와인의 초음파 처리 – 와이너리에서의 혁신적인 초음파 활용

초음파는 비열 처리 방법으로, 온화한 처리 조건에서도 제품에 상당한 효과를 주기 때문에 이미 식품 산업에서 널리 사용되고 있습니다. 와이너리에서는 초음파 처리를 향미 성분, 페놀성 화합물 및 색소의 추출, 숙성 및 노화, 오크 숙성, 탈기 등 다양한 용도로 활용할 수 있습니다.

와인은 가장 흔히 포도로 만들지만, 다른 과일(예: 사과 와인, 엘더베리 와인)이나 전분 기반 원료(예: 쌀 와인, 옥수수 와인)로도 만드는 알코올음료입니다.
와인은 소비자들이 선호하는 제품이며, 생산에는 많은 공을 들이는 공정이 필요합니다. 양질의 와인과 고품질 와인을 만드는 일은 시간이 많이 걸리고 그에 따라 비용도 많이 드는 사업으로 알려져 있습니다. 궁극적으로 와인 제조업자는 발효 (알코올로의 전환)와 숙성(복합적인 풍미와 향을 부여하는 과정)을 촉진하는 동시에 원하는 맛, 부케, 입안에서의 질감 및 색을 갖춘 고품질 주류를 생산하는 데 관심이 있습니다.

와인 가공에서 초음파가 발휘하는 다양한 효과

와인에 적용되는 고출력 초음파는 여러 유익한 효과를 제공합니다. 가장 중요한 용도에는 풍미 강화 (페놀성 화합물과 방향성 화합물 등 풍미가 풍부한 성분을 추출하여 와인의 부케를 강화), 오크 숙성, 그리고 숙성 및 노화 촉진이 있습니다.

포도에서 방향성 화합물 및 페놀성 화합물 추출

초음파는 식물의 세포 내 물질과 방향성 화합물을 추출하는 데 널리 알려져 있고 검증된 수단입니다. 초음파의 기계적 작용은 용매가 조직 내부로 확산되는 것을 돕습니다. 초음파는 캐비테이션 전단력으로 세포벽을 기계적으로 파괴하므로 세포 내부 물질이 용매로 이동하기 쉬워집니다. 초음파 캐비테이션에 의한 입자 크기 감소는 고체상과 액체상 사이의 접촉 표면적을 증가시킵니다.
포도는 폴리페놀이 풍부한 것으로 유명하며 그 때문에 수요가 높습니다. 포도의 이러한 페놀성 화합물(단량체 플라바놀, 이량체·삼량체·중합체 프로시아니딘 및 페놀산 등)은 항라디칼 및 항산화 특성으로 알려져 있습니다. 화학적으로 이들은 플라보노이드와 비플라보노이드라는 두 하위 범주로 나눌 수 있습니다. 와인에서 가장 중요한 플라보노이드는 안토시아닌과 탄닌으로, 색, 맛 및 입안에서의 질감에 기여합니다. 비플라보노이드에는 레스베라트롤과 같은 스틸벤류와 벤조산, 카페산, 신남산과 같은 산성 화합물이 포함됩니다. 이러한 페놀성 화합물의 대부분은 포도 껍질과 씨에 들어 있습니다. 강력한 초음파 힘은 포도씨와 껍질에서 유용한 성분을 효율적으로 추출할 수 있습니다.
Cocito 등의 연구(1995)에서 초음파 처리는 포도 머스트와 와인에서 향기 성분을 추출하는 빠르고 반복 가능하며 선형적인 공정으로 입증되었습니다. 초음파 추출로 얻은 화합물 농도는 C18 컬럼 추출(수지 추출)로 얻은 농도보다 높았습니다.
초음파 추출의 장점을 종합하면, 초음파는 고정수압(HP), 압축 이산화탄소(cCO2), 초임계 이산화탄소(ScCO2), 고전기장 펄스(HELP)와 같은 기존 비열 추출 수단을 대체할 수 있는 저렴하고 간단하며 효율적인 방법입니다. 또 다른 장점은 초음파 추출을 – 앞서 언급한 대안들과 달리 – 실험실 또는 벤치톱 규모에서 쉽게 시험할 수 있다는 점입니다. 이러한 시험은 재현성 있는 결과를 제공하므로 이후 규모를 확대할 때 최적의 설정을 찾기 위한 추가적인 노력이 필요하지 않습니다. 본격적인 상업 생산에서는 신뢰성 높은 고강도 작업용 초음파 처리기가 장치당 최대 16,000와트의 출력으로 매우 큰 체적 유량의 유체를 초음파 처리할 수 있습니다.

와인의 오크 숙성을 위한 초음파 보조 추출

오크 숙성 단계에서 와인은 배럴의 목재(전통적인 오크 숙성) 또는 첨가된 목재 칩, 목재 막대/널판이나 오크 분말(대체 오크 숙성)과 접촉합니다. 오크 숙성(향미 부여)에 가장 흔히 사용되는 목재는 – 이 공정의 명칭에서 알 수 있듯이 – 참나무(quercus)입니다. 비교적 드물게 사용되는 다른 목재로는 밤나무, 소나무, 레드우드, 벚나무 또는 아카시아 등이 있습니다. 목재의 화학적 특성은 와인의 풍미와 부케에 깊은 영향을 주는 데 활용됩니다. 참나무에 함유된 페놀류는 와인과 상호작용하여 바닐라, 캐러멜, 크림, 향신료 또는 흙내음과 같은 풍미를 만들어 냅니다. 목재의 리그닌 구조에서 유래하는 엘라지탄닌(가수분해성 탄닌)은 와인을 산화와 환원으로부터 보호하므로 매우 중요한 효과를 발휘합니다.
초음파가 생성하는 고압 및 저압 주기는 액체가 분말, 칩, 막대 또는 널판의 목재 구조 내부로 침투하는 것을 촉진하므로 초음파 추출은 와인의 오크 숙성 단계에 유용합니다. 이에 따라 물질 전달이 뚜렷하게 증가하여 오크 숙성 기간이 단축되고 풍미 측면에서 더 나은 결과를 얻을 수 있습니다. 오크 분말이나 목재 향미 증류물(대체 오크 숙성)을 와인에 첨가하면 초음파의 힘이 입자나 액적을 와인 내부에 매우 미세하게 분산시켜 표면의 젖음과 노출을 개선합니다. 이는 우수한 맛과 입안에서의 질감을 얻는 데 매우 중요하며 주류의 품질 향상에 기여합니다. 와인 양조에서 배럴에 담는 작업과 숙성은 많은 시간과 비용이 소요되는 요인입니다. 이러한 점에서 초음파가 특히 매력적인 처리 방법인 이유는 Hielscher 초음파 장치의 낮은 투자 비용, 간편한 도입, 탁월한 에너지 효율 때문입니다.

와인 숙성 중 초음파 보조 탈응집

많은 시간이 소요되는 전통적인 와인 숙성 과정에서는 와인 내부의 다양한 분자가 반응합니다. 이는 분자들이 서로 상호작용하면서 그에 따라 변화한다는 뜻입니다. 이러한 분자 변화에 걸리는 시간과 그 결과는 와인의 성분과 주변 환경에 따라 달라집니다. 일반적으로 주류에는 알코올이 분산되어 있다고 여겨지지만, 이것이 분자들의 혼합이 이루어진다는 뜻은 아닙니다. 와인에서 결합과 혼합 같은 반응에 자연적으로 이용할 수 있는 에너지는 적기 때문에 자연적인 변화는 대부분 불완전한 상태에 머무릅니다. 성분들은 서로 상호작용하고 부착하며 분자 특성을 변화시키려는 경향이 있지만, 존재하는 에너지가 적어 분자 수준에서 완전한 상호작용, 전환 또는 결합을 이루지 못합니다.
와인에 초음파를 처리하면(즉, 액체에 에너지를 투입하면) 성분들의 분산 정도가 더 일관되고 균일해집니다. 초음파 처리를 통해 와인은 매우 짧은 처리 시간 안에 보존 기간이 연장된 균질한 액체가 됩니다. 이러한 균질성은 분자 간 상호작용을 증가시켜 분자 변화가 더 완전하게 이루어지도록 합니다. 이는 맛과 품질의 향상을 의미합니다.

분산: 병입 전에 대부분의 와인은 보존제(예: 황산수소칼륨, 황산수소나트륨), 세정제, 착색 분말, 그 밖의 청징제 및 품질 개선제와 같은 첨가제로 처리됩니다. 이러한 첨가제는 조기 갈변과 변질을 방지하고, 와인의 품질을 개선하며, 결함을 제거하거나 발효 과정을 지원하는 데 사용됩니다. 초음파 처리를 통해 이러한 첨가제를 와인에 매우 균일하게 분산시켜 더 나은 처리 결과를 얻을 수 있습니다. 이는 궁극적으로 모든 와인 양조자가 추구하는 더 높은 품질과 더 나은 맛으로 이어집니다.

활성 화합물의 초음파 추출

와인에는 탄닌, 페놀성 화합물, 플라보노이드 등 건강에 유익한 다양한 활성 화합물이 함유되어 있으며, 이들은 제약, 식품 및 화장품 산업에서 사용되는 귀중한 성분입니다.
포도와 포도 부산물에서 폴리페놀, 안토시아니딘, 프로안토시아니딘 등의 식물성 화학물질과 기타 생리활성 화합물을 추출하는 방법에 대해 자세히 알아보세요!

보충 설명

쌀 와인과 옥수수 와인의 숙성: Chang 외(2002)는 쌀 와인과 옥수수 와인에 관한 연구에서 와인의 초음파 처리에 따른 숙성 효과가 와인의 종류에 따라 달라진다는 사실을 발견했습니다. 쌀 와인의 초음파 숙성은 pH 값, 알코올 함량, 아세트알데히드, 풍미 및 관능적 품질 측면에서 옥수수 와인의 초음파 보조 숙성보다 유의하게 우수했습니다. 쌀 와인과 옥수수 와인 모두 숙성 시간이 상당히 단축되었습니다(1년에서 1주 또는 3일로).

산업용 초음파 장치는 플로스루 반응기를 갖추고 있어 와인과 주스를 초음파 처리합니다.

Hielscher의 초음파 프로세서

Hielscher는 고품질 및 고성능 초음파 장치의 선도적인 공급업체입니다. Hielscher에서 제조한 초음파 장치는 산업과 연구의 다양한 분야에서 실험실 시료, 파일럿 규모의 처리 또는 본격적인 생산에 사용됩니다. 각 공정에 맞춘 조정과 완벽한 성능을 위해 Hielscher는 수 마이크로리터부터 시간당 수백 세제곱미터에 이르는 모든 액체 용량을 초음파 처리할 수 있는 다양한 초음파 장치를 제공합니다. 초음파 장치의 공정 효율은 소규모에서 손쉽게 시험할 수 있습니다. 일반적으로 UIP1000hd (1kW)는 시간당 0.5L에서 1000L의 유량에 대한 공정 개발에 사용됩니다. 이 규모에서는 진폭, 압력 및 유량을 변경하여 처리 효율을 최적화할 수 있습니다. 생산 라인에 초음파 시스템을 설치하거나 기존 라인에 추가 장착하는 작업뿐 아니라 운전과 유지보수도 간단하고 어렵지 않습니다.

액체 내 초음파

고출력 초음파는 액체 내에 캐비테이션을 발생시킵니다. 캐비테이션 기포가 내파할 때 국소적으로 극도로 큰 힘이 발생합니다. 캐비테이션의 “핫 스폿”에서는 매우 높은 온도(약 5,000K)와 압력(약 2,000atm)에 도달합니다. 캐비테이션 기포의 내파는 속도가 최대 280m/s에 이르는 액체 제트도 발생시킵니다. 이러한 강력한 힘이 액체에 작용하면 다양한 효과가 나타납니다. 알코올성 액체에서 초음파 처리는 알코올, 알데히드, 에스터 및 올레핀의 산화, 중합 및 축합을 촉진하여, 더욱 풍부하고 우수한 풍미와 부케를 만들어 내는 새로운 화합물을 형성합니다.
와인 제조(양조)에서 가장 흥미로운 초음파 응용 분야로는 특히 초음파 보조 추출, 응집 및 분산을 꼽을 수 있습니다. 이러한 효과로 인해 초음파 처리는 와인과 기타 음료에 매우 효과적인 처리 방법이 됩니다.
아래 표는 당사 초음파 장치의 대략적인 처리 용량을 보여 줍니다: