В трактате по энологии, изданном в 1947 и 1961 гг., детально описаны исследования помутнений, вызываемых железом, и в частности фосфорно-железного или белого касса белых вин, а также дискуссии, которые вели по этому поводу.
Риберо-Гайон возобновил эти исследования, поскольку его интересовал прежде всего процесс окисления, зависящий от переходов железа из двухвалентной формы в трехвалентную, переходы, которым можно приписать функцию катализатора окисления. В этом случае белый касс, как и другие виды железного касса, возникает, как случайное проявление этого нормального процесса. Поэтому важно проследить одновременно с развитием касса этот процесс окисления, проводя количественный анализ железа отдельно для каждой из этих двух форм.
Риберо-Гайон и Пейно смогли показать, используя методы колориметрического анализа железа с помощью ферроцианида и роданида, что большая часть трехвалентного железа, образованного окислением, входит в комплексы и, следовательно, находится вне механизма белого касса. Некоторые аэрированные вина не подвержены кассу, хотя и содержат очень много железа, потому что значительная часть его по мере окисления связывается в комплексы. В целом наряду с равновесием между ионами двухвалентного и трехвалентного железа выступает равновесие между трехвалентными ионами железа и сложными комплексными ионами, которые они образуют. Присутствие следов меди способствует появлению железного касса.
После публикации результатов, полученных авторами настоящей книги, в некоторых работах было высказано отрицание роли комплексов. В настоящее время эти положения общепризнаны, но можно только удивляться тому сопротивлению, которое они так долго встречали, несмотря на их очевидность и значение для познания механизма осаждения железосодержащих соединений, а также для теории и техники обработки вина ферроцианидом.
Состояние железа в винах
Белое вино, выдерживаемое без доступа воздуха в течение достаточного времени (от нескольких дней до нескольких недель) в зависимости от температуры, не дает реакций на трехвалентное железо (ферроцианид голубой, роданид красный). В противоположность этому, когда такое вино вследствие контакта с воздухом содержит растворенный в нем кислород, возникают реакции трехвалентного железа: окисление двухвалентного железа, или Fell, в трехвалентное, или Ре III, которое; впрочем, всегда бывает неполным. Концентрацию FeII обозначают [Fe II], а концентрацию Fe III обозначают [Fe III].
С другой стороны, Fe++ и Fe+++ обозначают ионы двухвалентного или трехвалентного железа, получающиеся при ионизации Fell и Fe III, концентрации которых изображают символами [Fe++] и [Fe+++]. Между ионами Fe++ и F+++ возникают реакции, которые происходят в зависимости от их концентраций [Fе++] и i[Fe+++], но колориметрический анализ с роданидом (тиоцианатом) позволяет прослеживать только общие концентрации [Fell] и [FeIII].
Колориметрический анализ железа с роданидом (тиоцианатом) калия (SCNK) прост. В пробирку, содержащую 10 см3 вина, добавляют 1 см3 соляной кислоты 50%-ной, 1 см3 роданида (тиоцианата) 50%-ного, и 3 капли перекиси водорода. При сравнении полученных окрасок с теми, которые дали контрольные образцы, содержащие 3, 6, 9, 12, 15, 18 мг/л железа, окрашенные в таких же условиях, находят содержание общего железа в вине. По этой же методике, но без добавления перекиси водорода, получают Fe III п по разнице находят Fell.
Один из авторов настоящей книги показал, что Felll в аэрированных винах содержится не в виде простых солей, которые при их низкой концентрации в винах были бы полностью диссоциированы, а в виде комплексов, т. е. очень мало диссоциируемых соединений. Другими словами, концентрация трехвалентных ионов [Fe+++] в винах немного меньше, чем концентрация общего трехвалентного железа [Fe III]. Два факта определяют эти результаты: а) частичная маскировка железа его реактивами; б) расхождение между окислительно-восстановительным потенциалом аэрированных вин и нормальным потенциалом редокс-системы Fe++/Fe+++.
а) Если бы Felll было в состоянии простых солей, оно было бы полностью связано реактивами как раз благодаря сильной диссоциации солей, в результате чего устанавливалась бы повышенная концентрация ионов трехвалентного железа. Однако известно, что это не так. В частности, роданид без соляной кислоты дает лишь почти незаметную окраску, намного более слабую, чем та, которая получается в присутствии соляной кислоты и соответствует общему Felll. Следовательно, концентрация [Fe+++] очень мала по сравнению с концентрацией [Felll]. Это означает, что катион трехвалентного железа входит в комплексы почти целиком. Существование в винах комплексов трехвалентного железа тем более очевидно, что три реакции трехвалентного железа происходят в большей или меньшей мере не полностью (с ферроцианидом, роданидом, фосфатом).
б) Здесь следует обратиться к главе, в которой рассматриваются процессы окисления и восстановления вин (глава 13) и определения окислительно-восстановительного потенциала. Это экспериментальный факт, когда раствор включает редокс-системы, такие, как Fe++/Fe+++ в своей окисленной и восстановленной форме; между этим раствором и погруженным в него платиновым электродом устанавливается разность потенциалов, или окислительно-восстановительный потенциал раствора. Этот потенциал представляет собой функцию состояния равновесия этих систем, соотношений между окисленными и восстановленными формами, а именно в связи с отношением концентраций ионов [Fe++] и ионов [Fe+++]. Потенциал тем выше, чем больше преобладание окисленной формы, в данном случае, чем выше [Fe+++]. В винах, выдерживаемых без доступа воздуха, он составляет около 0,10—0,15 В и редко достигает 0,50 В в аэрированных винах.
Следовательно, потенциал,соответствующий переходу железа из двухвалентного в трехвалентное, значительно выше и составляет приблизительно 0,75 В, когда концентрации [Fe++] и [Fe+++] равны (потенциал нормальный или Е0.
Эти две группы фактов (а и б) позволяют утверждать, что соединения трехвалентного железа, присутствующие в аэрированном вине, очень мало диссоциируются. В соответствии с классическими понятиями они сводятся к тому, что соединения, в которые входят ноны трехвалентного железа, представляют собой не простые соли, а сложные комплексы. Так, винная кислота С4O6Н6 дает с Felll комплекс, калиевую соль которого называют ферритартратом калия (FeC4O6H2)K.
Этот термин и формула напоминают, что железо более прочно связано в молекуле, чем калий, и что в растворе это вещество претерпевает нормальную и очень значительную диссоциацию на ион К+ и комплексный ион (FeC4O6H2)_ и очень слабую диссоциацию на ион Fe+++ и остаток комплексного иона (С4O6Н2). Именно последняя диссоциация интересна с точки зрения осаждения трехвалентного железа. В этом комплексе железо частично связано со спиртовыми функциями —СНОН—, а не только с кислыми функциями —СООН винной кислоты. Существует большое разнообразие таких комплексов.
Когда реактивы какого-либо металла не дают с его соединением характерных реакций, говорят что этот металл замаскирован. Эта маскировка происходит в результате того, что такое соединение, будучи очень мало разложимым, уравновешено слишком небольшим числом ионов этого металла, чтобы они улавливались или приводились в нерастворимое состояние реактивами. Но маскировка может не быть абсолютной, и комплекс, металл которого маскируется определенными реактивами (или некоторыми концентрациями), а не какими-либо другими, называют несовершенным, нестабильным комплексом. При этом учитывают, что между несовершенными и совершенными (стабильными) комплексами, где маскировка металла бывает абсолютной, существуют все ступени промежуточных комплексов.
Реактив на железо (ферроцианид, роданид, фосфорная кислота) дает или не дает реакцию, дает полностью или частично в зависимости от концентраций комплексов, их степени диссоциации, от содержания ионов трехвалентного железа и реактивов и от pH. Например, ферроцианид и феррицианид дают более или менее полные реакции с железом, содержащимся в вине, и не дают никакой реакции с железом, входящим в их собственные молекулы, которые, таким образом, представляют совершенные комплексы.
Общие понятия о несовершенных комплексах можно найти в классических трудах, например во «Введении в общую химию» Кольмана (1960). Комплексные соединения железа, в частности с органическими кислотами, стали уже с давних пор предметом большого числа общих исследований. Условия образования этих комплексов таковы, что они неизбежно существуют в вине. Железо в пиве также находится в состоянии комплексов (Шапон и сотрудники, 1960).
Можно отметить, что, если бы не было комплексов и все трехвалентное железо аэрированных вин было в состоянии свободных ионов трехвалентного железа, все вина были бы подвержены кассу даже при самом незначительном содержании железа.
Механизмы осаждения трехвалентного железа
В неаэрированных винах все железо находится в состоянии более или менее ионизированных соединений двухвалентного железа, целые (недиссоциированные, неионизированные) молекулы которого находятся в равновесии с ионами двухвалентного железа Fe++. В присутствии кислорода ионы Fe++ постепенно окисляются в ионы Fe+++ и по мере этого процесса пополняются для поддержания равновесия за счет недиссоциированных молекул соединении двухвалентного железа.
Образующиеся ионы трехвалентного железа вступают в реакции присоединения с различными компонентами вина, давая более или менее диссоциирующие соединения трехвалентного железа, целые молекулы которого находятся в равновесии со свободными ионами трехвалентного железа Fe+++. Пока соединения трехвалентного железа растворимы, как это бывает в случае комплексов, образуемых с органическими кислотами, вино остается прозрачным. Но, если хотя бы одно из них нерастворимо, например в случае фосфата трехвалентного железа, оно начинает осаждаться, как только его концентрация будет достаточной.
Такие же явления происходят при обработке вина ферроцианидом калия (желтой кровяной солью), когда образуется железистосинеродистое железо, или берлинская лазурь Fe4[Fe(CN6)]3. Концентрация фосфорнокислого железа FeP04 или железистосинеродистого железа Fe4[Fe(CN)6]3 тем выше, чем были выше концентрации составляющих их ионов соответственно закону действующих масс. Образующееся фосфорнокислое железо сначала находится в прозрачном коллоидном растворе, а затем флокулирует, вызывая помутнение. Так схематически можно выразить механизм фосфорно-железного, или белого, касса.
1. Фосфорная кислота находится в винах большей частью в виде ионов (РO4Н2). Действительно, рК трех кислых функций фосфорной кислоты имеют следующие значения: >1,9; 6,7 и 12,4, таким образом, в вине при pH 3 или 3,5 две кислые функции (рК 6,7 и рК 12,4) блокированы, в результате чего два водорода остаются в скобках. Однако образующийся фосфат является самым нерастворимым и больше всего уменьшает концентрацию [Fe+++]. В действительности, не было проведено ни одного точного анализа мутности, вызываемой железным кассом, при которой, кроме того, фиксируется за счет адсорбции много других веществ, не вступающих в реакцию (кальций, магний, фенольные соединения, белки). Для упрощения рассуждения, суть которого, не меняется (как и в случае добавления ферроцианида), предположим, что главным компонентом мутности является третичный фосфат P04Fe. Он осаждается, когда концентрация ионов РОГ~ и Fe+++ достигает порога растворимости, который не зависит от концентраций, т. е. когда[РО~] • [Fe+++]=p.
Это уравнение выражает простой факт, что вино тем больше склонно к кассу, чем выше концентрации ионов фосфорной кислоты и ионов трехвалентного железа, которые связаны различными состояниями равновесия с общими концентрациями фосфорной кислоты и железа. Так, некоторые вина, очень богатые фосфорной кислотой (например, вследствие добавления), склонны к кассу при очень малых дозах железа (нескольких миллиграммов на 1 л). Этим объясняется тот факт.
что избыток одного из реактивов, в данном случае иона фосфорной кислоты, уменьшает растворимость фосфатов. Фактически добавление в сусло фосфата аммония способствует возникновению фосфорно-железного касса просто по закону действующих масс. Например, добавление 100 мг/л фосфорной кислоты может вызвать касс или повысить его интенсивность в такой же степени, как и добавление 10 мг/л железа.
Когда осаждение фосфата железа началось, то по мере того как образованные молекулы становятся нерастворимыми, возникают новые молекулы, и по мере того как ионы трехвалентного железа таким путем включаются в реакцию, они обновляются, чтобы поддерживать равновесие за счет ионов двухвалентного железа и кислорода, находящихся в растворенном состоянии. Ионы двухвалентного железа обновляются сами за счет нераспавшихся молекул соединений двухвалентного железа.
Осаждение прекращается, когда при непрерывном уменьшении концентраций общего железа и ионов трехвалентного железа произведение [РО"] • [Fe+++] будет ниже порога растворимости Р.
2. Образование комплексов трехвалентного железа, не склонных к диссоциации, вызывает значительное новообразование трехвалентного железа, т. е. заметное окисление железа, хотя концентрация [Fe+++] — свободных ионов трехвалентного железа всегда остается очень низкой. Действительно, поскольку ионы трехвалентного железа образуют соединения с очень малой способностью к диссоциации, их концентрация имеет тенденцию к уменьшению, и, чтобы восстановить равновесие, реакция Fe++=f±:Fe+++ перемещается вправо. Образуются новые ионы Fe+++3a счет ионов Fe++ и включаются в комплексы до тех пор, пока снова не будет восстановлено равновесие реакции, показанной выше.
При добавлении в вино органической кислоты окисление железа при прочих равных условиях более значительно, и параллельно склонность к железному, кассу, которая регулируется окислением железа, уменьшается, потому что понижается концентрация ионов трехвалентного железа.
В аэрированном вине железо, входящее в трехвалентные комплексы, так сказать, удалено из состава вина. Оно «блокировано» и может участвовать в реакции только в том случае, когда концентрация ионов трехвалентного железа, уравновешенная комплексами, хотя и очень малая, все же достаточна для возникновения такой реакции. Железо скрыто, замаскировано фосфорной кислотой.
3. Таковы химические явления фосфорно-железного касса, но если он начинается с химических реакций окисления железа (соединения ионов фосфора с ионами трехвалентного железа), то завершается явлением коллоидного характера — флокуляцией коллоида, образующегося в результате этих реакций, причем мутность появляется только при протекании этой флокуляции.
-Если в вино, больное кассом, добавить достаточное количество гуммиарабика, химические реакции белого касса завершаются нормально, но флокуляция и соответственно мутность не появляются. Можно констатировать, что фосфат трехвалентного железа, наверняка, образовался в вине, которое осталось прозрачным, как и в контрольных образцах, ставших мутными, поскольку его можно отделить ультрафильтрацией или добавлением белка (например, желатины), флокуляция которого влечет за собой флокуляцню фосфорно-железного коллоида, встречающегося в геле (взаимная флокуляция двух коллоидов). Так как вина содержат от природы камеди и слизи, то такие защитные явления происходят довольно часто. Они были описаны в предыдущей главе «Коллоидные явления в винах».
Сейчас можно дополнить теорию белого касса. Если при аэрации вина продукт соединения ионов трехвалентного железа с ионами фосфора достигает порога растворимости фосфата трехвалентного железа, молекулы этого соединения должны неизбежно оставлять жидкую фазу, выходить из состояния молекулярного раствора и слипаться между собой, образуя более или менее крупные скопления. По мере того как агломерируются молекулы фосфата трехвалентного железа, образуются новые молекулы, которые снова агломерируются. Но образование этих скоплений необязательно ведет к помутнению вина, потому что они могут быть слишком малыми, чтобы отражать значительную фракцию света. Фосфат трехвалентного железа находится не в истинном растворе, а в коллоидном, который может быть прозрачным. В.целом, когда образуется фосфат трехвалентного железа, при этом необязательно возникновение фосфорно-железного касса и нельзя считать обязательной корреляцию между интенсивностью мутности и количеством образованного фосфата трехвалентного железа.
Чувствительность фосфата трехвалентного железа, находящегося в коллоидном состоянии, к добавлению белков указывает на возможное влияние протеинов, которые находятся почти во всех белых винах. Поскольку в вине они заряжены положительно (pH вина меньше изоэлектрической точки белков), то из этого можно заключить, что фосфат трехвалентного железа представляет собой отрицательный коллоид, что, впрочем, известно и что подтверждает электрофорез и его осаждение ионами металлов.
Таким образом, мы подошли в вопросе белого касса к необходимости рассмотреть термин «растворимость» в трех различных аспектах:
а) растворимость истинная, которая представляет собой максимальную концентрацию вещества и определяется только для чистого продукта, т. е. для раствора, не содержащего ни одного из избыточных ионов; растворимость уменьшается с возрастанием концентрации одного из ионов, входящих в состав соединения; нужно различать растворимость чистой соли и растворимость этой соли в смеси с другими солями, имеющими общий ион;
б) растворимость мнимая, возникающая при образовании комплексов одним из ионов, входящих в нерастворимое соединение; это образование уменьшает концентрацию иона и соответственно продукт Концентрации ионов, входящих как составные части в осадок (продукт), который тем не менее способен достигать порога растворимости;
в) растворимость в виде коллоидного раствора, содержащая агломераты молекул, частицы или мицеллы, рассеянные в жидкости, которая остается прозрачной, но в которой вещество можно рассматривать как нерастворенное, как бы находящееся вне жидкой фазы и не подчиняющееся законам молекулярных растворов.
Идет ли речь об осаждениях трехвалентного железа, которые здесь рассматриваются, или же об обработке вин ферроцианидом, или об обработке вин лимонной кислотой, или каким-либо защитным коллоидом, постоянно применяют термины растворимости и нерастворимости в этих трех различных значениях, между которыми следует проводить четкое разграничение.
Наконец, явления белого, или фосфорно-железного, касса в свете ионной теории, закона движущихся масс, понятия о несовершенных комплексах и химии коллоидов получают простое и логичное истолкование; вне этих положений они представляются непонятными, а часто даже и противоречивыми.
А: После всего вышеизложенного можно представить, как это показано на рис. 12.1, реакции, в которых участвует железо аэрированного вина. Ионы трехвалентного железа направляются в сторону растворимых комплексов, потому что они имеют очень малую константу диссоциации и находятся в равновесии с небольшим числом ионов Fe+++. Но они могут также направляться к малорастворимым веществам, таким, как фосфат трехвалентного железа, потому что он образуется в присутствии также очень малого количества ионов Fe+++. В зависимости от того, входит ли образовавшееся Fe III только в растворимые комплексы или также в нерастворимые соединения, вино остается чистым или мутнеет. Это зависит для данных условий аэрации от содержания фосфорной кислоты, с одной стороны, от содержания веществ, образующих комплекс с железом,— с другой, а также от констант диссоциации этих комплексов.
Схема (см. рис. 12.1) показывает параллелизм между помутнениями, вызываемыми фосфатами и ферроцианидом. Добавление ферроцианида понижает концентрацию ионов Fe+++ и, следовательно, уменьшает возможность образования фосфата трехвалентного железа. Но образование железистосинеродистого железа (III) замедляется диссоциацией комплексов Fe III, по мере того как ионы Fe+++ вступают в железистосинеродистое железо (III). Следовательно, добавление белков с целью вызвать флокуляцию и осаждение железцстосинеродистого железа (III) не должно быть, пока не образуется все коллоидное железистосинеродистое железо (III). В противном случае более или менее значительная фракция может остаться на более или менее длительное время в коллоидном состоянии после обработки и последующего осаждения.
Рис. 12.1. — Схема реакций железа в аэрированных винах.
