Ultraljudsbehandling av vin – innovativa tillämpningar av ultraljud i vinerier

Ultraljud är en icke-termisk bearbetningsmetod som redan används i stor utsträckning inom livsmedelsindustrin tack vare sin skonsamma tillämpning men betydande inverkan på produkten. För vinerier erbjuder ultraljudsbehandling olika tillämpningar, såsom extraktion av smakämnen, fenoliska föreningar och färgämnen, mognad och lagring, ekbehandling samt avgasning.

Vin är en alkoholhaltig dryck som oftast framställs av druvor, men även av andra frukter (t.ex. äppelvin, fläderbärsvin) eller stärkelsebaserade råvaror (t.ex. risvin, majsvin).
Vin är en uppskattad konsumtionsvara vars framställning kräver en omfattande process. Att framställa kvalitetsviner och viner av hög kvalitet är känt för att vara tidskrävande och därmed kostsamt. I slutändan ligger det i vinmakarens intresse att påskynda jäsningen (omvandlingen till alkohol) och mognaden (för att ge komplexa smaker och aromer) och samtidigt framställa en alkoholhaltig dryck av hög kvalitet med önskad smak, bouquet, munkänsla och färg.

Olika effekter av ultraljud vid vinbearbetning

Effektultraljud som appliceras på vin ger många fördelaktiga effekter. De viktigaste tillämpningarna omfattar smakintensifiering av vinets bouquet genom extraktion av smakrika komponenter, såsom fenoliska och aromatiska föreningar, ekbehandling, och påskyndande av mognad och lagring.

Extraktion av aromatiska och fenoliska föreningar ur druvor

Ultraljud är ett välkänt och beprövat hjälpmedel för extraktion av intracellulärt växtmaterial och aromatiska föreningar. Ultraljudets mekaniska verkan främjar lösningsmedlens diffusion in i vävnaden. Eftersom ultraljud mekaniskt bryter sönder cellväggen genom kavitationens skjuvkrafter underlättar det överföringen från cellen till lösningsmedlet. Minskningen av partikelstorleken genom ultraljudskavitation ökar kontaktytan mellan den fasta och den flytande fasen.
Druvor är kända och efterfrågade för sitt höga innehåll av polyfenoler. Dessa fenoliska föreningar i druvor (såsom monomera flavanoler, dimera, trimera och polymera procyanidiner samt fenolsyror) är kända för sina antiradikala och antioxidativa egenskaper. Kemiskt kan de delas in i två underkategorier: flavonoider och icke-flavonoider. De viktigaste flavonoiderna i vin är antocyaniner och tanniner, som bidrar till färg, smak och munkänsla. Bland icke-flavonoiderna finns stilbener såsom resveratrol och sura föreningar såsom bensoesyra, koffeinsyra och kanelsyra. Merparten av alla dessa fenoliska föreningar finns i druvskalen och kärnorna. De intensiva ultraljudskrafterna kan effektivt extrahera de värdefulla beståndsdelarna ur druvkärnor och druvskal.
I studien av Cocito et al. (1995) visade sig ultraljudsbehandling vara en snabb, repeterbar och linjär process för extraktion av aromämnen i must och vin. De erhållna koncentrationerna av föreningarna vid ultraljudsextraktion var högre än vid extraktion med C18-kolonn (hartsextraktion).
Sammanfattningsvis är ultraljudsextraktion ett billigt, enkelt och effektivt alternativ till konventionella icke-termiska extraktionsmetoder, såsom högt hydrostatiskt tryck (HP), komprimerad koldioxid (cCO2), superkritisk koldioxid (ScCO2) och pulser med hög elektrisk fältstyrka (HELP). En ytterligare fördel är att ultraljudsextraktion – till skillnad från de ovan nämnda alternativen – enkelt kan testas i laboratorie- eller bänkskala. Dessa försök ger reproducerbara resultat, så att en efterföljande uppskalning inte kräver ytterligare arbete för att hitta den optimala inställningen. För full kommersiell produktion möjliggör tillförlitliga ultraljudsapparater för krävande drift med upp till 16 000 watt per enhet ultraljudsbehandling av mycket stora volymflöden.

Ultraljudsassisterad extraktion för ekbehandling av vin

Under ekbehandlingen kommer vinet i kontakt med träet i faten (traditionell ekbehandling) eller med tillsatta träflis, trästavar/fatstavar eller ekpulver (alternativ ekbehandling). Det vanligaste träslaget för ekbehandling (smaksättning) är – som namnet på förfarandet antyder – ek (quercus). Andra träslag som används mer sällan är t.ex. kastanj, tall, sekvoja, körsbär eller akacia. Träets kemiska egenskaper används för att åstadkomma genomgripande effekter på vinets smak och bouquet. Fenolerna i eken samverkar med vinet och ger smaktoner som vanilj, karamell, grädde, kryddor eller jordiga toner. Ellagitanninerna (hydrolyserbara tanniner), som härrör från ligninstrukturer i träet, har en mycket viktig effekt eftersom de skyddar vinet mot oxidation och reduktion.
Ultraljudsextraktion är användbar vid ekbehandling av vin eftersom vätskans inträngning i trästrukturen hos pulver, flis, stavar eller fatstavar förbättras av de högtrycks- och lågtryckscykler som ultraljudet genererar. Eftersom massöverföringen därigenom ökar markant leder detta till kortare ekbehandlingstid och bättre smakresultat. Om ekpulver eller destillat med träsmak (alternativ ekbehandling) tillsätts till vinet ger ultraljudskrafterna en mycket fin dispergering av partiklarna eller dropparna i vinet för att förbättra ytvätningen och exponeringen. Detta är mycket viktigt för att uppnå hög kvalitet på smak och munkänsla och bidrar till den alkoholhaltiga dryckens kvalitet. Att fatlagring och åldring utgör en betydande tids- och kostnadsfaktor vid vinframställning gör ultraljud till en exceptionellt intressant bearbetningsmetod, eftersom Hielschers ultraljudsapparater utmärker sig genom låga investeringskostnader, enkel implementering och en enastående energieffektivitet.

Ultraljudsassisterad deagglomerering under vinets åldring

Under den traditionella tidskrävande åldringsprocessen sker reaktioner mellan olika molekyler i vinet. Detta innebär att molekylerna förändras genom sin samverkan med varandra. Tiden för och resultatet av denna molekylära förändring beror på vinets beståndsdelar och dess omgivning. Det är allmänt vedertaget att alkohol är dispergerad i alkoholhaltiga drycker, men det innebär inte att en blandning av molekyler uppnås. Eftersom det naturligt endast finns lite energi tillgänglig i vin för reaktioner – såsom bindning och blandning – förblir de naturliga förändringarna till största delen ofullständiga. Även om beståndsdelarna tenderar att samverka, fästa vid varandra och förändra molekylära egenskaper kan de inte uppnå fullständig samverkan, omvandling eller bindning på molekylär nivå på grund av den låga tillgängliga energin.
När vin ultraljudsbehandlas (vilket innebär att energi tillförs vätskan) får beståndsdelarna en mer konsekvent och enhetlig dispergeringsgrad. Genom ultraljudsbehandling blir vinet en homogen vätska med förlängd hållbarhet efter en mycket kort behandlingstid. Homogeniteten möjliggör ökad samverkan mellan molekylerna och därmed en mer fullständig molekylär förändring. Detta innebär en förbättring av smak och kvalitet.

Dispergering: Före buteljering behandlas de flesta viner med tillsatser, såsom konserveringsmedel (t.ex. kaliumvätesulfat, natriumvätesulfat), rengöringsmedel, färgpulver samt ytterligare klarningsmedel och förbättringsmedel. Dessa tillsatser används för att undvika för tidig brunfärgning och förskämning, förbättra vinkvaliteten, avhjälpa brister eller stödja jäsningsprocessen. Genom ultraljudsbehandling kan dessa tillsatser dispergeras mycket jämnt i vinet så att bättre bearbetningsresultat uppnås. Detta leder slutligen till högre kvalitet och bättre smak – varje vinmakares strävan.

Ultraljudsextraktion av aktiva föreningar

Vin innehåller en stor mångfald av hälsofrämjande aktiva föreningar såsom tanniner, fenoliska föreningar, flavonoider och andra ämnen, vilka är värdefulla ingredienser som används inom läkemedels-, livsmedels- och kosmetikindustrin.
Läs mer om extraktion av fytokemikalier såsom polyfenoler, antocyanidiner, proantocyanidin och andra bioaktiva föreningar från druvor och biprodukter från druvor!

Exkurs

Lagring av risvin och majsvin: Chang et al. (2002) fann i sin studie om risvin och majsvin att ultraljudsbehandlingens effekter på vinets lagring beror på typen av vin. Ultraljudslagring av risvin var således betydligt bättre än ultraljudsassisterad lagring av majsvin vad gäller pH-värde, alkoholhalt, acetaldehyd, smak och sensoriska egenskaper. För både risvin och majsvin förkortades lagringstiden avsevärt (från 1 år till 1 vecka eller 3 dagar).

Industriella ultraljudsapparater med genomströmningsreaktorer för ultraljudsbehandling av vin och juice.

Hielschers ultraljudsprocessorer

Hielscher är den ledande leverantören av högkvalitativa och högpresterande ultraljudsapparater. Ultraljudsapparater tillverkade av Hielscher används för laboratorieprover, bearbetning i pilotskala eller fullskalig produktion inom många områden av industri och forskning. För perfekt prestanda och anpassning till varje process erbjuder Hielscher ett brett utbud av ultraljudsapparater för ultraljudsbehandling av alla vätskevolymer, från flera mikroliter till hundratals kubikmeter per timme. Ultraljudsapparaternas processeffektivitet kan enkelt testas i mindre skala. Vanligtvis används UIP1000hd (1kW) för processutveckling vid flöden från 0,5L till 1000L per timme. I denna skala kan bearbetningseffektiviteten optimeras genom att variera amplituden, trycket och flödet. Installation eller eftermontering av ett ultraljudssystem i en produktionslinje samt drift och underhåll är enkla och problemfria.

Ultraljud i vätskor

Högeffektultraljud genererar kavitation i vätskor. När kavitationsbubblorna imploderar uppstår lokalt extremt stora krafter: i kavitationens ”heta punkt” uppnås mycket höga temperaturer (cirka 5 000K) och tryck (cirka 2 000atm). Kavitationsbubblans implosion ger också upphov till vätskestrålar med hastigheter på upp till 280m/s. När dessa intensiva krafter verkar i vätskan orsakar de olika effekter. I en alkoholhaltig vätska påskyndar ultraljudsbehandling oxidation, polymerisation och kondensation av alkoholen, aldehyder, estrar och olefiner så att nya föreningar bildas som ger mer och bättre smak och bouquet.
Bland de mest intressanta ultraljudstillämpningarna för vinframställning (vinifiering) ska särskilt ultraljudsassisterad extraktion, agglomerering och dispergering nämnas. Dessa effekter gör ultraljudsbehandling till en så effektiv bearbetningsmetod för vin och andra drycker.
Tabellen nedan ger en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet: