การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์กับไวน์ – การประยุกต์ใช้อัลตราซาวนด์เชิงนวัตกรรมในโรงผลิตไวน์

อัลตราซาวนด์เป็นวิธีการแปรรูปแบบไม่ใช้ความร้อน ซึ่งมีการใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมอาหารอยู่แล้ว เนื่องจากเป็นกระบวนการที่อ่อนโยนแต่ส่งผลอย่างมีนัยสำคัญต่อผลิตภัณฑ์ สำหรับโรงผลิตไวน์ การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์สามารถประยุกต์ใช้ได้หลากหลาย เช่น การสกัดสารให้กลิ่นรส สารฟีนอลิก และสารให้สี การพัฒนาและบ่มไวน์ การบ่มด้วยไม้โอ๊ก ตลอดจนการไล่ก๊าซ

ไวน์เป็นเครื่องดื่มแอลกอฮอล์ที่ส่วนใหญ่ผลิตจากองุ่น แต่ก็ผลิตจากผลไม้ชนิดอื่นได้ด้วย (เช่น ไวน์แอปเปิล ไวน์เอลเดอร์เบอร์รี) หรือจากวัตถุดิบที่มีแป้งเป็นองค์ประกอบหลัก (เช่น ไวน์ข้าว ไวน์ข้าวโพด)
ไวน์เป็นสินค้าอุปโภคบริโภคที่ได้รับความนิยม ซึ่งการผลิตต้องอาศัยกระบวนการที่มีค่าใช้จ่ายสูง การผลิตไวน์ที่มีคุณภาพและไวน์คุณภาพสูงเป็นธุรกิจที่ขึ้นชื่อว่าต้องใช้เวลามากและจึงมีต้นทุนสูงด้วย ในท้ายที่สุด ผู้ผลิตไวน์จึงต้องการเร่งกระบวนการ หมัก (การเปลี่ยนเป็นแอลกอฮอล์) และการพัฒนาไวน์ (เพื่อให้เกิดรสชาติและกลิ่นที่ซับซ้อน) พร้อมกับผลิตเครื่องดื่มแอลกอฮอล์คุณภาพสูงที่มีรสชาติ กลิ่นหอมจากการบ่ม สัมผัสในปาก และสีตามที่ต้องการ

ผลของอัลตราซาวนด์ในรูปแบบต่าง ๆ ต่อการแปรรูปไวน์

การใช้อัลตราซาวนด์กำลังสูงกับไวน์ให้ผลที่เป็นประโยชน์หลายประการ การประยุกต์ใช้ที่สำคัญที่สุด ได้แก่ การเพิ่มความเข้มข้นของกลิ่นรส ของกลิ่นหอมจากการบ่มไวน์ โดยสกัดองค์ประกอบที่อุดมด้วยกลิ่นรส เช่น สารฟีนอลิกและสารให้กลิ่น การบ่มด้วยไม้โอ๊ก และการเร่ง การพัฒนาและบ่มไวน์.

การสกัดสารให้กลิ่นและสารฟีนอลิกจากองุ่น

อัลตราซาวนด์เป็นวิธีที่เป็นที่รู้จักและได้รับการพิสูจน์แล้วสำหรับการสกัดสารภายในเซลล์พืชและสารให้กลิ่น การทำงานเชิงกลของอัลตราซาวนด์ช่วยส่งเสริมการแพร่ของตัวทำละลายเข้าสู่เนื้อเยื่อ เนื่องจากอัลตราซาวนด์ทำลายผนังเซลล์ด้วยแรงเฉือนเชิงกลจากคาวิเทชัน จึงช่วยให้สารเคลื่อนย้ายจากเซลล์เข้าสู่ตัวทำละลายได้ง่ายขึ้น การลดขนาดอนุภาคด้วยคาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์ช่วยเพิ่มพื้นที่ผิวสัมผัสระหว่างเฟสของแข็งกับเฟสของเหลว
องุ่นมีชื่อเสียงและเป็นที่ต้องการเนื่องจากอุดมด้วยโพลีฟีนอล สารฟีนอลิกเหล่านี้ในองุ่น (เช่น ฟลาวานอลแบบโมโนเมอร์ โพรไซยานิดินแบบไดเมอร์ ไตรเมอร์ และพอลิเมอร์ รวมถึงกรดฟีนอลิก) เป็นที่รู้จักในด้านสมบัติต้านอนุมูลอิสระและต้านออกซิเดชัน ในทางเคมี สารเหล่านี้แบ่งได้เป็นสองกลุ่มย่อย ได้แก่ ฟลาโวนอยด์และสารที่ไม่ใช่ฟลาโวนอยด์ ฟลาโวนอยด์ที่สำคัญที่สุดในไวน์ ได้แก่ แอนโทไซยานินและแทนนิน ซึ่งมีส่วนทำให้เกิดสี รสชาติ และสัมผัสในปาก สารที่ไม่ใช่ฟลาโวนอยด์ประกอบด้วยสติลบีน เช่น resveratrol และสารที่มีสมบัติเป็นกรด เช่น benzoic acid, caffeic acid และ cinnamic acid สารฟีนอลิกเหล่านี้ส่วนใหญ่อยู่ในเปลือกและเมล็ดองุ่น แรงอัลตราซาวนด์ที่รุนแรงสามารถสกัดองค์ประกอบที่มีคุณค่าจากเมล็ดและเปลือกองุ่นได้อย่างมีประสิทธิภาพ
การศึกษาของ Cocito et al. (1995) แสดงให้เห็นว่าการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์เป็นกระบวนการที่รวดเร็ว ทำซ้ำได้ และมีความเป็นเชิงเส้น สำหรับการสกัดสารให้กลิ่นในน้ำองุ่นก่อนหมักและไวน์ ผลความเข้มข้นของสารที่ได้จากการสกัดด้วยอัลตราซาวนด์สูงกว่าผลที่ได้จากการสกัดด้วยคอลัมน์ C18 (การสกัดด้วยเรซิน)
เมื่อพิจารณาข้อดีของการสกัดด้วยอัลตราซาวนด์โดยรวม อัลตราซาวนด์เป็นทางเลือกที่มีต้นทุนต่ำ ใช้งานง่าย และมีประสิทธิภาพ แทนวิธีสกัดแบบไม่ใช้ความร้อนทั่วไป เช่น ความดันไฮโดรสแตติกสูง (HP) คาร์บอนไดออกไซด์อัด (cCO2) คาร์บอนไดออกไซด์เหนือวิกฤต (ScCO2) และพัลส์สนามไฟฟ้าความเข้มสูง (HELP) ข้อดีอีกประการหนึ่งคือ การสกัดด้วยอัลตราซาวนด์ – ต่างจากทางเลือกที่กล่าวมาข้างต้น – สามารถทดสอบได้ง่ายใน ห้องปฏิบัติการ หรือในระดับตั้งโต๊ะ การทดลองเหล่านี้ให้ผลที่ทำซ้ำได้ ดังนั้นการขยายขนาดในขั้นต่อไปจึงไม่ต้องใช้ความพยายามเพิ่มเติมในการหาการตั้งค่าที่เหมาะสมที่สุด สำหรับการผลิตเชิงพาณิชย์เต็มรูปแบบ เครื่องอัลตราซาวนด์สำหรับงานหนัก ที่เชื่อถือได้ ซึ่งมีกำลังสูงสุดถึง 16,000 วัตต์ต่อเครื่อง ช่วยให้สามารถใช้คลื่นอัลตราซาวนด์กับกระแสของเหลวที่มีปริมาณสูงมากได้

การสกัดโดยใช้อัลตราซาวนด์ช่วยสำหรับการบ่มไวน์ด้วยไม้โอ๊ก

ในขั้นตอนการบ่มด้วยไม้โอ๊ก ไวน์จะสัมผัสกับเนื้อไม้ของถัง (การบ่มด้วยไม้โอ๊กแบบดั้งเดิม) หรือกับเศษไม้ แท่งไม้/แผ่นไม้ หรือผงไม้สำหรับบ่มที่เติมลงไป (การบ่มด้วยไม้โอ๊กแบบทางเลือก) ไม้ที่ใช้กันมากที่สุดสำหรับการบ่มด้วยไม้โอ๊ก (การปรุงกลิ่นรส) คือ – ตามชื่อของกระบวนการ – ไม้โอ๊ก (quercus) ไม้ชนิดอื่นที่ใช้ไม่บ่อยนัก เช่น เกาลัด สน เรดวูด เชอร์รี หรืออะคาเซีย สมบัติทางเคมีของไม้ถูกนำมาใช้เพื่อให้เกิดผลอย่างมากต่อกลิ่นรสและกลิ่นหอมจากการบ่มของไวน์ ฟีนอลที่อยู่ในไม้โอ๊กทำปฏิกิริยากับไวน์ ทำให้เกิดกลิ่นรส เช่น วานิลลา คาราเมล ครีม เครื่องเทศ หรือกลิ่นดิน เอลลาจิแทนนิน (แทนนินที่ไฮโดรไลซ์ได้) ซึ่งมีที่มาจากโครงสร้างลิกนินในไม้ มีบทบาทสำคัญมาก เนื่องจากช่วยปกป้องไวน์จากออกซิเดชันและรีดักชัน
การสกัดด้วยอัลตราซาวนด์มีประโยชน์ต่อขั้นตอนการบ่มไวน์ด้วยไม้โอ๊ก เนื่องจากวัฏจักรความดันสูงและความดันต่ำที่เกิดจากอัลตราซาวนด์ช่วยเพิ่มการแทรกซึมของของเหลวเข้าไปในโครงสร้างไม้ของผงไม้ เศษไม้ แท่งไม้ หรือแผ่นไม้ ด้วยเหตุนี้ การถ่ายเทมวลจึงเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัด ส่งผลให้ระยะเวลาการบ่มด้วยไม้โอ๊กสั้นลงและให้ผลด้านกลิ่นรสสูงขึ้น หากเติมผงไม้โอ๊กหรือสารกลั่นกลิ่นรสไม้ (การบ่มด้วยไม้โอ๊กแบบทางเลือก) ลงในไวน์ แรงอัลตราซาวนด์จะทำให้อนุภาคหรือหยดของเหลวกระจายตัวอย่างละเอียดมากในไวน์ เพื่อเพิ่มการเปียกของพื้นผิวและการสัมผัสกับไวน์ ซึ่งมีความสำคัญมากต่อการให้รสชาติและสัมผัสในปากที่ดี และมีส่วนช่วยยกระดับคุณภาพของเครื่องดื่มแอลกอฮอล์ การที่การบรรจุถังและการบ่มเป็นปัจจัยที่ทำให้การผลิตไวน์ใช้เวลานานและมีต้นทุนสูง ทำให้อัลตราซาวนด์เป็นวิธีการแปรรูปที่น่าสนใจเป็นพิเศษ เนื่องจากเครื่องอัลตราซาวนด์ของ Hielscher มีจุดเด่นด้านต้นทุนการลงทุนต่ำ การนำไปใช้งานที่ง่าย และ ประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่โดดเด่น.

การสลายกลุ่มอนุภาคโดยใช้อัลตราซาวนด์ช่วยระหว่างการบ่มไวน์

ระหว่างกระบวนการบ่มไวน์แบบดั้งเดิมที่ใช้เวลานาน โมเลกุลต่าง ๆ ในไวน์จะเกิดปฏิกิริยา ซึ่งหมายความว่าโมเลกุลจะเปลี่ยนแปลงตามอันตรกิริยาระหว่างกัน ระยะเวลาและผลของการเปลี่ยนแปลงระดับโมเลกุลนี้ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของไวน์และสภาพแวดล้อมของไวน์ โดยทั่วไป เป็นที่ยอมรับว่าแอลกอฮอล์กระจายตัวอยู่ในเครื่องดื่มแอลกอฮอล์ แต่ไม่ได้หมายความว่าจะเกิดการผสมกันของโมเลกุล เนื่องจากในไวน์มีพลังงานตามธรรมชาติสำหรับปฏิกิริยา – เช่น การสร้างพันธะและการผสม – เพียงเล็กน้อย การเปลี่ยนแปลงตามธรรมชาติจึงส่วนใหญ่ไม่สมบูรณ์ แม้ว่าองค์ประกอบต่าง ๆ มีแนวโน้มที่จะเกิดอันตรกิริยา ยึดติดกัน และเปลี่ยนสมบัติระดับโมเลกุล แต่ก็ไม่สามารถเกิดอันตรกิริยา การเปลี่ยนรูป หรือการสร้างพันธะในระดับโมเลกุลได้อย่างสมบูรณ์ เนื่องจากมีพลังงานอยู่น้อย
เมื่อไวน์ได้รับคลื่นอัลตราซาวนด์ (ซึ่งหมายถึงการป้อนพลังงานเข้าไปในของเหลว) องค์ประกอบต่าง ๆ จะมีระดับการกระจายตัวที่สม่ำเสมอและเป็นเนื้อเดียวกันมากขึ้น การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ทำให้ไวน์เป็นของเหลวเนื้อเดียวกันที่มีอายุการเก็บรักษานานขึ้น โดยใช้เวลาแปรรูปสั้นมาก ความเป็นเนื้อเดียวกันช่วยเพิ่มอันตรกิริยาระหว่างโมเลกุล จึงทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงระดับโมเลกุลที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้น ซึ่งหมายถึงการปรับปรุงรสชาติและคุณภาพ

การกระจายตัว: ก่อนบรรจุขวด ไวน์ส่วนใหญ่จะผ่านการเติมสารเติมแต่ง เช่น สารกันเสีย (เช่น potassium bisulfate, sodium bisulfate) สารทำความสะอาด ผงให้สี รวมถึงสารช่วยทำให้ใสและสารปรับปรุงคุณภาพอื่น ๆ สารเติมแต่งเหล่านี้ใช้เพื่อป้องกันการเกิดสีน้ำตาลและการเสื่อมเสียก่อนเวลาอันควร ปรับปรุงคุณภาพไวน์ ขจัดข้อบกพร่อง หรือช่วยส่งเสริมกระบวนการหมัก การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ทำให้สารเติมแต่งเหล่านี้กระจายตัวในไวน์ได้อย่างสม่ำเสมอมาก จึงให้ผลการแปรรูปที่ดีขึ้น ในที่สุดจึงนำไปสู่คุณภาพที่สูงขึ้นและรสชาติที่ดีขึ้น – เป้าหมายที่ผู้ผลิตไวน์ทุกคนมุ่งมั่น

การสกัดสารออกฤทธิ์ด้วยอัลตราซาวนด์

ไวน์มีสารออกฤทธิ์ที่เป็นประโยชน์ต่อสุขภาพหลากหลายชนิด เช่น แทนนิน สารฟีนอลิก ฟลาโวนอยด์ และสารอื่น ๆ ซึ่งเป็นองค์ประกอบที่มีคุณค่าและใช้ในอุตสาหกรรมยา อาหาร และเครื่องสำอาง
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการสกัดสารพฤกษเคมี เช่น โพลีฟีนอล แอนโทไซยานิดิน โพรแอนโทไซยานิดิน และสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพอื่น ๆ จากองุ่นและผลพลอยได้จากองุ่น!

ประเด็นเพิ่มเติม

การบ่มไวน์ข้าวและไวน์ข้าวโพด: Chang et al. (2002) พบในการศึกษาเกี่ยวกับไวน์ข้าวและไวน์ข้าวโพดว่า ผลด้านการบ่มจากการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์กับไวน์ขึ้นอยู่กับชนิดของไวน์ โดยการบ่มไวน์ข้าวด้วยอัลตราซาวนด์ให้ผลด้านค่า pH ปริมาณแอลกอฮอล์ acetaldehyde กลิ่นรส และคุณลักษณะทางประสาทสัมผัส ดีกว่าการบ่มไวน์ข้าวโพดโดยใช้อัลตราซาวนด์ช่วยอย่างมีนัยสำคัญ สำหรับทั้งไวน์ข้าวและไวน์ข้าวโพด ระยะเวลาการบ่มลดลงอย่างมาก (จาก 1 ปีเหลือ 1 สัปดาห์หรือ 3 วัน)

เครื่องอัลตราซาวนด์ระดับอุตสาหกรรม พร้อมเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลผ่านสำหรับการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์กับไวน์และ น้ำผลไม้.

เครื่องประมวลผลอัลตราซาวนด์ของ Hielscher

Hielscher เป็นผู้จัดหาเครื่องอัลตราซาวนด์คุณภาพสูงและสมรรถนะสูงชั้นนำ เครื่องอัลตราซาวนด์ที่ผลิตโดย Hielscher ใช้สำหรับตัวอย่างในห้องปฏิบัติการ การแปรรูปในระดับนำร่อง หรือการผลิตเต็มรูปแบบในหลากหลายสาขาของอุตสาหกรรมและการวิจัย เพื่อให้ได้สมรรถนะที่สมบูรณ์แบบและสามารถปรับให้เหมาะกับแต่ละกระบวนการ Hielscher นำเสนอเครื่องอัลตราซาวนด์หลากหลายรุ่นสำหรับการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์กับของเหลวทุกปริมาตร ตั้งแต่ไม่กี่ไมโครลิตรไปจนถึงหลายร้อยลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง สามารถทดสอบประสิทธิภาพของเครื่องอัลตราซาวนด์ในกระบวนการได้อย่างง่ายดายในขนาดที่เล็กลง โดยทั่วไป UIP1000hd (1kW) ใช้สำหรับการพัฒนากระบวนการที่มีอัตราการไหลตั้งแต่ 0.5L ถึง 1000L ต่อชั่วโมง ในระดับนี้ สามารถปรับประสิทธิภาพการแปรรูปให้เหมาะสมที่สุดได้โดยเปลี่ยนแอมพลิจูด ความดัน และอัตราการไหล การติดตั้งระบบอัลตราซาวนด์หรือการติดตั้งเพิ่มเติมเข้ากับสายการผลิต รวมถึงการใช้งานและการบำรุงรักษา เป็นเรื่องง่ายและไม่ยุ่งยาก

อัลตราซาวนด์ในของเหลว

อัลตราซาวนด์กำลังสูงทำให้เกิด คาวิเทชัน ในของเหลว ระหว่างการยุบตัวของฟองคาวิเทชันจะเกิดแรงที่สูงอย่างยิ่งเฉพาะจุด โดยที่ “จุดร้อน” ของคาวิเทชันจะมีอุณหภูมิสูงมาก (ประมาณ 5,000K) และความดันสูงมาก (ประมาณ 2,000atm) การยุบตัวของฟองคาวิเทชันยังทำให้เกิดลำพุ่งของของเหลวที่มีความเร็วสูงสุดถึง 280m/s เมื่อแรงรุนแรงเหล่านี้กระทำต่อของเหลว จะก่อให้เกิดผลต่าง ๆ ในของเหลวที่มีแอลกอฮอล์ การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์จะเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชัน พอลิเมอไรเซชัน และการควบแน่นของแอลกอฮอล์ แอลดีไฮด์ เอสเทอร์ และโอเลฟิน เพื่อสร้างสารประกอบใหม่ที่ทำให้เกิดกลิ่นรสและกลิ่นหอมจากการบ่มที่มากขึ้นและดีขึ้น
การประยุกต์ใช้อัลตราซาวนด์ที่น่าสนใจที่สุดในการผลิตไวน์ โดยเฉพาะ การสกัด การรวมกลุ่มอนุภาค และ การกระจายตัว โดยใช้อัลตราซาวนด์ช่วย เป็นสิ่งที่ควรกล่าวถึง ผลเหล่านี้ทำให้การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์เป็นวิธีการแปรรูปที่มีประสิทธิภาพอย่างยิ่งสำหรับไวน์และเครื่องดื่มอื่น ๆ
ตารางด้านล่างแสดงกำลังการแปรรูปโดยประมาณของเครื่องอัลตราซาวนด์ของเรา: