Sonicatie van wijn – Innovatieve toepassingen van ultrageluid in wijnmakerijen

Ultrageluid is een niet-thermische verwerkingsmethode die vanwege de milde toepassing en de aanzienlijke effecten op het product al op grote schaal in de voedingsmiddelenindustrie wordt gebruikt. Voor wijnmakerijen biedt sonicatie verschillende toepassingen, zoals de extractie van smaakstoffen, fenolische verbindingen en kleurstoffen, de rijping & veroudering, de behandeling met eikenhout en het ontgassen.

Wijn is een alcoholische drank die meestal van druiven wordt gemaakt, maar ook van andere vruchten (bijv. appelwijn, vlierbessenwijn) of zetmeelhoudende materialen (bijv. rijstwijn, maïswijn).
Wijn is een geliefd consumptiegoed waarvan de productie een kostbaar proces vereist. Het maken van kwaliteitswijnen en wijnen van hoge kwaliteit staat bekend als een tijdrovende en daardoor kostbare activiteit. Uiteindelijk is het in het belang van de wijnmaker om de fermentatie (omzetting in alcohol) en de rijping (voor het ontwikkelen van complexe smaken en aroma’s) te versnellen en tegelijkertijd een alcoholische drank van hoge kwaliteit met de gewenste smaak, het gewenste bouquet, mondgevoel en de gewenste kleur te produceren.

Verschillende effecten van ultrageluid bij de wijnverwerking

Ultrageluid met hoog vermogen heeft bij toepassing op wijn veel gunstige effecten. De belangrijkste toepassingen omvatten de smaakintensivering van het wijnbouquet door de extractie van smaakrijke bestanddelen, zoals fenolische verbindingen en aromatische stoffen, de behandeling met eikenhout, en de versnelling van de rijping & veroudering.

Extractie van aromatische en fenolische verbindingen uit druiven

Ultrageluid is een bekend en beproefd middel voor de extractie van intracellulair plantaardig materiaal en aromatische verbindingen. De mechanische werking van ultrageluid bevordert de diffusie van oplosmiddelen in het weefsel. Doordat ultrageluid de celwand mechanisch afbreekt door de afschuifkrachten van cavitatie, vergemakkelijkt het de overdracht vanuit de cel naar het oplosmiddel. De verkleining van de deeltjes door ultrasone cavitatie vergroot het contactoppervlak tussen de vaste en de vloeibare fase.
Druiven zijn bekend en gewild vanwege hun rijkdom aan polyfenolen. Deze fenolische verbindingen in druiven (zoals monomere flavanolen, dimere, trimere en polymere procyanidinen en fenolzuren) staan bekend om hun antiradicale en antioxiderende eigenschappen. Chemisch kunnen ze in twee subcategorieën worden onderverdeeld: de flavonoïden en de niet-flavonoïden. De belangrijkste flavonoïden in wijn zijn de anthocyanen en tanninen, die bijdragen aan kleur, smaak en mondgevoel. Tot de niet-flavonoïden behoren stilbenen zoals resveratrol en zure verbindingen zoals benzoëzuur, cafeïnezuur en kaneelzuur. De meeste van deze fenolische verbindingen bevinden zich in de druivenschil en de pitten. De intense ultrasone krachten kunnen de waardevolle bestanddelen efficiënt uit druivenpitten en -schillen extraheren.
In het onderzoek van Cocito et al. (1995) bleek sonicatie een snel, herhaalbaar en lineair proces te zijn voor de extractie van aromaverbindingen uit most en wijn. De met ultrasone extractie verkregen concentraties van de verbindingen waren hoger dan die bij extractie met een C18-kolom (harsextractie).
Samengevat is ultrageluid dankzij de voordelen van ultrasone extractie een goedkoop, eenvoudig en efficiënt alternatief voor conventionele niet-thermische extractiemethoden, zoals hoge hydrostatische druk (HP), gecomprimeerde koolstofdioxide (cCO2), superkritische koolstofdioxide (ScCO2) en pulsen met een hoge elektrische veldsterkte (HELP). Een ander voordeel is dat ultrasone extractie – in tegenstelling tot de hierboven genoemde alternatieven – eenvoudig kan worden getest op laboratoriumschaal of op werkbankschaal. Deze proeven leveren reproduceerbare resultaten op, zodat bij een daaropvolgende opschaling geen verdere inspanningen nodig zijn om de optimale instelling te vinden. Voor volledige commerciële productie maken betrouwbare sonicatoren voor zware toepassingen met maximaal 16.000 watt per eenheid sonicatie van stromen met zeer hoge debieten mogelijk.

Ultrasoon ondersteunde extractie voor de behandeling van wijn met eikenhout

Tijdens de behandeling met eikenhout komt de wijn in contact met het hout van de vaten (traditionele behandeling met eikenhout) of met toegevoegde houtsnippers, houten stokken/duigen of eikenhoutpoeder (alternatieve behandeling met eikenhout). De meest gebruikte houtsoort voor deze behandeling (smaakgeving) is – zoals de naam van het proces aangeeft – eikenhout (quercus). Andere houtsoorten die minder vaak worden gebruikt, zijn bijvoorbeeld kastanje, den, sequoia, kers of acacia. De chemische eigenschappen van hout worden benut om diepgaande effecten op de smaak en het bouquet van de wijn te verkrijgen. De fenolen in het eikenhout reageren met de wijn en produceren smaken zoals vanille, karamel, room, specerijen of aardse smaken. De ellagitanninen (hydrolyseerbare tanninen), die afkomstig zijn van ligninestructuren in hout, hebben een zeer belangrijk effect: ze beschermen de wijn tegen oxidatie en reductie.
Ultrasone extractie is nuttig tijdens de behandeling van wijn met eikenhout, doordat de door ultrageluid opgewekte hoge- en lagedrukcycli het binnendringen van vloeistof in de houtstructuur van poeder, snippers, stokken of duigen bevorderen. Doordat de massaoverdracht hierdoor aanzienlijk toeneemt, leidt dit tot een kortere behandelingsduur met eikenhout en betere resultaten wat betreft de smaak. Als eikenhoutpoeder of distillaten met houtaroma (alternatieve behandeling met eikenhout) aan de wijn worden toegevoegd, zorgen de ultrasone krachten voor een zeer fijne dispersie van de deeltjes of druppels in de wijn, waardoor de bevochtiging en blootstelling van het oppervlak verbeteren. Dit is zeer belangrijk om een hoogwaardige smaak en een hoogwaardig mondgevoel te bereiken en draagt bij aan de kwaliteit van de alcoholische drank. Het feit dat opslag in vaten en veroudering veel tijd en kosten vergen bij de wijnbereiding, maakt ultrageluid tot een uitzonderlijk interessante verwerkingsmethode, aangezien de ultrasone apparaten van Hielscher overtuigen met lage investeringskosten, eenvoudige implementatie en een uitstekende energie-efficiëntie.

Ultrasoon ondersteunde deagglomeratie tijdens de veroudering van wijn

Tijdens het traditionele, tijdrovende verouderingsproces van wijn vinden in de wijn reacties tussen verschillende moleculen plaats. Dit betekent dat de moleculen veranderen door hun onderlinge interactie. De tijd die deze moleculaire verandering vergt en het resultaat ervan hangen af van de bestanddelen van de wijn en de omgeving. Algemeen wordt aangenomen dat alcohol in alcoholische dranken gedispergeerd is, maar dit betekent niet dat de moleculen zich zullen mengen. Aangezien in wijn van nature slechts weinig energie beschikbaar is voor reacties – zoals binding en menging – zullen de natuurlijke veranderingen grotendeels onvolledig blijven. Hoewel de bestanddelen de neiging hebben om met elkaar te reageren, zich aan elkaar te hechten en hun moleculaire eigenschappen te veranderen, kunnen ze vanwege de geringe hoeveelheid aanwezige energie geen volledige interactie, omzetting of binding op moleculair niveau realiseren.
Wanneer wijn wordt gesoniceerd (wat betekent dat energie aan de vloeistof wordt toegevoerd), vertonen de bestanddelen een consistentere en gelijkmatigere mate van dispersie. Door sonicatie wordt wijn in een zeer korte behandelingstijd een homogene vloeistof met een langere houdbaarheid. De homogeniteit maakt meer interactie tussen de moleculen mogelijk en daardoor een volledigere moleculaire verandering. Dit betekent een verbetering van smaak en kwaliteit.

Dispersie: Voor het bottelen worden de meeste wijnen behandeld met additieven, zoals conserveermiddelen (bijv. kaliumbisulfaat, natriumbisulfaat), reinigingsmiddelen, kleurpoeders en andere klaringsmiddelen en verbeteringsmiddelen. Deze additieven worden gebruikt om voortijdige bruinkleuring en bederf te voorkomen, de wijnkwaliteit te verbeteren, tekortkomingen weg te nemen of het fermentatieproces te ondersteunen. Door sonicatie kunnen deze additieven zeer gelijkmatig in de wijn worden gedispergeerd, zodat betere verwerkingsresultaten worden bereikt. Dit leidt uiteindelijk tot een hogere kwaliteit en een betere smaak – het streven van iedere wijnbouwer.

Ultrasone extractie van actieve verbindingen

Wijn bevat een grote verscheidenheid aan gezondheidsbevorderende actieve verbindingen, zoals tanninen, fenolische verbindingen, flavonoïden en andere stoffen. Dit zijn waardevolle bestanddelen die in de farmaceutische, voedingsmiddelen- en cosmetische industrie worden gebruikt.
Lees meer over de extractie van fytochemicaliën zoals polyfenolen, anthocyanidinen, proanthocyanidine en andere bioactieve verbindingen uit druiven en bijproducten van druiven!

Uitweiding

Veroudering van rijstwijn en maïswijn: Chang et al. (2002) ontdekten in hun onderzoek naar rijstwijn en maïswijn dat de verouderingseffecten van sonicatie van wijn afhangen van het soort wijn. De ultrasone veroudering van rijstwijn was wat betreft de pH-waarde, het alcoholgehalte, acetaldehyde, de smaak en de sensorische eigenschappen significant beter dan de ultrasoon ondersteunde veroudering van maïswijn. Voor zowel rijstwijn als maïswijn werd de verouderingstijd aanzienlijk verkort (van 1 jaar tot 1 week of 3 dagen).

Industriële sonicatoren met doorstroomreactoren voor de sonicatie van wijn en sap.

Ultrasone processoren van Hielscher

Hielscher is de toonaangevende leverancier van ultrasone apparaten van hoge kwaliteit en met hoge prestaties. Ultrasone apparaten van Hielscher worden gebruikt voor laboratoriummonsters, verwerking op pilotschaal of productie op volledige schaal in uiteenlopende sectoren van de industrie en het onderzoek. Voor perfecte prestaties en afstemming op elk proces biedt Hielscher een breed assortiment ultrasone apparaten voor de sonicatie van elk vloeistofvolume, van enkele microliters tot honderden kubieke meters per uur. De ultrasone apparaten kunnen eenvoudig op kleinere schaal worden getest op hun procesefficiëntie. Voor procesontwikkeling wordt de UIP1000hd (1kW) doorgaans gebruikt bij debieten van 0,5L tot 1000L per uur. Op deze schaal kan de verwerkingsefficiëntie worden geoptimaliseerd door de amplitude, druk en het debiet te variëren. De installatie van een ultrasoon systeem in een productielijn of de toevoeging ervan aan een bestaande productielijn, evenals de bediening en het onderhoud, zijn eenvoudig en zonder problemen.

Ultrageluid in vloeistoffen

Ultrageluid met hoog vermogen veroorzaakt cavitatie in vloeistoffen. Tijdens de implosie van de cavitatiebellen ontstaan plaatselijk extreem hoge krachten: in de cavitatie-“hotspot” worden zeer hoge temperaturen (ca. 5.000K) en drukken (ca. 2.000atm) bereikt. De implosie van de cavitatiebel resulteert ook in vloeistofstralen met snelheden tot 280m/s. Wanneer deze intense krachten op de vloeistof inwerken, veroorzaken ze verschillende effecten. In een alcoholische vloeistof versnelt sonicatie de oxidatie, polymerisatie en condensatie van de alcohol, aldehyden, esters en olefinen, waardoor nieuwe verbindingen ontstaan die meer en betere smaak en bouquet creëren.
Tot de interessantste ultrasone toepassingen voor de wijnbereiding (vinificatie) behoren met name ultrasoon ondersteunde extractie, agglomeratie en dispersie . Deze effecten maken sonicatie tot een bijzonder effectieve verwerkingsmethode voor wijn en andere dranken.
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren: