Потребление кислорода виноградными суслами и винами – Превращения в винограде

Углеводы винограда, их образование и превращения

Углеводы являются важной составной частью всех растений. Они образуются в зеленых растениях в результате процесса фотосинтеза из углекислого газа и воды под действием световой энергии. При этом углерод из неорганической формы переходит в органическую.

По современным представлениям фотосинтез представляет собой цепь окислительно-восстановительных реакций. Суммарное уравнение фотосинтеза имеет вид

Механизм этого процесса следующий: при фотосинтезе происходит разложение воды, и образующийся при этом водород идет на восстановление углекислого газа. гриб виноград углевод масло

В процессе фотосинтеза происходит превращение кинетической лучистой энергии солнца в потенциальную химическую энергию, которая аккумулируется сложными органическими веществами.

Фотосинтез имеет огромное биологическое значение: благодаря ему ежегодно связывается около (15ч20)*10 10 т углерода и выделяется в атмосферу 4*10 11 т кислорода.

Фотосинтез имеет место в хлорпластах – клеточных органоидах, главной составной частью которых является хлорофилл.

Главными продуктами фотосинтеза являются углеводы (гексозы). Они образуются в листьях виноградного куста, откуда транспортируются в ягоды.

Основными углеводами виноградной ягоды являютсямоносахариды (монозы) состава С₆Н₁₂О₆ – глюкоза и фруктоза. Это кристаллические вещества с молекулярной массой 180, хорошо растворимые в воде и спирте. Плоскость поляризации глюкоза вращает вправо, а фруктоза влево. Оба сахара хорошо сбраживаются дрожжами.

Фруктоза примерно вдвое слаще глюкозы, поэтому соотношение этих сахаров в сусле и вине имеет практическое значение при производстве сладких вин. Найдено, что отношение фруктоза/глюкоза зависит от степени зрелости винограда. В начале созревания оно может быть равно 0,5-0,8, к моменту зрелости – около 1, а в перезрелом винограде – 1,2-1,3. Это отношение зависит и от сорта винограда.

Пентозы – сахара состава C₅H₁₀О₅. Содержатся в соке винограда в небольших количествах (до 1 г/л). Пентозы не сбраживаются дрожжами и без изменения переходят из сусла в вино. Они восстанавливают фелингову жидкость (это надо учитывать при анализе сухих вин). В красных винах пентоз обычно вдвое больше, чем в белых, так как они переходят в сусло при гидролизе пентозанов твердых частей грозди.

Из полисахаридов первого порядка практическое значение имеет дисахарид сахароза (С₁₂Н₂₂О₁₁). Она содержится не во всех сортах и сравнительно в небольших количествах. Хорошо растворима в воде и спирте. Под действием фермента в-фруктофуранозидазы (инвертазы) пли при нагревании с кислотами (в точном соответствии с концентрацией в растворе водородных ионов) сахароза превращается в инвертный сахар, т. е. в смесь равных количеств глюкозы и фруктозы.

При температуре 180°С сахароза плавится, а при более высокой температуре дает так называемый колер – смесь продуктов коричневого цвета, применяемую для подкрашивания коньяков.

Кроме сахарозы в винограде содержатся в небольших количествах и другие полисахариды первого порядка: мелибиоза, мальтоза, рафиноза.

Из полисахаридов второго порядка, содержащихся в винограде, практическое значение имеют пентозаны, пектиновые вещества, камеди, декстраны и целлюлоза (клетчатка).

Пентозаны (C₅H₈О₄)_n содержатся в твердых частях виноградной грозди, в основном в семенах (4,0-4,5% от всей массы), гребнях (1,0-2,8%), кожице (1,0-1,6%). В соке ягод практически их нет. В ягоде в целом их содержится 0,4-0,5% и при настаивании на мезге и брожении в вино переходит до 2 г/л.

Целлюлоза (С₆Н₁₀О₅)_n является основой твердых частей ягоды. Состоит из большого числа (до 10000) остатков глюкозы. В воде нерастворима.

Пентозаны, лигнин и клетчатка, а также гемицеллюлоза составляют основу твердых частей виноградной грозди. От их количества зависит такая важная для виноделия величина, как выход сусла с тонны винограда.

К группе пектиновых веществ относятся высокомолекулярные полиозы (полисахариды второго порядка), имеющие в основе полигалактуроновую кислоту, соединенную с сахарами (пентозами), некоторыми металлами и метоксильными группами. Они имеют большую молекулярную массу и обладают ясно выраженными коллоидными свойствами.

При созревании винограда нерастворимый протопектин переходит в растворимый пектин, чем и обусловлено в основном размягчение ягод. Пектин мало растворим в спирте, поэтому при брожении, а особенно при спиртовании сусел, он частично выпадает в осадок.

При спиртовом брожении происходит отщепление от пектина метоксильных групп, образующих метиловый спирт. Поэтому содержание последнего прямо пропорционально времени контакта сусла с мезгой при брожении. Еще больше метилового спирта в выжимочном спирте. Пектин дает нерастворимые соединения с кальцием, что используется при его количественном определении.

Пектиновая кислота представляет собой высокомолекулярную полигалактуроновую кислоту, частично (на 40-80%) этерифицированную метиловым спиртом. В состав ее входят около 200 остатков галактуроновой кислоты. Сама пектиновая кислота в воде растворима слабо, но ее щелочные соли растворимы хорошо.

В составе пектовой кислоты найдены пектиновые кислоты, обладающие коллоидными свойствами, свободные от метоксильных групп. Пектовая кислота содержит около 100 остатков галактуроновой кислоты.

В винограде и винах содержатся все группы пектиновых веществ. В сусле растворимый пектин составляет примерно 50 %, пектиновая кислота 30%, пектовая кислота – 20%.

Из других полисахаридов винограда практическое значение могут иметь камеди (в сусле 0,3-0,4 г/л), обладающие хорошо выраженными свойствами защитных коллоидов.

Декстраны – высокомолекулярные полимеры глюкозы с молекулярной массой около 1 млн. и более. Обладают свойствами защитных коллоидов. Оказывают влияние на полноту и мягкость вкуса вин. Особенно много декстранов в винах, приготовленных из винограда, пораженного Botrytis cinerea.

ОВ-процессы в сусле и вине

Окислительно-восстановительные процессы, протекающие в винах

Окислительно-восстановительные процессы, протекающие в винах, обусловлены поглощением кислорода воздуха при технологических операциях (переливка, фильтрация). Растворимость кислорода в вине зависит от температуры, спиртуозности, содержание экстрактивных веществ. При повышении температуры и экстрактивности растворимость кислорода понижается, а при увеличении концентрации спирта – увеличивается. Максимальная растворимость кислорода в вине может колебаться в пределах 8-10 мг/дм3. Часть кислорода связывается необратимо с компонентами вина в виде перекисных соединений. Содержание «перекисного кислорода» в вине может достигать 3 мг/дм3.

Окисление и восстановление взаимосвязаны между собой. По современным представлениям в этих процессах происходит потеря и приобретения электронов. Вещество окисляется, когда оно теряет электрон или приобретает положительный заряд.

При этом может быть 4 типа реакций:

1. Реакция присоединения кислорода

Где

(потеря двух элементов)

2. Дегидрирование, то есть потеря водорода

3. Дегидрирование с предварительной гидратацией

4. Реакция, в которой не участвуют кислород или водород. Здесь происходит потеря электрона, в результате чего увеличивается валентность

Если реакция идёт в обратном направлении, то есть получением отрицательного заряда или электрона, отдачей кислорода, присоединением водорода или же уменьшением валентности, то этот процесс называется восстановлением:

Оба процесса являются сопряженными: одно вещество восстанавливается, другое – окисляется. Это основное превращение веществ имеет место в винограде, в сусле, в вине.

По мнению ряда ученых, эти процессы являются основными в формировании и вкуса, и букета выдержанных вин. Вместе с тем, существуют различные точки зрения на Роль кислорода при созревании. Ряд ученых считают необходимым ограничить поступление О2 в вино, напротив, другие специалисты предпочитают вводить О2 для улучшения созревания. Еще Бертло, встряхивая вино в присутствии О2, показал, что аромат становиться слабым, исчезает характерный вкус, качество вина снижается. С другой стороны, Пастер установил, что при выдержке вина в запаянных ампулах без О2 созревание вина останавливается и развитие типичного букета и вкуса не происходит. В настоящее время считают, что для созревания вина определенного типа необходимо строго определённое количество кислорода.

Из табл. видно, что в зависимости от типа вина ему потребуется за период созревания от 20 до 200 мг/дм3 кислорода

Таблица Потребность в кислороде различных типов вин ( по проф. В. И. Нилову)

Брожение виноградного сусла

В основе виноделия и других производств пищевой про­мышленности (пивоварения, винокурения) лежит сложный био­химический процесс превращения глюкозы в этиловый спирт — алкогольное или спиртовое брожение.

Несмотря на то, что человечеству с давних времен было известно удивительное превращение виноградного сусла в ви­но, долгое время не удавалось познать сущность этого процес­са. Наблюдавшему впервые в 1680 г. при помощи микроскопа осадок дрожжей в пиве и вине, его изобретателю А. Левенгуку не удалось установить причинной связи между дрожжами и алкогольным брожением.

Выяснить, кто является возбудителем этого процесса, смог лишь Луи Пастер в 1857 г., он экспериментально доказал, что сбраживание сахара осуществляется дрожжами и алкогольное брожение — биологический процесс, который им охарактери­зован как «жизнь дрожжей в отсутствие кислорода».

Позднее, в 1897 г. Бухнер окончательно вскрыл фермента­тивный характер алкогольного брожения, показав, что и экс­тракты, полученные им механическим путем из живых пив­ных дрожжей, в состоянии разлагать глюкозу в этиловый спирт и углекислый газ.

А. Н. Лебедевым, С. П. Костычевым, Нейбергом и другими выяснена сущность ферментативных реакций спиртового бро­жения. Ими показано, что это — процесс многостадийный, состоящий из отдельных промежуточных биохимических реак­ций, которые протекают в дрожжевых клетках и в питатель­ной среде, окружающей их. Катализаторами реакций являют­ся ферменты, или энзимы.

В начале брожения происходит переход молекулы глюкозы в оксиформу, способную к дальнейшему превращению. Из глю­козы под действием фермента гексокиназы образуется глюкопиранозо-6-фосфат, который превращается в фруктофуранозо-6-фосфат, из которого затем образуется фруктофуранозо-1,6-дифосфат. Последние реакции катализируются изомеразой и фосфофруктокиназой.

Под действием фермента альдолаза фруктофуранозо-1,6-дифосфат распадается на 3-фосфоглицериновый альдегид и фосфодноксиацетон. Последний превращается в 3-фосфоглицери­новый альдегид, который в результате ряда реакций окисляет­ся в 2-фосфоглицериновую кислоту. Из нее образуется фосфоэнолпировиноградная кислота (под действием фермента энолазы), а затем энолпировиноградная кислота (фермент фос- фотрансфераза). Последняя может превращаться в более ста­бильную кетоформу — пировиноградную кислоту.

Под действием фермента карбоксилаза пировиноградная кислота декарбоксилируется в уксусный альдегид. Восстановлением уксусного альдегида в этиловый спирт под действием алкогольдегидрогеназы — фермента, осуществ­ляющего перенос водорода с восстановленного НАД. Н2 на ук­сусный альдегид, завершается сложный процесс алкогольного брожения.

Если добавить в среду соль сернистой кислоты, например бисульфит натрия, то произойдет связывание уксусного альде­гида этой солью и восстановление его в спирт станет невоз­можным. В этом случае брожение осуществляется по схеме Нейберга, характеризующейся повышенным накоплением гли­церина.

Кроме этилового спирта и углекислого газа, при брожении образуются так называемые вторичные продукты брожения (из углеводов) и побочные продукты (из белков). Эти вещест­ва, наряду с компонентами виноградного сусла, обусловлива­ют вкус и букет вина.

Из вторичных продуктов брожения в создании вкусовых качеств вина участвуют: глицерин, янтарная, уксусная, ли­монная и молочная кислоты, уксусный альдегид, 2,3-бутилен-гликоль, диацетил, ацетоин, ацетон, эфиры, высшие спирты и др. Концентрация этих веществ во многом зависит от расы дрожжей, осуществляющих брожение, и условий, в которых оно проходит.

Дрожжевые клетки — возбудители спиртового брожения — широко распространены в природе: на ягодах, листьях, побе­гах виноградного растения, а также в почве виноградников. Вместе с дикими дрожжами и бактериями они попадают в сус­ло. Для подавления их развития применяется сернистый ан­гидрид, который вводится в сусло при отстаивании. В освет­ленное сусло задается чистая культура дрожжей, адаптиро­ванных к сернистому ангидриду.

Применение чистой культуры дрожжей спиртоустойчивых, кислотовыносливых, сульфитостойких рас особенно необходи­мо в годы, когда виноград накапливает много сахара или он недозрел, а также если сусло содержит большое количество SO2. Когда температура брожения неблагоприятна для этого процесса (низкая или высокая), положительный эффект дости­гается при использовании термоустойчивых рас дрожжей.

В нормальных условиях брожения природные дрожжи, ут­вердившие свою жизнеспособность в результате естественной селекции, могут успешно заменить чистую культуру дрожжей.

В Молдавии для производства белых столовых вин реко­мендована местная раса дрожжей — Кишиневская 341. Ши­роко применяется также Ленинградская раса.

Температурные условия оказывают значительное влияние на ход брожения. Так, в бочках температура бродящего сусла значительно ниже, чем в крупных резервуарах, где температу­ра сусла в результате брожения большого объема значительно повышается. Ведь одна грамм-молекула сахара (180 г) выде­ляет во время брожения 23,5 ккал тепла.

Сохранению высокой температуры бродящего сусла способ­ствует слабое излучение тепла в крупных резервуарах, особен­но железобетонных, обладающих низкой теплопроводностью. Это особенно заметно в годы, когда брожение сусла происхо­дит в теплую осень.

Высокая температура брожения оказывает отрицательное влияние на химический состав вина. При температуре броже­ния выше 25°С содержание летучих кислот повышается. Наи­меньшее количество летучих кислот образуется при темпера­туре брожения 15—25°С.

Следует также отметить, что при 20°С брожение проходит в оптимальные сроки — примерно в течение 2 недель. При температуре ниже 15°С оно чрезмерно затягивается, в то время как при 30°С проходит очень бурно. В последнем случае интенсив­но выделяются пузырьки углекислого газа, увлекающие с со­бой в атмосферу ряд ценных ароматических веществ вина.

Высокая температура брожения (выше 25°С) способствует интенсивному размножению дрожжей, а следовательно, и уси­ленному потреблению ими азота сусла. В конце процесса бро­жения, когда дрожжевые клетки отмирают, происходит выде­ление в среду азотистых веществ. В результате этого увеличи­вается склонность вин к белковым помутнениям.

Температура брожения оказывает также влияние на содер­жание титруемой кислотности в вине. При низкой температуре брожения вина получаются менее кислотными. С повышением температуры брожения содержание альдегидов, придающих столовым винам неприятную горечь во вкусе, возрастает, и, наоборот, концентрация спирта уменьшается.

Для производства марочных белых столовых и шампан­ских виноматериалов рекомендуется температурный режим брожения в пределах 15—18°С. Осуществлять регулирование температурного режима брожения, если оно проходит в от­дельных крупных резервуарах, довольно сложно. В случае сильного повышения температуры бродящего сусла применя­ют охлаждение его в трубчатом теплообменнике холодной во­дой.

Наиболее эффективен метод охлаждения бродящего сусла при помощи искусственного холода.

Благоприятные условия для надежной системы охлажде­ния создает непрерывное брожение сусла в потоке.

Бродильный аппарат непрерывного действия. Он предназначен для производства белых сухих виноматериа­лов в непрерывном потоке. Установка состоит из 6 вертикаль­ных бродильных резервуаров емкостью по 2 тыс. дал и 5 пере­точных горизонтальных баков емкостью 190 дал каждый.

Бродильные резервуары соединены между собой трубопро­водами: верхним — для перетока бродящего сусла и углекис­лого газа из резервуара в резервуар, нижним — для их запол­нения суслом.

Переточные баки установлены сверху на двух соединитель­ных патрубках бродильных резервуаров и используются как накопители сусла, выдавливаемого углекислым газом из бро­дильных резервуаров. Первый патрубок является продолжени­ем трубы для подъема сусла, он подает сусло из нижней части бродильных резервуаров в переточные баки, а второй — про­должением трубы гидрозатвора, предназначенного для герметизации установки при нарастании в ней избыточного давле­ния в процессе брожения.

На первом бродильном резервуаре установлено поплавко­вое реле, обеспечивающее автоматическую работу установки. В зависимости от уровня бродящего сусла в первом резервуа­ре реле включает или выключает питающий насос.

На втором и пятом переточных баках имеются два клапа­на выпуска углекислого газа, предназначенных для гермети­зации бродильного аппарата в момент перетока бродящего сус­ла из резервуаров в переточные баки и выпуска углекислого газа в момент слива его в последующие резервуары.

Под действием углекислого газа в установке обеспечивает­ся отъемно-доливной способ брожения в потоке. Движение бродящей жидкости осуществляется циклично, в два периода.

В первый период (а) в результате накопления углекислого газа и образования избыточного давления происходит выдав­ливание бродящего сусла из всех бродильных резервуаров в переточные баки, а во второй период (б) — свободный слив из них в соседние бродильные резервуары и поступление свежего сусла в первый резервуар.

Взаимодействие поплавкового реле с насосом и клапаном выпуска углекислого газа осуществляется следую­щим образом. Когда бродящее сусло под действием избыточно­го давления вытесняется из бродильных резервуаров и уровень жидкости в них понижается, поплавок опускается до тех пор, пока диск не нажмет кнопку «Пуск», которая подает электрический ток к питающему насосу и к электромагнит­ному клапану, последний открывает клапан и СО2 выходит в атмосферу. Падение давления в бродильных резервуарах до атмосферного вызывает свободный слив бродящего сусла из пере­точных баков в последующие бродильные резервуары, а све­жее сусло подкачивается в первый из них до тех пор, пока уровень его не достигнет верхнего предела и поплавковое реле через систему кнопок прекратит подачу электроэнергии к на­сосу и электромагниту. Таким образом установка герметизи­руется, прекращается подача свежего сусла и повторяется ре­жим первого периода.

Среднесуточная производительность установки при сахари­стости сусла 17 г/100 мл и остаточном сахаре в виноматериале 2,5 г/100 мл — 7000 дал.

Основное преимущество установки — значительное сокращение длительности брожения сусла. Это происходит по­тому, что свежее сусло, поступающее в бродящую массу с большим количеством жизнедеятельных дрожжевых клеток, сразу вступает в стадию активного брожения, минуя стадию разбраживания. Благодаря наличию надежной теплообменной системы обеспечивается проведение брожения в оптимальном температурном режиме. Кроме того, автоматическое питание установки свежим суслом обусловливает высокую производи­тельность.

К недостаткам установки следует отнести некоторое обога­щение сусла железом (в среднем на 5 мг/л).

В Молдавии установка БА-1 действует на многих винодель­ческих предприятиях (рис. 20).

Суточная производительность каждой секции — 3000 дал, общая производительность установки — 12 000 дал/сутки.

Источники:

http://m.studwood.ru/1606117/tovarovedenie/uglevody_vinograda_obrazovanie_prevrascheniya
http://vinograd-vino.ru/protsessy-proiskhodyashchie-pri-izgotovlenii-vina/178-ov-protsessy-v-susle-i-vine.html
http://vinocenter.ru/vina-moldavii/brozhenie-vinogradnogo-susla.html