Şarap Sonikasyonu – Şarap İmalathanelerinde Ultrasonun Yenilikçi Uygulamaları

Ultrason, nazik uygulamasına karşın ürün üzerindeki belirgin etkileri nedeniyle gıda endüstrisinde hâlihazırda yaygın olarak kullanılan, termal olmayan bir işleme yöntemidir. Şarap imalathaneleri için sonikasyon; aroma bileşenlerinin, fenolik bileşiklerin ve renklendiricilerin ekstraksiyonu, olgunlaştırma ve yıllandırma, meşe ile işleme ve gaz giderme gibi çeşitli uygulamalar sunar.

Şarap, çoğunlukla üzümden, ancak başka meyvelerden (ör. elma şarabı, mürver şarabı) veya nişasta bazlı malzemelerden (ör. pirinç şarabı, mısır şarabı) de yapılan alkollü bir içecektir.
Şarap, üretimi yüksek maliyetli bir süreç gerektiren, tercih edilen bir tüketim ürünüdür. Kaliteli ve yüksek kaliteli şarap üretiminin zaman alan ve dolayısıyla yüksek maliyetli bir iş olduğu bilinmektedir. Sonuç olarak şarap üreticisinin amacı, fermantasyonu (alkole dönüşümü) ve olgunlaştırmayı (karmaşık tat ve aromalar kazandırmayı) hızlandırmak ve aynı zamanda istenen tada, bukeye, ağız hissine ve renge sahip yüksek kaliteli bir alkollü içecek üretmektir.

Şarap İşlemede Ultrasonun Farklı Etkileri

Şaraba uygulanan güç ultrasonu birçok yararlı etki sağlar. En önemli uygulamalar arasında, aromanın yoğunlaştırılması amacıyla fenolik ve aromatik bileşikler gibi aroma açısından zengin bileşenlerin ekstraksiyonuyla şarap bukesinin güçlendirilmesi, meşe ile işleme ve olgunlaştırma ve yıllandırmanın hızlandırılması yer alır.

Üzümden Aromatik ve Fenolik Bileşiklerin Ekstraksiyonu

Ultrason, hücre içi bitkisel materyalin ve aromatik bileşiklerin ekstraksiyonu için iyi bilinen ve kanıtlanmış bir yöntemdir. Ultrasonun mekanik etkisi, çözücülerin dokuya difüzyonunu destekler. Ultrason, kavitasyonun kesme kuvvetleriyle hücre duvarını mekanik olarak parçaladığından, hücreden çözücüye aktarımı kolaylaştırır. Ultrasonik kavitasyonla parçacık boyutunun küçültülmesi, katı ve sıvı faz arasındaki temas yüzey alanını artırır.
Üzümler, polifenol açısından zenginlikleriyle ünlüdür ve bu nedenle talep görür. Üzümdeki bu fenolik bileşikler (monomerik flavanoller, dimerik, trimerik ve polimerik prosiyanidinler ile fenolik asitler gibi), antiradikal ve antioksidan özellikleriyle bilinir. Kimyasal olarak iki alt kategoriye ayrılabilirler: flavonoidler ve flavonoid olmayan bileşikler. Şaraptaki en önemli flavonoidler, renge, tada ve ağız hissine katkıda bulunan antosiyaninler ve tanenlerdir. Flavonoid olmayan bileşikler arasında resveratrol gibi stilbenler ve benzoik, kafeik ve sinnamik asit gibi asidik bileşikler bulunur. Bu fenolik bileşiklerin çoğu üzüm kabuğunda ve çekirdeklerinde bulunur. Yoğun ultrasonik kuvvetler, üzüm çekirdekleri ve kabuklarındaki değerli bileşenleri verimli bir şekilde ekstrakte edebilir.
Cocito et al. (1995) tarafından yapılan çalışmada, sonikasyonun şıra ve şaraptaki aroma bileşiklerinin ekstraksiyonu için hızlı, tekrarlanabilir ve doğrusal bir süreç olduğu gösterilmiştir. Ultrasonik ekstraksiyonla elde edilen bileşik konsantrasyonları, C18 kolon ekstraksiyonuyla (reçine ekstraksiyonu) elde edilenlerden daha yüksektir.
Ultrasonik ekstraksiyonun avantajları özetlendiğinde ultrason; yüksek hidrostatik basınç (HP), sıkıştırılmış karbondioksit (cCO2), süperkritik karbondioksit (ScCO2) ve yüksek elektrik alan darbeleri (HELP) gibi geleneksel, termal olmayan ekstraksiyon yöntemlerine göre düşük maliyetli, basit ve verimli bir alternatiftir. Bir diğer avantajı da ultrasonik ekstraksiyonun – yukarıda belirtilen alternatiflerin aksine – kolayca laboratuvar veya tezgâh üstü ölçekte test edilebilmesidir. Bu denemeler tekrarlanabilir sonuçlar sağladığından, sonraki ölçek büyütme aşamasında en uygun ayarın bulunması için ek çaba gerekmez. Tam ticari üretim için güvenilir ağır hizmet tipi sonikatörler ünite başına 16.000 watta kadar güçle çok yüksek hacimli akışların sonikasyonla işlenmesine olanak tanır.

Şarabın Meşe ile İşlenmesi İçin Ultrason Destekli Ekstraksiyon

Meşe ile işleme aşamasında şarap, fıçıların ahşabıyla (geleneksel meşe ile işleme) veya eklenen ahşap yongaları, ahşap çubuklar/fıçı tahtaları ya da meşe tozuyla (alternatif meşe ile işleme) temas eder. Bu işlemde (aromalandırmada) en yaygın kullanılan ahşap – işlemin adından da anlaşılacağı üzere – meşedir (quercus). Daha nadir kullanılan diğer ahşap türleri arasında örneğin kestane, çam, sekoya, kiraz veya akasya bulunur. Ahşabın kimyasal özellikleri, şarabın tadı ve bukesi üzerinde derin etkiler elde etmek için kullanılır. Meşede bulunan fenoller şarapla etkileşime girerek vanilya, karamel, krema, baharat veya topraksı tatlar oluşturur. Ahşaptaki lignin yapılarından türeyen elajitanenler (hidrolize olabilen tanen), şarabı oksidasyon ve indirgenmeden korudukları için çok önemli bir etkiye sahiptir.
Ultrasonun oluşturduğu yüksek basınç ve düşük basınç döngüleri, sıvının toz, yonga, çubuk veya fıçı tahtalarının ahşap yapısına nüfuz etmesini artıracağından, ultrasonik ekstraksiyon şarabın meşe ile işlenmesi aşamasında yararlıdır. Böylece kütle aktarımı belirgin biçimde artar; bu da meşe ile işleme süresinin kısalmasını ve tat açısından daha iyi sonuçlar elde edilmesini sağlar. Şaraba meşe tozu veya ahşap aroması distilatları (alternatif meşe ile işleme) eklenirse, ultrasonik kuvvetler yüzeyin ıslanmasını ve temasını iyileştirmek için parçacıkların veya damlacıkların şarap içinde çok ince bir dispersiyonunu sağlar. Bu, üstün bir tat ve ağız hissi elde etmek için çok önemlidir ve alkollü içeceğin kalitesine katkıda bulunur. Şarap yapımında fıçılama ve yıllandırmanın uzun süre ve yüksek maliyet gerektirmesi, ultrasonu son derece ilgi çekici bir işleme yöntemi hâline getirir; çünkü Hielscher ultrasonik cihazları düşük yatırım maliyetleri, kolay uygulama ve olağanüstü enerji verimliliğiyle öne çıkar.

Şarabın Yıllandırılması Sırasında Ultrason Destekli Deaglomerasyon

Şarabın geleneksel, zaman alan yıllandırma sürecinde şarap içindeki çeşitli moleküller arasında reaksiyonlar gerçekleşir. Bu, moleküllerin birbirleriyle etkileşimlerine bağlı olarak değiştiği anlamına gelir. Bu moleküler değişimin süresi ve sonucu, şarabın bileşenlerine ve bulunduğu ortama bağlıdır. Alkolün alkollü içeceklerde dağılmış olduğu genel olarak kabul edilir, ancak bu, moleküllerin harmanlanacağı anlamına gelmez. Şarapta bağlanma ve harmanlanma gibi reaksiyonlar için doğal olarak yalnızca düşük düzeyde enerji bulunduğundan, doğal değişimler büyük ölçüde tamamlanmadan kalır. Bileşenler etkileşime girme, birbirine tutunma ve moleküler özelliklerini değiştirme eğiliminde olsalar da mevcut enerjinin düşük olması nedeniyle moleküler düzeyde tam bir etkileşim, dönüşüm veya bağlanma gerçekleştiremezler.
Şarap sonikasyona tabi tutulduğunda (bu, sıvıya enerji verilmesi anlamına gelir), bileşenler daha tutarlı ve eşit bir dağılım gösterir. Sonikasyonla şarap, çok kısa bir işlem süresinde raf ömrü uzatılmış homojen bir sıvıya dönüşür. Homojenlik, moleküller arasında daha fazla etkileşime ve dolayısıyla daha eksiksiz bir moleküler değişime olanak tanır. Bu, tat ve kalitenin iyileşmesi anlamına gelir.

Dispersiyon: Şişelemeden önce çoğu şarap; koruyucular (ör. potasyum bisülfat, sodyum bisülfat), temizleyiciler, renklendirici tozlar ve diğer durultma ve iyileştirme maddeleri gibi katkılarla işlenir. Bu katkılar, erken esmerleşmeyi ve bozulmayı önlemek, şarap kalitesini iyileştirmek, kusurları gidermek veya fermantasyon sürecini desteklemek için kullanılır. Sonikasyonla bu katkılar şarap içinde çok tutarlı bir şekilde dağıtılabilir ve böylece işleme sürecinde daha iyi sonuçlar elde edilir. Bu da sonuçta daha yüksek kalite ve daha iyi tat sağlar – her şarap üreticisinin çabası bu yöndedir.

Aktif Bileşiklerin Ultrasonik Ekstraksiyonu

Şarap; tanenler, fenolik bileşikler, flavonoidler ve diğerleri gibi sağlığa yararlı çok çeşitli aktif bileşikler içerir. Bunlar ilaç, gıda ve kozmetik endüstrisinde kullanılan değerli bileşenlerdir.
Polifenoller, antosiyanidinler, proantosiyanidin ve diğer biyoaktif bileşikler gibi fitokimyasalların üzümden ve üzüm yan ürünlerinden ekstraksiyonu hakkında daha fazla bilgi edinin!

Ek Bilgi

Pirinç Şarabı ve Mısır Şarabının Yıllandırılması: Chang et al. (2002), pirinç şarabı ve mısır şarabı üzerine yaptıkları çalışmada, şarap sonikasyonunun yıllandırma etkilerinin şarap türüne bağlı olduğunu bulmuştur. Pirinç şarabının ultrasonik yıllandırılması; pH değeri, alkol içeriği, asetaldehit, tat ve duyusal nitelikler açısından mısır şarabının ultrason destekli yıllandırılmasından belirgin şekilde daha iyi olmuştur. Hem pirinç şarabı hem de mısır şarabı için yıllandırma süresi önemli ölçüde kısalmıştır (1 yıldan 1 haftaya veya 3 güne).

Endüstriyel sonikatörler şarap ve meyve suyunun sonikasyonu için akış reaktörleriyle donatılmıştır.

Hielscher Ultrasonik İşlemcileri

Hielscher, yüksek kaliteli ve yüksek performanslı ultrasonik cihazların lider tedarikçisidir. Hielscher tarafından üretilen ultrasonik cihazlar, endüstri ve araştırmanın birçok alanında laboratuvar numuneleri, pilot ölçekli işleme veya tam ölçekli üretim için kullanılır. Her süreçte mükemmel performans ve sürece uyum sağlamak için Hielscher, birkaç mikrolitreden saatte yüzlerce metreküpe kadar her türlü sıvı hacminin sonikasyonu için geniş bir ultrasonik cihaz yelpazesi sunar. Ultrasonik cihazların süreç verimliliği daha küçük ölçekte kolayca test edilebilir. Genellikle UIP1000hd (1kW), saatte 0,5L ile 1000L arasındaki debiler için süreç geliştirmede kullanılır. Bu ölçekte işleme verimliliği, genlik, basınç ve debi değiştirilerek optimize edilebilir. Bir ultrason sisteminin üretim hattına kurulması veya sonradan eklenmesi ile işletilmesi ve bakımı basittir ve zorluk yaratmaz.

Sıvılarda Ultrason

Yüksek güçlü ultrason, sıvılarda kavitasyon oluşturur. Kavitasyon kabarcıklarının içe doğru çökmesi sırasında yerel olarak son derece yüksek kuvvetler ortaya çıkar: kavitasyonun “sıcak noktasında” çok yüksek sıcaklıklara (yaklaşık 5.000K) ve basınçlara (yaklaşık 2.000atm) ulaşılır. Kavitasyon kabarcığının içe doğru çökmesi ayrıca hızı 280m/s değerine kadar ulaşan sıvı jetleri oluşturur. Bu yoğun kuvvetler sıvıya etki ettiğinde farklı etkiler meydana getirir. Alkollü bir sıvıda sonikasyon; alkol, aldehitler, esterler ve olefinlerin oksidasyonunu, polimerizasyonunu ve kondenzasyonunu hızlandırarak daha fazla ve daha iyi tat ve buke sağlayan yeni bileşikler oluşturur.
Şarap yapımında (vinifikasyon) en ilgi çekici ultrasonik uygulamalar arasında özellikle ultrason destekli ekstraksiyon, aglomerasyon ve dispersiyon sayılmalıdır. Bu etkiler, sonikasyonu şarap ve diğer içecekler için böylesine etkili bir işleme yöntemi hâline getirir.
Aşağıdaki tablo, sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında fikir verir: