ワインの超音波処理 – ワイナリーにおける超音波の革新的な用途

超音波は非加熱処理法であり、穏やかな処理でありながら製品に大きな効果をもたらすため、食品産業ですでに広く使用されています。ワイナリーでは、超音波処理を香味成分、フェノール化合物、色素の抽出、熟成、オークによる香味付与、脱気など、さまざまな用途に利用できます。

ワインは、最も一般的にはブドウから造られるアルコール飲料ですが、その他の果実（例：リンゴワイン、エルダーベリーワイン）やデンプンを主成分とする原料（例：米酒、トウモロコシ酒）からも造られます。
ワインは消費者に好まれる製品ですが、その製造には費用のかかる工程が必要です。良質なワインや高品質なワインの製造は、時間がかかり、そのため費用もかさむ事業として知られています。最終的に、ワイン醸造者にとっては、 発酵 （アルコールへの変換）と熟成（複雑な香味と芳香の付与）を加速し、同時に、求める味わい、ブーケ、口当たり、色を備えた高品質な酒を製造することが利益につながります。

ワイン処理における超音波のさまざまな効果

ワインに高出力超音波を適用すると、多くの有益な効果が得られます。最も重要な用途には、 香味の増強 を目的としてフェノール化合物や芳香成分などの香味豊かな成分を抽出し、ワインのブーケを高めること、 オークによる香味付与、そして 熟成の促進が含まれます.

ブドウからの芳香成分とフェノール化合物の抽出

超音波は、植物の細胞内物質や芳香成分を抽出するための、よく知られた実績のある手段です。超音波の機械的作用は、組織内への溶媒の拡散を促進します。超音波はキャビテーションによるせん断力で細胞壁を機械的に破壊するため、細胞から溶媒への物質移動を容易にします。超音波キャビテーションによる粒子径の縮小は、固相と液相の接触表面積を増加させます。
ブドウはポリフェノールを豊富に含むことで知られ、そのために需要があります。ブドウに含まれるこれらのフェノール化合物（単量体フラバノール、二量体、三量体、重合体のプロシアニジン、フェノール酸など）は、抗ラジカル作用と抗酸化作用で知られています。化学的には、フラボノイドと非フラボノイドの二つの下位分類に分けられます。ワイン中で最も重要なフラボノイドは、色、味わい、口当たりに寄与するアントシアニンとタンニンです。非フラボノイドには、レスベラトロールなどのスチルベン類や、安息香酸、コーヒー酸、ケイ皮酸などの酸性化合物があります。これらのフェノール化合物の大部分は、ブドウの果皮と種子に含まれています。強力な超音波の力によって、ブドウの種子と果皮から有用成分を効率よく抽出できます。
Cocito et al. (1995)の研究では、超音波処理が、ブドウ果汁とワインから芳香成分を抽出するための、迅速で反復可能な線形のプロセスであることが示されました。超音波抽出で得られた化合物濃度は、C18カラム抽出（樹脂抽出）で得られた濃度よりも高くなりました。
超音波抽出の利点をまとめると、超音波は、高静水圧（HP）、圧縮二酸化炭素（cCO2）、超臨界二酸化炭素（ScCO2）、高電界パルス（HELP）などの従来の非加熱抽出法に代わる、安価で簡便かつ効率的な手段です。さらに、超音波抽出は – 上記の代替手段とは異なり – 容易に 実験室 規模やベンチトップ規模で試験できます。これらの試験では再現性のある結果が得られるため、その後のスケールアップ時に最適な設定を見つけるための追加の労力は必要ありません。本格的な商業生産では、信頼性の高い 高負荷対応の超音波装置 が、各装置あたり最大16,000ワットの出力により、非常に大流量の流体の超音波処理を可能にします。

ワインへのオーク香味付与のための超音波支援抽出

オークによる香味付与の段階では、ワインを樽の木材（従来のオーク香味付与）または添加した木材チップ、木材スティック／板材、オーク粉末（代替的なオーク香味付与）と接触させます。オークによる香味付与（風味付け）に最も一般的に使われる木材は – この処理の名称が示すとおり – オーク（quercus）です。使用頻度の低いその他の木材には、例えばクリ、マツ、レッドウッド、サクラ、アカシアがあります。木材の化学的性質を利用して、ワインの香味とブーケに大きな効果をもたらします。オークに含まれるフェノール類はワインと相互作用し、バニラ、キャラメル、クリーム、スパイス、土を思わせる香味などを生み出します。木材中のリグニン構造に由来するエラジタンニン（加水分解性タンニン）は、ワインを酸化と還元から保護するため、非常に重要な効果を持ちます。
超音波が生み出す高圧と低圧のサイクルにより、粉末、チップ、スティック、板材の木材構造への液体の浸透が促進されるため、超音波抽出はワインへのオーク香味付与の段階で有用です。これにより物質移動が顕著に増加し、オーク香味付与の期間が短縮され、香味に関してより高い成果が得られます。オーク粉末や木材香味の蒸留物をワインに添加する場合（代替的なオーク香味付与）、超音波の力によって粒子や液滴がワイン中に非常に微細に分散し、表面の濡れと接触が改善されます。これは優れた味わいと口当たりを実現するうえで非常に重要であり、アルコール飲料の品質に寄与します。ワイン醸造において樽詰めと熟成に多くの時間と費用がかかることから、超音波は極めて興味深い処理法です。Hielscherの超音波装置は、低い投資コスト、容易な導入、そして卓越した エネルギー効率という魅力を備えています.

ワイン熟成中の超音波支援解凝集

従来の時間を要するワインの熟成過程では、ワイン中でさまざまな分子の反応が起こります。つまり、分子は互いの相互作用に応じて変化します。この分子変化に要する時間とその結果は、ワインの成分と周囲の環境に依存します。一般に、アルコールは酒類中に分散していると認められていますが、それが分子の混合の実現を意味するわけではありません。ワイン中では、結合や混合などの反応に利用できるエネルギーが自然にはわずかしかないため、自然な変化の多くは不完全なままです。成分には、互いに作用し、付着し、分子特性を変化させる傾向がありますが、存在するエネルギーが低いため、分子レベルで完全な相互作用、変換、結合を実現できません。
ワインに超音波処理を行うと（液体にエネルギーを投入することを意味します）、成分の分散度がより一貫して均一になります。超音波処理により、非常に短い処理時間で、ワインは保存期間の延びた均質な液体になります。均質性により分子間の相互作用が高まり、その結果、分子変化がより完全に進みます。これは味わいと品質の向上を意味します。

分散：瓶詰め前には、ほとんどのワインに、保存料（例：硫酸水素カリウム、硫酸水素ナトリウム）、清浄剤、着色粉末、その他の清澄剤や品質改良剤などの添加剤による処理を行います。これらの添加剤は、早期の褐変や変敗の防止、ワインの品質向上、欠点の除去、発酵工程の支援に使用されます。超音波処理によってこれらの添加剤をワイン中に非常に均一に分散できるため、処理でより高い成果が得られます。これは最終的に、すべてのワイン醸造者が目指す、より高い品質とより良い味わいにつながります。

活性化合物の超音波抽出

ワインには、タンニン、フェノール化合物、フラボノイドなど、健康に有益な多様な活性化合物が含まれており、これらは製薬、食品、化粧品産業で使用される有用成分です。
ブドウやブドウ副産物からの、ポリフェノール、アントシアニジン、プロアントシアニジンなどの植物化学成分やその他の生理活性化合物の抽出について、詳しくはこちらをご覧ください！

補足

米酒とトウモロコシ酒の熟成：Chang et al. (2002)は、米酒とトウモロコシ酒の研究で、ワインの超音波処理による熟成効果は酒の種類によって異なることを見いだしました。米酒の超音波熟成は、pH値、アルコール含有量、アセトアルデヒド、香味、官能品質に関して、トウモロコシ酒の超音波支援熟成よりも有意に優れていました。米酒とトウモロコシ酒の両方で、熟成時間が大幅に短縮されました（1年から1週間または3日へ）。

産業用超音波装置 は、ワインおよび 果汁の超音波処理用フロースルーリアクターを備えています.

Hielscherの超音波プロセッサー

Hielscherは、高品質かつ高性能な超音波装置の主要サプライヤーです。Hielscher製の超音波装置は、産業および研究の幅広い分野で、実験室のサンプル、パイロット規模の処理、本格的な生産に使用されています。各工程に対して完璧な性能と適合性を実現するため、Hielscherは、数マイクロリットルから毎時数百立方メートルまで、あらゆる液量の超音波処理に対応する幅広い超音波装置を提供しています。超音波装置の工程効率は、小規模で容易に試験できます。通常、 UIP1000hd （1kW）は、毎時0.5L–1000Lの流量での工程開発に使用されます。この規模では、振幅、圧力、流量を変えることで処理効率を最適化できます。生産ラインへの超音波システムの設置や後付け、ならびに操作と保守は、簡単で難しくありません。

液体中の超音波

高出力超音波は、液体中に キャビテーション を発生させます。キャビテーション気泡が圧壊する際、局所的に極めて強い力が生じます。キャビテーションの「ホットスポット」では、非常に高い温度（約5,000K）と圧力（約2,000atm）に達します。キャビテーション気泡の圧壊は、速度が最大280m/sに達する液体ジェットも生み出します。これらの強力な力が液体に作用すると、さまざまな効果をもたらします。アルコールを含む液体では、超音波処理がアルコール、アルデヒド、エステル、オレフィンの酸化、重合、縮合を促進し、より豊かで良好な香味とブーケを生み出す新たな化合物を形成します。
ワイン造り（ワイン醸造）における最も興味深い超音波の用途として、特に超音波支援による 抽出、凝集、および 分散 が挙げられます。これらの作用によって、超音波処理はワインやその他の飲料に非常に有効な処理法となります。
下表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力を示しています。