Сернистую кислоту с давних пор применяют в виноделии на всех этапах приготовления вина, благодаря ее антисептическому и антиоксидантному действию.
Сернистая кислота в сусле и вине образует 4 формы: газообразный сернистый ангидрид — SO2, сернистую кислоту — H2SO3, которая быстро диссоциирует с образованием ионов бисульфита HSO-3 и сульфита SO2.
Антисептическую роль приписывают недиссоциированной форме сернистой кислоты H2SO3 и в меньшей степени и HSO3-.
Этих активных форм в сульфитированном сусле и вине очень мало. Содержание их зависит от pH и температуры среды. В вине, содержащем 50 мг/л свободной SO2, при pH 2,8 в активной форме находится около 4 мг/л, при pH 3,3—1,5 мг/л, а при pH 3,7 — всего лишь 0,6 мг/л.
Таким образом антисептическое действие зависит главным образом от pH среды. Вино и сусло с более высокой кислотностью лучше защищаются сернистой кислотой от развития в них вредных микроорганизмов, а также от окисления.
Антисептическое действие связано со свободной сернистой кислотой, пока она является недиссоциированной.
Ее действие против культурных дрожжей вида Sacch. vini значительно слабее, чем против диких дрожжей и бактерий, поэтому она непригодна для стабилизации полусладких и сладких десертных вин, содержащих большое количество сахара. Для задержания брожения необходимы высокие дозы сернистой кислоты (до 450—500 мг/л). Известно, что такие дозы вредны для человеческого организма.
Действие сернистой кислоты заключается в том, что в ее присутствии протекает чистое брожение на культурных дрожжах. Известно, что микроорганизмы обладают различной устойчивостью к сернистой кислоте. Наиболее чувствительны к ней уксусные и молочнокислые бактерии, малоустойчивы плесени, а также Sacch. apiculatus, микодерма и другие дикие дрожжи. Sacch. vini выносят довольно большие количества сернистой кислоты от 170 до 200 мг/л, a Sacch. torula — до 400 мг/л. По другим данным (Шан- дерль, 1967), Sacch. vini выносят до 500 мг сернистой кислоты.
Токсическое действие сернистой кислоты зависит от физиологического состояния дрожжей. В стадии почкования и брожения они более устойчивы, старые и голодающие дрожжи погибают даже при низкой ее концентрации.
Сернистая кислота оказывает защитное действие против энзиматических окислений. Она ингибирует действие оксидаз, в частности о-диффенолоксидазу; в этом заключается ее основная роль как антиоксиданта. Кроме того, она потребляет часть растворенного кислорода для собственного окисления в серную кислоту. Этот процесс усиливают соли тяжелых металлов (ионы железа). Поэтому удаление железа из вина желтой кровяной солью способствует сохранению сернистой кислоты в вине. Сернистая кислота значительно снижает редокспотенциал в молодых винах (на 60—65 мг), так как обладает восстановительными свойствами. В присутствии сернистой кислоты в сусле и вине образуется, окислительно-восстановительная система: сульфит↔сульфат с потенциалом около 200 мВ.
Сернистая кислота действует и как акцептор кислорода, вследствие чего происходит уменьшение количества кислорода в среде, что препятствует развитию аэробных микроорганизмов.
Дрожжи Sacch. vini также испытывают недостаток кислорода. Однако они переходят к анаэробному обмену веществ, т. е. к брожению.
Механизм антисептического действия сернистой кислоты еще окончательно не установлен. Большинство исследователей считают, что эта кислота способна блокировать некоторые энзимы, особенно окислительные ферменты, как, например, дегидрогеназы. Сернистая кислота парализует клеточную функцию дрожжей. По данным Ж. Риберо-Гайона и др. [74], 100 mг/л сернистой кислоты блокирует дыхание дрожжей на 40%. Антисептическое действие сернистой кислоты заключается в том, что она предохраняет сусло от самопроизвольного забраживания в резервуарах для осветления и очищения от мути и слизистых веществ. В процессе отстаивания взвешенные частицы оседают на дно и увлекают с собой постороннюю микрофлору — дикие дрожжи, бактерии и плесени. Технологическое значение сернистой кислоты состоит в том, что благодаря ее присутствию вся микрофлора сусла погибает и брожение сусла осуществляется на чистой культуре дрожжей.
Считают, что сернистая кислота стимулирует алкогольное брожение (Кордонье, 1959). Объясняется это тем, что, во-первых, эта кислота разрушает некоторые вещества, которые ингибируют спиртовое брожение, подавляет рост бактерий и других микроорганизмов, которые ассимилируют витамины и другие вещества, стимулирующие размножение дрожжей. При сульфитации сусла эти вещества сохраняются и используются культурными дрожжами. Во-вторых, возможно, что сера, входящая в сернистую кислоту и сульфиты, образует сульфгидрильные соединения — цистеин и глютатион, которые активируют алкогольдегидрогеназу и другие дегидрогеназы, участвующие в активации алкогольного брожения.
Сернистая кислота не только как антисептик, но как ингибитор подавляет действие окислительных ферментов и препятствует образованию окрашенных продуктов, портящих вкус и букет столовых вин.
Сторонником применения сернистой кислоты в СССР является М. А. Герасимов (1955). Его первые исследования показали, что использование сернистой кислоты при отстаивании сусла имеет ряд преимуществ. Сусло очищается от вредных микроорганизмов, улучшается качественный состав вина, повышается количество глицерина, экстрактивных веществ и понижается содержание летучих кислот. С помощью сернистой кислоты можно регулировать алкогольное брожение.
Помимо антиоксидатного и антисептического действия, сернистая кислота обладает еще и другими ценными свойствами. При добавлении в сусло она способствует его осветлению вследствие коагуляции отрицательно зараженных коллоидов, повышает кислотность, а также увеличивает извлечение красящих веществ из кожицы винограда.
Главным свойством сернистой кислоты в винах является связывание ее с карбонильными соединениями, в частности главным образом с уксусным альдегидом и. диацетилом, которые портят вкус и букет вина. Сернистая кислота как бы очищает вино от посторонних веществ и при этом яснее чувствуются характерные цветочно-фруктовые тона.
В сусле и вине сернистая кислота находится еще и в соединении со многими важными компонентами, а именно с альдегидами, кетокислотами, красящими веществами и сахарами. Главнейший из них — это альдегид сернистая кислота.
Реакция образования альдегид сернистой кислоты следующая:
Исходя из молекулярных масс, 64 мг сернистой кислоты связывают 44 мг уксусного альдегида. Хотя константа диссоциации альдегид сернистой кислоты незначительная (2,4 ·10-6), количеств во свободной сернистой кислоты в присутствии уксусного альдегида в вине не превышает 1—3%. Однако все же при выдержке вина (вследствие уменьшения количества свободной сернистой кислоты) происходит частичный распад альдегид сернистой кислоты и освобождается небольшое количество сернистой кислоты. Повышение температуры до 35°С заметно не изменяет константу диссоциации.
Скорость связывания ацетальдегида с сернистой кислотой зависит главным образом от pH вина. При pH 1,0 реакция протекает интенсивно и заканчивается за 24 ч; при pH 3,3 она протекает на 98% за 90 мин и заканчивается за 5 ч, а при pH 7 связывание происходит за несколько минут.
При выдержке вина вследствие постепенного уменьшения содержания свободной сернистой кислоты происходит распад альдегид сернистого соединения и освобождение новых порций сернистой кислоты, которые расходуются на другие процессы.
Таким образом, введенная в сусло и вино сернистая кислота частично окисляется в серную, большая часть вступает в соединение с компонентами вина, а остальная часть находится в свободном состоянии. Причем свободная сернистая кислота находится в равновесии между связанными и свободными ее формами.
Главными соединениями, которые связывают сернистую кислоту, являются уксусный альдегид, пировиноградная и α-кетоглутаровая кислоты. Образование этих трех соединений зависит от вида применяемых дрожжей. Исходя из этого, были изучены дрожжи вида Sacch. cerevisiae и Sacch. oviformis при ферментации виноградного сусла. Установлено, что дрожжи вида Sacch. oviformis образуют больше уксусного альдегида и кетокислот, которые связывает значительные количества сернистой кислоты.
В 1964 г. И. Боцило было проведено изучение содержания уксусного альдегида и сернистой кислоты более чем в 100 образцах белых и красных вин Югославии. Анализы показали, что накопление уксусного альдегида в вине прямо пропорционально концентрации сернистой кислоты, введенной в сусло. Исходя из этого, автор рекомендует сульфитировать сусло минимальными количествами сернистой кислоты до начала брожения. При введении больших количеств сернистой кислоты происходит накопление альдегидов и дикетонов (главным образом диацетила), портящих вкус и букет вина, т. е. накопление альдегидов и кетонов зависит от содержания сернистой кислоты в бродящем сусле.
Способность дрожжей к образованию сернистой кислоты стала известна в науке в последнее двадцатилетие, когда Г. Шандерль [96] показал, что винные дрожжи способны восстанавливать сульфаты и тиосульфаты в сульфиты.
Источником образования сульфитов может служить элементарная сера, применяемая для опрыскивания виноградников. Восстановление сульфатов в сульфиты зависит от штамма дрожжей, как Sacch. baynus образует в молодом вине значительно больше сернистой кислоты, чем Sacch. cerevisiae [113].
Образование дрожжами сернистой кислоты в процессе спиртового брожения было изучено на 123 штаммах дрожжей. Установлено, что только небольшая часть штаммов (около 2%) заметно повышает количество сернистой кислоты в процессе брожения (свыше 50 мг/л); 5% штаммов — до 21—50 мг/г, а 15% —до 11— 20 мг/л. Остальные 78% штаммов дрожжей образуют незначительное количество сернистой кислоты (от 1 до 10 мг/л) [107].
Дрожжи Carlsbergensis образуют наибольшее количество/сернистой кислоты при алкогольном брожении. Превращение сульфатов в сульфиты было показано меченой серой [118].
Винные дрожжи в облигатно-анаэробных условиях способны восстанавливать сернистую кислоту в сероводород и даже до элементарной серы по реакции: 2H2S + SO2→3S + 2Η2O.
- При прохождении этой реакции запах сероводорода исчезает и элементарная сера выпадает в осадок.
Недавно были выделены анаэробные бактерии, которые восстанавливают сульфат до сероводорода при одновременном окислении уксусной кислоты [177] по реакции:
CH3COOH+SO4→2HCO3 + H2S. Полагают, что это процесс не энзиматический и что эту реакцию стимулируют восстановленные вещества, такие, например, как цистеин [167].
Многие исследователи считают, что образование сернистой кислоты и сероводорода является восстановительным процессом и в реакции участвуют следующие метаболиты: восстановление сульфатов в сульфиты протекает через аденозин-5-фосфосульфат (APS) и З-фосфоаденозин-5-фосфосульфат (PAPS) [112]. Для восстановления сернистой кислоты до сероводорода необходим НАДФ-Н2, цистеин может быть предшественником сероводорода. Так, дрожжи способны разложить цистеин до сероводорода, пировнноградной кислоты и аммиака. Метионин ингибирует образование сероводорода. Образование сероводорода зависит от недостатка в дрожжах пантотената и пиридоксина, что связано с восстановлением сернистой кислоты в сероводород.
