Вторичные продукты спиртового брожения

Механизм образования и преобразования вторичных продуктов брожения 

Для виноделов химизм образования и преобразования вторичных продуктов брожения представляет большой интерес. Выучив этот сложный механизм, можно регулировать и управлять биохимическим процессом для обогащения вина полезными веществами, обуславливающими букет и вкус вина. Но главным в изучении и регулировании химизма образования и преобразования вторичных продуктов брожения является получение вина лечебно-профилактического направления.

Все вещества, образующиеся из сахаров в результате брожения, кроме спирта и СО2, имеют название Вторичные продукты спиртового брожения. Кроме них, при брожении появляются еще и Побочные продукты, образующиеся не из сахаров, а из веществ, находящихся в сбраживаемом субстрате, главным образом из аминокислот.

К вторичным продуктам брожения относятся: глицерин, уксусный альдегид, пировиноградная кислота, уксусная, янтарная, лимонная и молочная кислоты, ацетоин, 2,3-бутиленгликоль, диацетил, высшие спирты и эфиры.

Последними исследованиями доказано, что уксусная, пировиноградная, янтарная, яблочная и лимонная кислоты окисляются винными дрожжами, способными превращать одну органическую кислоту в другую.

При добавлении к суслу пировиноградной кислоты и радиоактивного бикарбоната натрия наблюдается образование дрожжами органических кислот: уксусная, гликолевая, молочная, янтарная, яблочная и лимонная. В основном, из уксусного альдегида образуются все продукты спиртового брожения: этиловый спирт, уксусная, янтарная, фумаровая, гликолевая кислоты, бутиленгликоль и глицерин.

Органические кислоты – это продукты диссимиляции углеводов микроорганизмами, для которых существует два пути биохимического преобразования:

·  аэробно-пентозофосфатный;

·  анаэробно-гликолитический.

При катаболическом преобразовании гексоз образуется пировиноградная кислота, являющаяся предшественником образования таких органических кислот как молочная, уксусная, гликолевая, глиоксалевая, а также кислот ди - и трикарбонового цикла.

В процессе анаэробного распада глюкозы и фруктозы (в отсутствии кислорода) пировиноградная кислота через уксусный альдегид полностью превращается в этиловый спирт и диоксид углерода. В аэробных условиях пировиноградная кислота принимает участие в цикле ди - и трикарбоновых кислот, а также в глиоксалатном цикле.

Но, перед тем как пировиноградная кислота будет привлечена в этих циклах, она должна, с одного стороны карбоксилироваться в щавелевоуксусную кислоту, с другой стороны – в присутствии коэнзима А, превратится в ацетил-КоА.

Известны другие пути образования органических кислот: янтарная кислота может образовываться из глютаминовой, молочная – из аланина, яблочная – из аспарагиновой и т. д.

Кроме главного продукта в спиртовом брожении – этилового спирта, также образуется большое количество химических соединений, в том числе эфиры и высшие спирты (сивушные масла). Они составляют около 1 % от общего количества этилового спирта.

Вкус и аромат вин зависит от присутствия сивушных масел в них. Но, так как высшие спирты имеют наркотические свойства (особенно изоамиловый спирт), большое их количество может отрицательно влиять на организм человека.

Накопление вторичных продуктов брожения зависит от концентрации сахаров в среде. Исследования, проведенные Лафоном, показывают, что количество глицерина и уксусной кислоты повышается с увеличением концентрации сахара в бродящей среде. Также увеличивается и концентрация и 2,3-бутиленгликоля и уксусного альдегида.

Также на образование вторичных продуктов влияет раса дрожжей, температура выбраживания, рН сусла, его химический состав и др. Но существуют определенные закономерности в соотношении вторичных продуктов между собой и глицерином. Это позволяет определить качество проведенного брожения.

Интересным фактом является то, что кроме образования дрожжами вторичных продуктов брожения, они и используют их. Так, уксусная кислота при спиртовом брожении используется дрожжами для построения аминокислот, белков и жиров.

В вине в процессе брожения из ацетальдегида образуются, главным образом, этанол, глицерин и уксусная кислота, а также 2,3-бутиленгликоль, янтарная, гликолевая, фумаровая кислоты. Уксусная кислота превращается в глицерин, янтарную, гликолевую и фумаровую кислоты, а также в этиловый спирт 2,3-бутиленгликоль и уксусный альдегид. Молочная кислота – в глицерин, уксусную кислоту и этанол. Из янтарной кислоты образуются яблочная кислота, глицерин, этанол, фумаровая и уксусная кислоты, 2,3-бутиленгликоль и ацетальдегид.

Винные дрожжи содержат от 4 до 10 % азота или 25...60 % азотистых соединений. Поэтому для жизнедеятельности дрожжей в процессе спиртового брожения необходимо азотистое питание, главным образом аминокислоты, которые дезаминируются, выделяя аммиак, который, в свою очередь, используется дрожжами для синтеза новых аминокислот.

R−CHNH2COOH + 1/2 O2 → R−COCOOH + NH3

Химический процесс преобразования аминокислот у винных дрожжей протекает в две фазы. В первой фазе накапливаются разные аминокислоты, во второй фазе часть аминокислот ассимилируется дрожжами (применяется для построения новой биомассы), а потом часть дезаминируется и превращается в соответствующие кислоты и спирты.

Дрожжи используют главным образом L-формы аминокислот, также хорошо используют мочевину и пептон.

Активнее всего дрожжи используют азотистые вещества при размножении, поэтому аминный азот быстро падает в первые дни брожения. После окончания бурного брожения аммиачный азот практически отсутствует.

Следует отметить, что аминокислоты усваиваются дрожжами с разной скоростью. Например, содержание пролина, глицина, лизина и цистина в сусле во время брожения не изменяется. Серин используется дрожжами на 26 %, треонин – на 76 %, глютаминовая, аспарагиновая кислоты, валин, изолейцин, лейцин, цистеин, аргинин, триптофан, тирозин, фенилаланин и метионин – на 75...90 %.

На первой стадии брожения дрожжи употребляют аммиачный азот, а потом аминный. В целом, усвоенный дрожжами азот тратится как на стадии размножения в аэробных условиях, так и на стадии роста дрожжевых клеток в анаэробных условиях. В свое время Л. Пастэр отмечал, что дрожжи для своего развития и, особенно, для сбраживания сахаров нуждаются в азотистых соединениях.

Кроме высших спиртов, под действием дрожжей образуются многочисленные соединения, существенно влияющие на качество вин. Из фенилаланина и тирозина образуются β- и n-фенилэтиловые спирты, придающие вину цветочные тона; из аспарагиновой кислоты образуется яблочная, из глутаминовой – янтарная, из аргинина – 2,3-бутиленгликоль, из серина – этиленгликоль и т. п.

В процессе сбраживания виноградного сусла дрожжи интенсивно ассимилируют большинство аминокислот. До конца брожения в сусле в большом количестве остается только пролин. В этот период дрожжи обогащают вино аспарагиновой, глутаминовой и γ-аминомасляной кислотами, а также аланином, валином, гликоколом, серином и треонином.

Следует отметить, что ассимиляция дрожжами аминокислот значительно увеличивается при добавлении в сусло ферментированной мезги. Аминокислоты ассимилируются в среднем на 80 % при брожении сусла. В первую очередь из аминокислот усваиваются глутаминовая и аспарагиновая кислоты, изолейцин, лейцин, валин, триптофан, тирозин и метионин.

Гликокол, лизин и цистин, присутствующие в сусле в незначительных количествах, остаются без изменений.

В первый период брожения сусла содержание фенилаланина и валина закономерно уменьшается, а количество пролина увеличивается. Аргинин появляется на восьмой день брожения, на одиннадцатый – гистидин, на пятнадцатый – тирозин. В целом, в процессе брожения виноградного сусла содержание всех форм азота снижается, за исключением амидного и остаточного. После окончания брожения содержание всех форм азота увеличивается, что объясняется отмиранием и автолизом дрожжей и выделением в вино разных форм азотистых веществ.

Валуйко Г. Г. и Нилов В. И. установили, что при брожении виноградного сусла в аэробных условиях (при температуре 15 оС) виноматериалы содержат наименьшее количество общего и аминного азота, в анаэробных условиях (при температуре 10 оС) при брожении сусла количество азотистых веществ значительно увеличивается. Такие явления объясняются тем, что, в основном, аминный азот тратится в период размножения дрожжей (аэробные условия), в конце брожения начинается значительное выделение аминного азота дрожжами благодаря автолизу. Оптимальной температурой брожения для получения высококачественных столовых и шампанских виноматериалов является температура 14...18 оС.

Вместе с использованием азота из среды происходит и выделение его в среду. Если скорость усвоения азота постепенно падает в процессе брожения, то скорость выделения ускоряется. Основными азотистыми веществами, выделяемыми дрожжами, являются аминокислоты.

Согласно данным Беридзе Г. И., при брожении виноградного сусла на 3...5 сутки из среды исчезали практически все аминокислоты, кроме пролина. Но, в дальнейшем, они снова появлялись в бродящем сусле. Среди них γ-аминомасляная кислота, серин, аланин, аспарагиновая и глютаминовые кислоты, валин, лейцин. Было отмечено также уменьшение пептидов по мере развития дрожжей, объясняющееся выделением протеолитических ферментов дрожжами в среду.

В конце брожения, в результате повышения спиртуозности, а иногда и увеличения температуры, часть дрожжевых клеток отмирает. При этом изменяются свойства плазмы клеток и происходят гидролитические ферментные процессы, в результате которых в среду выделяются продукты ферментного гидролиза (автолиз). Этот процесс зависит от условий среды, он усиливается при повышении температуры, кислотности и спиртуозности.

В. З. Гваладзе и Л. Женевуа почти одновременно установили примерное соотношение вторичных продуктов спиртового брожения в виде следующего уравнения:

Г≥ 9 лк + 5 як + 2 ук + 2 ац + ПК + a + б,

Где: Г – глицерин; лк – лимонная кислота; як – янтарная кислота; ук – уксусная кислота; ац – ацетоин; пк – пировиноградная кислота; a – ацетальальдегид; б – 2-3-бутиленгликоль.

Учитывая, что в вине содержится 6—8 г/дм3 глицерина и почти с только же остальных вторичных продуктов брожения, можно подсчитать, что около 8 % сахаров расходуется на глицеропировиноградное брожение по схеме, а 92 % — на собственно спиртовое бро­жение.

Количество вторичных продуктов брожения зависит от вида и расы дрожжей, рН сусла, температуры брожения и других факторов.

Фосфодиоксиацетон 3-Глицерофосфат Глицерин