Hielscher Ultraschalltechnik

Wein beschallen – Innovative Ultraschall-Anwendungen in der Weinbereitung

Ultraschall ist ein nicht-thermisches Verarbeitungsverfahren, das in der Lebensmittelverarbeitung aufgrund seiner milden Anwendung, aber erheblichen Effekte auf das Produkt bereits erfolgreich eingesetzt wird. In der Vinifikation kann Ultraschall verschiedene Anwendungen wie z.B. die Extraktion von Aromen, Farbstoffen und Phenolen, die Reifung & Alterung, das Oaking sowie das Entgasen unterstützen.
Wein ist ein alkoholisches Getränk, das meist aus Trauben, aber auch aus anderen Früchten (z.B. Apfel- oder Holunderwein) oder aus stärkehaltigen Rohstoffen (z.B. Reis- oder Maiswein) hergestellt wird.
Wein ist ein beliebtes Konsumgut, dessen Erzeugung einen kostspieligen Prozess erfordert. Die Herstellung qualitativ hochwertiger Weine ist zeitaufwendig und daher auch sehr kostenintensiv. Daher liegt es im Interesse der Winzer, die Fermentation (Umwandlung in Alkohol) und der Reifung (während der sich komplexe Aromen und das Bouquet entwickeln) zu beschleunigen und gleichzeitig einen qualitativ erstklassigen Wein mit dem gewünschten Geschmack, Bouquet, Mundgefühl und Farbe zu produzieren.
Strom Ultraschall ist eine wirksame Technik, um die Weinherstellung auf verschiedene Stufen für die Extraktion, oaking, Dispergier- und Alterung zu unterstützen.

Leistungsstarker Ultraschall-Homogenisator UIP4000 für große Volumenströme

Verschiedene Effekte des Ultraschalls in der Weinverarbeitung

Wird Hochleistungsultraschall in Most, Maische oder Wein eingetragen, ergeben sich daraus verschiedene positive Effekte. Zu den wichtigsten Anwendungen zählen die Aroma-Intensivierung des Weinbouquets durch die Extraktion der aromareichen Komponenten, z. B. Phenole und Aromaten, das Oaking (Eichen) und die Beschleunigung der Reifung & Alterung.

Extraktion aromatischer und phenolischer Substanzen aus den Trauben

Ultraschall ist eine bekannte und altbewährte Methode der Extraktion intrazellulären Pflanzenmaterials und aromatischer Verbindungen. Die mechanischen Ultraschalleffekte unterstützen das Eindringen und die Verbreitung des Lösungsmittels im Zellgewebe. Da die durch Ultraschall generierten Kavitationsscherkräfte die Zellwände aufbrechen, wird der Massetransfer zwischen Zellgewebe und Lösungsmittel verbessert. Die Partikelzerkleinerung durch Ultraschallkavitation erhöht die Oberflächenkontaktfläche zwischen dem Feststoff und der flüssigen Phase.
Trauben sind für ihren Reichtum an Polyphenolen bekannt. Diese Phenolverbindungen (z.B. monomerische Flavanole, dimerische, trimerische und polymerische Procyanidine sowie Phenolsäuren) der Reben sind bekannt für ihre antiradikalen und antioxidativen Eigenschaften. Chemisch können sie in zwei Unterkategorien eingeteilt werden: die Flavonoide und die nicht-Flavonoide. Die wichtigsten Flavonoide in Wein sind die Anthocyane und Tannine, welche zur Farbe, Geschmack und dem Mundgefühl beitragen. Zu den Nicht-Flavonoiden gehören Stilbene wie Resveratrol und Säureverbindungen, wie Benzoesäure, Kaffeesäure und Zimtsäure. Die meisten dieser phenolischen Verbindungen sind in der Schale und den Kernen der Weintraube enthalten. Intensive Ultraschallkräfte sind in der Lage, die wertvollen Inhaltsstoffe aus der Schale und den Traubenkernen effizient zu extrahieren.
In der Studie von Cocito et al. (1995) wurde nachweislich gezeigt, dass Ultraschall ein schneller, reproduzierbarer und linearer Extraktionsprozess für Aromaverbindungen aus Most und Wein ist. Die mittels Ultraschallextraktion erzielten Ergebnisse wiesen eine höhere Konzentration an aromatischen Verbindungen als die der C18 Extraktionskolonne (Harzextraktion).
Zusammengefasst ist die Ultraschallextraktion eine kostengünstige, einfache und effiziente Alternative zu konventionellen nicht-thermischen Extraktionsmethoden, wie z.B. hochhydrostatischem Druck (HP), komprimiertem Kohlendioxid (cCO2), überkritischem Kohlendioxid (ScCO2) und elektrische Hochspannungsimpulse (Hilfe). Zudem kann die ultraschall-gestützte Extraktion – im Gegensatz zu den anderen oben genannten Alternativen – problemlos im kleinen Maßstab Labor oder im Technikum erprobt und getestet werden. Diese Tests eines Ultraschallprozesses liefern reproduzierbare Ergebnisse, so dass bei einem nachfolgenden Scale-up die Suche nach den optimalen Prozessparametern überflüssig ist. Für die kommerzielle Produktion stehen zuverlässige Industrie-Ultraschallanlagen mit bis zu 16.000 Watt pro Einheit für die Beschallung hoher Volumina zur Verfügung.

Ultraschall-gestützte Extraktion während des Wein-Oakings

Während der treaditionellen Weinreifung lagert der Wein in Holzfässern (meist Eichenfässern). Dies ist die Phase des Oakings/ des Eichens, während dieser der Wein mit dem Holz des Weinfasses in Kontakt kommt und den typischen Eichengeschmack annimmt (traditionelles Oaking). In neueren Verfahren werden dem Wein Holzstücke, Hackschnitzel, Holzspäne oder Eichenpulver zugesetzt, um den Prozess des Oakens zu intensivieren und/ oder zu beschleunigen (alternatives Oaking). Die am häufigsten verwendete Holzsorte für das Oaking (das Eichen für das Bouquet) ist – wie der Name schon sagt - die Eiche (Quercus). Andere Holzarten, die seltener verwendet werden, sind z.B. die Kastanie, Kiefer, Redwood, Kirsche oder Akazie. Die chemischen Eigenschaften des Holzes werden verwendet, um das Weinaroma und das Bouquet nachhaltig zu beeinflussen und somit einen geschmacksintensiven Wein zu erhalten. Die in der Eiche enthaltenen Phenole interagieren mit den typischen Weinaromen, wie z.B. Vanille, Karamell, Sahne, würzigen oder erdigen Aromen. Sehr wichtig sind die Ellagitannine (aus Tannin hydrolysiert), welche aus der Ligninstruktur des Holzes gewonnen werden, da sie den Wein vor Oxidation und Reduktion schützen.
Die Ultraschall-Extraktion unterstützt das Wein-Oaking, da durch die Ultraschall erzeugten Kaviationskräfte das Eindringen der Flüssigkeit in die Holzstruktur unterstützt. Dadurch wird der Massetransfer deutlich verbessert, was in kürzeren Oakingzeiten und besseren Geschmacksergebnissen resultiert. Werden während der Weinreifung Eichenpulver oder Holzdestillate verwendet (alternative Oaking), können diese Zusätze mittels Ultraschall sehr fein dispergiert und eingemischt werden. Dies ist wichtig, um einen gleichmäßig intensiven Geschmack und ein angenehmes Mundgefühl zu erreichen und trägt zur Qualität des Rebensaftes bei. Die Tatsache, dass die Fassreifung und der Weinalterungsprozess eine relativ lange Lagerzeit beanspruchen und somit einen beträchtlichen Anteil des Vinifikationskosten verursachen, macht Ultraschall zu einer außerordentlich interessanten Behandlungsmethode, da Hielscher-Ultraschallgeräte durch geringe Investitionskosten, einfache Installation und eine hervorragende Energieeffizienz.

Hochleistungsultraschall hat verschiedene positive Wirkung auf den Trauben und Wein. (Klicken um zu vergrößern!)

Das Ultraschallgerät UIP500hd für das Beschallen von Wein

Ultraschall-gestützte Agglomeration während der Weinreifung

Während des traditionellen zeitintensiven Reifungs- und Alterungsprozesses treten verschiedene molekulare Reaktionen im Wein auf. Dies bedeutet, dass sich die Moleküle aufgrund der molekularen Interaktionen ändern. Die Dauer und das Ergebnis dieser molekularen Veränderung hängen sowohl von den Inhaltsstoffen des Rebsaftes als auch von den Umgebungsbedingungen (Lagerbedingungen) ab. Im Allgemeinen ist der Alkohol in alkoholischen Getränken dispergiert; dies bedeutet jedoch nicht, dass dadurch auch eine homogene Durchmischung auf molekularer Ebene erreicht wird. Da Wein von Natur aus nur ein geringes energetisches Potenzial für Reaktionen – aufweist, bleibt der Anteil der sich natürlich vollziehenden Reaktionen unabgeschlossen. Obwohl die Komponenten dazu neigen miteinander zu interagieren, sich miteinander zu verbinden und ihre molekularen Eigenschaften zu ändern, können sie aufgrund ihrer niedrigen Reaktionsenergie keine vollständigen Interaktionen, Umwandlungen oder Verbindungen auf molekularer Ebene eingehen.
Wird Wein beschallt und somit Energie in die Flüssigkeit eingetragen, weisen die Inhaltsstoffe einen konsistenteren und gleichmäßigeren Dispersionsgrad auf. Wein wird durch Beschallung mit Hochleistungsultraschall zu einer homogenen Flüssigkeit mit verlängerter Haltbarkeit. Dieser Effekt lässt sich schon durch eine kurze Ultraschallbehandlung erreichen. Die Homogenität ermöglicht eine höhere Interaktion zwischen den Molekülen und damit vollständigere molekulare Reaktionen. Dies resultiert in verbessertem Geschmack und höherer Qualität.

Dispersion: Vor der Abfüllung werden die meisten Weine mit Zusätzen wie Konservierungsstoffen (z.B. Kaliumbisulfat, Natriumbisulfat), Klärhilfsmitteln, Farbstoffen und anderen Schönungsmitteln und geschmacksverbessernden Hilfsstoffen behandelt. Diese Zusätze verhindern vorzeitige Bräunung und Verderb, verbessern die Weinqualität, beseitigen Mängel oder unterstützen den Gärungsprozess. Mittels Ultraschall können diese Additive sehr fein und gleichmäßig im Wein dispergiert werden, so dass deutlich bessere Vinifizierungsergebnisse erzielt werden. Dies führt letztendlich zu einer höheren Qualität und besseren Geschmack – das Ziel eines jeden Winzers.

Ultraschall-Extraktion von aktiven Komponenten

Wein besitzt eine Vielzahl an gesundheitsfördernden aktiven Verbindungen wie Tannine, Phenole, Flavonoide und andere Pflanzenstoffe, welche als wertvolle Inhaltsstoffe in der Pharma-, Lebensmittel- und Kosmetikindustrie verwendet werden.

Exkurs

Das Altern von Reiswein und Maiswein: Chang et al. (2002) untersuchten in ihrer Studie die Ultraschalleffekte auf Mais- und Reiswein. Dabei stellten sie fest, dass die Ultraschallwirkung auch von der Weinart bzw. Weinsorte abhängt. So war der ultraschall-gestützte Reifung- und Alterungsprozess bei Reiswein hinsichtlich des pH-Wertes, des Alkoholgehaltes, des Acetaldehyd-Wertes, des Geschmackes und der sensorischen Qualitäten besser als die Ergebnisse, die bei der ultraschall-gestützten Reifung von Maiswein erreicht wurden. Für beide Weine - den Reiswein und den Maiswein - reduzierte sich die Reifungszeit erheblich von 1 Jahr ohne Ultraschall auf nur 1 Woche oder 3 Tage mit Ultraschall.

Macht Ultraschall wird Wein, Säfte, Smoothies und Soßen angewandt, um den Geschmack zu verbessern. Durch Ultraschall-Lyse und Extraktion wird intrazelluläres Material freigesetzt, was zu einer verbesserten ernährungsphysiologischen Qualität und Geschmack.

Industrie-Ultraschallanlagen mit Durchflussreaktoren zur Sondierung von Weinen und Saft.

Hielscher Ultraschallprozessoren

Hielscher ist führender Anbieter hochwertiger Hochleistungs-Ultraschallgeräte. Hielscher Ultraschallhomogenisatoren werden sowohl für die Beschallung von Laborproben als auch Versuche im Technikumsmaßstab als auch für die industrielle Produktion eingesetzt und werden in den unterschiedlichsten Bereichen der Industrie und Forschung verwendet. Um höchste Leistung und bestmögliche Anpassung an die individuellen Prozesse zu gewährleisten, bietet Hielscher ein breites Spektrum von Ultraschallgeräten für die Beschallung von Flüssigkeiten an. Die Produktpalette deckt Ultraschallprozesse von einigen Millilitern bis hin zu Hunderten von Kubikmetern pro Stunde ab. Die Ultraschallgeräte können problemlos auf ihre Prozesseffizienz in kleinerem Maßstab getestet werden. In der Regel wird der UIP1000hd (1kW) für die Prozessentwicklung mit Durchflussraten von 0,5l bis 1000l pro Stunde verwendet. In dieser Größenordnung kann die Verarbeitungseffizienz durch die Variation von Amplitude, Druck und Durchflussrate optimiert werden. Die Installation oder Nachrüstung eines Ultraschallsystems in eine Produktionslinie wie auch Betrieb und Wartung sind einfach und problemlos.

Ultraschall in Flüssigkeiten

Hochleistungs-Ultraschall erzeugt Kavitation in Flüssigkeiten. Während der Implosion der Kavitationsblasen entstehen lokal extrem hohe Kräfte: im Kavitations-"Hot Spot" herrschen sehr hohe Temperaturen (ca. 5000K) und Drücke (ca. 2000atm). Die Implosion der Kavitationsblasen erzeugt zudem Flüssigkeits-Jets mit Geschwindigkeiten von bis zu 280m/s. Wenn diese intensive Kräfte in die Flüssigkeit eingetragen werden, verursachen sie unterschiedliche Effekte. In einer alkoholischen Flüssigkeit verursacht Ultraschall eine Beschleunigung der Oxidation, der Polymerisation und der Kondensation des Alkohols, der Aldehyde, der Ester sowie der Olefine und generiert neue Verbindungen, wodurch Wein und andere Spirituosen mehr Geschmack und ein volleres Bouquet entwickeln.
Zu den interessantesten Ultraschallanwendungen in der Weinherstellung (Weinbereitung) zählen vor allem die ultraschall-gestützte Extraktion, Agglomeration und Dispersion . Durch seine außergewöhnlichen Effekte ist Ultraschall eine leistungsstarke Verarbeitungsmethode für Wein und andere Getränke.

Literatur

  • Chang, Audrey Chingzu; et al. (2002): The application of 20kHz ultrasonic waves to accelerate the aging of different wines.
  • 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.
  • Jiranek, Vladimir et al. (2007): High power ultrasonics as a novel tool offering new opportunities for managing wine microbiology.
  • Vilkhu, Kamaljit; et al. (2006): Applications and opportunities for ultrasound assisted extraction in the food industry — A review.
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