Ultraschallbehandlung von Wein – Innovative Ultraschallanwendungen in Weinkellereien

Ultraschall ist ein nichtthermisches Verarbeitungsverfahren, das aufgrund seiner schonenden Anwendung und seiner deutlichen Auswirkungen auf das Produkt bereits breite Verwendung in der Lebensmittelindustrie findet. Für Weinkellereien bietet die Ultraschallbehandlung verschiedene Anwendungen wie die Extraktion von Aromastoffen, phenolischen Verbindungen und Farbstoffen, die Reifung und Alterung, den Ausbau mit Eichenholz sowie die Entgasung.

Wein ist ein alkoholisches Getränk, das meist aus Trauben, aber auch aus anderen Früchten (z. B. Apfelwein, Holunderwein) oder stärkehaltigen Ausgangsstoffen (z. B. Reiswein, Maiswein) hergestellt wird.
Wein ist ein beliebtes Konsumgut, dessen Herstellung ein aufwendiges Verfahren erfordert. Die Herstellung von Qualitätsweinen und hochwertigen Weinen gilt als zeitaufwendig und damit kostenintensiv. Daher liegt es im Interesse der Winzer, die Gärung (Umwandlung in Alkohol) und die Reifung (zur Entwicklung komplexer Geschmacksnoten und Aromen) zu beschleunigen und gleichzeitig ein hochwertiges alkoholisches Getränk mit dem gewünschten Geschmack, Bukett, Mundgefühl und der gewünschten Farbe herzustellen.

Verschiedene Wirkungen von Ultraschall bei der Weinverarbeitung

Der Einsatz von Leistungsultraschall bei Wein bietet viele vorteilhafte Wirkungen. Zu den wichtigsten Anwendungen zählen die Intensivierung der Aromen des Weinbuketts durch die Extraktion aromareicher Bestandteile wie phenolischer Verbindungen und Aromastoffe, der Ausbau mit Eichenholz, sowie die Beschleunigung der Reifung und Alterung.

Extraktion von Aromastoffen und phenolischen Verbindungen aus Trauben

Ultraschall ist ein bekanntes und bewährtes Mittel zur Extraktion von intrazellulärem Pflanzenmaterial und Aromastoffen. Die mechanische Wirkung des Ultraschalls unterstützt die Diffusion von Lösungsmitteln in das Gewebe. Da Ultraschall die Zellwand durch die Scherkräfte der Kavitation mechanisch aufbricht, erleichtert er den Stoffübergang aus der Zelle in das Lösungsmittel. Die Partikelgrößenreduktion durch Ultraschallkavitation vergrößert die Kontaktfläche zwischen der festen und der flüssigen Phase.
Trauben sind für ihren hohen Gehalt an Polyphenolen bekannt und begehrt. Diese phenolischen Verbindungen der Traube (wie monomere Flavanole, dimere, trimere und polymere Procyanidine sowie Phenolsäuren) sind für ihre radikalfangenden und antioxidativen Eigenschaften bekannt. Chemisch lassen sie sich in zwei Untergruppen einteilen: Flavonoide und Nichtflavonoide. Die wichtigsten Flavonoide im Wein sind Anthocyane und Tannine, die zu Farbe, Geschmack und Mundgefühl beitragen. Zu den Nichtflavonoiden gehören Stilbene wie Resveratrol und saure Verbindungen wie Benzoe-, Kaffee- und Zimtsäure. Die meisten dieser phenolischen Verbindungen befinden sich in den Traubenschalen und -kernen. Die starken Ultraschallkräfte können die wertvollen Inhaltsstoffe effizient aus Traubenkernen und -schalen extrahieren.
In der Studie von Cocito et al. (1995) erwies sich die Ultraschallbehandlung als schnelles, wiederholbares und lineares Verfahren zur Extraktion von Aromastoffen aus Most und Wein. Die durch Ultraschallextraktion erzielten Konzentrationen der Verbindungen waren höher als bei der C18-Säulenextraktion (Harzextraktion).
Zusammengefasst ist die Ultraschallextraktion eine kostengünstige, einfache und effiziente Alternative zu herkömmlichen nichtthermischen Extraktionsverfahren wie hohem hydrostatischem Druck (HP), komprimiertem Kohlendioxid (cCO2), überkritischem Kohlendioxid (ScCO2) und elektrischen Impulsen hoher Feldstärke (HELP). Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sich die Ultraschallextraktion – im Gegensatz zu den oben genannten Alternativen – problemlos im Labor oder im Tischmaßstab testen lässt. Diese Versuche liefern reproduzierbare Ergebnisse, sodass eine anschließende Maßstabsvergrößerung keine weiteren Anstrengungen zur Ermittlung der optimalen Einstellung erfordert. Für die kommerzielle Produktion im vollen Maßstab ermöglichen zuverlässige Hochleistungsultraschallgeräte mit bis zu 16.000 Watt pro Gerät die Ultraschallbehandlung sehr hoher Volumenströme.

Ultraschallunterstützte Extraktion für den Weinausbau mit Eichenholz

Während des Ausbaus mit Eichenholz kommt der Wein mit dem Holz der Fässer (traditioneller Ausbau mit Eichenholz) oder mit zugesetzten Holzchips, Holzstäben beziehungsweise Dauben oder Eichenholzpulver (alternativer Ausbau mit Eichenholz) in Kontakt. Das am häufigsten für diesen Ausbau (Aromatisierung) verwendete Holz ist – entsprechend der Bezeichnung des Verfahrens – Eiche (quercus). Seltener werden andere Holzarten wie Kastanie, Kiefer, Mammutbaum, Kirsche oder Akazie verwendet. Die chemischen Eigenschaften des Holzes werden genutzt, um Geschmack und Bukett des Weins wesentlich zu beeinflussen. Die in der Eiche enthaltenen Phenole reagieren mit dem Wein und erzeugen Aromen wie Vanille, Karamell, Sahne, Gewürze oder erdige Noten. Eine sehr wichtige Wirkung haben die Ellagitannine (hydrolysierbare Tannine), die aus den Ligninstrukturen des Holzes stammen, da sie den Wein vor Oxidation und Reduktion schützen.
Die Ultraschallextraktion ist für den Weinausbau mit Eichenholz nützlich, da die durch Ultraschall erzeugten Hochdruck- und Niederdruckzyklen das Eindringen der Flüssigkeit in die Holzstruktur von Pulver, Chips, Stäben oder Dauben verstärken. Da dadurch der Stofftransport deutlich erhöht wird, verkürzt sich die Dauer des Ausbaus mit Eichenholz und die Ergebnisse hinsichtlich des Aromas verbessern sich. Werden Eichenholzpulver oder Holzaromadestillate (alternativer Ausbau mit Eichenholz) dem Wein zugesetzt, sorgen die Ultraschallkräfte für eine sehr feine Dispergierung der Partikel oder Tröpfchen im Wein und verbessern so die Oberflächenbenetzung und den Kontakt mit dem Wein. Dies ist sehr wichtig, um einen hochwertigen Geschmack und ein hochwertiges Mundgefühl zu erzielen, und trägt zur Qualität des alkoholischen Getränks bei. Da der Fassausbau und die Alterung bei der Weinbereitung einen erheblichen Zeit- und Kostenfaktor darstellen, ist Ultraschall ein besonders interessantes Verarbeitungsverfahren, denn die Ultraschallgeräte von Hielscher überzeugen durch geringe Investitionskosten, einfache Implementierung und eine hervorragende Energieeffizienz.

Ultraschallunterstützte Deagglomeration während der Weinalterung

Während des traditionellen, zeitaufwendigen Alterungsprozesses von Wein finden im Wein Reaktionen verschiedener Moleküle statt. Das bedeutet, dass sich die Moleküle entsprechend ihren Wechselwirkungen untereinander verändern. Die Dauer und das Ergebnis dieser molekularen Veränderung hängen von den Inhaltsstoffen des Weins und seiner Umgebung ab. Im Allgemeinen gilt als anerkannt, dass Alkohol in alkoholischen Getränken dispergiert ist; dies bedeutet jedoch nicht, dass eine Vermischung der Moleküle erreicht wird. Da im Wein von Natur aus nur wenig Energie für Reaktionen – wie Bindungsbildung und Vermischung – zur Verfügung steht, bleiben die natürlichen Veränderungen meist unvollständig. Obwohl die Inhaltsstoffe dazu neigen, miteinander zu interagieren, sich aneinander anzulagern und ihre molekularen Eigenschaften zu verändern, können sie aufgrund der geringen verfügbaren Energie keine vollständige Wechselwirkung, Umwandlung oder Bindung auf molekularer Ebene erreichen.
Wird Wein mit Ultraschall behandelt (was einen Energieeintrag in die Flüssigkeit bedeutet), erreichen die Inhaltsstoffe einen gleichmäßigeren und einheitlicheren Dispersionsgrad. Durch die Ultraschallbehandlung wird Wein innerhalb einer sehr kurzen Behandlungszeit zu einer homogenen Flüssigkeit mit verlängerter Haltbarkeit. Die Homogenität ermöglicht stärkere Wechselwirkungen zwischen den Molekülen und somit eine vollständigere molekulare Veränderung. Dies bedeutet eine Verbesserung von Geschmack und Qualität.

Dispergierung: Vor der Abfüllung werden die meisten Weine mit Zusatzstoffen wie Konservierungsmitteln (z. B. Kaliumhydrogensulfat, Natriumhydrogensulfat), Klärhilfsmitteln, Farbpulvern sowie weiteren Schönungs- und Verbesserungsmitteln behandelt. Diese Zusatzstoffe werden eingesetzt, um vorzeitige Bräunung und Verderb zu vermeiden, die Weinqualität zu verbessern, Mängel zu beseitigen oder den Gärprozess zu unterstützen. Durch die Ultraschallbehandlung lassen sich diese Zusatzstoffe sehr gleichmäßig im Wein dispergieren, sodass bessere Verarbeitungsergebnisse erzielt werden. Dies führt letztlich zu höherer Qualität und besserem Geschmack – dem Ziel jedes Winzers.

Ultraschallextraktion von Wirkstoffen

Wein enthält eine breite Vielfalt gesundheitsfördernder Wirkstoffe wie Tannine, phenolische Verbindungen, Flavonoide und andere, die als wertvolle Inhaltsstoffe in der Pharma-, Lebensmittel- und Kosmetikindustrie verwendet werden.
Lesen Sie mehr über die Extraktion sekundärer Pflanzenstoffe wie Polyphenole, Anthocyanidine, Proanthocyanidin und anderer bioaktiver Verbindungen aus Trauben und Nebenprodukten der Traubenverarbeitung!

Exkurs

Alterung von Reiswein und Maiswein: Chang et al. (2002) stellten in ihrer Studie zu Reiswein und Maiswein fest, dass die Auswirkungen der Ultraschallbehandlung auf die Alterung von Wein von der Weinart abhängen. So war die Ultraschallalterung von Reiswein hinsichtlich des pH-Werts, des Alkoholgehalts, des Acetaldehyds, des Aromas und der sensorischen Eigenschaften deutlich besser als die ultraschallunterstützte Alterung von Maiswein. Sowohl bei Reiswein als auch bei Maiswein wurde die Alterungszeit erheblich verkürzt (von 1 Jahr auf 1 Woche oder 3 Tage).

Industrielle Ultraschallgeräte mit Durchflussreaktoren für die Ultraschallbehandlung von Wein und Saft.

Ultraschallprozessoren von Hielscher

Hielscher ist der führende Anbieter hochwertiger und leistungsstarker Ultraschallgeräte. Ultraschallgeräte von Hielscher werden für Laborproben, die Verarbeitung im Pilotmaßstab oder die Produktion im vollen Maßstab in vielfältigen Bereichen der Industrie und Forschung eingesetzt. Für optimale Leistung und die Anpassung an jeden Prozess bietet Hielscher eine breite Palette von Ultraschallgeräten zur Beschallung beliebiger Flüssigkeitsvolumina, von mehreren Mikrolitern bis hin zu Hunderten von Kubikmetern pro Stunde. Die Ultraschallgeräte lassen sich problemlos im kleineren Maßstab auf ihre Prozesseffizienz testen. Üblicherweise wird der UIP1000hd (1kW) für die Prozessentwicklung bei Volumenströmen von 0,5L bis 1000L pro Stunde eingesetzt. In diesem Maßstab lässt sich die Verarbeitungseffizienz durch Variation von Amplitude, Druck und Volumenstrom optimieren. Die Installation oder Nachrüstung eines Ultraschallsystems in einer Produktionslinie sowie Betrieb und Wartung sind einfach und problemlos.

Ultraschall in Flüssigkeiten

Hochleistungsultraschall erzeugt Kavitation in Flüssigkeiten. Während der Implosion der Kavitationsblasen treten lokal extrem hohe Kräfte auf: Im „Hotspot“ der Kavitation werden sehr hohe Temperaturen (ca. 5.000K) und Drücke (ca. 2.000atm) erreicht. Die Implosion der Kavitationsblase erzeugt außerdem Flüssigkeitsstrahlen mit Geschwindigkeiten von bis zu 280m/s. Wenn diese starken Kräfte auf die Flüssigkeit wirken, verursachen sie unterschiedliche Effekte. In einer alkoholischen Flüssigkeit beschleunigt die Ultraschallbehandlung die Oxidation, Polymerisation und Kondensation von Alkohol, Aldehyden, Estern und Olefinen, wodurch neue Verbindungen entstehen, die für ein stärkeres und besseres Aroma und Bukett sorgen.
Zu den interessantesten Ultraschallanwendungen für die Weinbereitung (Vinifikation) zählen vor allem die ultraschallunterstützte Extraktion, die Agglomeration und die Dispergierung. Diese Wirkungen machen die Ultraschallbehandlung zu einem so effektiven Verarbeitungsverfahren für Wein und andere Getränke.
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: