Veini ultraheli töötlus (sonikeerimine) – ultraheli uuenduslikud rakendused veinitööstuses

Ultraheli on mittetermiline töötlusmeetod, mida kasutatakse toiduainetööstuses juba laialdaselt, sest rakendus on õrn, kuid mõju tootele märkimisväärne. Veinitootjate jaoks pakub ultraheli töötlus (sonikeerimine) mitmesuguseid rakendusi, näiteks maitseainete, fenoolühendite ja värvainete ekstraheerimine, küpsemine ja laagerdamine, tammega maitsestamine ning degaseerimine.

Vein on alkohoolne jook, mida valmistatakse enamasti viinamarjadest, kuid ka muudest puuviljadest (nt õunavein, leedrimarjavein) või tärklisepõhistest toorainetest (nt riisivein, maisivein).
Vein on armastatud tarbekaup, mille tootmine nõuab kulukat protsessi. Kvaliteetsete ja tippkvaliteetsete veinide valmistamist peetakse ajamahukaks ja seetõttu kulukaks tegevuseks. Seetõttu on veinimeistri huvides kiirendada kääritamist (alkoholiks muundumist) ja küpsemist (keerukate maitsete ja aroomide kujunemiseks) ning toota samal ajal kvaliteetset alkohoolset jooki soovitud maitse, buketi, suutunnetuse ja värvusega.

Ultraheli erinevad mõjud veini töötlemisel

Veini suhtes rakendatud võimsusultraheli annab palju kasulikke mõjusid. Olulisimate rakenduste hulka kuuluvad veini buketi maitse intensiivistamine maitserikaste komponentide, näiteks fenoolühendite ja aromaatsete ühendite ekstraheerimise teel, tammega maitsestamine ning küpsemise ja laagerdamise kiirendamine.

Aromaatsete ja fenoolsete ühendite ekstraheerimine viinamarjadest

Ultraheli on tuntud ja tõestatud vahend rakusiseste taimsete materjalide ja aromaatsete ühendite ekstraheerimiseks. Ultraheli mehaaniline toime soodustab lahustite difusiooni koesse. Kuna ultraheli lõhub rakuseina mehaaniliselt kavitatsiooni nihkejõudude abil, hõlbustab see ainete ülekannet rakust lahustisse. Osakeste suuruse vähenemine ultraheli kavitatsiooni toimel suurendab tahke ja vedela faasi kokkupuutepinda.
Viinamarjad on kuulsad ja nõutud oma rikkaliku polüfenoolide sisalduse poolest. Viinamarjade need fenoolühendid (näiteks monomeersed flavanoolid, dimeersed, trimeersed ja polümeersed proantotsüanidiinid ning fenoolhapped) on tuntud oma radikaalidevastaste ja antioksüdantsete omaduste poolest. Keemiliselt saab neid jagada kahte alamkategooriasse: flavonoidid ja mitteflavonoidid. Veini kõige olulisemad flavonoidid on antotsüaniinid ja tanniinid, mis aitavad kaasa värvusele, maitsele ja suutunnetusele. Mitteflavonoidide hulka kuuluvad stilbeenid, näiteks resveratrool, ja happelised ühendid, näiteks benso-, kohvi- ja kaneelhape. Enamik neist fenoolühenditest sisaldub viinamarjade koores ja seemnetes. Intensiivsed ultraheli jõud suudavad väärtuslikke koostisosi viinamarjaseemnetest ja -koorest tõhusalt ekstraheerida.
Cocito jt (1995) uuringus on ultraheli töötlus (sonikeerimine) osutunud kiireks, korratavaks ja lineaarseks protsessiks aroomiühendite ekstraheerimiseks virdest ja veinist. Ultraheliekstraktsiooniga saadud ühendite kontsentratsioonid olid kõrgemad kui C18-kolonniga ekstraktsioonil (vaiguekstraktsioonil) saadud tulemused.
Kokkuvõttes on ultraheli ekstraheerimise eelised järgmised: ultraheli on odav, lihtne ja tõhus alternatiiv tavapärastele mittetermilistele ekstraheerimisvahenditele, näiteks kõrgele hüdrostaatilisele rõhule (HP), kokkusurutud süsinikdioksiidile (cCO2) ja ülekriitilisele süsinikdioksiidile (ScCO2) ning kõrge elektrivälja impulssidele (HELP). Veel üks eelis on see, et ultraheliekstraktsiooni saab – erinevalt eespool nimetatud alternatiividest – hõlpsasti katsetada labori- või töölauamastaabis. Need katsed annavad reprodutseeritavaid tulemusi, nii et järgnev mastaabi suurendamine ei nõua täiendavaid jõupingutusi optimaalse seadistuse leidmiseks. Täismahulises kommertstootmises võimaldavad töökindlad suure koormusega ultraheliseadmed võimsusega kuni 16 000 vatti ühe seadme kohta väga suurte mahuvoogude ultraheli töötlust (sonikeerimist).

Ultraheli abil toimuv ekstraheerimine veini tammega maitsestamiseks

Valmistamise ehk tünnikäitluse etapis puutub vein kokku tünnide puiduga (traditsiooniline tünnikäitlus) või lisatud puiduhakkide, puitpulkade/ -lattide või tammepuidupulbriga (alternatiivne tünnikäitlus). Kõige levinum puit tünnikäitluseks (aromatiseerimiseks) on – vastavalt protseduuri nimetusele – tamm (quercus). Teised puiduliigid, mida kasutatakse harvemini, on nt kastan, mänd, punapuu, kirss või akaatsia. Puidu keemilisi omadusi kasutatakse selleks, et saavutada sügavaid mõjusid veini maitsele ja buketile. Tammes sisalduvad fenoolid mõjutavad veini koostoimes, andes sellele selliseid maitseid nagu vanill, karamell, koor, vürts või mullased maitsed. Väga olulise mõjuga on ellagitanniinid (hüdrolüüsitavad tanniinid), mis on pärit puidu ligniinistruktuuridest, kuna need kaitsevad veini oksüdatsiooni ja redutseerumise eest.
Ultrahelieraldus on veini tünnikäitluse etapis kasulik, sest vedeliku tungimist pulbri, hakkide, pulkade või lattide puitstruktuuri tugevdavad ultraheli tekitatavad kõrg- ja madalrõhutsüklid. Kuna massiülekanne suureneb seeläbi märgatavalt, toob see kaasa lühema tünnikäitluse perioodi ja paremad tulemused maitse osas. Kui veini lisatakse tammepuidupulbrit või puidumaitse destillaate (alternatiivne tünnikäitlus), tagavad ultraheli jõud osakeste või tilkade väga peene dispersiooni veinis, et parandada pinna märgumist ja kokkupuudet. See on väga oluline kõrge maitse- ja suutunnetuse saavutamiseks ning aitab kaasa alkohoolse joogi kvaliteedile. Asjaolu, et tünnis hoidmine ja laagerdamine on veinivalmistuses pikaajaline aja- ja kuluteguri, teeb ultraheli erakordselt huvitavaks töötlusmeetodiks, sest Hielscheri ultraheliseadmed veenavad madalate investeerimiskulude, lihtsa rakendamise ja suurepärase energiatõhususega.

Ultraheli abil toimuv deaglomeratsioon veini laagerdamise ajal

Veini traditsioonilise, aeganõudva laagerdamisprotsessi käigus toimuvad veinis erinevate molekulide reaktsioonid. See tähendab, et molekulid muutuvad vastavalt omavahelisele koostoimele. Selle molekulaarse muutuse aeg ja tulemus sõltuvad veini koostisosadest ja selle keskkonnast. Üldiselt on tunnustatud, et alkohol on liköörides dispergeeritud, kuid see ei tähenda, et molekulide segunemine oleks saavutatud. Kuna veinis on looduslikult reaktsioonideks – nagu sidumine ja segunemine – saadaval vaid vähe energiat, jääb looduslike muutuste ulatus enamasti lõpuleviimata. Kuigi koostisosad kalduvad omavahel interakteeruma, kinnituma ja muutma molekulaarseid omadusi, ei suuda nad olemasoleva vähese energia tõttu realiseerida täielikku koostoimet, muundumist ega sidumist molekulaarsel tasandil.
Kui veini töödeldakse ultrahelil (sonikeeritakse), mis tähendab energia sisestamist vedelikku, saavutavad koostisosad ühtlasema ja homogeensema dispersiooniastme. Sonikeerimise tulemusena muutub vein väga lühikese töötlusaja jooksul homogeenseks vedelikuks, millel on pikendatud säilivusaeg. Homogeensus võimaldab molekulide vahel tugevamat koostoimet ja seega täielikumat molekulaarset muutust. See tähendab maitse ja kvaliteedi paranemist.

Dispersioon: Enne villimist töödeldakse enamikku veine lisaainetega, nagu säilitusained (nt kaaliumvesiniksulfaat, naatriumvesiniksulfaat), puhastusained, värvipulbrid ning muud selgitus- ja parandusained. Neid lisaaineid kasutatakse enneaegse pruunistumise ja riknemise vältimiseks, veini kvaliteedi parandamiseks, puuduste kõrvaldamiseks või kääritamisprotsessi toetamiseks. Ultraheli töötluse (sonikeerimise) abil saab need lisaained veinis dispergeerida väga ühtlaselt, nii et töötluse tulemused on paremad. See toob lõpuks kaasa kõrgema kvaliteedi ja parema maitse – iga veinivalmistaja püüdluse.

Aktiivsete ühendite ultraheliekstraktsioon

Veinis on lai valik tervisele kasulikke aktiivühendeid, näiteks tanniinid, fenoolid, flavonoidid ja teised, mis on väärtuslikud koostisosad farmatsia-, toidu- ja kosmeetikatööstuses.
Lugege lähemalt fütokemikaalide, näiteks polüfenoolide, antotsüanidiinide, proantotsüanidiini ja teiste bioaktiivsete ühendite ekstraheerimisest viinamarjadest ja viinamarjade kõrvalsaadustest!

Ekskurss

Riisiveini ja maisiveini vananemine: Chang et al. (2002) leidsid oma riisiveini ja maisiveini uuringus, et veini sonikeerimise vananemisefektid sõltuvad veini liigist. Nii oli riisiveini ultraheliga vananemine pH väärtuse, alkoholisisalduse, atseetaldehüüdi, maitse ja sensoorsete omaduste poolest oluliselt parem kui maisiveini ultraheli abil vananemine. Nii riisiveini kui ka maisiveini puhul lühenes vananemisaeg märkimisväärselt (1 aastalt 1 nädalale või 3 päevale).

Tööstuslikud sonikaatorid läbivoolureaktoritega veini ja mahla sonikeerimiseks.

Hielscheri ultraheliprotsessorid

Hielscher on kvaliteetsete ja suure jõudlusega ultraheliseadmete juhtiv tarnija. Hielscheri valmistatud ultraheliseadmeid kasutatakse laboriproovide töötlemiseks, pilootmastaabis töötlemiseks või täismahulises tootmises tööstuse ja teadustöö mitmesugustes valdkondades. Täiusliku jõudluse ja igale protsessile kohandamise tagamiseks pakub Hielscher laia valikut ultraheliseadmeid mis tahes vedelikumahu sonikeerimiseks, alates mõnest mikroliitrist kuni sadade kuupmeetriteni tunnis. Ultraheliseadmete protsessitõhusust saab väiksemas mastaabis hõlpsasti testida. Tavaliselt kasutatakse seadet UIP1000hd (1kW) protsessi arendamiseks vooluhulkadel vahemikus 0,5L kuni 1000L tunnis. Selles mastaabis saab töötlemise tõhusust optimeerida amplituudi, rõhu ja vooluhulga muutmisega. Ultrahelisüsteemi paigaldamine või järelpaigaldamine tootmisliini ning selle käitamine ja hooldus on lihtne ja probleemideta.

Ultraheli vedelikes

Suure võimsusega ultraheli tekitab vedelikes kavitatsiooni. Kavitatsioonimullide implodeerumisel tekivad kohalikult äärmiselt suured jõud: kavitatsioonilises „kuumas punktis“ saavutatakse väga kõrged temperatuurid (u 5 000K) ja rõhud (u 2 000atm). Kavitatsioonimulli implodeerumise tulemusel tekivad ka vedelikujoad kiirusega kuni 280m/s. Kui need intensiivsed jõud mõjuvad vedelikule, põhjustavad need mitmesuguseid efekte. Alkoholses vedelikus kiirendab ultraheli töötlus alkoholi, aldehüüdide, estrite ja olefiinide oksüdeerumist, polümerisatsiooni ja kondensatsiooni, moodustades uusi ühendeid, mis loovad rikkalikuma ja parema maitse ning buketi.
Veinivalmistuse (vinifikatsiooni) kõige huvitavamate ultrahelirakendustena tuleb nimetada eelkõige ultraheli abil toimuvat ekstraheerimist, aglomeratsiooni ja dispergeerimist. Need mõjud muudavad sonikeerimise veini ja teiste jookide jaoks nii tõhusaks töötlusmeetodiks.
Allolev tabel annab ülevaate meie sonikaatorite ligikaudsest töötlusvõimsusest: