Sonikacija vina – inovativne primjene ultrazvuka u vinarijama

Ultrazvuk je netoplinska metoda obrade koja se već široko primjenjuje u prehrambenoj industriji zbog blagog djelovanja, ali značajnih učinaka na proizvod. Vinarijama sonikacija nudi različite mogućnosti primjene, poput ekstrakcije aroma, fenolnih spojeva i bojila, sazrijevanja i starenja, obrade hrastovinom te otplinjavanja.

Vino je alkoholno piće koje se najčešće proizvodi od grožđa, ali i od drugog voća (npr. vino od jabuka, vino od bazge) ili sirovina na bazi škroba (npr. rižino vino, kukuruzno vino).
Vino je omiljen potrošački proizvod čija proizvodnja zahtijeva skup postupak. Proizvodnja kvalitetnih i visokokvalitetnih vina poznata je kao dugotrajan, a time i troškovno zahtjevan posao. Naposljetku, u interesu je vinara ubrzati fermentaciju (pretvorbu u alkohol) i sazrijevanje (radi razvijanja složenih okusa i aroma) te istodobno proizvesti visokokvalitetno alkoholno piće sa željenim okusom, bukeom, osjetom u ustima i bojom.

Različiti učinci ultrazvuka u obradi vina

Ultrazvuk velike snage primijenjen na vino ima brojne blagotvorne učinke. Najvažnije primjene uključuju pojačavanje arome vinskog buketa ekstrakcijom sastojaka bogatih aromom, poput fenolnih i aromatskih spojeva, obradu hrastovinom te ubrzavanje sazrijevanja i starenja.

Ekstrakcija aromatskih i fenolnih spojeva iz grožđa

Ultrazvuk je dobro poznato i dokazano sredstvo za ekstrakciju unutarstaničnog biljnog materijala i aromatskih spojeva. Mehaničko djelovanje ultrazvuka potiče difuziju otapala u tkivo. Budući da ultrazvuk smičnim silama kavitacije mehanički razbija staničnu stijenku, olakšava prijenos iz stanice u otapalo. Smanjenje veličine čestica ultrazvučnom kavitacijom povećava dodirnu površinu između krute i tekuće faze.
Grožđe je poznato i traženo zbog bogatstva polifenolima. Ti fenolni spojevi grožđa (poput monomernih flavanola, dimernih, trimernih i polimernih procijanidina te fenolnih kiselina) poznati su po svojim antiradikalskim i antioksidacijskim svojstvima. S kemijskog stajališta mogu se podijeliti u dvije potkategorije: flavonoide i neflavonoide. Najvažniji flavonoidi u vinu jesu antocijani i tanini, koji pridonose boji, okusu i osjetu u ustima. Među neflavonoide ubrajaju se stilbeni poput resveratrola i kiseli spojevi poput benzojeve, kavene i cimetne kiseline. Većina tih fenolnih spojeva nalazi se u kožici i sjemenkama grožđa. Intenzivne ultrazvučne sile mogu učinkovito ekstrahirati vrijedne sastojke iz sjemenki i kožice grožđa.
U istraživanju Cocita i sur. (1995) sonikacija se pokazala kao brz, ponovljiv i linearan postupak ekstrakcije aromatskih spojeva iz mošta i vina. Koncentracije spojeva dobivene ultrazvučnom ekstrakcijom bile su više od onih dobivenih ekstrakcijom na koloni C18 (ekstrakcijom smolom).
Sagledavajući prednosti ultrazvučne ekstrakcije, ultrazvuk je jeftina, jednostavna i učinkovita alternativa konvencionalnim netoplinskim metodama ekstrakcije, poput visokog hidrostatskog tlaka (HP), komprimiranog ugljikova dioksida (cCO2), superkritičnog ugljikova dioksida (ScCO2) i impulsa jakog električnog polja (HELP). Dodatna je prednost činjenica da se ultrazvučna ekstrakcija – za razliku od prethodno navedenih alternativa – može jednostavno ispitati u laboratorijskom ili stolnom mjerilu. Ta ispitivanja daju ponovljive rezultate, pa naknadno povećanje mjerila ne zahtijeva dodatne napore u pronalaženju optimalnih postavki. Za komercijalnu proizvodnju u punom opsegu pouzdani ultrazvučni uređaji za zahtjevne uvjete rada snage do 16.000 vata po jedinici omogućuju sonikacijsku obradu tokova vrlo velikog volumena.

Ultrazvučno potpomognuta ekstrakcija za obradu vina hrastovinom

Tijekom faze odležavanja uz hrastovinu vino dolazi u dodir s drvom bačava (tradicionalno odležavanje uz hrastovinu) ili s dodanom drvnom sječkom, drvenim štapićima / dužicama ili hrastovim prahom (alternativno odležavanje uz hrastovinu). Najčešće drvo za tu obradu (aromatiziranje) jest – kako upućuje i naziv postupka – hrast (quercus). Druge vrste drva koje se rjeđe upotrebljavaju jesu, primjerice, kesten, bor, sekvoja, trešnja ili bagrem. Kemijska svojstva drva koriste se za postizanje snažnih učinaka na okus i buke vina. Fenoli sadržani u hrastovini stupaju u interakciju s vinom stvarajući arome poput vanilije, karamele, vrhnja, začina ili zemljanih nota. Vrlo važan učinak imaju elagitanini (hidrolizabilni tanini), koji potječu iz ligninskih struktura u drvu, jer štite vino od oksidacije i redukcije.
Ultrazvučna ekstrakcija korisna je u fazi odležavanja vina uz hrastovinu jer ciklusi visokog i niskog tlaka koje stvara ultrazvuk pospješuju prodiranje tekućine u drvenu strukturu praha, sječke, štapića ili dužica. Budući da se time znatno povećava prijenos tvari, skraćuje se razdoblje odležavanja uz hrastovinu i postižu bolji rezultati u pogledu okusa. Ako se vinu dodaju hrastov prah ili destilati s aromom drva (alternativno odležavanje uz hrastovinu), ultrazvučne sile omogućuju vrlo fino dispergiranje čestica ili kapljica u vinu radi poboljšanja kvašenja i izloženosti površine. To je vrlo važno za postizanje izvrsnog okusa i osjeta u ustima te pridonosi kvaliteti alkoholnog pića. Činjenica da držanje u bačvama i dozrijevanje predstavljaju znatan vremenski i troškovni čimbenik u vinifikaciji čini ultrazvuk iznimno zanimljivom metodom obrade jer se ultrazvučni uređaji Hielscher odlikuju niskim troškovima ulaganja, jednostavnom primjenom i iznimnom energetskom učinkovitošću.

Deaglomeracija potpomognuta ultrazvukom tijekom dozrijevanja vina

Tijekom tradicionalnog dugotrajnog procesa dozrijevanja vina u vinu se odvijaju reakcije različitih molekula. To znači da se molekule mijenjaju u skladu s međusobnim interakcijama. Vrijeme i rezultat te molekularne promjene ovise o sastojcima vina i njegovu okruženju. Općenito je prihvaćeno da je alkohol dispergiran u alkoholnim pićima, ali to ne znači da će se postići miješanje molekula. Budući da je u vinu prirodno dostupno tek malo energije za reakcije – poput vezivanja i miješanja – prirodne promjene uglavnom ostaju nepotpune. Iako sastojci imaju tendenciju međusobno djelovati, povezivati se i mijenjati molekularna svojstva, zbog male količine prisutne energije ne mogu ostvariti potpunu interakciju, pretvorbu ili vezivanje na molekularnoj razini.
Kada se vino podvrgne sonikaciji (što znači unos energije u tekućinu), postiže se dosljedniji i ujednačeniji stupanj dispergiranosti sastojaka. Sonikacijom vino u vrlo kratkom vremenu obrade postaje homogena tekućina s produljenim rokom trajanja. Homogenost omogućuje intenzivniju interakciju između molekula, a time i potpuniju molekularnu promjenu. To znači poboljšanje okusa i kvalitete.

Dispergiranje: Prije punjenja u boce većina vina obrađuje se dodacima poput konzervansa (npr. kalijeva hidrogensulfata, natrijeva hidrogensulfata), sredstava za čišćenje, bojila u prahu te drugih sredstava za bistrenje i poboljšavanje. Ti se dodaci koriste za sprječavanje preranog posmeđivanja i kvarenja, poboljšanje kvalitete vina, uklanjanje nedostataka ili potporu procesu fermentacije. Ultrazvučnom obradom ti se dodaci mogu vrlo ujednačeno dispergirati u vinu, čime se postižu bolji rezultati obrade. To u konačnici dovodi do više kvalitete i boljeg okusa – čemu teži svaki vinar.

Ultrazvučna ekstrakcija aktivnih spojeva

Vino sadrži širok raspon aktivnih spojeva korisnih za zdravlje, kao što su tanini, fenolni spojevi, flavonoidi i drugi, koji su vrijedni sastojci u farmaceutskoj, prehrambenoj i kozmetičkoj industriji.
Pročitajte više o ekstrakciji fitokemikalija kao što su polifenoli, antocijanidini, proantocijanidin i drugi bioaktivni spojevi iz grožđa i nusproizvoda prerade grožđa!

Ekskurs

Odležavanje rižina vina i kukuruznog vina: Chang i sur. (2002) u svojem su istraživanju rižina vina i kukuruznog vina utvrdili da učinci sonikacije na odležavanje vina ovise o vrsti vina. Tako je ultrazvučno odležavanje rižina vina s obzirom na pH-vrijednost, udio alkohola, acetaldehid, aromu i senzorska svojstva bilo znatno bolje od ultrazvučno potpomognutog odležavanja kukuruznog vina. I za rižino i za kukuruzno vino vrijeme odležavanja znatno je skraćeno (s 1 godine na 1 tjedan ili 3 dana).

Industrijski ultrazvučni uređaji s protočnim reaktorima za sonikaciju vina i soka.

Ultrazvučni procesori Hielscher

Hielscher je vodeći dobavljač visokokvalitetnih ultrazvučnih uređaja visokih performansi. Ultrazvučni uređaji koje proizvodi Hielscher upotrebljavaju se za laboratorijske uzorke, obradu u pilot-mjerilu ili proizvodnju u punom opsegu u brojnim područjima industrije i istraživanja. Za savršen rad i prilagodbu svakom procesu Hielscher nudi širok raspon ultrazvučnih uređaja za sonikaciju bilo kojeg volumena tekućine, od nekoliko mikrolitara do stotina kubičnih metara na sat. Učinkovitost ultrazvučnih uređaja u procesu može se jednostavno ispitati u manjem mjerilu. Obično se UIP1000hd (1kW) upotrebljava za razvoj procesa pri protocima od 0,5L do 1000L na sat. U tom se mjerilu učinkovitost obrade može optimizirati promjenom amplitude, tlaka i protoka. Ugradnja ili naknadna ugradnja ultrazvučnog sustava u proizvodnu liniju, kao i rukovanje i održavanje, jednostavni su i ne predstavljaju poteškoće.

Ultrazvuk u tekućinama

Ultrazvuk velike snage stvara kavitaciju u tekućinama. Tijekom implozije kavitacijskih mjehurića lokalno se javljaju iznimno velike sile: u kavitacijskoj „vrućoj točki” postižu se vrlo visoke temperature (približno 5.000K) i tlakovi (približno 2.000atm). Implozija kavitacijskog mjehurića također stvara mlazove tekućine brzine do 280m/s. Kada te snažne sile djeluju na tekućinu, uzrokuju različite učinke. U alkoholnoj tekućini sonikacija ubrzava oksidaciju, polimerizaciju i kondenzaciju alkohola, aldehida, estera i olefina, pri čemu nastaju novi spojevi koji stvaraju intenzivniju i bolju aromu i buke.
Među najzanimljivijim primjenama ultrazvuka u proizvodnji vina (vinifikaciji), ultrazvučno potpomognuta ekstrakcija, aglomeracija i disperzija moraju se posebno istaknuti. Ti učinci čine sonikaciju tako učinkovitom metodom obrade vina i drugih pića.
Tablica u nastavku daje pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: