Κατεργασία κρασιού με υπερήχους – Καινοτόμες εφαρμογές των υπερήχων στα οινοποιεία

Οι υπέρηχοι αποτελούν μια μη θερμική μέθοδο επεξεργασίας, η οποία χρησιμοποιείται ήδη ευρέως στη βιομηχανία τροφίμων λόγω της ήπιας εφαρμογής της αλλά και των σημαντικών επιδράσεών της στο προϊόν. Για τα οινοποιεία, η κατεργασία με υπερήχους προσφέρει διάφορες εφαρμογές, όπως την εκχύλιση γευστικών συστατικών, φαινολικών ενώσεων και χρωστικών, την ωρίμανση και την παλαίωση, την κατεργασία με ξύλο δρυός, καθώς και την απαέρωση.

Το κρασί είναι ένα αλκοολούχο ποτό που παρασκευάζεται συνήθως από σταφύλια, αλλά και από άλλα φρούτα (π.χ. κρασί μήλου, κρασί σαμπούκου) ή από αμυλούχες πρώτες ύλες (π.χ. κρασί ρυζιού, κρασί αραβοσίτου).
Το κρασί είναι ένα δημοφιλές καταναλωτικό αγαθό, του οποίου η παραγωγή απαιτεί μια δαπανηρή διαδικασία. Η παραγωγή ποιοτικών και υψηλής ποιότητας κρασιών είναι γνωστό ότι αποτελεί μια χρονοβόρα και, συνεπώς, δαπανηρή δραστηριότητα. Τελικά, είναι προς το συμφέρον του οινοποιού να επιταχύνει τη ζύμωση (μετατροπή σε αλκοόλη) και την ωρίμανση (για την ανάπτυξη σύνθετων γεύσεων και αρωμάτων) και ταυτόχρονα να παράγει ένα αλκοολούχο ποτό υψηλής ποιότητας με την επιθυμητή γεύση, μπουκέτο, αίσθηση στο στόμα και χρώμα.

Διάφορες επιδράσεις των υπερήχων στην επεξεργασία κρασιού

Η εφαρμογή υπερήχων ισχύος στο κρασί προσφέρει πολλές ευεργετικές επιδράσεις. Στις σημαντικότερες εφαρμογές περιλαμβάνονται η γευστική ενίσχυση του μπουκέτου του κρασιού μέσω της εκχύλισης συστατικών πλούσιων σε γεύση, όπως φαινολικές και αρωματικές ενώσεις, η κατεργασία με ξύλο δρυός, καθώς και η επιτάχυνση της ωρίμανσης και της παλαίωσης.

Εκχύλιση αρωματικών και φαινολικών ενώσεων από σταφύλια

Οι υπέρηχοι αποτελούν ένα ευρέως γνωστό και αποδεδειγμένο μέσο για την εκχύλιση ενδοκυτταρικού φυτικού υλικού και αρωματικών ενώσεων. Η μηχανική δράση των υπερήχων ενισχύει τη διάχυση των διαλυτών στον ιστό. Καθώς οι υπέρηχοι διαρρηγνύουν μηχανικά το κυτταρικό τοίχωμα μέσω των δυνάμεων διάτμησης της σπηλαίωσης, διευκολύνουν τη μεταφορά από το κύτταρο στον διαλύτη. Η μείωση του μεγέθους των σωματιδίων μέσω της σπηλαίωσης που προκαλείται από τους υπερήχους αυξάνει την επιφάνεια επαφής μεταξύ της στερεάς και της υγρής φάσης.
Τα σταφύλια είναι γνωστά και περιζήτητα για την υψηλή περιεκτικότητά τους σε πολυφαινόλες. Αυτές οι φαινολικές ενώσεις των σταφυλιών (όπως οι μονομερείς φλαβανόλες, οι διμερείς, τριμερείς και πολυμερείς προκυανιδίνες, καθώς και τα φαινολικά οξέα) είναι γνωστές για τις ιδιότητές τους κατά των ελεύθερων ριζών και για τις αντιοξειδωτικές τους ιδιότητες. Από χημική άποψη, μπορούν να χωριστούν σε δύο υποκατηγορίες: τα φλαβονοειδή και τα μη φλαβονοειδή. Τα σημαντικότερα φλαβονοειδή στο κρασί είναι οι ανθοκυανίνες και οι ταννίνες, που συμβάλλουν στο χρώμα, στη γεύση και στην αίσθηση στο στόμα. Στα μη φλαβονοειδή περιλαμβάνονται τα στιλβένια, όπως η ρεσβερατρόλη, και όξινες ενώσεις, όπως το βενζοϊκό, το καφεϊκό και το κινναμωμικό οξύ. Οι περισσότερες από αυτές τις φαινολικές ενώσεις περιέχονται στον φλοιό και στα γίγαρτα των σταφυλιών. Οι έντονες δυνάμεις των υπερήχων μπορούν να εκχυλίσουν αποτελεσματικά τα πολύτιμα συστατικά από τα γίγαρτα και τον φλοιό των σταφυλιών.
Στη μελέτη των Cocito et al. (1995), η κατεργασία με υπερήχους αποδείχθηκε μια ταχεία, επαναλήψιμη και γραμμική διαδικασία για την εκχύλιση αρωματικών ενώσεων από γλεύκος και κρασί. Οι συγκεντρώσεις των ενώσεων που προέκυψαν από την εκχύλιση με υπερήχους ήταν υψηλότερες από εκείνες που προέκυψαν από την εκχύλιση με στήλη C18 (εκχύλιση με ρητίνη).
Συνοψίζοντας τα πλεονεκτήματα της εκχύλισης με υπερήχους, οι υπέρηχοι αποτελούν μια οικονομική, απλή και αποτελεσματική εναλλακτική λύση έναντι των συμβατικών μη θερμικών μέσων εκχύλισης, όπως η υψηλή υδροστατική πίεση (HP), το συμπιεσμένο διοξείδιο του άνθρακα (cCO2), το υπερκρίσιμο διοξείδιο του άνθρακα (ScCO2) και οι παλμοί υψηλού ηλεκτρικού πεδίου (HELP). Ένα επιπλέον πλεονέκτημα είναι το γεγονός ότι η εκχύλιση με υπερήχους – σε αντίθεση με τις εναλλακτικές μεθόδους που αναφέρθηκαν παραπάνω – μπορεί να δοκιμαστεί εύκολα σε εργαστηριακή ή επιτραπέζια κλίμακα. Αυτές οι δοκιμές παρέχουν αναπαραγώγιμα αποτελέσματα, ώστε η επακόλουθη αύξηση της κλίμακας να μην απαιτεί περαιτέρω προσπάθειες για την εύρεση της βέλτιστης ρύθμισης. Για πλήρη εμπορική παραγωγή, αξιόπιστες συσκευές υπερήχων βαρέος τύπου με ισχύ έως και 16.000 watts ανά μονάδα επιτρέπουν την κατεργασία με υπερήχους ρευμάτων πολύ υψηλής ογκομετρικής παροχής.

Εκχύλιση υποβοηθούμενη από υπερήχους για την κατεργασία κρασιού με ξύλο δρυός

Κατά το στάδιο του αρωματισμού με ξύλο, το κρασί έρχεται σε επαφή με το ξύλο των βαρελιών (παραδοσιακός αρωματισμός με ξύλο) ή με προστιθέμενα ροκανίδια ξύλου, ξύλινες ράβδους/δούγες ή σκόνη ξύλου για αρωματισμό (εναλλακτικός αρωματισμός με ξύλο). Το συνηθέστερο ξύλο για τον αρωματισμό είναι – όπως υποδηλώνει ο αγγλικός όρος της διαδικασίας, «oaking» – η δρυς (quercus). Άλλα είδη ξύλου που χρησιμοποιούνται σπανιότερα είναι, για παράδειγμα, η καστανιά, το πεύκο, η σεκόγια, η κερασιά ή η ακακία. Οι χημικές ιδιότητες του ξύλου αξιοποιούνται για να επιφέρουν έντονες επιδράσεις στη γεύση και στο μπουκέτο του κρασιού. Οι φαινόλες που περιέχονται στη δρυ αλληλεπιδρούν με το κρασί, παράγοντας γεύσεις όπως βανίλιας, καραμέλας, κρέμας, μπαχαρικών ή γήινες γεύσεις. Πολύ σημαντική επίδραση έχουν οι ελλαγιταννίνες (υδρολυόμενες ταννίνες), οι οποίες προέρχονται από δομές λιγνίνης στο ξύλο, καθώς προστατεύουν το κρασί από την οξείδωση και την αναγωγή.
Η εκχύλιση με υπερήχους είναι χρήσιμη για το στάδιο του αρωματισμού του κρασιού με ξύλο, επειδή η διείσδυση του υγρού στη δομή του ξύλου της σκόνης, των ροκανιδιών, των ράβδων ή των δουγών ενισχύεται από τους κύκλους υψηλής και χαμηλής πίεσης που δημιουργούν οι υπέρηχοι. Καθώς έτσι αυξάνεται αισθητά η μεταφορά μάζας, προκύπτουν συντομότερη περίοδος αρωματισμού με ξύλο και καλύτερα αποτελέσματα ως προς τη γεύση. Εάν στο κρασί προστεθούν σκόνη δρυός ή αποστάγματα αρωμάτων ξύλου (εναλλακτικός αρωματισμός με ξύλο), οι δυνάμεις των υπερήχων εξασφαλίζουν πολύ λεπτή διασπορά των σωματιδίων ή των σταγονιδίων στο κρασί, ώστε να βελτιωθούν η διαβροχή και η έκθεση της επιφάνειάς τους. Αυτό είναι πολύ σημαντικό για την επίτευξη υψηλής ποιότητας γεύσης και αίσθησης στο στόμα και συμβάλλει στην ποιότητα του αλκοολούχου ποτού. Το γεγονός ότι η τοποθέτηση σε βαρέλια και η παλαίωση αποτελούν σημαντικό παράγοντα χρόνου και κόστους στην οινοποίηση καθιστά τους υπερήχους μια εξαιρετικά ενδιαφέρουσα μέθοδο επεξεργασίας, καθώς οι συσκευές υπερήχων της Hielscher πείθουν με το χαμηλό κόστος επένδυσης, την εύκολη εφαρμογή και την εξαιρετική τους ενεργειακή απόδοση.

Αποσυσσωμάτωση με τη βοήθεια υπερήχων κατά την παλαίωση του κρασιού

Κατά την παραδοσιακή, χρονοβόρα διαδικασία παλαίωσης του κρασιού, πραγματοποιούνται στο κρασί αντιδράσεις διαφόρων μορίων. Αυτό σημαίνει ότι τα μόρια μεταβάλλονται ανάλογα με την αλληλεπίδραση μεταξύ τους. Ο χρόνος και το αποτέλεσμα αυτής της μοριακής μεταβολής εξαρτώνται από τα συστατικά του κρασιού και το περιβάλλον του. Γενικά, είναι αποδεκτό ότι η αλκοόλη διασπείρεται στα οινοπνευματώδη ποτά, αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι θα επιτευχθεί ανάμειξη των μορίων. Καθώς στο κρασί είναι φυσικά διαθέσιμη μόνο χαμηλή ενέργεια για αντιδράσεις – όπως ο σχηματισμός δεσμών και η ανάμειξη – οι φυσικές μεταβολές παραμένουν ως επί το πλείστον ατελείς. Παρότι τα συστατικά τείνουν να αλληλεπιδρούν, να συνδέονται και να μεταβάλλουν τις μοριακές τους ιδιότητες, δεν μπορούν να επιτύχουν πλήρη αλληλεπίδραση, μετατροπή ή σχηματισμό δεσμών σε μοριακό επίπεδο λόγω της χαμηλής διαθέσιμης ενέργειας.
Καθώς το κρασί υποβάλλεται σε κατεργασία με υπερήχους (που σημαίνει εισαγωγή ενέργειας στο υγρό), τα συστατικά παρουσιάζουν πιο σταθερό και ομοιόμορφο βαθμό διασποράς. Με την κατεργασία με υπερήχους, το κρασί γίνεται ένα ομοιογενές υγρό με παρατεταμένη διάρκεια ζωής σε πολύ σύντομο χρόνο επεξεργασίας. Η ομοιογένεια επιτρέπει μεγαλύτερη αλληλεπίδραση μεταξύ των μορίων και, συνεπώς, πληρέστερη μοριακή μεταβολή. Αυτό σημαίνει βελτίωση της γεύσης και της ποιότητας.

Διασπορά: Πριν από την εμφιάλωση, τα περισσότερα κρασιά υποβάλλονται σε επεξεργασία με πρόσθετα, όπως συντηρητικά (π.χ. όξινο θειικό κάλιο, όξινο θειικό νάτριο), καθαριστικά μέσα, χρωστικές σε σκόνη και επιπλέον διαυγαστικά και βελτιωτικά μέσα. Αυτά τα πρόσθετα χρησιμοποιούνται για την αποφυγή του πρόωρου καφετιάσματος και της αλλοίωσης, τη βελτίωση της ποιότητας του κρασιού, την εξάλειψη ελαττωμάτων ή την υποστήριξη της διαδικασίας ζύμωσης. Με την κατεργασία με υπερήχους, αυτά τα πρόσθετα μπορούν να διασπαρούν πολύ ομοιόμορφα στο κρασί, ώστε να επιτυγχάνονται καλύτερα αποτελέσματα επεξεργασίας. Αυτό οδηγεί τελικά σε υψηλότερη ποιότητα και καλύτερη γεύση – την επιδίωξη κάθε οινοποιού.

Εκχύλιση δραστικών ενώσεων με υπερήχους

Ο οίνος περιέχει μεγάλη ποικιλία δραστικών ενώσεων με ευεργετική δράση στην υγεία, όπως ταννίνες, φαινολικές ενώσεις, φλαβονοειδή και άλλες, οι οποίες αποτελούν πολύτιμα συστατικά που χρησιμοποιούνται στη φαρμακευτική βιομηχανία, στη βιομηχανία τροφίμων και στη βιομηχανία καλλυντικών.
Διαβάστε περισσότερα για την εκχύλιση φυτοχημικών ουσιών, όπως πολυφαινόλες, ανθοκυανιδίνες, προανθοκυανιδίνη και άλλες βιοδραστικές ενώσεις, από σταφύλια και παραπροϊόντα σταφυλιών!

Παρέκβαση

Παλαίωση οίνου ρυζιού και οίνου αραβοσίτου: Οι Chang et al. (2002) διαπίστωσαν στη μελέτη τους για τον οίνο ρυζιού και τον οίνο αραβοσίτου ότι τα αποτελέσματα της κατεργασίας με υπερήχους στην παλαίωση του οίνου εξαρτώνται από το είδος του οίνου. Συγκεκριμένα, η παλαίωση του οίνου ρυζιού με υπερήχους ήταν σημαντικά καλύτερη από την υποβοηθούμενη από υπερήχους παλαίωση του οίνου αραβοσίτου ως προς την τιμή pH, την περιεκτικότητα σε αλκοόλη, την ακεταλδεΰδη, τη γεύση και τα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά. Τόσο για τον οίνο ρυζιού όσο και για τον οίνο αραβοσίτου, ο χρόνος παλαίωσης μειώθηκε σημαντικά (από 1 έτος σε 1 εβδομάδα ή 3 ημέρες).

Βιομηχανικές συσκευές υπερήχων με αντιδραστήρες συνεχούς ροής για την κατεργασία με υπερήχους οίνου και χυμών.

Επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher

Η Hielscher είναι ο κορυφαίος προμηθευτής συσκευών υπερήχων υψηλής ποιότητας και υψηλών επιδόσεων. Οι συσκευές υπερήχων που κατασκευάζει η Hielscher χρησιμοποιούνται για εργαστηριακά δείγματα, επεξεργασία σε πιλοτική κλίμακα ή παραγωγή πλήρους κλίμακας σε πολυάριθμους τομείς της βιομηχανίας και της έρευνας. Για άριστη απόδοση και προσαρμογή σε κάθε διεργασία, η Hielscher προσφέρει ένα ευρύ φάσμα συσκευών υπερήχων για την κατεργασία με υπερήχους οποιουδήποτε όγκου υγρού, από μερικά μικρόλιτρα έως εκατοντάδες κυβικά μέτρα ανά ώρα. Η αποδοτικότητα των συσκευών υπερήχων στην εκάστοτε διεργασία μπορεί να δοκιμαστεί εύκολα σε μικρότερη κλίμακα. Συνήθως, το UIP1000hd (1kW) χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη διεργασιών με παροχές από 0,5L έως 1000L ανά ώρα. Σε αυτή την κλίμακα, η αποδοτικότητα της επεξεργασίας μπορεί να βελτιστοποιηθεί μεταβάλλοντας το πλάτος ταλάντωσης, την πίεση και την παροχή. Η εγκατάσταση ή η εκ των υστέρων ενσωμάτωση ενός συστήματος υπερήχων σε μια γραμμή παραγωγής, καθώς και η λειτουργία και η συντήρησή του, είναι απλές και πραγματοποιούνται χωρίς δυσκολία.

Υπέρηχοι σε υγρά

Οι υπέρηχοι υψηλής ισχύος προκαλούν σπηλαίωση στα υγρά. Κατά την κατάρρευση των φυσαλίδων σπηλαίωσης, αναπτύσσονται τοπικά εξαιρετικά ισχυρές δυνάμεις: στο «θερμό σημείο» της σπηλαίωσης επιτυγχάνονται πολύ υψηλές θερμοκρασίες (περίπου 5.000K) και πιέσεις (περίπου 2.000atm). Η κατάρρευση της φυσαλίδας σπηλαίωσης δημιουργεί επίσης πίδακες υγρού με ταχύτητα έως και 280m/s. Όταν αυτές οι έντονες δυνάμεις επιδρούν στο υγρό, προκαλούν διάφορα αποτελέσματα. Σε ένα αλκοολούχο υγρό, η κατεργασία με υπερήχους επιταχύνει την οξείδωση, τον πολυμερισμό και τη συμπύκνωση της αλκοόλης, των αλδεϋδών, των εστέρων και των ολεφινών, ώστε να σχηματιστούν νέες ενώσεις που δημιουργούν περισσότερη και καλύτερη γεύση και ανθοσμία.
Μεταξύ των πλέον ενδιαφερουσών εφαρμογών των υπερήχων στην παραγωγή οίνου (οινοποίηση) πρέπει να αναφερθούν ιδιαίτερα η υποβοηθούμενη από υπερήχους εκχύλιση, η συσσωμάτωση και η διασπορά . Αυτές οι επιδράσεις καθιστούν την κατεργασία με υπερήχους τόσο αποτελεσματική μέθοδο επεξεργασίας για τον οίνο και άλλα ποτά.
Ο παρακάτω πίνακας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας: