden die Zellwände aufgebrochen und der Stofftransport erhöht, wodurch die Extraktion von Sekundärmetaboliten aus Pflanzenmaterialien gefördert wird.

Der Mechanismus des Zellaufschlusses mit Ultraschall (a) Aufbrechen der Zellwand durch Kavitation. (b) Diffusion von Lösungsmitteln in die Zellstruktur.
(Grafik übernommen und angepasst von Shirsath et al., 2012)

Vorteile des Ultraschall-gestützten Weinausbaus gegenüber dem traditionellen Ausbau in Eichenfässern

Die Reifung in Eichenfässern ist das übliche, traditionelle Verfahren für den Weinausbau. In den Eichenfässern findet die Oxidation in geringem Umfang über eine lange Lagerzeit statt. Die Lagerzeit für hochwertigen Wein dauert mehrere Jahre und ist damit ein kostspieliger Prozess. Während der Reifung in Eichenfässern bildet der Wein zahlreiche einzigartige Aromen aus. Neben dem jahrelangen Reifungsprozess und dem damit verbundenen Zeitverlust sind Eichenfässer teuer in der Anschaffung und im Unterhalt. Unerwünschte Mikroorganismen wie Hefearten (z.B. Brettanomyces und Dekkera) können Weinfässer verunreinigen. Durch Hefe verdorbener Wein zeichnet sich durch schlechten Geschmack und Geruch aus.
Aufgrund dieser Nachteile der traditionellen Fassreifung ist der Weinausbau und die Reifung mittels Ultraschall eine kostengünstige und wissenschaftlich belegte Alternative zum traditionellen Verfahren. Die Ultraschallbehandlung verkürzt die Reifungszeit und verbessert mehrere Qualitätsfaktoren des Weins. Die Ultraschallbehandlung kann in verschiedenen Phasen der Weinherstellung eingesetzt werden, einschließlich der Mazeration, der Polyphenolextraktion sowie des Ausbaus, der Reifung und des Oakings. Wissenschaftliche Studien und industrielle Anwendungen belegen die Wirksamkeit der Ultraschallbehandlung bei der Weinherstellung mit erheblichen Verbesserungen bei der Verkürzung der Reifezeiten und der effizienteren Herstellung von Qualitätsweinen.

Ultraschall verbessert die Extraktion von Holzaromen (z.B. Eiche) und verkürzt die Weinreifung auf wenige Minuten.

Durch Ultraschall beschleunigte Weinreifung: Die Studie von Prof. Th. Kleinschmidt zeigt die vorteilhafte Veränderung des 3-Methyl-1Butanol-Aromas in Rotwein, wenn dieser in Gegenwart von American Blend Holzchips beschallt wird. (Ultraschallgerät UIP2000hdT, Amplitude 43µm, Sonotrodenfläche 9cm2)

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Wissenschaftliche Studien zur Ultraschall-gestützten Alterung von Wein

Eine relativ mäßige Ultraschallintensität oder Schallenergiedichte kann die rasche Extraktion und Freisetzung von Phenolen aus Eichenholzchips in den Wein fördern, wodurch sich der Geschmack und der Nährwert des Weins innerhalb einer deutlich verkürzten Reifezeit erhöhen können. Darüber hinaus ist die Ultraschallbehandlung in der Lage, die Zusammensetzung des Weins rasch zu verändern, was vermutlich auf die Wirkung der akustischen Kavitation zurückzuführen ist. Dabei soll eine hohe Schallenergiedichte die Veränderung der Weinzusammensetzung durch Ultraschall fördern. (vgl. Yang et al., 2014)
Ähnliche Alterungseffekte wurden von Jiménez-Sánchez et al. (2020) für Sherry-Essig unter Verwendung von Eichenholz-Schnitzeln und Ultraschall festgestellt. Die Ultraschallbehandlung verkürzte die Reifungszeit im Vergleich zur traditionellen Reifung erheblich.

Freisetzung von Aromastoffen aus Eichenholz mittels Ultraschall

Breniaux und Kollegen untersuchten die Auswirkungen von Hochleistungs-Ultraschall zur Reinigung von Eichenweinfässern sowie die anschließende Freisetzung von Polyphenolen und anderen Verbindungen, wenn diese Fässer nach der Behandlung für die Weinreifung verwendet wurden. Polyphenole und sekundäre Pflanzenstoffe wie Ellagitannine, Lignin und aromatische Komponenten tragen wesentlich zur Reifung und zum Geschmack von Wein bei. Insgesamt zeigte die Studie, dass die Ultraschallbehandlung innerhalb einer sehr kurzen Behandlungszeit zu einer höheren Ausbeute an Polyphenolen und anderen bioaktiven Verbindungen führte. So war beispielsweise die gemessenene Konzentration von Furfural in Wein nach einer Ultraschallbehandlung nach 8 und 12 Monaten Reifezeit höher. Durch Ultraschall stieg die Furfural-Konzentration im Vergleich zur alternativen Dampfreinigung um 18,8 und 92,6 % an. Für das 5-Methylfurfural war die Konzentration bei der Ultraschallbehandlung für Fässer von 1 Jahr alten Fässern (12 Monate gereifter Wein) und 2 Jahre alten Fässern (2, 8 und 12 Monate gereifter Wein) mit einem Anstieg zwischen 20,5 und 97 % signifikant höher. Was die Diastereoisomere der Whiskylaktone betrifft, so war das trans-Whisky-Lacton bei 3 Jahre alten Fässern, die mit Ultraschall behandelt wurden, signifikant höher: Nach 12 Monaten Reifung wies der Wein eine Konzentration von 75,2 ± 5,6 μg/L auf, was einen Anstieg von 46,9 % im Vergleich zu Wein, der in einem dampfbehandelten Fass reifte, darstellt. Auch bei den Konzentrationen von Vanillin und Syringaldehyd waren die im Wein gemessenen Werte nach der Ultraschallbehandlung deutlich höher. Im Vergleich zur Dampfbehandlung der Weinfässer lag der Gesamtenergieverbrauch bei 0,38 kWh für Leistungsultraschall und bei 3 kWh für Wasserdampf. Das bedeutet deer Energieverbrauch des Ultraschalls ist 7,89-mal niedriger ist.
(vgl. Breniaux et al., 2021)

In diesem Video wird die Ultraschallextraktion aus Hopfen (Humulus lupulus) demonstriert. Mit dem Ultraschallgerät UP200Ht werden Caryophyllen und andere Verbindungen extrahiert.

Ultraschall-gestützte Hopfen-Extraktion mit dem Ultrasonicator UP200Ht mit Sonotrode S2614

Ultraschall und Chemische Reaktionen in Wein

Während der Weinalterung finden zahlreiche chemische Reaktionen statt. Beispielsweise neigen Proanthocyanidinverbindungen dazu, zu polymerisieren, mit Anthocyanen zu kondensieren und sich mit anderen Polymeren wie Proteinen und Polysacchariden zu verbinden. Diese Kondensationsreaktion mit den Anthocyanen ist die wichtigste chemische Reaktion, die zur dunklen Farbgebung und zur Farbstabilisierung in Rotweins beiträgt. Während des Reifungsprozesses verändert sich die Farbe von einem hellen Rot zu einem dunklen Rot mit Brauntönen.
Frühere Studien von Masuzawa et al. (2000) hatten bereits gezeigt, dass Ultraschall die Polymerisation der phenolischen Verbindungen fördert und den Polyphenolgehalt in Rotwein während der Reifung erhöht.
Während des Weinausbaus in Fässern können Hunderte von Verbindungen aus dem Holz in den Wein übergehen, die direkt zum Geschmack, zum Aroma und zum Mundgefühl des fertigen Weins beitragen. Die Faserzusammensetzung des Eichenholzes spielt eine wichtige Rolle im Alterungsprozess, da flüchtige Phenole und phenolische Aldehyde aus Lignin und Furfuralverbindungen aus dem Zuckerabbau von Zellulose und Hemizellulose extrahiert werden.
Obwohl die traditionelle Reifung in Eichenfässern seit Jahrhunderten genutzt wird, gibt es einige inhärente Nachteile. Erstens dauert die Reifung in einem Fass normalerweise einige Monate bis mehrere Jahre, was sehr zeitaufwendig ist. Zweitens sind Fässer teuer, nehmen viel Platz in der Kellerei ein und müssen mit der Zeit ersetzt werden. Drittens können Eichenfässer mit zunehmendem Alter durch unerwünschte Mikroorganismen wie Hefen der Gattungen Brettanomyces, Dekkera etc. kontaminiert werden.
Lesen Sie mehr über die Reinigung von Weinfässern mit Ultraschall!

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Ultraschallgeräte für den Ausbau und die Reifung von Wein

Präzise Kontrolle über die Ultraschall-Prozessparameter von Hielscher Ultrasonics' intelligente SoftwareSeit mehreren Jahrzehnten ist Hielscher Ultrasonics zuverlässiger Lieferant von Hochleistungs-Ultraschallprozessoren für die Lebensmittel- und Getränkeindustrie. Weinkellereien und Brennereien haben sich die Ultraschalltechnologie zu eigen gemacht, um hochwertige Weine und alkoholische Getränke unter effizienteren Bedingungen herzustellen, d.h. in einem beschleunigten Prozess und unter genau kontrollierbaren Bedingungen hochwertige Ergebnisse zu erzielen.
Hielscher Ultraschallgeräte gibt es in jeder Leistungsklasse, vom handlichen Laborgerät für Forschung und Qualitätskontrolle über Tisch- und Pilotsysteme für kleine bis mittelgroße Weingüter bis hin zu Hochleistungs-Ultraschallgeräten für große kommerzielle Weinproduzenten.
Alle Hielscher Ultraschallprozessoren sind mit modernster Technik ausgestattet: digitales Farbdisplay, ausgereifte Software, intelligente Einstellungen, automatische Datenprotokollierung auf integrierter SD-Karte und Browser-Fernbedienung für präzise Bedienung, wiederholbare und reproduzierbare Ergebnisse sowie höchste Benutzerfreundlichkeit. Kunden auf der ganzen Welt setzen die Hielscher Ultrasonics' Technologie in Weinkellereien und Brennereien ein und erzielen damit hervorragende Ergebnisse bei der Reifung, dem Oaking und der Aroma-Infusion von Weinen und Spirituosen.
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Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
1 bis 500ml 10 bis 200ml/min UP100H
10 bis 2000ml 20 bis 400ml/min UP200Ht, UP400St
0.1 bis 20l 0,2 bis 4l/min UIP2000hdT
10 bis 100l 2 bis 10l/min UIP4000hdT
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Ultraschall-High-Shear-Homogenisatoren werden im Labor, Technikum, in der Pilotanlage sowie in der industriellen Produktion eingesetzt.

Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.



Literatur / Literaturhinweise


Hochleistungs-Ultraschall! Die Produktpalette von Hielscher deckt das gesamte Spektrum vom kompakten Labor-Ultraschallgerät über Bench-top-Homogenisatoren bis hin zu vollindustriellen Ultraschallsystemen ab.

Hielscher Ultrasonics fertigt Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren vom Labor bis zum voll-kommerziellen Industriemaßstab.