Механизмы брожений вин

Механизм и химизм спиртового брожения

Механизм спиртового брожения представлен на рисунке 11.

В современной схеме спиртового брожения насчитывается 13 превращений гексоз под действием ферментов дрожжей. Кроме этого, в зависимости от углеводного состава среды возможны три подготовительные стадии.

В подготовительной стадии брожения (в образовании моносахаров из ди- и трисахаридов) участвуют следующие ферменты:

α-глюкозидаза (мальтаза) __ гидролизует мальтозу до двух молекул глюкозы;

β-фруктофуранозидаза (инвертаза) __ осуществляет гидролиз сахарозы до глюкозы и фруктозы;

мальтотриаза отвечает за гидролиз мальтотриозы до мальтозы и глюкозы.

Рисунок 11- Схема спиртового брожения

В упрощенном виде можно выделить три этапа спиртового брожения

Первый этап __ фосфорилирование и распад гексоз. Включает шесть реакций, которые в сумме сводятся к следующей:

АТФ→ АДФ

С₆Н₁₂О₆ + 2Н₃РО₄ 2С₃Н₅О₃(Н₂РО₃) + 2Н₂О

В результате образуются две триозы: фосфодиоксиацетон (96,5 %) и 3-фосфоглицериновый альдегид (3,5 %). Полученные соединения могут превращаться друг в друга в результате реакции изомеризации.

На первом этапе имеются затраты энергия, так как происходит синтез новых веществ.

Второй этап __ образование пировиноградной кислоты. Включает пять реакций. Из двух образовавшихся на предыдущей стадии триоз участвует 3-фосфоглицериновый альдегид С₃Н₅О₃(Н₂РО₃).

С₃Н₅О₃(Н₂РО₃) + [О] СН₃СОСООН + Н₃РО₄

Пировиноградная кислота СН₃СОСООН __ важнейшее промежуточное соединение, которое в зависимости от условий процесса может превращаться в разные продукты. На втором этапе происходит выделение энергии, запасающейся в виде АТФ и необходимой клеткам дрожжей для осуществления и поддержания своей жизнедеятельности.

Третий этап __ образование этилового спирта. Включает две реакции.

Сначала происходит декарбоксилирование пировиноградной кислоты при участии фермента пируватдекарбоксилазы с образованием уксусного альдегида и выделением диоксида углерода.

СН₃СОСООН СН₃СОН + СО₂

Затем уксусный альдегид восстанавливается в этиловый спирт под действием фермента алкогольдегидрогеназы.

СН₃СОН СН₃СН₂ОН

Таким образом, в общем виде превращение сахаров в этиловый спирт можно представить схемой:

Сахар → фосфорные эфиры гексоз → фосфотриозы → фосфоглицериновая кислота → пировиноградная кислота → уксусный альдегид + диоксид углерода → этиловый спирт

Если в клетках микроорганизмов отсутствует фермент пируватдекарбоксилаза, то пировиноградная кислота восстанавливается при участии фермента лактатдегидрогеназы в молочную кислоту СН₃СНОНСООН. Данный процесс называется гликолизом.

Процессы брожения и дыхания взаимосвязаны. Костычевым С.П. была предложена схема, изображающая эту связь.

Дрожжи — незаменимые помощники винодела

Если задуматься, то именно дрожжи создают вино, дарят ему вкус, запускают все механизмы брожения и доводят виноградный сок до нужной «кондиции». Можно сказать, что выбор дрожжей определяет и характеристики готового вина, ведь наряду с различными сортами винограда, существует и множество рас дрожжей со своими особенностями. Сегодня мы решили немного подробнее поговорить о том, как именно рождается вино, и какую роль в этом играют дрожжи.

Французский химик Луи Пастер был первым, кто полностью и очень точно описал процесс спиртового брожения. Хотя вино делали задолго до Пастера и задолго до него знали, что именно сахар преобразуется в спирт, о том, что для этого необходима также активность дрожжей, не было известно. А вот открытие дрожжей как возбудителей брожения, разумеется, произошло благодаря изобретению такого прибора, как микроскоп.

Благодаря микроскопу, знаниям и усидчивости Луи Пастер разгадал эту загадку и показал миру винные дрожжи, которым мы до сих пор говорим спасибо за потрясающие вина.

Во время брожения дрожжи размножаются очень быстро. Так, на кубический сантиметр сусла в высшей точке брожения приходится от 80 до 120 млн дрожжевых клеток. Дрожжи активно размножаются, преобразовывая сахар. Как только питательная сахарная среда заканчивается, дрожжи умирают и оседают на дне емкости. При производстве сухих вин сахар должен выбродить практически полностью. В сухих винах «Лефкадии», например, содержится менее 3 граммов сахара, а вот процент алкоголя составляет от 12,5% до 14,8%.

Спиртовое брожение можно разделить на три этапа: забраживание (дрожжи приспосабливаются к условиям среды), бурное брожение (заняли весь объем сусла и перешли на анаэробный способ питания), тихое брожение (основной сахар переработан в спирт, дрожжи начинают умирать).

Несмотря на то, что процесс кажется простым и естественным, на пути к получению идеального и высококачественного вина множество проблем. Например, часто дрожжи погибают прежде, чем завершат процесс переработки сахара.

Деятельность дрожжей зависит от определенных условий. При высокой температуре дрожжи размножаются быстро и вызывают слишком бурное брожение. Низкие температуры делают дрожжи более вялыми и приводят к медленному брожению. При температуре ниже +10 градусов брожение останавливается, а при температуре от +10 до +27 скорость брожения увеличивается прямо пропорционально, то есть, чем теплее — тем быстрее.

Как проходит брожение на винодельне «Лефкадии»? Например, при ферментации для белого вина важен более тщательный контроль за температурой, чем при производстве красных вин, и требуется периодическое охлаждение сусла. Для успешной работы винных дрожжей в белом вине необходимо поддерживать температуру в 20 градусов Цельсия. Именно поэтому мы подбираем такое высокотехнологичное оборудование для винодельни «Лефкадия», с ним можно точно контролировать температуру, а значит — и работу дрожжей.

Когда запущен процесс брожения, дрожжи стремительно размножаются. Представьте, на винограднике ягоды, дающие после один кубический сантиметр сока, покрыты примерно 120 тысячами дрожжевых клеток. Когда из них отжали сок, количество этих клеток увеличилось до 260 000. А в наивысшей точке брожения клетки размножаются настолько активно, что в каждом кубическом сантиметре сусла их может быть от 80 до 120 миллионов.

Расы и особенности

Отбросим пивные или хлебные дрожжи, перейдем сразу к тем, которые подходят именно для виноделия. Научное название винных дрожжей — Saccharomyces ellipsoideus (или Saccharomyces cerevisiae). Но каждый вид дрожжей состоит из множества рас. Каждая раса по-разному реагирует на присутствующие в виноградном сусле вещества и влияет на вино по-своему, как почва или расположение виноградника.

Существуют дрожжи, которые «не любят» высокое содержание спирта и прекращают свою работу при достижении его показателя в пять процентов. Другие могут производить слишком много сероводорода, передавая вину «козлиный тон» и посторонние запахи. А вот специальные дрожжи шампанского, отмирая они образуют большие хлопья. Есть и специальные ароматизирующие дрожжи для молодых белых вин, а также дрожжи, выведенные исключительно для сорта Совиньон Блан, чтобы добиваться желаемых характеристик готового вина.

Откуда берут дрожжи?

Сейчас все дрожжи можно разделить на две большие категории:

• дрожжи, созданные в лабораторных условиях;

• дрожжи, найденные в живой природе.

Поскольку дрожжи встречаются почти везде, где растет виноград, то почти в каждой местности, а иногда и в каждом винограднике, есть свои естественные культуры дрожжей. Есть даже версия, что понятие «терруар» в большей степени зависит именно от этих клеток и их особенностей.

Но не думайте, что «лабораторные дрожжи» — это что-то искусственное! Это просто более стабильные и проверенные варианты. Можно сказать, что это дикие дрожжи, которых приручили. Ведь выведенные в лабораторных условиях дрожжи — это натуральные дрожжи, просто полученные путем селекции. Их размножают и продают в сухом виде.

Споры вокруг дрожжей

Некоторые виноделы считают, что натуральное вино — это вино, сделанное из винограда, выращенного с минимально возможным количеством химических обработок. По мнению других, натуральным может считаться только такое вино, весь процесс производства которого проходил только «самотеком», под действием обычной земной гравитации, без принудительных перекачек. Так мы делаем в «Долине Лефкадия». Некоторым мало и этого, нужны еще только натуральные, «дикие» дрожжи.

При использовании чистой дрожжевой культуры, специально подобранной в лаборатории, ферментация идет заранее известным путем, и вино получается таким, каким его задумывал винодел. С дикими дрожжами все не так просто. Это — азартная игра. Использование «дикой» дрожжевой флоры требует строгого контроля за составом работающих дрожжей, навыков управления процессами размножения разных рас при помощи изменения внешних условий, наличия технологических возможностей для оперативного вмешательства в процесс.

Спиртовое брожение

Биохимические этапы спиртового брожения.

При спиртовом брожении помимо основных продуктов — спир­та и СО₂, из сахаров возникает множество других, так называе­мых вторичных продуктов брожения. Из 100 г С₆Н₁₂О₆ образует­ся 48,4 г этилового спирта, 46,6 г диоксида углерода, 3,3 г глице­рина, 0,5 г янтарной кислоты и 1,2 г смеси молочной кислоты, ацетальдегида, ацетоина и других органических соединений.

Наряду с этим дрожжевые клетки в период размножения и логарифмического роста потребляют из виноградного сусла ами­нокислоты, необходимые для построения собственных белков. При этом образуются побочные продукты брожения, главным об­разом высшие спирты.

В современной схеме спиртового брожения насчитывается 10—12 фаз биохимических превращений гексоз под действием комплекса ферментов дрожжей. В упрощенном виде можно вы­делить три этапа спиртового брожения.

I этап — фосфорилирование и распад гексоз. На этом этапе протекает несколько реакций, в результате которых гексоза пре­вращается в триозофосфат:

Фосфогексокиназа, изомериаза, альдолаза

Главную роль в передаче энергии в биохимических реакциях играют АТФ (аденозинтрифосфат) и АДФ (аденозиндифосфат). Они входят в состав ферментов, аккумулируют большое коли­чество энергии, необходимой для осуществления жизненных про­цессов, и представляют собой аденозин — составную часть ну­клеиновых кислот — с остатками фосфорной кислоты. Вначале образуется адениловая кислота (монофосфат аденозина, или аденозинмонофосфат — АМФ):

Если обозначить аденозин буквой А, то строение АТФ может быть представлено в следующем виде:

обозначены так называемые макроэргические фосфатные связи, чрезвычайно богатые энергией, которая выде­ляется при отщеплении остатков фосфорной кислоты. Передача энергии с АТФ на АДФ может быть представлена следующей схе­мой:

Выделяющаяся энергия используется дрожжевыми клетками для обеспечения жизненных функций, в частности их размноже­ния. Первым актом выделения энергии и является образование фосфорных эфиров гексоз — фосфорилирование их. Присоедине­ние к гексозам остатка фосфорной кислоты от АТФ происходит под действием фермента фосфогексокиназы, поставляемого дрожжами (молекулу фосфата обозначим буквой Р):

Глюкоза Глюкозо-6-фосфат фруктозо-1,6-фосфат

Как видно из приведенной схемы, фосфорилирование проис­ходит дважды, причем фосфорный эфир глюкозы под действием фермента изомеразы обратимо превращается в фосфорный эфир фруктозы, имеющий симметричное фурановое кольцо. Симмет­ричное расположение остатков фосфорной кислоты по концам молекулы фруктозы облегчает ее последующий разрыв как раз в середине. Распад гексозы на две триозы катализирует фермент альдолаза; в результате распада образуется неравновесная смесь 3-фосфоглицеринового альдегида и фосфодиоксиацетона:

Фосфоглицери-новый альдегид (3,5 %) Фосфодиокси-ацетон (96,5 %)

В дальнейших реакциях участвует только 3-фосфоглицерино­вый альдегид, содержание которого постоянно пополняется под действием фермента изомеразы на молекулы фосфодиоксиацетона.

ІІ этап спиртового брожения — образование пировиноградной кислоты. На втором этапе триозофосфат в виде 3-фосфоглицеринового альдегида под действием окислительного фермента дегидрогеназы окисляется в фосфоглицериновую кислоту, а она при участии соответствую­щих ферментов (фосфоглицеромутазы и энолазы) и системы ЛДФ — АТФ превращается в пировиноградную кислоту:

Дигедрогеназа, фосфотрансфераза, фосфоглицеромутаза, энолаза

Вначале каждая молекула 3-фосфоглицеринового альдегида присоединяет к себе еще один остаток фосфорной кислоты (за счет молекулы неорганического фосфора) и образуется 1,3-дифосфоглицериновый альдегид. Затем в анаэробных условиях про­исходит его окисление в 1,3-дифосфоглицериновую кислоту:

Активной группой дегидрогеназы является кофермент сложного органического строения НАД (никотинамидадениндинуклеотид), фиксирующий своим никотинамидным ядром два атома водорода:

НАД+ + 2Н+ + НАД • Н2

НАД окисленный НАД восстановленный

Окисляя субстрат, кофермент НАД становится обладателем свободных ионов водорода, что придает ему высокий восстано­вительный потенциал. Поэтому бродящее сусло всегда характеризуется высокой восстанавливающей способностью, что имеет большое практическое значение в виноделии: понижается рН среды, восстанавливаются временно окисленные вещества, погибают патогенные микроорганизмы.

В заключительной фазе II этапа спиртового брожения фермент фосфотрансфераза дважды катализирует перенос остатка фосфорной кислоты, а фосфоглицеромутаза перемещает его от 3-го угле­родного атома ко 2-му, открывая возможность ферменту энолазе образовать пировиноградную кислоту:

1,3-Дифосоглицериновая кислота 2-Фосфогглицериновая кислота Пировиноградная кислота

В связи с тем что из одной молекулы дважды фосфорилированной гексозы (израсходовано 2 АТФ) получаются две молеку­лы дважды фосфорилированных триоз (образовано 4 АТФ), чи­стым энергетическим балансом ферментативного распада саха­ров является образование 2 АТФ. Эта энергия обеспечивает жиз­ненные функции дрожжей и вызывает повышение температуры бродящей среды.

Все реакции, предшествующие образованию пировиноградной кислоты, присущи как анаэробному сбраживанию сахаров, так и дыханию простейших организмов и растений. III этап име­ет отношение только к спиртовому брожению.

III этап спиртового брожения — образование этилового спирта. На заключитель­ном этапе спиртового брожения пировиноградная кислота под действием фермента декарбоксилазы декарбоксилируется с об­разованием ацетальдегида и диоксида углерода, а с участием фермента алкогольдегидрогеназы и кофермента НАД-Н2 проис­ходит восстановление ацетальдегида в этиловый спирт:

Пировиноградная кислота Ацетилальдегид Этиловый спирт

Если в бродящем сусле есть избыток свободной сернистой кислоты, то часть ацетальдегида связывается в альдегидсернистое соединение: в каждом литре сусла 100 мг Н2SO3 связывают 66 мг СН3СОН.

Впоследствии при наличии кислорода это нестойкое соедине­ние распадается, и в виноматериале обнаруживают свободный ацетальдегид, что особенно нежелательно для шампанских и сто­ловых виноматериалов.

В сжатом виде анаэробное превращение гексозы в этиловый спирт может быть представлено следующей схемой:

Схема спиртового брожения.

Как видно из схемы спиртового брожения, сперва образуются фосфорные эфиры гексоз. При этом молекулы глюкозы и фруктозы под действием фермента гексокеназы присоединяют остаток фосфорной кислоты от аденозиттрифосфата (АТФ), при этом образуется глюкоза-6-фосфат и аденозитдифосфат (АДФ).

Глюкоза-6-фосфат под действием фермента изомеразы превращается в фруктозу-6-фосфат, присоединяющий еще один остаток фосфорной кислоты из АТФ и образующий фруктозу-1,6-дифосфат. Эта реакция катализируется фосфофруктокиназой. Образованием этого химического соединения заканчивается первая подготовительная стадия анаэробного распада сахаров.

В результате этих реакций молекула сахара переходит в оксиформу, приобретает большую лабильность и становится более способной к ферментативным преобразованиям.

Под влиянием фермента альдолазы фруктоза-1, 6-дифосфат расщепляется на глицеринальдегидофосфорную и диоксиацетонофосфорную кислоты, способные превращаться одна в одну под действием фермента триозофосфатизомеразы. Дальнейшему преобразованию подвергается фосфоглицериновый альдегид, которого образуется приблизительно 3 % по сравнению с 97 % фосфодиоксиацетона. Фосфодиоксиацетон, по мере использования фосфоглицеринового альдегида, превращается под действием изомеразы фосфотриоз в 3-фосфоглицериновый альдегид.

На второй стадии 3-фосфоглицериновый альдегид присоединяет еще один остаток фосфорной кислоты (за счет неорганического фосфора) с образованием 1, 3-дифосфоглицеринового альдегида, который дегидруется под действием триозофосфатдегидрогеназы и дает 1, 3-дифосфоглицериновую кислоту. Водород, в этом случае, переносится на окисленную форму кофермента НАД. 1, 3-дифосфоглицериновая кислота, отдавая АДФ (под действием фермента фосфоглицераткеназы) один остаток фосфорной кислоты, превращается в 3-фосфоглицериновую кислоту, которая под действием фермента фосфоглицеромутазы превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту. Последняя, под действием фосфопируватгидротазы, превращается в фосфоэнолпировиноградную кислоту. Дальше, при участии фермента пируваткеназы, фосфоэнолпировиноградная кислота передает остаток фосфорной кислоты молекуле АДФ, в результате чего образуется молекула АТФ и молекула энолпировиноградной кислоты переходит в пировиноградную кислоту.

Третья стадия спиртового брожения характеризуется расщеплением пировиноградной кислоты под действием фермента пируватдекарбоксилазы на диоксид углерода и уксусный альдегид, который под действием фермента алкогольдегидрогеназы (коферментом ее является НАД) восстанавливается в этиловый спирт.

Суммарное уравнение спиртового брожения может быть представлено так:

С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АДФ → 2С2Н5ОН + 2СО2 + 2АТФ + 2Н2О

Таким образом, при брожении происходит преобразование одной молекулы глюкозы в две молекулы этанола и две молекулы диоксида углерода.

Но указанный ход брожения не единственный. Если, например, в субстрате нет фермента пируватдекарбоксилазы, то не происходит расщепление пировиноградной кислоты до уксусного альдегида и восстановлению подвергается непосредственно пировиноградная кислота, превращаясь в молочную кислоту в присутствии лактатдегидрогеназы.

В виноделии брожение глюкозы и фруктозы происходит в присутствии бисульфита натрия. Уксусный альдегид, образующийся при декарбоксилировании пировиноградной кислоты, удаляется в результате связывания бисульфитом. Место уксусного альдегида занимают диоксиацетонфосфат и 3-фосфоглицериновый альдегид, они получают водород от восстановленных химических соединений, образуя глицерофосфат, который превращается в результате дефосфорилирования в глицерин. Это вторая форма брожения по Нейбергу. По этой схеме спиртового брожения происходит накопление глицерина и уксусного альдегида в виде бисульфитной производной.

Вещества, образующиеся при брожении.

В настоящее время в продуктах брожения найдено около 50 высших спиртов, которые обладают разнообразными запаха­ми и существенно влияют на аромат и букет вина. В наиболь­ших количествах при брожении образуются изоамиловый, изобутиловый и N-пропиловый спирты. В мускатных игристых и столовых полусладких винах, получаемых путем так называемого биологического азотопонижения, в большом количестве (до 100 мг/дм3) найдены ароматические высшие спирты β-фенилэтанол (ФЭС), тирозол, терпеновый спирт фарнезол, обладающие ароматом розы, ландыша, цветов липы. Их присутствие в неболь­шом количестве желательно. Кроме того, при выдержке вина высшие спирты вступают в этерификацию с летучими кислотами и образуют сложные эфиры, придающие вину благоприятные эфирные тона зрелости букета.

Источником высших спиртов являются, прежде всего, амино­кислоты, потребляемые дрожжами при размножении на стадии логарифмического роста.

Согласно теории Ф. Эрлиха высшие спирты образуются дву­мя путями:

Источники:

http://studopedia.ru/13_56547_mehanizm-i-himizm-spirtovogo-brozheniya.html
http://lefkadia.ru/articles/drozhzhi–nezamenimye-pomoshhniki-vinodela
http://vinograd-vino.ru/protsessy-proiskhodyashchie-pri-izgotovlenii-vina/173-spirtovoe-brozhenie.html