Производство вина способом углекислотной мацерации - Анаэробный метаболизм винограда

Под анаэробным метаболизмом винограда понимают совокупность процессов, протекающих в целых ягодах, помещенных в атмосферу, лишенную кислорода или даже с некоторой концентрацией углекислого газа, а также в жидкость, не содержащую кислорода.
Этот термин объединяет очень различные реакции, такие, как образование спирта и вторичных продуктов; образование летучих веществ; превращение яблочной кислоты; протеолиз; пектолиз; явления диффузии вакуолярных веществ, вызываемые изменением тканей и клеточных перегородок и выражающиеся растворением фенольных соединений.
В табл. 6.1, в которой сравниваются результаты анализов винограда до или после анаэробной фазы (в течение 8 дней), дан баланс этих превращений.
Первыми явлениями, которые нужно исследовать, являются поглощение или выделение ягодой углекислого газа.

Таблица 6.1
Изменение состава винограда в анаэробиозе

Газообмен винограда с внешней средой

Анаэробиоз вокруг винограда можно получить различными способами: продувкой углекислого газа, азота или другого инертного газа или просто в атмосфере закрытого помещения за счет поглощения кислорода и выделения углекислого газа ягодами. Но какова бы ни была форма анаэробиоза, конечный результат превращений остается почти тем же самым.
В атмосфере углекислого газа уже в течение первых часов констатируют проникновение его в виноград (Шамбруа, 1971). Это поглощение зависит от температуры: при 35°С ягоды растворяют углекислый газ в количестве 10% от их объема, при 25°С — 30% и при 15°С — 50%.
Часть растворенного углекислого газа используется ферментативными системами ягоды. Этот газ обнаруживают методом меченого радиоактивного углерода, вводимого в различные субстраты, особенно в яблочную кислоту, а также в янтарную кислоту, аминокислоты, сахара, в этанол (Фланзи и сотрудники, 1969), следовательно, углекислый газ участвует в анаэробном метаболизме виноградной ягоды.

Рис. 6.1. Кривые газообмена винограда, помещенного в закрытую камеру в атмосфере углекислого газа:
1 — поглощение углекислого газа; 2— выделение углекислого газа; 3 — экспериментальная кривая (результирующая явлений поглощения и выделения); 4 — уровень атмосферного давления.

Рис. 6.2. Кривые образования этанола во время внутриклеточного брожения винограда в зависимости от температуры (Журэ, 1971), °С:
1 — 15; 2 — 25; 3 — 35.

Одновременно с поглощением углекислого газа виноград с момента его помещения в анаэробные условия становится источником выделения этого же газа. Это выделение происходит в результате дыхания, когда плод помещен в закрытую оболочку, или вследствие внутриклеточного брожения, когда виноградные ягоды помещают непосредственно в анаэробиоз. Это выделение углекислого газа почти компенсирует объем CO₂, поглощенного в течение 24 ч при 25°С (рис. 6.1).

Внутриклеточное брожение: образование этанола и вторичных продуктов

Со времени наблюдений Берара относительно выделения углекислого газа плодами многие авторы занимались проблемой брожения сочных плодов, помещенных в анаэробиоз. Образование спирта было проверено в условиях строгой асептики, в отсутствие дрожжей.
Обычно считали, что классическая схема спиртового брожения применяется к разложению углеводов в собственном брожении тканей. Образование этанола ограничено; для семи сортов винограда Пейно и Гимберто (1962) определили содержание спирта 1,2—2,5%об. на 1 л виноградного сока. Для 32 сортов Андрэ (1971) отметил образование спирта от 0,44 до 2,20% об. Для одного и того же сорта оно может немного изменяться по годам, например у сорта Кариньян оно за шесть лет было в пределах от 1,21 до 1,50% об.
Образование этанола происходит постепенно и в большей степени зависит от температуры (рис. 6.2). При повышенной температуре максимум его образования достигается раньше, но его абсолютное значение меньше, чем при более низких температурах.
Хотя это и трудно определить путем анализа, но, вероятно, при превращении сахара в спирт, выход его будет примерно таким же, как и при брожении на дрожжах. В среднем на образование 1% об. спирта расходуется 18,5 г сахара. Образование 1,45—2,42 г глицерина, 21—46 мг ацетальдегида, около 300 мг янтарной кислоты, от 40 до 60 мг уксусной кислоты, постоянных вторичных продуктов, которые происходят в результате глицерино-пировиноградного брожения, показывает, что химический механизм этого явления идентичен механизму спиртового брожения с помощью дрожжей. Просто часть глицерино-пировиноградного брожения будет более значительной. По данным Журе (1971), отношение глицерин/этанол выше, чем при брожении на дрожжах. Молочная кислота при этом не обнаружена.

Ароматические вещества и летучие продукты

Начиная с первых опытов по выработке вина путем сбраживания цельного винограда в атмосфере углекислого газа, многие экспериментаторы обращали внимание на особый аромат таких вин. Но еще нет достаточной ясности, какая доля в образовании этого аромата приходится на внутриклеточные процессы и какая на действие дрожжей. В бродильных чанах не возможно исключить участие дрожжей, но это можно сделать в лабораторных условиях.
Пейно и Гимберто (1962) провели в этих условиях следующие наблюдения: через 8 дней анаэробиоза в отсутствие дрожжей у отверстия флаконов ароматы, выделяемые цельными виноградными ягодами, бывают слабые и не всегда приятные. В атмосфере азота обычно отмечаются травянистые, окисленные, даже сероводородные запахи. В атмосфере углекислого газа сорта Каберне Совиньон и Пти Вердо выделяют тонкий, но более интенсивный аромат, напоминающий запах выброженной мезги. Другие сорта района Бордо характеризуются травянистым запахом, иногда довольно нейтральным. Аромат белого винограда накапливает лисий запах. Кроме того, виноград всех сортов имеет острый привкус, вызываемый присутствием в мякоти углекислого газа.
Можно также указать на исчезновение ароматических веществ, которые обычно находятся в кожице. Спиртовые экстракты кожицы виноградных ягод тонких сортов всегда обладают ароматом свежего винограда, маслянистого и зрелого, часто напоминающим запах черной смородины или вишни. Ароматы винограда, остающегося в анаэробиозе, не улучшаются, наоборот, наблюдается явное уменьшение интенсивности запахов; более того, часто появляются травянистые тона. Если в анаэробиозе и происходят превращения эфирных масел, то это, по-видимому, не оказывает благоприятного действия. С развитием приятного аромата при приготовлении вина способом углекислотной мацерации сопоставление наблюдений позволяет сделать вывод, что это улучшение связано в данном случае прежде всего с вмешательством дрожжей.

Метаболизм яблочной кислоты

Гарино-Канина сообщил об уменьшении содержания яблочной кислоты в свежем винограде в результате внутриклеточного дыхания. Пейно и Гимберто (1962) наблюдали, что содержание винной и лимонной кислот в винограде в фазе анаэробиоза остается постоянным, тогда как процентное содержание яблочной кислоты всегда заметно уменьшалось, в особенности у винограда красных сортов. Сейчас этот факт полностью подтвержден. Это уменьшение составило 32% для Пти Вердо, 42% —для Каберне фран и, по данным Андрэ (1971), 15%—для сорта Гре-наш серый и 57% —для сорта Гренаш черный. Разложение колеблется в зависимости от сорта; зато оно почти не изменяется в зависимости от года. Если подсчитать среднее содержание яблочной кислоты для семи сортов района Бордо, которое соответственно равно 39,2 мг-экв/л для контрольного образца и 27,1 мг-экв/л для винограда в углекислом газе, то нетрудно заметить, что средняя потеря яблочной кислоты составляет 31% от ее исходного содержания; потери в атмосфере азота значительно меньше.
Исчезновение яблочной кислоты находится в зависимости прежде всего от температуры, которая регулирует скорость и пределы этого процесса (рис. 6.3). Так, для сорта Кариньян измерения показали следующие потери ее: 59% при 35°С; 26% при 25°С и 14% при 15°С. Это наблюдение имеет очень важное значение для применения способа углекислотной мацерации.
Какой же механизм является основой такого более или менее глубокого разложения яблочной кислоты? К ферментам, имеющим способность метаболизировать яблочную кислоту, относятся следующие:
яблочнокислая дегидрогеназа, которая дает реакцию
Яблочная кислота + NAD
Щавелевоуксусная кислота + NADH2;
яблочный фермент, который вызывает превращение:
Яблочная кислота + NADP *± Пировиноградная кислота + CO₂ + NADPH2, или
Яблочная кислота + NAD * Пировиноградная кислота + CO₂ + NADH2.
Яблочнокислая дегидрогеназа требует присутствия воздуха; яблочный фермент может действовать в анаэробиозе. Для клеток, обладающих карбоксилазой (дрожжи, растительные ткани), можно сформулировать следующую гипотезу: пировиноградная кислота, получающаяся из яблочной, будет декарбокснлнрована, и образованный ацетальдегид будет восстановлен в этиловый спирт, что можно записать так:
Пировиноградная кислота
Ацетальдегид + CO₂; Ацетальдегид + NADH2 *± Этиловый спирт + NAD.
Можно предполагать, что известно спиртовое брожение яблочной кислоты, так же как известно молочнокислое брожение этой кислоты. В данном случае оно частичное, обусловленное, несомненно, высоким содержанием яблочного фермента в клетках винограда.
Среди других органических кислот отмечено и образование около 1 мг-экв/л хинной и шикимовой кислот (Фланзи и сотрудники 1967) и уменьшение аскорбиновой кислоты при удлинении анаэробиоза.

Рис. 6.3. Разложение яблочной кислоты в винограде под углекислым газом в зависимости от температуры (Фланзи, 1971), °С:
1 — 15; 2 — 25; 3 — 35.

Изменения азотистых веществ

Этот процесс изучен намного меньше. Известно, что при переводе в раствор азотистых веществ содержание общего азота слегка повышается — примерно от 50 до 100 мг/л, при этом количество аммонийного азота вначале возрастает, затем уменьшается. Содержание амидного азота имеет тенденцию к повышению. Фланзи (1971) сообщает об увеличении содержания большой части аминокислот: тирозина, лизина, гликокола, лейцина, валина, изолейцина, фенилаланина, аргинина, гистидина. И наоборот, аспарагиновая и глутаминовая кислоты почти полностью исчезают. Пейно и Гимберто (1962) проследили также изменение свободных аминокислот во время анаэробного превращения. Оказалось, что изменения выражены относительно слабо: заметно возрастает только содержание валина и тирозина, тогда как глутаминовая кислота исчезает, и несколько уменьшается содержание пролина. Количество других аминокислот остается без изменений.
Пока что нельзя сказать, происходит ли указанное выше увеличение содержания отдельных аминокислот в результате растворения твердых частей винограда или вследствие возможного протеолиза.
Собственное брожение винограда сопровождается гидролизом пектинов клеточных перегородок под воздействием пектинметилэстеразы. При этом изменяется консистенция ягоды и в среду высвобождается метанол (до 80 мг/л), что соответствует гидролизу приблизительно 0,5 г чистого пектина.

Явления мацерации

Мацерация характеризуется растворением веществ, находящихся в твердых частях винограда. В результате во время анаэробиоза наблюдают небольшое увеличение содержания азота, иногда минеральных веществ, полифенолов и особенно увеличение интенсивности окраски за счет растворения антоцианов. Усиление окраски у некоторых сортов бывает довольно значительным. Виноградный сок после нескольких дней пребывания без доступа кислорода может иметь почти такой же цвет, как вино. Но это справедливо не во всех случаях, и чаще всего отжатый сок имеет лишь розовую окраску. Показатель, выражающий оттенок, после мацерации становится ниже вследствие усиления красного компонента окраски.
Бурзекс (1971) исследовал диффузию фенольных соединений. Их общее содержание в жидкой фазе винограда сначала возрастает медленно, затем быстрее, в дальнейшем оно стабилизируется с тенденцией к снижению. Из 4 г фенольных соединений, содержащихся в винограде, в соке находится только 0,7 г. Температура является очень важным фактором их растворения. Она влияет одновременно и на скорость растворения, и на количество растворенных веществ. Аналогично изменяется содержание антоцианов (рис. 6.4). Из 1650 мг антоцианов, которые находятся в кожице 1 кг свежего винограда, около 150 мг переходят в сусло. Моногликозид мальвидола, которого больше всего среди антоцианов, переходит в жидкую фазу первым. Хорошо растворяются хлорогеновые кислоты, но этого нельзя сказать про катехины, особенно локализованные в семенах.

Рис. 6.4. Кривая, показывающая растворение антоцианов винограда сорта Кариньян, находящегося под углекислым газом при 35°С (Бурзекс, 1971).

Анаэробиоз в жидкой фазе

В чане при углекислотной мацерации цельные ягоды винограда могут находиться погруженными в газовую или жидкую фазу; последнюю представляет сусло от раздавленных ягод. Бюрэ (1971) наблюдал, помещая свежий виноград в простую жидкую среду, образование этанола и частичное исчезновение яблочной кислоты. Эти реакции, характерные для анаэробиоза, подтверждают существование внутриклеточного брожения в жидкой среде.
Кроме того, отмечают факт некоторой диффузии в раствор образовавшегося спирта и яблочной кислоты, сахаров и фенольных соединений виноградных ягод. По всей вероятности, эти явления происходят при брожении в чанах.
Однако диффузия протекает в двух направлениях: ягоды, помещенные в атмосферу, содержащую пары спирта, или в насыщенную спиртом среду, например в вино, обогащаются этанолом.