Условия спиртового брожения – Поточные способы производства вина

Поточные способы производства вина – История разработки поточного способа производства вина

Содержание материала

Первые установки непрерывного брожения для приготовления красных вин разработаны и предложены Кремаши в Аргентине в 1948 г. Критическое исследование этого способа провел Негр, который сообщал о непрерывных способах, осуществленных еще ранее путем настаивания на мезге (статической мацерации) раздробленного и сульфитиров энного винограда. При этом сусло направляли в первый элемент батареи чанов, через которую оно последовательно проходило. Способ Кремаши не получил распространения, которого от него ожидали, несомненно, лишь из-за несовершенства конструкции.
Французский инженер Ладус был первым, кто действительно осуществил
на практике процесс непрерывного брожения. Начиная с 1951 г. он построил около сотни аппаратов, действующих и поныне, особенно на юге Франции. В основу своей системы Ладус положил две идеи Семишона.
1. Для получения лучших результатов брожения, с теоретической точки зрения, необходимо удалить из сусла виды дрожжей, обладающие слабой способностью к спиртообразованию, типа Kloeckera или Hanseniaspora. Для этого мезгу помещают перед брожением в среду, содержащую 4% спирта, и смешивают с достаточным количеством вина. Этот способ был назван брожением суперкатр (свыше четырех).
2. Было бы предпочтительнее, также с теоретической точки зрения, отделять процесс мацерации, т.е. растворения веществ, содержащихся в кожице и семенах ягод, от процесса брожения, чтобы можно было регулировать каждый из них в отдельности.
В действительности установка, описанная Семишоном, и схема которой дана на рис. 5.4 в том виде, как ее воспроизвел Фаж-Боннери (1967), никогда не была реализована. Она усложняла процесс из-за большого числа необходимых бродильных чанов и трубопроводов для бродящих сусел.
Идеи Семишона никогда не были подтверждены экспериментальным путем. Особенно спорной кажется сейчас вторая идея, так как она не учитывает того факта, что повышение температуры, образование спирта и всплывание мезги, вызываемое выделением углекислого газа, создают наилучшие условия для селективной мацерации.
Фаж-Боннери (1963, 1967) определил, что для осуществления непрерывного брожения надо создать такую установку, которая позволяла бы изменять способ производства вина и контролировать все условия превращения винограда в вино. Принцип, который предложил Фаж-Боннери, привел к новому этапу в развитии этого способа, в частности к созданию металлического аппарата Вико, который на протяжении ряда лет испытывал Скаццола.

Рис. 5.4. Схема процесса виноделия поточным способом с отделением фазы мацерации от фазы брожения, как ее представлял Семишон (1926) (по Фаж-Боннери, 1967):
1 — фаза мацерацнн; 1 — бункер для приемки винограда на 300 гл; 2— чан на 250 гл; 3 — чаны для мацерации на 135 гл каждый; 11 — фаза брожения; 4— холодильник; 5 —чан непрерывного брожения на 65 гл; 6 — чаны вместимостью 250 гл каждый для завершающей стадии брожения.

Имеются данные, что поточный способ производства вина успешно разрабатывается в Советском Союзе. Как сообщает Унгурян, Лебедев занимался исследованием этого способа с 1936 г. Герасимов уточнил его, используя идею бродильной колонны непрерывного действия. В Молдавии предложили батарею металлических резервуаров. Позднее Валуйко (ВНИИВиВ «Мага-рач») пришел к аналогичным результатам, как и Фаж-Боннери во Франции, — к созданию оригинальной установки непрерывного брожения по красному способу. К этому нужно еще добавить работы Агабальянца и Мержа-ниана по приготовлению игристых вин путем непрерывного брожения в закрытых резервуарах.
Поточный способ производства чаще применяется для приготовления красных вин, так как существующие установки, и это одно из их преимуществ, хорошо подходят для механизации работ по отделению сброженной мезги. Но поточный способ можно также приспособить и к производству белых вин, т. е. осуществить его в гомогенной системе без твердой фазы. Опыты по непрерывному брожению такого рода проводились в ряде лабораторий. Оуг и Америн (1968) использовали аппарат, состоящий из трех бродильных емкостей, установленных в виде батареи. По их мнению, такой способ вполне подошел бы для производства десертных вин. В литературе имеется описание ви-нификатора Реми (1967), который применим для непрерывного брожения при производстве белых вин, предназначенных для перегонки.
Наконец, известны и другие направления в разработке ферментаторов непрерывного действия, называемых автоматическими винификаторами. С помощью таких аппаратов стремятся прежде всего сократить продолжительность производства вина по красному способу за счет ускоренной экстракции красящих веществ механическим путем.

Поточные способы производства вина – Условия спиртового брожения

Содержание материала

Температура брожения

Контроль и регулирование температуры составляют одно из важных условий хорошего брожения. После нескольких лет наблюдений и исследований, которые провели Барильон и сотрудники (1970), можно сделать следующие выводы:
1. Температура брожения во время работы установки непрерывного действия удерживается относительно постоянной (табл. 5.1).
2. В винификаторе непрерывного действия даже без приведения в действие системы охлаждения температура брожения поддерживается на 5—7°С ниже, чем температура в чанах при классическом способе виноделия в одних и тех же условиях и при одинаковой сахаристости винограда.
Таблица 5.1
Измерение температуры брожения в металлическом винификаторе непрерывного действия объемом 4000 гл

Наружная температура,
°С

Подача вино, града, т

Плотность, кг/см 3

Известно много заводов, на которых принято, что температура в потоке не превышает 29—30°С и достигает 34— 38°С в чанах небольшой вместимости. Это связано, с одной стороны, с потерей тепла через металлические стенки, являющиеся хорошим проводником, с другой — что при виноделии в потоке значительный объем вина с повышенной температурой ежедневно замещается таким же объемом более прохладного винограда.
3. Металлические аппараты лучше железобетонных, потому что материал последних, являющийся плохим проводником тепла, способствует накоплению в бродящей среде количества теплоты, образующейся при брожении.
Температуры брожения в железобетонной двухкорпусной установке и в металлическом аппарате с одной колонной сравнивали в одном и том же бродильном отделении. Среднее количество введенного винограда мезги было примерно одинаковым: 170 и 163 т соответственно при общей вместимости обоих аппаратов 4000 гл. Для железобетонной установки средняя утренняя температура была 30,7°С и вечерняя 32,6°С; для металлической установки она была соответственно 29,9 и 28°С.
Эти замечания не согласуются с мнением Фурлотти (1973), который оценивает рассеяние теплоты через поверхность металлического резервуара вместимостью 2500 гл всего в 5%.
4. Струйное орошение, или, еще лучше, распыление воды на внешнюю оболочку .металлических винификаторов, достаточно эффективно при условии, что распыляемая жидкость хорошо распределяется по поверхности.
Для металлического винификатора с одной бродильной колонной вместимостью 4000 гл площадь теплообмена составляет около 220 м2, тогда как для трубчатого охладителя небольшой модели на 200 гл площадь обмена обычно не превосходит 30 м2.
Наблюдали, что вода при 20°С с расходом 0,8 л/с при струйном орошении в течение 5 ч понижала температуру металлического винификатора объемом 4000 гл с 33 до 29°С и с 30 до 28°С. Однако в большинстве случаев в климатических условиях Франции система охлаждения не является необходимой, кроме случаев, когда хотят, чтобы брожение протекало при температуре ниже 32°С.
Целесообразно устанавливать винификаторы на открытом воздухе, в тени стен винного завода, с северной стороны, в хорошо проветриваемых местах. Необходимо обеспечить хорошее отражение светового излучения поверхностью чанов за счет окраски их в белый цвет или же изготовления их из нержавеющей стали с полированной поверхностью.
Барильон и сотрудники (1970) составили тепловой баланс винификатора непрерывного действия. Общий энергетический баланс учитывает выделение количества теплоты при брожении и ее потери за счет обмена через стенки резервуара. Расчеты показывают, что металлический винификатор вместимостью 4000 гл выделяет около 40% количества теплоты, образующейся при брожении. Температура окружающего воздуха, по-видимому, не оказывает немедленного воздействия на температуру в резервуаре, и, наоборот, температура винограда сразу же изменяет среднюю температуру винификатора. Наиболее высокие температуры (на 4°С выше, чем в жидкости) отмечаются в центральной части непогруженной шапки. Отсюда вытекает необходимость перемешивания мезги во время брожения.

Подсчет и идентификация дрожжей

Знание количества и видов дрожжей, присутствующих в бродильных установках непрерывного действия, представляет определенный интерес. Был проведен подсчет числа дрожжей в вине-самотеке, мезге и прессовом вине. В бродящем сусле получали примерно 80—150 млн./мл, а иногда даже 200 млн./мл дрожжей, т. е. значительно больше, чем в чанах периодического брожения, где их количество редко превышает 30—80 млн./мл. Весьма вероятно, что это одна из причин более быстрого хода брожения, характерного для аппаратов непрерывного действия.

Нужно также учитывать и тот факт, что при брожении классическим способом популяция дрожжей достигает максимального значения только на 3-й или 4-й день. При виноделии в потоке брожение всегда протекает при максимальной популяции дрожжей. Вина выходят из аппарата очень насыщенные дрожжами, что облегчает быстрое завершение брожения. Другим следствием более легкого размножения дрожжей является то, что вина, получаемые в винификаторах непрерывного действия, содержат меньше азотистых веществ. По результатам большого количества анализов содержание общего азота в этих винах составляет лишь 60% содержания этого элемента в винах, получаемых традиционными способами.
Особенно много дрожжей находится в мезге, где они фиксируются на твердых частях винограда. Отсюда следует, что прессовое вино содержит почти в два раза больше дрожжей, чем вино из сусла-самотека. Хотя в аппаратах непрерывного действия дрожжи вынуждены развиваться в присутствии спирта, содержание которого составляет от 6 до 9% об., констатировали, что количество живых клеток было значительным — 60—80%.
В то же время при исследовании на лабораторных установках было’ установлено, что аэрация сохраняла свою эффективность даже в среде, содержащей 8% об. спирта. При этом удалось увеличить число дрожжей на 25—50%.
В отдельных случаях наблюдали, что к концу работы винификатора популяция снижалась. Похоже было на то, что это явление связано с уменьшением подачи сырья, что в свою очередь вызывало снижение концентрации сахаров.
Поточный способ производства вина позволяет осуществить брожение в присутствии спирта — способ, предложенный Семишоном. Помещая мезгу в среду, уже содержащую от 6 до 9% об. спирта, тем самым подавляют развитие наименее спиртовыносливых видов дрожжей. После нескольких дней работы установки больше не находят дрожжей апикулятус или Torulopsis. Контроль, проведенный на промышленных установках, показал, что микрофлора состояла на 80—85% из дрожжей вида Saccharomyces ellipsoideus. 270 изученных рас распределялись следующим образом: 237 — Sacch. ellipsoideus, 17 — Sacch. italicus, 11—Sacch. oviformis, 3 —Sacch. chevalieri, 2— Sacch. fructuum.
Тарантола и Гандини (1966) получили одинаковые результаты. Из всей совокупности наблюдений можно сделать следующие выводы: условия в бродильных резервуарах непрерывного действия очень благоприятны для развития дрожжей. Их число и соотношение активных клеток всегда более чем достаточны для быстрого превращения сахара в спирт. Дрожжи, обладающие большой способностью спиртообразования, быстро развиваются в аппаратах непрерывного действия и вытесняют другие виды бактерий. В целом условия непрерывного способа способствуют размножению вида дрожжей, наиболее приспособленного к винному брожению.

Метаболизм спиртового брожения

Еще в первые годы эксплуатации установок непрерывного действия было установлено, что получаемое в них вино имеет на 0,1—0,2% об. большую спиртуозность по сравнению с вином, приготовленным в чанах классического типа. Этот факт вызвал удивление у тех, кто пользовался винификаторами, но его можно объяснить селекцией дрожжей и тем, что потери спирта при этом способе логически меньше, чем при выработке вина в традиционных чанах.
Авторы смогли проверить повышение спиртуозности при виноделии в потоке по сравнению с классическими методами на примере двух урожаев, переработанных на заводе значительной мощности. Как показывают данные
Таблица 5.2
Сравнение спиртуозности, полученной при классическом способе и при производстве вина в установках непрерывного действия на одном и том же заводе,

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://vinograd.info/knigi/teoriya-i-praktika-vinodeliya/potochnye-sposoby-proizvodstva-vina-2.html
http://vinograd.info/knigi/teoriya-i-praktika-vinodeliya/potochnye-sposoby-proizvodstva-vina-4.html
http://vinograd-vino.ru/protsessy-proiskhodyashchie-pri-izgotovlenii-vina/173-spirtovoe-brozhenie.html