Wein ist ein alkoholisches Getränk, das meist aus Weintrauben, aber auch aus anderen Früchten (z.B. Apfelwein, Holunderwein) oder aus stärkereichem Pflanzenmaterial (z.B. Reiswein, Maiswein) gewonnen wird. Wein ist weltweit ein beliebtes Konsumgut; die Weinherstellung ist allerdings ein aufwendiger Prozess. Um Qualitäts- und Premiumweine herzustellen, ist ein zeit- und dadurch auch äußerst kostenintensives Verfahren nötig. Daher liegt es im Interesse der Weinhersteller, die Fermentation (Umwandlung in Alkohol) und die Maturation (Entstehung der komplexen Geschmacksvielfalt) zu beschleunigen und gleichzeitig ein qualitativ hochwertiges Getränk mit den erwünschten Merkmalen hinsichtlich des Geschmacks, Bouquets, Mundgefühls und der Farbe herzustellen.

Ultraschalleintrag in Flüssigkeiten
Hochintensiver Ultraschall generiert in Flüssigkeiten Kavitation. Während der Implosion der Kavitationsblasen entstehen lokal extrem hohe Kräfte: im sogenannten Kavitations-«Hot Spot» werden sehr hohe Temperaturen (ca. 5.000K bzw. 4700°C) und Drücke (ca. 2.000bar) erreicht. Die Implosion der Kavitationsblasen erzeugt zudem Flüssigkeitsstrahlen, die Geschwindigkeiten bis zu 280m/s erreichen. Wenn diese heftigen Kräfte in Flüssigkeit eingetragen werden, verursachen sie verschiedene Effekte: In einer alkoholischen Flüssigkeit bewirkt das Beschallen mit Ultraschall eine Beschleunigung der Oxidation, der Polymerisation und der Kondensation des Alkohols, der Aldehyde, Ester und Olefine, welche sich zu neuen Verbindungen zusammenschließen und dadurch dem Wein intensiveres und verbessertes Aroma und Bouquet verleihen.
Zu den interessantesten Ultraschallanwendungen für die Weinherstellung (Vinifikation) zählen vor allem die ultraschall-gestützte Extraktion, Agglomeration und Dispersion. Mehr über die Auswirkungen dieser Ultraschallanwendungen erfahren Sie im Folgenden.

Verschiedene Effekte bei der ultraschall-gestützten Weinherstellung

Extraktion der aromatischen und phenolischen Komponenten aus Trauben
Ultraschall ist eine bekannte und erprobte Methode für die Extraktion intra-zellulären Materials und aromatischer Komponenten. Die mechanische Wirkung des Ultraschalls unterstützt das Eindringen der Lösungsmittel in das Zellgewebe. Die Partikelgrößenreduktion durch Ultraschallkavitation vergrößert die Oberfläche, welche die Kontaktstelle zwischen der festen und der flüssigen Phase bildet.

Hielscher UIP500hd (20kHz, 500W) – Der Hochleistungs-Ultraschallprozessor eignet sich für Lebensmittelanwendungen, z.B. für das Beschallen von Wein.

Weintrauben sind besonders für ihren hohen Gehalt an Polyphenolen bekannt und sind daher auch in der Nahrungsmittelindustrie und Kosmetik gefragt. Diese phenolischen Bestandteile (z.B. monomerische Flavonole, dimerische, trimerische und polymerische Procyanide ebenso wie Phenolsäuren) der Trauben sind als Antiradikale und Antioxidantien (Radikalfänger) bekannt. Chemisch können diese Stoffe in zwei Kategorien geteilt werden: die Flavonoide und die Nicht-Flavonoide. Zu den wichtigsten Flavonoiden im Wein gehören die Anthozyanine und Tannine, die dem Wein seine Farbe, seinen Geschmack und das Mundgefühl verleihen. Zu den Nicht-Flavonoiden zählen die Stilbene, wie z.B. Resveratrol, und die Säuren, wie z.B. Benzoesäure, Kaffeesäure und Zimtsäure. Die meisten dieser Phenole sind in der Schale und den Kernen der Trauben enthalten. Die hoch-intensiven Ultraschallkräfte ermöglichen es, die wertvollen Inhaltsstoffe effizient aus den Traubenkernen und der Schale zu extrahieren.

Eine Studie von Cocito et al. (1995) zeigt, dass Ultraschall ein schneller, reproduzierbarer und linearer Prozess für die Extraktion aromatischer Bestandteile in Most und Wein ist. Die erzielten Ergebnisse der Aromaten-Konzentration durch ultraschall-gestützte Extraktion waren deutlich höher als die Ergebnisse, die mittels der C18-Säulen-Extraktion (Harzextraktion) erreicht werden konnten.

Zusammenfassend kann über die Vorteile der Ultraschall-Extraktion gesagt werden, dass Ultraschall im Vergleich zu den herkömmlichen nicht-thermischen Extraktionsmethoden, wie z.B. hydrostatischer Druck (HP), komprimiertes Kohlenstoff (cCO2) und überkritisches Kohlenstoffdioxid (ScCO2) und pulsierende, hochenergetische elektrische Felder (HELP), eine kostengünstige, einfache und effiziente Alternative darstellt. Ein weiterer Vorteil ist die Tatsache, dass die Ultraschall-Extraktion – im Gegensatz zu den oben genannten Prozessmethoden – einfach im Labor oder im Technikums-Maßstab getestet werden kann. Diese Versuche bringen reproduzierbare Ergebnisse, so dass – wenn die optimale Prozess-Konstellation einmal gefunden wurde - ein folgendes Scale-up linear erfolgt und keine weiteren Anstrengungen erfordert, um die optimale Einstellung zu finden.

Ultraschall-gestützte Extraktion für die Barrique-Note des Weins
Während der Reifung kommt der Wein entweder mit dem Holz des Fasses (Fass- oder Barrique-Reifung = traditioneller Oaking-Prozess) oder mit zugesetzten Holzchips oder Holzspäne in Berührung (alternativer Oaking-Prozess). Eichenholz ist die am meisten genutzte Holzart für das Oaking. Andere Holzarten, wie z.B. Kastanie, Pinie, Redwood, Kirsche oder Akazie werden nur sehr selten verwendet. Die chemischen Eigenschaften des Holzes werden dazu genutzt, um den Wein in seinem Geschmack und Bouquet maßgeblich zu beeinflussen. Die in Eichenholz enthaltenen Phenole reagieren mit den während der Reifung entstehenden Weingeschmacksnoten, z.B. Vanille, Karamell, Sahne, Würzigkeit oder Erde. Eine sehr wichtige Rolle spielen die Ellagitannine (hydrolysierbares Tannin), welche in der Ligninstruktur des Holzes vorkommen, denn die Ellagitannine schützen den Wein gegen Oxidation und Reduktion.

Während des Oakings unterstützt Ultraschall den Extraktionsvorgang, da durch die ultraschall-generierten Hoch- und Niederdruck-Zyklen die Flüssigkeit besser in die Holzstruktur eindringt. Dadurch wird der Massetransfer deutlich erhöht, was wiederum in kürzeren Oaking-Zeiten und höheren Ergebnissen des Geschmackes resultiert. Werden dem Wein Eichenspäne bzw. Eichenpulver oder Holzgeschmack-Destillate (alternatives Oaking) zugesetzt, so sorgen die Kavitationskräfte des Ultraschalls für eine sehr feine Dispersion der Partikel oder Tröpfchen im Wein. Die gleichmäßige Partikel- bzw. Tropfenverteilung ist sehr wichtig, um einen qualitativ hochwertigen Geschmack und ein angenehmes Mundgefühl zu erzeugen; folglich trägt die Partikel- bzw. Tropfenverteilung wesentlich zur Güte des Weines bei. Die Tatsache, dass die Fasslagerung und die Reifung ein großer Zeit- und Kostenfaktor in der Weinherstellung sind, macht Ultraschall zu einer außerordentlich interessanten Prozessmethode, da Hielscher Ultraschallprozessoren durch geringe Investitionskosten, einfache Implementierung und eine herausragende Energieeffizienz überzeugen.

Ultraschall-gestützte Agglomeration während der Weinalterung
Während des traditionellen zeit-intensiven Weinalterungsprozesses treten Reaktionen der verschiedenen Moleküle im Wein auf. Das heißt, dass sich die Moleküle entsprechend ihrer Reaktionen untereinander verändern. Dauer und Ergebnis dieser molekularen Veränderungen hängen von den Inhaltsstoffen des Weines und dessen Umgebung ab. Es ist ein gängiges Verfahren, Alkohol in alkoholhaltige Getränke zu mischen; dies bedeutet allerdings nicht, dass dabei eine Durchmischung der Moleküle erreicht wird. Da in Wein von Natur aus nur eine geringe chemische Reaktionsenergie, z.B. für chemische Verbindungen, vorhanden ist, bleiben die natürlichen chemischen Reaktionen weitgehend unvollständig. Obwohl die Inhaltsstoffe dazu neigen, einander zu beeinflussen, sich aneinander anzulagern und ihre molekularen Eigenschaften zu verändern, so kann eine vollständige Interaktion, Umwandlung oder Verbindung auf molekularer Ebene aufgrund der geringen vorhandenen Energie nicht vollzogen werden.

Wird Wein beschallt (was einen Energieeintrag in die Flüssigkeit bedeutet), so weisen die Inhaltsstoffe einen beständigeren und gleichmäßigeren Dispersionsgrad auf. Durch das Beschallen wird der Wein zu einer homogenen Flüssigkeit mit einer besseren Lagerfähigkeit. Dieser Effekt wird schon nach nur kurzer Beschallungszeit erreicht. Die Homogenität erlaubt eine höhere Interaktion zwischen den Molekülen und damit auch ein vollständigere molekulare Veränderung. Dies bedeutet wiederum eine Verbesserung in Geschmack und Qualität.

Dispersion
Vor dem Abfüllen in Flaschen werden die meisten Weine mit Zusatzstoffen, beispielsweise mit Konservierungsmitteln (z.B. Kaliumbisulfat, Natriumbisulfat), Cleansern, Farbzusätzen, Klärmitteln und anderen Zusätzen, die die Weinqualität verbessern, behandelt. Diese Zusatzstoffe werden unter anderem genutzt, um frühzeitiger Bräunung und frühzeitigem Verderben vorzubeugen, um die Weinqualität zu verbessern, um Mängel im Wein zu beheben oder den Fermentationsprozess zu unterstützen. Diese Maßnahmen führen zu höherwertiger Qualität und besserem Geschmack – dies sind schließlich die Bestrebungen eines jeden Winzers.

Exkurs – Der Alterungsprozess von Reiswein und Maiswein
Chang et. al. (2002) haben in ihrer Studie zu Reis- und Maiswein herausgefunden, dass bei der Beschallung von Wein die erzielten Alterungseffekte abhängig vom Weintypus sind. So war die ultraschall-gestützte Weinalterung von Reiswein hinsichtlich des pH-Wertes, des Alkoholgehaltes, der Acetaldehyde, der geschmacklichen und sensorischen qualitativ besser als die ultraschall-gestützte Alterung bei Maiswein. Für beide Arten von Wein, Reiswein wie auch Maiswein, wurde jedoch die Dauer des Alterungsprozesses bedeutend reduziert (von 1 Jahr auf 1 Woche oder sogar nur 3 Tage).

Hielscher’s Ultraschallprozessoren
Hielscher ist Marktführer hinsichtlich der Entwicklung, Produktion und des weltweiten Vertriebes erstklassiger Hochleistungs-Ultraschallgeräte. Ultraschallprozessoren aus dem Hause Hielscher werden im Labor, im Technikums-Maßstab und in der industriellen Produktion für zahlreiche Applikationen eingesetzt. Um die optimale Leistung und Anpassung an den Prozess zu gewähren, bietet Hielscher eine breite Produktpalette an Ultraschallgeräten für die Beschallung jeglicher Volumina – von einigen Millilitern bis hin zu mehreren hundert Kubikmetern pro Stunde. Die Ultraschallgeräte können einfach und problemlos im kleinen Maßstab auf ihrer Prozesseffizienz getestet werden. Normalerweise wird der UIP1000hd (1kW) für die Prozessentwicklung mit Durchflussraten zwischen 0,5l und 1000l pro Stunde genutzt. Im Technikums-Maßstab kann die Prozesseffizienz durch das Variieren der Amplitude, des Druckes, der Temperatur und der Durchflussrate optimiert werden. Sowohl die Installation oder das Nachrüsten eines Ultraschallsystems in eine Produktionslinie als auch die Inbetriebnahme bzw. Bedienung und Unterhaltung sind einfach und problemlos.

Literatur

• Chang, Audrey Chingzu; et al. (2002): The application of 20kHz ultrasonic waves to accelerate the aging of different wines.
• Cocito, C.; et al. (1995): Rapid extraction of aroma compounds in must and wine by means of ultrasound.
• Ghafoor, Kashif; et al. (2009): Optimization of an extraction method of aroma compounds in white wine using ultrasound.
• Hernanz Vila, Dolores; et al. (1999): Optimization of an extraction method of aroma compounds in white wine using ultrasound.
• Jiranek, Vladimir et al. (2007): High power ultrasonics as a novel tool offering new opportunities for managing wine microbiology.
• Vilkhu, Kamaljit; et al. (2006): Applications and opportunities for ultrasound assisted extraction in the food industry ― A review.

Autorin
Kathrin Hielscher
Marketing Manager
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