Xử lý rượu vang bằng siêu âm – Các ứng dụng siêu âm tiên tiến trong nhà máy rượu vang

Siêu âm là phương pháp xử lý không dùng nhiệt, hiện đã được sử dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm nhờ tác động nhẹ nhàng nhưng mang lại hiệu quả đáng kể đối với sản phẩm. Đối với các nhà máy rượu vang, xử lý bằng siêu âm có nhiều ứng dụng như chiết xuất các chất tạo hương vị, hợp chất phenolic và chất tạo màu, thúc đẩy quá trình hoàn thiện và ủ chín, ủ với gỗ sồi cũng như khử khí.

Rượu vang là đồ uống có cồn, thường được làm từ nho nhất, nhưng cũng có thể được làm từ các loại trái cây khác (ví dụ: rượu táo, rượu quả cơm cháy) hoặc nguyên liệu chứa tinh bột (ví dụ: rượu gạo, rượu ngô).
Rượu vang là mặt hàng tiêu dùng được ưa chuộng, có quy trình sản xuất đòi hỏi nhiều công sức và chi phí. Việc sản xuất rượu vang chất lượng và chất lượng cao được biết đến là hoạt động tốn thời gian và do đó tốn kém chi phí. Vì vậy, nhà sản xuất rượu vang mong muốn đẩy nhanh quá trình lên men (chuyển hóa thành cồn) và quá trình hoàn thiện (để tạo hương vị và hương thơm phức hợp), đồng thời sản xuất ra rượu chất lượng cao với vị, hương thơm tổng thể, cảm giác trong miệng và màu sắc như mong muốn.

Các tác động khác nhau của siêu âm trong xử lý rượu vang

Siêu âm công suất cao được áp dụng cho rượu vang mang lại nhiều tác động có lợi. Các ứng dụng quan trọng nhất bao gồm tăng cường hương vị cho hương thơm tổng thể của rượu vang bằng cách chiết xuất các thành phần giàu hương vị, chẳng hạn như các hợp chất phenolic và hợp chất tạo hương, ủ với gỗ sồi, và đẩy nhanh quá trình hoàn thiện và ủ chín.

Chiết xuất các hợp chất tạo hương và phenolic từ nho

Siêu âm là phương pháp đã được biết đến rộng rãi và chứng minh hiệu quả trong việc chiết xuất vật chất nội bào thực vật và các hợp chất tạo hương. Tác động cơ học của siêu âm hỗ trợ sự khuếch tán của dung môi vào mô. Do siêu âm phá vỡ thành tế bào bằng cơ chế cơ học thông qua lực cắt do xâm thực, quá trình chuyển các chất từ tế bào vào dung môi trở nên thuận lợi hơn. Việc giảm kích thước hạt nhờ xâm thực siêu âm làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa pha rắn và pha lỏng.
Nho nổi tiếng và được ưa chuộng nhờ hàm lượng polyphenol dồi dào. Các hợp chất phenolic này của nho (chẳng hạn như flavanol dạng monome, procyanidin dạng đime, trime và polyme cũng như các axit phenolic) được biết đến với đặc tính chống gốc tự do và chống oxy hóa. Về mặt hóa học, chúng có thể được chia thành hai nhóm nhỏ: flavonoid và các hợp chất không thuộc nhóm flavonoid. Các flavonoid quan trọng nhất trong rượu vang là anthocyanin và tannin, góp phần tạo màu sắc, vị và cảm giác trong miệng. Các hợp chất không thuộc nhóm flavonoid bao gồm stilben như resveratrol và các hợp chất có tính axit như axit benzoic, caffeic và cinnamic. Phần lớn các hợp chất phenolic này nằm trong vỏ và hạt nho. Lực siêu âm mạnh có khả năng chiết xuất hiệu quả các thành phần có giá trị từ hạt và vỏ nho.
Trong nghiên cứu của Cocito và cộng sự (1995), xử lý bằng siêu âm đã được chứng minh là một quy trình nhanh, có tính lặp lại và tuyến tính để chiết xuất các hợp chất tạo hương trong dịch nho trước lên men và rượu vang. Nồng độ các hợp chất thu được bằng phương pháp chiết xuất siêu âm cao hơn so với phương pháp chiết xuất bằng cột C18 (chiết xuất bằng nhựa).
Tổng hợp các ưu điểm của phương pháp chiết xuất siêu âm cho thấy siêu âm là một giải pháp thay thế ít tốn kém, đơn giản và hiệu quả cho các phương pháp chiết xuất không dùng nhiệt thông thường, chẳng hạn như áp suất thủy tĩnh cao (HP), carbon dioxide nén (cCO2), carbon dioxide siêu tới hạn (ScCO2) và xung điện trường cường độ cao (HELP). Một ưu điểm nữa là chiết xuất siêu âm – khác với các phương pháp thay thế nêu trên – có thể dễ dàng được thử nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm hoặc quy mô thiết bị để bàn. Các thử nghiệm này cho kết quả có thể tái lập, nhờ đó việc mở rộng quy mô sau đó không đòi hỏi thêm nỗ lực để tìm thông số cài đặt tối ưu. Đối với sản xuất thương mại ở quy mô đầy đủ, các máy siêu âm hạng nặng đáng tin cậy có công suất lên đến 16.000 watt trên mỗi thiết bị cho phép xử lý bằng siêu âm các dòng có lưu lượng thể tích rất lớn.

Chiết xuất có hỗ trợ siêu âm để ủ rượu vang với gỗ sồi

Trong giai đoạn ủ với gỗ sồi, rượu vang tiếp xúc với gỗ của thùng ủ (ủ với gỗ sồi theo phương pháp truyền thống) hoặc với dăm gỗ, thanh gỗ/ ván thùng hay bột gỗ sồi được bổ sung (ủ với gỗ sồi theo phương pháp thay thế). Loại gỗ phổ biến nhất dùng để ủ (tạo hương vị) là – đúng như tên gọi của quy trình – gỗ sồi (quercus). Các loại gỗ khác ít được sử dụng hơn gồm, ví dụ, gỗ dẻ, thông, gỗ đỏ, anh đào hoặc keo. Các tính chất hóa học của gỗ được tận dụng để tạo ra những tác động sâu sắc đến hương vị và hương thơm phức hợp của rượu vang. Các phenol có trong gỗ sồi tương tác với rượu vang, tạo ra các hương vị như vani, caramel, kem, gia vị hoặc hương đất. Các ellagitannin (tannin có thể thủy phân), có nguồn gốc từ các cấu trúc lignin trong gỗ, có tác dụng rất quan trọng vì chúng bảo vệ rượu vang khỏi quá trình oxy hóa và khử.
Chiết xuất bằng siêu âm hữu ích trong giai đoạn ủ rượu vang với gỗ sồi vì các chu kỳ áp suất cao và áp suất thấp do siêu âm tạo ra giúp tăng cường sự thâm nhập của chất lỏng vào cấu trúc gỗ của bột, dăm, thanh hoặc ván thùng. Nhờ đó, quá trình truyền khối tăng lên rõ rệt, giúp rút ngắn thời gian ủ với gỗ sồi và đạt kết quả tốt hơn về hương vị. Nếu bột gỗ sồi hoặc dịch chưng cất hương gỗ được bổ sung vào rượu vang (ủ với gỗ sồi theo phương pháp thay thế), các lực siêu âm giúp phân tán các hạt hoặc giọt thành dạng rất mịn trong rượu vang để cải thiện khả năng thấm ướt và tiếp xúc bề mặt. Điều này rất quan trọng để đạt được hương vị và cảm giác trong miệng ở mức cao, đồng thời góp phần nâng cao chất lượng đồ uống có cồn. Việc ủ trong thùng và lão hóa đòi hỏi nhiều thời gian và chi phí trong sản xuất rượu vang khiến siêu âm trở thành một phương pháp xử lý đặc biệt đáng quan tâm, vì các thiết bị siêu âm Hielscher có chi phí đầu tư thấp, dễ triển khai và đặc biệt vượt trội về hiệu suất năng lượng.

Phá kết tụ có hỗ trợ siêu âm trong quá trình lão hóa rượu vang

Trong quá trình lão hóa rượu vang truyền thống vốn tốn nhiều thời gian, các phản ứng giữa nhiều phân tử khác nhau diễn ra trong rượu vang. Điều này có nghĩa là các phân tử thay đổi theo sự tương tác với nhau. Thời gian và kết quả của sự biến đổi phân tử này phụ thuộc vào các thành phần của rượu vang và môi trường xung quanh. Nhìn chung, người ta thừa nhận rằng cồn được phân tán trong rượu, nhưng điều này không có nghĩa là sẽ đạt được sự hòa trộn giữa các phân tử. Vì trong rượu vang tự nhiên chỉ có ít năng lượng dành cho các phản ứng – như liên kết và hòa trộn – nên phần lớn các biến đổi tự nhiên sẽ không diễn ra hoàn toàn. Mặc dù các thành phần có xu hướng tương tác, gắn kết và thay đổi tính chất phân tử, chúng không thể đạt được sự tương tác, chuyển hóa hoặc liên kết hoàn toàn ở cấp độ phân tử do năng lượng hiện có thấp.
Khi rượu vang được xử lý bằng siêu âm (nghĩa là năng lượng được đưa vào chất lỏng), các thành phần đạt mức độ phân tán nhất quán và đồng đều hơn. Nhờ xử lý bằng siêu âm, rượu vang trở thành một chất lỏng đồng nhất với thời hạn bảo quản kéo dài chỉ sau thời gian xử lý rất ngắn. Tính đồng nhất cho phép các phân tử tương tác nhiều hơn và do đó biến đổi phân tử diễn ra hoàn toàn hơn. Điều này đồng nghĩa với việc cải thiện hương vị và chất lượng.

Phân tán: Trước khi đóng chai, hầu hết các loại rượu vang đều được xử lý bằng các chất phụ gia, chẳng hạn như chất bảo quản (ví dụ: kali bisulfat, natri bisulfat), chất làm sạch, bột tạo màu cùng các chất trợ làm trong và chất cải thiện khác. Các chất phụ gia này được sử dụng để ngăn ngừa hiện tượng hóa nâu sớm và hư hỏng, cải thiện chất lượng rượu vang, khắc phục các khiếm khuyết hoặc hỗ trợ quá trình lên men. Nhờ xử lý bằng siêu âm, các chất phụ gia này có thể được phân tán rất đồng đều trong rượu vang, giúp đạt kết quả xử lý tốt hơn. Điều này cuối cùng mang lại chất lượng cao hơn và hương vị ngon hơn – mục tiêu mà mọi người làm rượu vang đều nỗ lực hướng tới.

Chiết xuất các hợp chất hoạt tính bằng siêu âm

Rượu vang chứa nhiều loại hợp chất hoạt tính có lợi cho sức khỏe như tannin, các hợp chất phenolic, flavonoid và những hợp chất khác, vốn là những thành phần có giá trị được sử dụng trong ngành dược phẩm, thực phẩm và mỹ phẩm.
Đọc thêm về việc chiết xuất các hợp chất thực vật như polyphenol, anthocyanidin, proanthocyanidin và các hợp chất có hoạt tính sinh học khác từ nho và các phụ phẩm của nho!

Thông tin bổ sung

Ủ chín rượu gạo và rượu ngô: Trong nghiên cứu về rượu gạo và rượu ngô, Chang và cộng sự (2002) nhận thấy rằng tác động của xử lý siêu âm đối với quá trình ủ chín rượu phụ thuộc vào loại rượu. Theo đó, xét về giá trị pH, hàm lượng cồn, acetaldehyde, hương vị và các đặc tính cảm quan, việc ủ chín rượu gạo bằng siêu âm cho kết quả tốt hơn đáng kể so với việc ủ chín rượu ngô có hỗ trợ siêu âm. Đối với cả rượu gạo và rượu ngô, thời gian ủ chín đều được rút ngắn đáng kể (từ 1 năm xuống còn 1 tuần hoặc 3 ngày).

Các thiết bị siêu âm công nghiệp với các buồng phản ứng dòng chảy liên tục để xử lý siêu âm rượu vang và nước ép.

Các thiết bị xử lý siêu âm của Hielscher

Hielscher là nhà cung cấp hàng đầu các thiết bị siêu âm chất lượng cao và hiệu suất cao. Các thiết bị siêu âm do Hielscher sản xuất được sử dụng cho mẫu phòng thí nghiệm, xử lý ở quy mô thí điểm hoặc sản xuất ở quy mô toàn diện trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và nghiên cứu. Để đạt hiệu suất hoàn hảo và phù hợp với từng quy trình, Hielscher cung cấp nhiều loại thiết bị siêu âm để xử lý mọi thể tích chất lỏng, từ vài microlít đến hàng trăm mét khối mỗi giờ. Có thể dễ dàng kiểm tra hiệu quả xử lý của các thiết bị siêu âm ở quy mô nhỏ hơn. Thông thường, UIP1000hd (1kW) được sử dụng để phát triển quy trình với lưu lượng từ 0,5L đến 1000L mỗi giờ. Ở quy mô này, có thể tối ưu hóa hiệu quả xử lý bằng cách thay đổi biên độ, áp suất và lưu lượng. Việc lắp đặt hoặc bổ sung hệ thống siêu âm vào dây chuyền sản xuất, cũng như vận hành và bảo trì, đều đơn giản và dễ dàng.

Siêu âm trong chất lỏng

Siêu âm công suất cao tạo ra hiện tượng xâm thực trong chất lỏng. Trong quá trình các bọt khí xâm thực sụp đổ, những lực cực lớn xuất hiện cục bộ: tại “điểm nóng” xâm thực, nhiệt độ rất cao (khoảng 5.000K) và áp suất rất cao (khoảng 2.000atm) được hình thành. Sự sụp đổ của bọt khí xâm thực còn tạo ra các tia chất lỏng có vận tốc lên đến 280m/s. Khi các lực mạnh này tác động vào chất lỏng, chúng gây ra nhiều hiệu ứng khác nhau. Trong chất lỏng chứa cồn, xử lý siêu âm đẩy nhanh quá trình oxy hóa, trùng hợp và ngưng tụ của cồn, aldehyde, ester và olefin để hình thành các hợp chất mới, tạo nên hương vị và hương thơm phong phú hơn và tốt hơn.
Trong số các ứng dụng siêu âm đáng chú ý nhất trong sản xuất rượu vang, đặc biệt cần kể đến chiết xuất có hỗ trợ siêu âm, kết tụ và phân tán . Những tác động này khiến xử lý siêu âm trở thành một phương pháp xử lý hiệu quả đối với rượu vang và các loại đồ uống khác.
Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi: