Органические кислоты

Глава 3
ОРГАНИЧЕСКИЕ КИСЛОТЫ И ИХ МЕТАБОЛИЗМ
Органические кислоты широко распространены в растительном мире и играют важную роль в обмене веществ растений. Они в значительных количествах содержатся в ягодах винограда и представлены главным образом винной и яблочной кислотами. Лимонной, янтарной, гликолевой, глиоксалевой, щавелевой и других кислот в винограде значительно меньше. Благодаря создаваемой ими кислотности в сусле подавляется развитие болезнетворных микроорганизмов и создаются благоприятные условия для деятельности винных дрожжей. Органические кислоты находятся в определенных соотношениях с сахарами и этим обусловливают приятное вкусовое ощущение.

Образование и превращения органических кислот

Органические кислоты образуются в процессе дыхания растений и являются продуктами неполного окисления сахаров и аминокислот. Вместе с этим они могут служить исходным материалом для биосинтеза углеводов, аминокислот, белков и эфиров.
Ниже приведена схема, которая показывает связь между углеводами, органическими кислотами и белками (цикл трикарбоксильных кислот).
В цикл трикарбоксильных кислот фактически входят и дикарбоксильные кислоты.

Следовательно, справедливо его назвать циклом ди- и трикарбоксильных кислот. В этом цикле последовательно протекают окислительно-восстановительные реакции, в которых происходит перенос электронов, (водорода) под действием специфических дегидрогеназ.
Вначале возникает фосфоэнолпировиноградная кислота из углеводов, которая карбоксилируется в щавелевоуксусную кислоту под действием фермента фосфоэнолпируваткарбоксилазы при участии аденозинтрифосфата (АТФ).

Второй этап — это образование ацетил-КоА из пировнноградной кислоты:

Затем происходят конденсация ацетил-КоА со щавелевоуксусной кислотой и образование лимонной кислоты. Эта реакция катализируется ферментом, который носит название энзима конденсации.
Лимонная кислота под действием фермента аконитазы превращается в цис-аконитовую кислоту, а цис-аконитовая — в изолимонную. Последняя кислота превращается в щавелевоянтарную в присутствии фермента изоцитрикодегидрогеназы и НАДФ. Щавелевоянтарная кислота действием соответствующей карбоксилазы декарбоксилируется в α-кетоглутаровую кислоту. Здесь происходит переход от трикарбоксильных кислот к дикарбоксильным.
Очень сложным процессом является превращение α-кетоглутаровой кислоты в сукцинил-КоА, а затем в янтарную кислоту. Сукцинил-КоА образуется при окислении α-кетоглутаровой кислоты. Затем сукцинил-КоА превращается в янтарную кислоту. Для этого требуются гуанизиндифосфат (ГДФ) и фосфор:

Янтарная кислота под действием сукциндегидрогеназы превращается в фумаровую. Последняя гидратируется в яблочную (в присутствии фумаразы). В заключительной реакции яблочная кислота дегидрируется в щавелевоуксусную, под действием маликодегидрогеназы. На этом цикл замыкается. При каждом обороте происходит отщепление трех молекул СO2 и пяти пар водородных атомов, которые передаются цитохромоксидазной системе для окисления в воду, при этом клетка получает энергию.
Суммарный итог окисления пировиноградной кислоты представляется в следующем виде:

При окислении одной молекулы пировиноградной кислоты через цикл Кребса выделяется свободная энергия, равная 889,5 кДж/моль.

С помощью каталитического действия цикла Кребса осуществляется окисление не только продуктов распада углеводов, но также жиров и белков. Как видно из цикла ди- и трикарбоксильных кислот, образующиеся продукты распада белков — аминокислоты — входят в этот цикл. В результате прямого аминирования или переаминирования из кетокислот (пировнноградной, щавелевоуксусной, α-кетоглутаровой) образуется целый ряд аминокислот (аланин, аспарагиновая и глютаминовая кислоты, гистидин, аргинин, тирозин, фенилаланин и др.).
Таким образом, при превращении отдельных органических кислот образуются различные продукты, т. е. углеводный и белковый обмен связываются в одно целое.
Почти все кислоты ди- и трикарбоксильных циклов встречаются в винограде, за исключением цис-аконитовой и щавелевоянтарной, которая в растительном мире еще не обнаружена.
Ф. Драверт и Г. Стефан (1965) исследовали биохимические и физиологические процессы при созревании винограда. Они изучали превращения введенных меченых соединений С14-глюкозы, С14-винной, С14-яблочной, С14-уксусной, С14-глютаминовой кислот и С14O2 в созревающих ягодах винограда. Этим они установили превращение винной и яблочной кислот. Винная кислота расходуется главным образом на дыхание, а яблочная, кроме дыхания, идет еще и на образование сахаров, органических кислот и аминокислот. Из глютаминной кислоты и глюкозы образуются винная и уксусная кислоты, уксусная потом превращается главным образом в яблочную по циклу Кребса через ацетил-КоА.
Эти авторы считают, что количество яблочной кислоты в процессе созревания значительно уменьшается.
Ф. Драверт и Г. Стефан (1966) вводили в виноград яблочную кислоту, меченую в 3—С14, в начале его созревания и после 64 ч выдержки в темноте нашли 25% меченого сахара.
До 1970 г. было проведено много работ по изучению органических кислот в процессе созревания винограда. К ним относятся работы Η. М. Сисакяна, И. А. Егорова, Б. Л. Африкян; В. В. Вильямса, В. М. Лозы и Е. Е. Елецкого; Л. Женевуа; Е. Пейно и А. Мурье; Ж. Риберо-Гайона, М. Амерайна и А. Уинклера, Ж. Карль и М. Ламазу-Бетбедера, З. Никовой и др.
Исследования, проведенные в 1957 г. А. К. Родопуло на шампанских сортах, произрастающих в Грузинской ССР, показали, что содержание органических кислот и углеводов в процессе созревания винограда изменяется (табл. 3).
Так, титруемая кислотность с 35,7 (20/VII) уменьшается к 5/Х до 6,5 г/л. В винограде, собранном 20/VII, в наибольшем количестве содержатся винная и яблочная кислоты, а лимонная, янтарная, щавелевая и пировиноградная кислоты — в незначительном количестве.
В процессе созревания винограда количество винной и яблочной кислот значительно уменьшается, особенно яблочной. Очевидно, она сильнее, чем винная, окисляется и интенсивнее участвует в окислительных процессах. Незначительно уменьшается содержание янтарной и щавелевой кислот. Количество лимонной кислоты в процессе созревания винограда все время увеличивается, хотя это увеличение небольшое. При технической зрелости винограда (к 20/IX) содержание лимонной кислоты увеличивается и достигает максимума, тогда как количество всех остальных кислот уменьшается.
На основании полученных данных можно предположить, что превращение органических кислот протекает по циклу ди- и трикарбоксильных кислот.
Нами в винограде были найдены и дегидрогеназы яблочной, лимонной и янтарной кислот, а также пировиноградная, щавелевоуксусная и α-кетоглутаровая кислоты.

Таблица 3
СОДЕРЖАНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ КИСЛОТ В ПРОЦЕССЕ СОЗРЕВАНИЯ ВИНОГРАДА СОРТА ЧИНУРИ

При физиологической зрелости винограда (к 5/Х) наблюдается уменьшение количества винной, яблочной, янтарной и щавелевой кислот, содержание лимонной также уменьшается. Следует отметить, что по динамике накопления лимонной кислоты можно определять техническую и физиологическую зрелость винограда.
Соотношение количества винной и яблочной кислот меняется в ходе созревания. У незрелого винограда это соотношение составляет примерно единицу, а в процессе созревания оно увеличивается. При технической зрелости соотношение между винной и яблочной кислотами меньше 2, а при физиологической — больше 2.
М. Амерайн наблюдал, что в незрелом винограде соотношение между винной и яблочной кислотами составляет от 0,7 до 1,2, а в зрелом винограде больше 2 [97].

В последнее время изучались [92] функции отдельных кислот в сусле и вине. При этом установили, что большое значение имеет яблочная кислота. Другие исследователи считают, что при созревании винограда и приготовлении вина имеет значение винная и яблочная кислоты. Содержание винной кислоты мало зависит от климатических условий. Она микробиологически более устойчива и как наиболее сильная регулирует в вине соотношение кислот и солей и, следовательно, концентрацию водородных ионов, что и определяет ее значение при производстве вин. Яблочная кислота имеет большее значение при созревании винограда, чем при приготовлении вина, она играет важную роль в обмене веществ растения.
Т. Джонсон, С. Нагель [123] изучали содержание органических кислот винограда сорта Фоси, Либерге, Конкорд, Шардоне и Мюллер-Тургау, произрастающих в США. Результаты их исследований приведены в табл. 4.

Таблица 4
СОДЕРЖАНИЕ НЕКОТОРЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ КИСЛОТ И ТИТРУЕМАЯ КИСЛОТНОСТЬ В ПРОЦЕССЕ СОЗРЕВАНИЯ ВИНОГРАДА СОРТА ШАРДОНЕ

Эти исследователи проводили анализы в ранней стадии завязывания ягод (11 /VII) и смогли показать, что в процессе роста винограда содержание яблочной и винной кислот увеличивается. Для сорта Шардоне это увеличение продолжается до 8/VIII, а для сорта Мюллер-Тургау до 25/VII, после чего количество обеих кислот уменьшается, при этом интенсивность падения неодинакова. Количество яблочной кислоты уменьшается более интенсивно, чем винной. Отмечено также, что в сорте Мюллер-Тургау уменьшение количества яблочной кислоты происходит более интенсивно, чем в сорте Шардоне. Это свидетельствует о том, что сорт Шардоне более кислотоустойчив, чем сорт Мюллер-Тургау, поэтому из него получаются высококачественные шампанские виноматериалы. Сорт Мюллер-Тургау менее кислотоустойчив и из него получаются хорошие крепленые марочные вина.
Титруемая кислотность также быстрее уменьшается у сорта Мюллер-Тургау, поэтому в момент его созревания она меньше, чем у сорта Шардоне.
Изменение содержания органических кислот зависит от сорта винограда и экологических условий.
Таким образом, определяя скорость уменьшения количества яблочной и винной кислот, а также изменение титруемой кислотности, можно определять хозяйственную пригодность данного сорта винограда для выбора типа приготовляемого из него вина.
Т. Джонсон и С. Нагель [123] изучали также содержание лимонной кислоты. Ее количество в винограде не превышает 2%, а остальных кислот — 0,5% от общей кислотности. В процессе созревания винограда pH увеличивается в зависимости от содержания в нем свободных кислот и их солей.
Из работ Ж. Риберо-Гайона, а также В. Клиевера и др. [126] следует, что в районах с жарким климатом в винограде превалирует винная кислота, а в холодных, северных и высокогорных районах накапливается яблочная кислота.
Влияние температуры на образование органических кислот и углеводов долгое время оставалось неясным. Однако с применением изотопного метода удалось этот вопрос разрешить. Виноградная лоза в процессе созревания ягод подвергалась действию С14O2 и культивировалась как в темноте, так и на свету при температуре от 10 до 37°С. Было отмечено, что при низкой температуре (10—15°С) количество С14, входящего во фракцию органических кислот, было в 2—3 раза больше, чем в ягодах, созревших при температуре 30—37°С. Увеличение температуры с 10 до 25°С приводит к накоплению С14 в винной и лимонной кислотах, но при температуре 30—37°С количество его уменьшается, так как накопление этих кислот идет медленнее.
Содержание яблочной кислоты в зеленых ягодах мало возрастает с повышением температуры от 10 до 25°С. Дальнейшее повышение температуры вызвало уменьшение ее количества. Низкие температуры ночью стимулируют образование органических кислот, а высокие (30°С и выше) уменьшают. В зеленых ягодах винограда углерод С14 преобладает в основном в органических кислотах, в созревших ягодах около 80% его входит во фракцию углеводов.
Исходя из полученных данных можно заключить, что в зеленых ягодах при температуре 10—15°С ночью происходит синтез органических кислот, а при высокой температуре (30—37°С) днем — синтез углеводов.