فراصوت‌دهی شراب – کاربردهای نوآورانهٔ فراصوت در کارخانه‌های شراب‌سازی
فراصوت یک روش فرآوری غیرحرارتی است که به‌دلیل اعمال ملایم و در عین حال اثرات چشمگیر بر محصول، هم‌اکنون کاربرد گسترده‌ای در صنایع غذایی دارد. در کارخانه‌های شراب‌سازی، فراصوت‌دهی کاربردهای گوناگونی مانند استخراج ترکیبات طعم‌دهنده، ترکیبات فنولی و مواد رنگ‌زا، رسیدن و کهنه‌سازی، طعم‌دهی با چوب بلوط و نیز گاززدایی دارد.
شراب نوشیدنی الکلی‌ای است که بیشتر از انگور تهیه می‌شود، اما از میوه‌های دیگر (مانند شراب سیب و شراب آقطی) یا مواد نشاسته‌ای (مانند شراب برنج و شراب ذرت) نیز تولید می‌شود.
شراب کالای مصرفی محبوبی است که تولید آن به فرایندی پرهزینه نیاز دارد. تولید شراب‌های باکیفیت و بسیار باکیفیت، فعالیتی زمان‌بر و در نتیجه پرهزینه شناخته می‌شود. در نهایت، به نفع تولیدکنندهٔ شراب است که به تخمیر (تبدیل به الکل) و رسیدن شراب (برای ایجاد طعم‌ها و رایحه‌های پیچیده) سرعت ببخشد و هم‌زمان نوشیدنی الکلی باکیفیتی با طعم، دسته‌رایحه، حس دهانی و رنگ مطلوب تولید کند.
نصب دستگاه فراصوت UIP4000hdT برای فرآوری صنعتی شراب با دبی‌های عبوری بالا.
اثرات گوناگون فراصوت در فرآوری شراب
اعمال فراصوت پرتوان به شراب، اثرات سودمند فراوانی دارد. مهم‌ترین کاربردها شامل تقویت طعم و دسته‌رایحهٔ شراب از طریق استخراج اجزای غنی از طعم، مانند ترکیبات فنولی و معطر، طعم‌دهی با چوب بلوط، و تسریع رسیدن و کهنه‌سازی است.
استخراج ترکیبات معطر و فنولی از انگور
فراصوت روشی شناخته‌شده و اثبات‌شده برای استخراج مواد درون‌سلولی گیاهان و ترکیبات معطر است. فعالیت مکانیکی فراصوت به نفوذ حلال‌ها به درون بافت کمک می‌کند. فراصوت با نیروهای برشی کاویتاسیون، دیوارهٔ سلولی را به‌صورت مکانیکی می‌شکند و به این ترتیب انتقال مواد از سلول به حلال را تسهیل می‌کند. کاهش اندازهٔ ذرات بر اثر کاویتاسیون فراصوتی، مساحت سطح تماس میان فاز جامد و مایع را افزایش می‌دهد.
انگور به‌دلیل غنای پلی‌فنولی خود شناخته‌شده و پرطرفدار است. این ترکیبات فنولی انگور (مانند فلاوانول‌های مونومری، پروسیانیدین‌های دیمری، تریمری و پلیمری و نیز اسیدهای فنولی) به‌دلیل خواص ضد‌رادیکالی و آنتی‌اکسیدانی شناخته می‌شوند. از نظر شیمیایی، می‌توان آن‌ها را به دو زیرگروه تقسیم کرد: فلاونوئیدها و غیرفلاونوئیدها. مهم‌ترین فلاونوئیدهای شراب، آنتوسیانین‌ها و تانن‌ها هستند که در رنگ، طعم و حس دهانی نقش دارند. از غیرفلاونوئیدها می‌توان به استیلبن‌ها مانند رزوراترول و ترکیبات اسیدی مانند اسید بنزوئیک، اسید کافئیک و اسید سینامیک اشاره کرد. بخش عمدهٔ این ترکیبات فنولی در پوست و هسته‌های انگور وجود دارد. نیروهای شدید فراصوتی می‌توانند ترکیبات ارزشمند را به‌طور مؤثر از هسته و پوست انگور استخراج کنند.
در مطالعهٔ Cocito et al. (1995)، فراصوت‌دهی به‌عنوان فرایندی سریع، تکرارپذیر و خطی برای استخراج ترکیبات رایحه‌زا از شیرهٔ تخمیرنشدهٔ انگور و شراب معرفی شد. غلظت ترکیبات به‌دست‌آمده با استخراج فراصوتی، بیشتر از غلظت حاصل از استخراج با ستون C18 (استخراج رزینی) بود.
در مجموع، با توجه به مزایای استخراج فراصوتی، فراصوت جایگزینی کم‌هزینه، ساده و کارآمد برای روش‌های متداول استخراج غیرحرارتی، مانند فشار هیدروستاتیک بالا (HP)، دی‌اکسید کربن فشرده (cCO2)، دی‌اکسید کربن فوق‌بحرانی (ScCO2) و پالس‌های میدان الکتریکی قوی (HELP) است. مزیت دیگر این است که استخراج فراصوتی – برخلاف گزینه‌های نام‌برده در بالا – به‌راحتی در مقیاس آزمایشگاهی یا رومیزی قابل آزمایش است. این آزمون‌ها نتایج بازتولیدپذیری ارائه می‌دهند؛ بنابراین افزایش مقیاس بعدی به تلاش بیشتر برای یافتن تنظیمات بهینه نیاز ندارد. برای تولید تجاری در مقیاس کامل، دستگاه‌های فراصوت قابل‌اعتماد برای کار سنگین با توان حداکثر 16٬000 وات برای هر واحد، امکان فراصوت‌دهی جریان‌هایی با دبی حجمی بسیار بالا را فراهم می‌کنند.
استخراج به کمک فراصوت برای طعم‌دهی شراب با چوب بلوط
در مرحلهٔ طعم‌دهی با چوب بلوط، شراب با چوب بشکه‌ها (روش سنتی) یا با تراشه‌های چوب، قطعات میله‌ای یا تخته‌های چوبی، یا پودر بلوط افزوده‌شده (روش جایگزین) تماس پیدا می‌کند. رایج‌ترین چوب برای این نوع طعم‌دهی – همان‌طور که از نام فرایند برمی‌آید – بلوط (quercus) است. انواع دیگر چوب که کمتر استفاده می‌شوند، برای مثال شامل شاه‌بلوط، کاج، سرخ‌چوب، گیلاس یا آکاسیا هستند. از خواص شیمیایی چوب برای ایجاد اثرات عمیق بر طعم و دسته‌رایحهٔ شراب استفاده می‌شود. فنول‌های موجود در بلوط با شراب برهم‌کنش می‌کنند و طعم‌هایی مانند وانیل، کارامل، خامه، ادویه یا طعم‌های خاکی ایجاد می‌کنند. الاژیتانن‌ها (تانن قابل هیدرولیز) که از ساختارهای لیگنینی چوب منشأ می‌گیرند، اثر بسیار مهمی دارند، زیرا شراب را در برابر اکسایش و کاهش محافظت می‌کنند.
استخراج فراصوتی برای مرحلهٔ طعم‌دهی شراب با چوب بلوط مفید است، زیرا چرخه‌های پرفشار و کم‌فشار ایجادشده توسط فراصوت، نفوذ مایع به ساختار چوبی پودر، تراشه‌ها، قطعات میله‌ای یا تخته‌ها را افزایش می‌دهند. افزایش چشمگیر انتقال جرم در نتیجهٔ این فرایند، دورهٔ طعم‌دهی با چوب بلوط را کوتاه‌تر می‌کند و نتایج بهتری از نظر طعم به همراه دارد. اگر پودر بلوط یا تقطیرشده‌های طعم‌دهندهٔ چوب (روش جایگزین طعم‌دهی) به شراب اضافه شوند، نیروهای فراصوتی ذرات یا قطرات را به‌صورت بسیار ریز در شراب پراکنده می‌کنند تا ترشوندگی سطح و میزان تماس بهبود یابد. این امر برای دستیابی به طعم و حس دهانی عالی بسیار مهم است و به کیفیت نوشیدنی الکلی کمک می‌کند. زمان و هزینهٔ زیادی که نگهداری در بشکه و کهنه‌سازی در شراب‌سازی می‌طلبد، فراصوت را به روشی بسیار جذاب برای فرآوری تبدیل می‌کند؛ زیرا دستگاه‌های فراصوت Hielscher با هزینهٔ سرمایه‌گذاری پایین، پیاده‌سازی آسان و بهره‌وری انرژی چشمگیر، مزایای قانع‌کننده‌ای ارائه می‌دهند.
از فراصوت برای افزایش بازده فشردن مایهٔ انگور استفاده می‌شود که به محتوای پلی‌فنولی بالاتر می‌انجامد. افزون بر این، فراصوت‌دهی می‌تواند شراب را ظرف چند دقیقه کهنه کند.
کلوخه‌زدایی به کمک فراصوت در طول کهنه‌سازی شراب
در فرایند سنتی و زمان‌بر کهنه‌سازی شراب، واکنش‌هایی میان مولکول‌های گوناگون در شراب رخ می‌دهد. این یعنی مولکول‌ها متناسب با برهم‌کنش با یکدیگر تغییر می‌کنند. زمان و نتیجهٔ این تغییر مولکولی به ترکیبات شراب و محیط آن بستگی دارد. به‌طور کلی پذیرفته شده است که الکل در نوشیدنی‌های الکلی پراکنده است، اما این به معنای دستیابی به اختلاط مولکول‌ها نیست. از آنجا که در شراب به‌طور طبیعی فقط انرژی اندکی برای واکنش‌ها – مانند پیوندیابی و اختلاط – در دسترس است، تغییرات طبیعی عمدتاً ناقص باقی می‌مانند. گرچه ترکیبات تمایل دارند با یکدیگر برهم‌کنش کنند، به هم متصل شوند و خواص مولکولی را تغییر دهند، به‌دلیل انرژی کم موجود نمی‌توانند به برهم‌کنش، تبدیل یا پیوندیابی کامل در سطح مولکولی دست یابند.
با فراصوت‌دهی شراب (که به معنای وارد کردن انرژی به مایع است)، ترکیبات به درجه‌ای پایدارتر و یکنواخت‌تر از پراکندگی می‌رسند. با فراصوت‌دهی، شراب طی زمان فرآوری بسیار کوتاهی به مایعی همگن با ماندگاری طولانی‌تر تبدیل می‌شود. این همگنی امکان برهم‌کنش بیشتر میان مولکول‌ها و در نتیجه تغییر مولکولی کامل‌تر را فراهم می‌کند. این امر به معنای بهبود طعم و کیفیت است.
پراکنش: بیشتر شراب‌ها پیش از بطری‌کردن با افزودنی‌هایی مانند نگهدارنده‌ها (برای مثال بی‌سولفات پتاسیم و بی‌سولفات سدیم)، مواد پاک‌کننده، پودرهای رنگ‌دهنده و سایر مواد زلال‌کننده و بهبوددهنده تیمار می‌شوند. این افزودنی‌ها برای جلوگیری از قهوه‌ای‌شدن زودهنگام و فساد، بهبود کیفیت شراب، برطرف‌کردن نواقص یا کمک به فرایند تخمیر استفاده می‌شوند. با فراصوت‌دهی می‌توان این افزودنی‌ها را با یکنواختی بسیار زیاد در شراب پراکنده کرد تا نتایج بهتری از فرآوری به دست آید. این امر در نهایت به کیفیت بالاتر و طعم بهتر می‌انجامد – هدفی که هر شراب‌سازی برای آن تلاش می‌کند.
استخراج فراصوتی ترکیبات فعال
شراب طیف گسترده‌ای از ترکیبات فعال سودمند برای سلامت، مانند تانن‌ها، ترکیبات فنولی، فلاونوئیدها و مواد دیگر دارد که ترکیبات ارزشمندی برای استفاده در صنایع دارویی، غذایی و آرایشی هستند.
دربارهٔ استخراج مواد شیمیایی گیاهی مانند پلی‌فنول‌ها، آنتوسیانیدین‌ها، پروآنتوسیانیدین و سایر ترکیبات زیست‌فعال از انگور و محصولات جانبی انگور بیشتر بخوانید!
MultiSonoReactor MSR-4 یک راکتور همگن‌سازی درون‌خطی صنعتی است که برای فرآوری صنعتی با ظرفیت عبوری بالا مناسب است. MSR-4 را می‌توان به 4x UIP4000hdT یا 4x UIP6000hdT مجهز کرد.
بحث تکمیلی
کهنه‌سازی شراب برنج و شراب ذرت: Chang et al. (2002) در مطالعهٔ خود دربارهٔ شراب برنج و شراب ذرت دریافتند که اثرات فراصوت‌دهی بر کهنه‌سازی شراب به نوع شراب بستگی دارد. بنابراین، کهنه‌سازی فراصوتی شراب برنج از نظر مقدار pH، محتوای الکل، استالدهید، طعم و ویژگی‌های حسی، به‌طور معناداری بهتر از کهنه‌سازی شراب ذرت به کمک فراصوت بود. زمان کهنه‌سازی برای هر دو نوع شراب برنج و شراب ذرت به‌طور چشمگیری کاهش یافت (از 1 سال به 1 هفته یا 3 روز).
دستگاه‌های فراصوت صنعتی مجهز به راکتورهای جریان‌گذر برای فراصوت‌دهی شراب و آب‌میوه.
پردازشگرهای فراصوت Hielscher
Hielscher تأمین‌کنندهٔ پیشرو دستگاه‌های فراصوت با کیفیت و عملکرد بالا است. دستگاه‌های فراصوت ساخت Hielscher در نمونه‌های آزمایشگاهی، فرآوری در مقیاس پایلوت یا تولید در مقیاس کامل، در حوزه‌های گوناگون صنعت و پژوهش استفاده می‌شوند. Hielscher برای دستیابی به عملکرد مطلوب و انطباق با هر فرایند، طیف گسترده‌ای از دستگاه‌های فراصوت را برای فراصوت‌دهی هر حجمی از مایع، از چند میکرولیتر تا صدها مترمکعب در ساعت، ارائه می‌دهد. کارایی فرایندی دستگاه‌های فراصوت را می‌توان به‌راحتی در مقیاس کوچک‌تر آزمایش کرد. معمولاً دستگاه UIP1000hd (1kW) برای توسعهٔ فرایند در دبی‌های 0٫5L تا 1000L در ساعت استفاده می‌شود. در این مقیاس می‌توان با تغییر دامنه، فشار و دبی، کارایی فرآوری را بهینه کرد. نصب سامانهٔ فراصوت یا افزودن آن به خط تولید موجود و نیز بهره‌برداری و نگهداری از آن، ساده و بدون دشواری است.
فراصوت در مایعات
فراصوت پرتوان باعث ایجاد کاویتاسیون در مایعات می‌شود. هنگام فروپاشی حباب‌های کاویتاسیون، نیروهای بسیار بزرگی به‌صورت موضعی پدید می‌آیند: در «نقطهٔ داغ» کاویتاسیون، دماهای بسیار بالا (حدود 5٬000K) و فشارهای بسیار زیاد (حدود 2٬000atm) حاصل می‌شود. فروپاشی حباب کاویتاسیون همچنین جت‌های مایع با سرعتی تا 280m/s ایجاد می‌کند. وقتی این نیروهای شدید به مایع وارد می‌شوند، اثرات گوناگونی ایجاد می‌کنند. در یک مایع الکلی، فراصوت‌دهی اکسایش، پلیمریزاسیون و تراکم الکل، آلدهیدها، استرها و اولفین‌ها را تسریع می‌کند تا ترکیبات جدیدی شکل بگیرند که طعم و دسته‌رایحهٔ بیشتر و بهتری ایجاد می‌کنند.
از جذاب‌ترین کاربردهای فراصوت در شراب‌سازی، به‌ویژه باید از فرایندهای زیر به کمک فراصوت: استخراج، کلوخه‌سازی و پراکنش نام برد. این اثرات، فراصوت‌دهی را به روشی بسیار مؤثر برای فرآوری شراب و سایر نوشیدنی‌ها تبدیل می‌کنند.
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی فرآوری دستگاه‌های فراصوت ما ارائه می‌دهد:
| حجم بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| قابل اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل اعمال نیست | بالاتر | مجموعه‌ای از دستگاه‌های UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را برای کاربردهای اختلاط، پراکنش، امولسیون‌سازی و استخراج در مقیاس آزمایشگاهی، پایلوت و صنعتی تولید می‌کند.
منابع علمی / مراجع
- Chang, Audrey Chingzu; et al. (2002): The application of 20kHz ultrasonic waves to accelerate the aging of different wines. Food Chemistry 79, 2002. 501–506.
- 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. Talanta 50(2), 13.Sept.1999. 413-21.
- Jiranek, Vladimir et al. (2007): High power ultrasonics as a novel tool offering new opportunities for managing wine microbiology. Biotechnology Letters 2008. 1-6.
- Vilkhu, Kamaljit; et al. (2008): Applications and opportunities for ultrasound assisted extraction in the food industry — A review. Innovative Food Science & Emerging Technologies, Volume 9, Issue 2; 2008. 161-169.