Sonikácia vína – inovatívne aplikácie ultrazvuku vo vinárstvach

Ultrazvuk je netepelná metóda spracovania, ktorá sa už široko používa v potravinárskom priemysle vďaka svojmu šetrnému pôsobeniu, ale výrazným účinkom na produkt. Vinárstvam ponúka sonikácia rôzne možnosti využitia, ako sú extrakcia chuťových a aromatických látok, fenolových zlúčenín a farbív, dozrievanie a zrenie, ošetrovanie dubovým drevom, ako aj odplyňovanie.

Víno je alkoholický nápoj, ktorý sa najčastejšie vyrába z hrozna, ale aj z iného ovocia (napr. jablkové víno, bazové víno) alebo zo surovín na báze škrobu (napr. ryžové víno, kukuričné víno).
Víno je obľúbený spotrebný tovar, ktorého výroba si vyžaduje náročný proces. Výroba kvalitných a vysokokvalitných vín je známa svojou časovou, a tým aj finančnou náročnosťou. V konečnom dôsledku je v záujme vinára urýchliť fermentáciu (premenu na alkohol) a dozrievanie (na vytvorenie komplexných chutí a aróm) a zároveň vyrobiť vysokokvalitný alkoholický nápoj s požadovanou chuťou, buketom, pocitom v ústach a farbou.

Rôzne účinky ultrazvuku pri spracovaní vína

Výkonový ultrazvuk aplikovaný na víno má mnoho priaznivých účinkov. Medzi najdôležitejšie aplikácie patria zintenzívnenie chuti vínneho buketu extrakciou zložiek bohatých na chuťové a aromatické látky, ako sú fenolové a aromatické zlúčeniny, ošetrovanie dubovým drevom, a urýchlenie dozrievania a zrenia.

Extrakcia aromatických a fenolových zlúčenín z hrozna

Ultrazvuk je dobre známy a osvedčený prostriedok na extrakciu vnútrobunkového rastlinného materiálu a aromatických zlúčenín. Mechanické pôsobenie ultrazvuku podporuje difúziu rozpúšťadiel do tkaniva. Keďže ultrazvuk mechanicky narúša bunkovú stenu šmykovými silami vyvolanými kavitáciou, uľahčuje prenos z bunky do rozpúšťadla. Zmenšovanie veľkosti častíc ultrazvukovou kavitáciou zväčšuje kontaktnú plochu medzi tuhou a kvapalnou fázou.
Hrozno je známe a vyhľadávané pre svoj vysoký obsah polyfenolov. Tieto fenolové zlúčeniny hrozna (napríklad monomérne flavanoly, dimérne, trimérne a polymérne prokyanidíny, ako aj fenolové kyseliny) sú známe svojimi antiradikálovými a antioxidačnými vlastnosťami. Z chemického hľadiska ich možno rozdeliť do dvoch podkategórií: flavonoidy a neflavonoidné zlúčeniny. Najdôležitejšími flavonoidmi vo víne sú antokyány a taníny, ktoré prispievajú k farbe, chuti a pocitu v ústach. Medzi neflavonoidné zlúčeniny patria stilbény, ako je resveratrol, a kyslé zlúčeniny, ako sú kyselina benzoová, kávová a škoricová. Väčšina týchto fenolových zlúčenín sa nachádza v šupkách a semenách hrozna. Intenzívne ultrazvukové sily dokážu účinne extrahovať cenné zložky zo semien a šupiek hrozna.
V štúdii Cocito et al. (1995) sa ukázalo, že sonikácia je rýchly, opakovateľný a lineárny proces extrakcie aromatických zlúčenín z muštu a vína. Koncentrácie zlúčenín získané ultrazvukovou extrakciou boli vyššie než pri extrakcii na kolóne C18 (extrakcii na živici).
Ak zhrnieme výhody ultrazvukovej extrakcie, ultrazvuk je lacnou, jednoduchou a účinnou alternatívou ku konvenčným netepelným extrakčným metódam, ako sú vysoký hydrostatický tlak (HP), stlačený oxid uhličitý (cCO2), superkritický oxid uhličitý (ScCO2) a impulzy elektrického poľa s vysokou intenzitou (HELP). Ďalšou výhodou je skutočnosť, že ultrazvukovú extrakciu – na rozdiel od vyššie uvedených alternatív – možno ľahko otestovať v laboratórnom alebo stolovom meradle. Tieto skúšky poskytujú reprodukovateľné výsledky, takže následné zväčšenie meradla nevyžaduje ďalšie úsilie pri hľadaní optimálneho nastavenia. Pri plnej komerčnej výrobe umožňujú spoľahlivé ultrazvukové prístroje na náročnú prevádzku s výkonom až 16 000 wattov na jednotku sonikáciu prúdov s veľmi vysokým objemovým prietokom.

Ultrazvukom podporovaná extrakcia pri ošetrovaní vína dubovým drevom

Počas fázy dodávania dubového charakteru prichádza víno do kontaktu s drevom sudov (tradičný spôsob) alebo s pridanými drevenými štiepkami, drevenými tyčinkami či dúžkami alebo dubovým práškom (alternatívny spôsob). Najbežnejším drevom na dodávanie dubového charakteru (ochucovanie) je – ako naznačuje názov tohto postupu – dub (quercus). Ďalšími, zriedkavejšie používanými druhmi dreva sú napríklad gaštan, borovica, sekvoja, čerešňa alebo agát. Chemické vlastnosti dreva sa využívajú na dosiahnutie výrazných účinkov na chuť a buket vína. Fenoly obsiahnuté v dubovom dreve interagujú s vínom a vytvárajú tóny vanilky, karamelu, smotany, korenia alebo zemité tóny. Veľmi dôležitý účinok majú elagitaníny (hydrolyzovateľné taníny), ktoré pochádzajú z lignínových štruktúr v dreve, pretože chránia víno pred oxidáciou a redukciou.
Ultrazvuková extrakcia je užitočná vo fáze dodávania dubového charakteru vínu, pretože cykly vysokého a nízkeho tlaku vytvárané ultrazvukom zlepšujú prenikanie kvapaliny do drevnej štruktúry prášku, štiepok, tyčiniek alebo dúžok. Keďže sa tým výrazne zvyšuje prenos hmoty, skracuje sa čas potrebný na dodanie dubového charakteru a dosahujú sa lepšie výsledky z hľadiska chuti. Ak sa do vína pridáva dubový prášok alebo destiláty s arómou dreva (alternatívny spôsob dodávania dubového charakteru), ultrazvukové sily zabezpečujú veľmi jemné rozptýlenie častíc alebo kvapôčok vo víne, čím sa zlepšuje zmáčanie ich povrchu a jeho kontakt s vínom. To je veľmi dôležité na dosiahnutie vysokej kvality chuti a pocitu v ústach a prispieva to ku kvalite alkoholického nápoja. Skutočnosť, že plnenie do sudov a zrenie predstavujú pri výrobe vína značnú časovú a nákladovú záťaž, robí z ultrazvuku mimoriadne zaujímavú metódu spracovania, pretože ultrazvukové zariadenia Hielscher presviedčajú nízkymi investičnými nákladmi, jednoduchým zavedením a vynikajúcou energetickou účinnosťou.

Deaglomerácia za pomoci ultrazvuku počas zrenia vína

Počas tradičného, časovo náročného procesu zrenia vína prebiehajú vo víne reakcie rôznych molekúl. To znamená, že molekuly sa menia v závislosti od vzájomného pôsobenia. Čas a výsledok tejto molekulovej zmeny závisia od zložiek vína a jeho prostredia. Všeobecne sa uznáva, že alkohol je v alkoholických nápojoch rozptýlený, to však neznamená, že sa dosiahne premiešanie molekúl. Keďže vo víne je prirodzene k dispozícii len málo energie na reakcie – ako je tvorba väzieb a premiešavanie –, prirodzené zmeny zostávajú väčšinou neúplné. Hoci zložky majú tendenciu vzájomne interagovať, spájať sa a meniť molekulové vlastnosti, pre malé množstvo dostupnej energie nemôžu dosiahnuť úplnú interakciu, premenu ani vytvorenie väzieb na molekulovej úrovni.
Keď sa víno podrobí pôsobeniu ultrazvuku (čo znamená prívod energie do kvapaliny), jeho zložky dosahujú rovnomernejší a jednotnejší stupeň rozptýlenia. Pôsobením ultrazvuku sa víno za veľmi krátky čas spracovania stáva homogénnou kvapalinou s predĺženou trvanlivosťou. Homogenita umožňuje intenzívnejšiu interakciu medzi molekulami, a tým aj úplnejšiu molekulovú zmenu. To znamená zlepšenie chuti a kvality.

Dispergovanie: Pred plnením do fliaš sa väčšina vín ošetruje prísadami, ako sú konzervačné látky (napr. hydrogénsíran draselný, hydrogénsíran sodný), čistiace prostriedky, farbiace prášky a ďalšie číriace a zušľachťujúce prípravky. Tieto prísady sa používajú na zabránenie predčasnému hnednutiu a kazeniu, na zlepšenie kvality vína, odstránenie nedostatkov alebo na podporu procesu kvasenia. Pomocou ultrazvuku sa tieto prísady môžu vo víne rozptýliť veľmi rovnomerne, čím sa dosahujú lepšie výsledky spracovania. To napokon vedie k vyššej kvalite a lepšej chuti – cieľu každého vinára.

Ultrazvuková extrakcia účinných látok

Víno obsahuje širokú škálu zdraviu prospešných účinných látok, ako sú taníny, fenolové zlúčeniny, flavonoidy a ďalšie látky, ktoré sú cennými zložkami používanými vo farmaceutickom, potravinárskom a kozmetickom priemysle.
Prečítajte si viac o extrakcii fytochemikálií, ako sú polyfenoly, antokyanidíny, proantokyanidín a ďalšie bioaktívne zlúčeniny, z hrozna a vedľajších produktov jeho spracovania!

Exkurz

Zrenie ryžového a kukuričného vína: Chang et al. (2002) vo svojej štúdii ryžového a kukuričného vína zistili, že účinky sonikácie na zrenie vína závisia od druhu vína. Ultrazvukové zrenie ryžového vína tak bolo z hľadiska hodnoty pH, obsahu alkoholu, acetaldehydu, chuti a senzorických vlastností výrazne lepšie než ultrazvukom podporované zrenie kukuričného vína. Pri ryžovom aj kukuričnom víne sa čas zrenia výrazne skrátil (z 1 roka na 1 týždeň alebo 3 dni).

Priemyselné ultrazvukové zariadenia s prietokovými reaktormi na sonikáciu vína a štiav.

Ultrazvukové procesory Hielscher

Hielscher je popredným dodávateľom vysokokvalitných a vysokovýkonných ultrazvukových zariadení. Ultrazvukové zariadenia vyrábané spoločnosťou Hielscher sa používajú na spracovanie laboratórnych vzoriek, spracovanie v poloprevádzkovom meradle alebo výrobu v plnom rozsahu v mnohých oblastiach priemyslu a výskumu. Na dosiahnutie dokonalého výkonu a prispôsobenie každému procesu ponúka Hielscher širokú škálu ultrazvukových zariadení na sonikáciu ľubovoľného objemu kvapaliny, od niekoľkých mikrolitrov až po stovky kubických metrov za hodinu. Účinnosť ultrazvukových zariadení v danom procese možno jednoducho otestovať v menšom meradle. Zvyčajne sa UIP1000hd (1kW) používa na vývoj procesov s prietokmi od 0,5L do 1000L za hodinu. V tomto meradle možno účinnosť spracovania optimalizovať zmenou amplitúdy, tlaku a prietoku. Inštalácia ultrazvukového systému do výrobnej linky alebo jeho dodatočné začlenenie, ako aj prevádzka a údržba sú jednoduché a bezproblémové.

Ultrazvuk v kvapalinách

Vysokovýkonný ultrazvuk vytvára kavitáciu v kvapalinách. Pri implózii kavitačných bublín vznikajú lokálne extrémne veľké sily: v kavitačnom „horúcom bode“ sa dosahujú veľmi vysoké teploty (približne 5 000K) a tlaky (približne 2 000atm). Implózia kavitačnej bubliny vytvára aj prúdy kvapaliny s rýchlosťou až 280m/s. Keď tieto intenzívne sily pôsobia v kvapaline, vyvolávajú rôzne účinky. V alkoholickej kvapaline sonikácia urýchľuje oxidáciu, polymerizáciu a kondenzáciu alkoholu, aldehydov, esterov a olefínov, čím vznikajú nové zlúčeniny, ktoré vytvárajú bohatšiu a lepšiu chuť a buket.
Z najzaujímavejších aplikácií ultrazvuku pri výrobe vína (vinifikácii) treba spomenúť najmä ultrazvukom podporovanú extrakciu, aglomeráciu a dispergáciu . Vďaka týmto účinkom je sonikácia takou účinnou metódou spracovania vína a ďalších nápojov.
Nasledujúca tabuľka poskytuje prehľad o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových zariadení: