Sonikacja wina – innowacyjne zastosowania ultradźwięków w winiarniach

Ultradźwięki są nietermiczną metodą przetwarzania, która jest już szeroko stosowana w przemyśle spożywczym ze względu na łagodne oddziaływanie, a zarazem znaczący wpływ na produkt. W winiarniach sonikacja znajduje różne zastosowania, takie jak ekstrakcja związków smakowych, związków fenolowych i barwników, dojrzewanie i starzenie, nadawanie winu charakteru dębowego oraz odgazowywanie.

Wino jest napojem alkoholowym wytwarzanym najczęściej z winogron, ale także z innych owoców (np. wino jabłkowe, wino z czarnego bzu) lub surowców zawierających skrobię (np. wino ryżowe, wino kukurydziane).
Wino jest popularnym produktem konsumpcyjnym, którego wytwarzanie wymaga kosztownego procesu. Produkcja win dobrej i wysokiej jakości jest znana jako działalność czasochłonna, a przez to kosztowna. Ostatecznie w interesie winiarza leży przyspieszenie fermentacji (przemiany w alkohol) i dojrzewania (w celu nadania złożonych smaków i aromatów), a jednocześnie wytworzenie wysokiej jakości napoju alkoholowego o pożądanym smaku, bukiecie, odczuciu w ustach i barwie.

Różnorodne efekty działania ultradźwięków w przetwarzaniu wina

Ultradźwięki o dużej mocy stosowane do wina zapewniają wiele korzystnych efektów. Do najważniejszych zastosowań należą intensyfikacja nut smakowych bukietu wina poprzez ekstrakcję składników bogatych w związki smakowe, takich jak związki fenolowe i aromatyczne, nadawanie winu charakteru dębowego, a także przyspieszenie dojrzewania i starzenia.

Ekstrakcja związków aromatycznych i fenolowych z winogron

Ultradźwięki są dobrze znanym i sprawdzonym sposobem ekstrakcji wewnątrzkomórkowego materiału roślinnego i związków aromatycznych. Mechaniczne działanie ultradźwięków wspomaga dyfuzję rozpuszczalników do tkanki. Ponieważ ultradźwięki mechanicznie rozbijają ścianę komórkową dzięki siłom ścinania wywołanym kawitacją, ułatwiają przenoszenie substancji z komórki do rozpuszczalnika. Zmniejszenie wielkości cząstek przez kawitację ultradźwiękową zwiększa powierzchnię kontaktu między fazą stałą a ciekłą.
Winogrona są znane i cenione ze względu na bogactwo polifenoli. Te związki fenolowe występujące w winogronach (takie jak monomeryczne flawanole, dimeryczne, trimeryczne i polimeryczne procyjanidyny oraz kwasy fenolowe) są znane ze swoich właściwości przeciwrodnikowych i przeciwutleniających. Pod względem chemicznym można je podzielić na dwie podkategorie: flawonoidy i związki nieflawonoidowe. Najważniejszymi flawonoidami w winie są antocyjany i taniny, które wpływają na barwę, smak i odczucie w ustach. Do związków nieflawonoidowych należą stilbeny, takie jak resweratrol, oraz związki o charakterze kwasowym, takie jak kwas benzoesowy, kawowy i cynamonowy. Większość wszystkich tych związków fenolowych znajduje się w skórkach i pestkach winogron. Intensywne siły ultradźwiękowe umożliwiają skuteczną ekstrakcję cennych składników z pestek i skórek winogron.
W badaniu Cocito i in. (1995) wykazano, że sonikacja jest szybkim, powtarzalnym i liniowym procesem ekstrakcji związków aromatycznych z moszczu i wina. Stężenia związków uzyskane dzięki ekstrakcji ultradźwiękowej były wyższe niż uzyskane przez ekstrakcję na kolumnie C18 (ekstrakcję z użyciem żywicy).
Podsumowując zalety ekstrakcji ultradźwiękowej, można stwierdzić, że ultradźwięki stanowią niedrogą, prostą i wydajną alternatywę dla konwencjonalnych nietermicznych metod ekstrakcji, takich jak wysokie ciśnienie hydrostatyczne (HP), sprężony dwutlenek węgla (cCO2), dwutlenek węgla w stanie nadkrytycznym (ScCO2) oraz impulsy pola elektrycznego o wysokim natężeniu (HELP). Kolejną zaletą jest to, że ekstrakcję ultradźwiękową – w przeciwieństwie do wyżej wymienionych alternatyw – można łatwo przetestować w skali laboratoryjnej lub na stanowisku stołowym. Próby te zapewniają odtwarzalne wyniki, dzięki czemu późniejsze zwiększenie skali nie wymaga dodatkowych wysiłków w poszukiwaniu optymalnych ustawień. W produkcji na pełną skalę komercyjną niezawodne sonikatory do pracy w wymagających warunkach o mocy do 16 000 watów na urządzenie umożliwiają sonikację strumieni o bardzo dużym natężeniu przepływu objętościowego.

Ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami w nadawaniu winu charakteru dębowego

Na etapie nadawania charakteru dębowego wino ma kontakt z drewnem beczek (metoda tradycyjna) lub z dodanymi zrębkami drewna, drewnianymi prętami lub klepkami albo proszkiem dębowym (metoda alternatywna). Najczęściej stosowanym drewnem do nadawania charakteru dębowego (aromatyzowania) jest – zgodnie z nazwą tej procedury – dąb (quercus). Inne rodzaje drewna, stosowane rzadziej, to np. kasztan, sosna, sekwoja, wiśnia lub akacja. Właściwości chemiczne drewna wykorzystuje się do uzyskania głębokiego wpływu na smak i bukiet wina. Fenole zawarte w dębie oddziałują z winem, tworząc nuty smakowe, takie jak wanilia, karmel, śmietanka, przyprawy lub nuty ziemiste. Bardzo ważne działanie wykazują elagitaniny (taniny ulegające hydrolizie), które pochodzą ze struktur ligninowych drewna, ponieważ chronią wino przed utlenianiem i redukcją.
Ekstrakcja ultradźwiękowa jest przydatna na etapie nadawania winu charakteru dębowego, ponieważ cykle wysokiego i niskiego ciśnienia generowane przez ultradźwięki zwiększają wnikanie cieczy w strukturę drewna w postaci proszku, zrębków, prętów lub klepek. Ponieważ znacznie zwiększa się przy tym przenoszenie masy, skraca to czas nadawania charakteru dębowego i zapewnia lepsze rezultaty pod względem smaku. Jeśli do wina dodaje się proszek dębowy lub destylaty o aromacie drewna (alternatywna metoda nadawania charakteru dębowego), siły ultradźwiękowe zapewniają bardzo drobną dyspersję cząstek lub kropelek w winie, poprawiając zwilżanie powierzchni i jej kontakt z winem. Jest to bardzo ważne dla uzyskania wysokich walorów smakowych i odczucia w ustach oraz wpływa na jakość napoju alkoholowego. Ponieważ przechowywanie w beczkach i starzenie stanowią istotny czynnik czasowy i kosztowy w winifikacji, ultradźwięki są wyjątkowo interesującą metodą przetwarzania, gdyż urządzenia ultradźwiękowe Hielscher przekonują niskimi kosztami inwestycyjnymi, łatwym wdrożeniem i wyjątkową efektywnością energetyczną.

Deaglomeracja wspomagana ultradźwiękami podczas starzenia wina

Podczas tradycyjnego, czasochłonnego procesu starzenia wina zachodzą w nim reakcje różnych cząsteczek. Oznacza to, że cząsteczki zmieniają się w wyniku wzajemnych oddziaływań. Czas i wynik tej przemiany molekularnej zależą od składników wina i jego otoczenia. Powszechnie przyjmuje się, że alkohol jest rozproszony w napojach alkoholowych, ale nie oznacza to, że nastąpi wymieszanie cząsteczek. Ponieważ w winie naturalnie dostępna jest jedynie niewielka ilość energii potrzebnej do reakcji – takich jak tworzenie wiązań i mieszanie – naturalne przemiany przeważnie nie będą zachodzić w pełni. Chociaż składniki mają tendencję do wzajemnego oddziaływania, łączenia się i zmiany właściwości molekularnych, nie mogą osiągnąć pełnego oddziaływania, przemiany ani tworzenia wiązań na poziomie molekularnym ze względu na niewielką ilość dostępnej energii.
Gdy wino poddaje się sonikacji (co oznacza dostarczenie energii do cieczy), jego składniki uzyskują bardziej równomierny i jednolity stopień rozproszenia. Dzięki sonikacji wino w bardzo krótkim czasie przetwarzania staje się jednorodną cieczą o wydłużonym okresie przydatności do spożycia. Jednorodność umożliwia silniejsze oddziaływania między cząsteczkami, a tym samym pełniejszą przemianę molekularną. Oznacza to poprawę smaku i jakości.

Dyspergowanie: Przed butelkowaniem większość win poddaje się obróbce z użyciem dodatków, takich jak konserwanty (np. wodorosiarczan potasu, wodorosiarczan sodu), środki oczyszczające, barwniki w proszku oraz inne środki klarujące i uszlachetniające. Dodatki te stosuje się, aby zapobiec przedwczesnemu brunatnieniu i psuciu się wina, poprawić jego jakość, wyeliminować wady lub wspomóc proces fermentacji. Dzięki sonikacji dodatki te można bardzo równomiernie rozprowadzić w winie, uzyskując lepsze rezultaty przetwarzania. Ostatecznie prowadzi to do wyższej jakości i lepszego smaku – celu, do którego dąży każdy winiarz.

Ultradźwiękowa ekstrakcja związków aktywnych

Wino zawiera wiele różnorodnych związków aktywnych korzystnych dla zdrowia, takich jak taniny, związki fenolowe, flawonoidy i inne, które stanowią cenne składniki wykorzystywane w przemyśle farmaceutycznym, spożywczym i kosmetycznym.
Dowiedz się więcej o ekstrakcji substancji fitochemicznych, takich jak polifenole, antocyjanidyny, proantocyjanidyna i inne związki bioaktywne, z winogron i produktów ubocznych ich przetwarzania!

Dygresja

Starzenie wina ryżowego i kukurydzianego: Chang i in. (2002) stwierdzili w badaniu wina ryżowego i kukurydzianego, że efekty starzenia wina uzyskiwane dzięki sonikacji zależą od rodzaju wina. Ultradźwiękowe starzenie wina ryżowego dawało zatem znacznie lepsze wyniki pod względem wartości pH, zawartości alkoholu, aldehydu octowego, smaku i właściwości sensorycznych niż starzenie wina kukurydzianego wspomagane ultradźwiękami. Zarówno w przypadku wina ryżowego, jak i kukurydzianego czas starzenia został znacznie skrócony (z 1 roku do 1 tygodnia lub 3 dni).

Sonikatory przemysłowe z reaktorami przepływowymi do sonikacji wina i soku.

Procesory ultradźwiękowe Hielscher

Hielscher jest wiodącym dostawcą urządzeń ultradźwiękowych o wysokiej jakości i wydajności. Urządzenia ultradźwiękowe produkowane przez Hielscher są wykorzystywane do przetwarzania próbek laboratoryjnych, procesów w skali pilotażowej lub produkcji na pełną skalę w wielu dziedzinach przemysłu i badań. Aby zapewnić doskonałą wydajność i dostosowanie do każdego procesu, Hielscher oferuje szeroką gamę urządzeń ultradźwiękowych do sonikacji cieczy o dowolnej objętości, od kilku mikrolitrów po setki metrów sześciennych na godzinę. Urządzenia ultradźwiękowe można łatwo przetestować pod kątem wydajności procesu w mniejszej skali. Zazwyczaj UIP1000hd (1kW) jest wykorzystywany do opracowywania procesów przy natężeniach przepływu od 0,5L do 1000L na godzinę. W tej skali wydajność przetwarzania można zoptymalizować, zmieniając amplitudę, ciśnienie i natężenie przepływu. Instalacja systemu ultradźwiękowego na linii produkcyjnej lub doposażenie jej w taki system, a także jego obsługa i konserwacja są proste i nie sprawiają trudności.

Ultradźwięki w cieczach

Ultradźwięki o dużej mocy wywołują kawitację w cieczach. Podczas implozji pęcherzyków kawitacyjnych lokalnie pojawiają się niezwykle duże siły: w kawitacyjnym „gorącym punkcie” osiągane są bardzo wysokie temperatury (ok. 5 000K) i ciśnienia (ok. 2 000atm). Implozja pęcherzyka kawitacyjnego powoduje również powstawanie strug cieczy o prędkości do 280m/s. Gdy te intensywne siły oddziałują na ciecz, wywołują różne efekty. W cieczy alkoholowej sonikacja przyspiesza utlenianie, polimeryzację i kondensację alkoholu, aldehydów, estrów i olefin, prowadząc do powstania nowych związków, które nadają bogatszy i lepszy smak oraz bukiet.
Wśród najbardziej interesujących zastosowań ultradźwięków w produkcji wina (winifikacji) należy wymienić zwłaszcza wspomagane ultradźwiękami ekstrakcję, aglomerację i dyspergowanie . Te oddziaływania sprawiają, że sonikacja jest tak skuteczną metodą przetwarzania wina i innych napojów.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów: