Производство вин основано на биохимическом процессе алкогольного брожения сусла. Благодаря наличию в среде комплекса бродильных ферментов дрожжей (около 90) углеводы превращаются в этиловый спирт, диоксид углерода, вторичные и побочные продукты. В живой дрожжевой клетке непрерывно протекает синтез ферментов, причем только тех, которые обладают соответствующими генами. Их количество в клетке изменяется в соответствии с химическими и физическими свойствами среды. На жизнедеятельность дрожжей влияют следующие факторы: физические (внешние условия), химические (состав среды) и биологические (присутствие микрофлоры).
Физические факторы.
Низкая температура задерживает брожение. Высокая также приостанавливает развитие дрожжевых клеток, особенно во время самонагрева среды при экзотермических реакциях брожения. При высокой температуре сусло бурно бродит, происходят частичное улетучивание ароматических веществ, потери спирта, ослабление дрожжей, в результате получают недоброды. Оптимальная температура сбраживания сусла 15...20°C, для мезги по красному способу 28...30°C, что ускоряет экстракцию фенольных веществ из кожицы.
Химические факторы.
Кислород нужен дрожжам только во время размножения. Сахар сусла особенно не влияет на дрожжевые клетки (за исключением высоких доз — более 30 г/100 см3). Значительно сильнее действует на них спирт, концентрация которого постоянно возрастает. Фактический выход безводного спирта из 1 г/100 см3 сахара составляет 0,6 мл (теоретический выход — 0,6479 мл). Дикие дрожжи выдерживают концентрацию спирта не более 4% об., культурные — до 14% об. и погибают при спиртуозности 18% об. В пределах pH 2,7...4, обычных для сусла, дрожжи особых затруднений при брожении не испытывают. Бактерии подавляются при низких значениях pH, поэтому вероятность сбраживания сусла на ЧКД выше. Диоксид углерода, выделившийся в результате брожения, особенно не влияет на ход процесса. Однако в закрытых сосудах дрожжи угнетаются при давлении 0,4 МПа, брожение приостанавливается при 0,8, дрожжи погибают при давлении 3,2 МПа.
Основным элементом питания для дрожжей во время брожения служат азотистые вещества, в достатке содержащиеся в виноградном сусле (0,5... 1 г/дм3). Если вырабатывают вина с неполным циклом брожения сусла (полусладкие), то прибегают к истощению азотом, останавливая тем самым процесс.
Из минеральных элементов на жизнедеятельность Дрожжей наибольшее влияние оказывает фосфор. Иногда его дозируют в виде фосфата аммония. Дрожжи лучше развиваются в присутствии марганца, железа, меди и витаминов.
Биологические факторы.
В отжатый сок попадает огромное количество микроорганизмов. В результате естественного отбора некоторые прекращают свое развитие. Часть бактерий подавляют диоксидом серы. Устойчивые виды дрожжей вступают в борьбу за овладение средой. Как правило, это спиртоустойчивые быстро размножающиеся расы, которые подавляют развитие диких. Между расами дрожжей Saccharotnyces также существует антагонизм, поскольку дрожжи фенотипа убийц (киллер- фактор) при брожении овладевают средой.
При неблагоприятных условиях внутри клетки образуются споры с плотной оболочкой и большой сопротивляемостью. Они сохраняют дрожжи в природе. Дрожжи, попавшие в благоприятные условия, быстро размножаются (в течение 1 сут образуется около 5000 новых клеток). За 2...3 ч новая клетка достигает величины материнской, отделяется и начинает размножаться. В процессе жизнедеятельности дрожжей различают три периода брожения.
Скрытое брожение (первый период). Внешне ничем не проявляется, но под микроскопом видно, что идет усиленное размножение клеток. В данное время нужен аэробный режим (доступ кислорода). Когда численность клеток за 1 сут достигает 2 млн/мл, брожение заметно активизируется, накапливаются глицерин и прочие вторичные продукты.
Бурное брожение (второй период). Происходит усиленная бродильная деятельность: заметно повышается температура, сахар превращается в спирт, бурно выделяется диоксид углерода, увеличивается концентрация биомассы, продолжают накапливаться вторичные продукты. Продолжительность периода — 2...7 сут. При этом сбраживается основное количество сахара— 10 ...15 г/100 см3.
Тихое брожение (третий период). Дрожжи замедляют свою деятельность, голодают, поскольку концентрация элементов питания падает, брожение затухает. В результате температура быстро понижается, что грозит остановкой брожения и получения недобродов. Указанный период самый длительный — 7 ... 14 сут. Количество сбраживаемого сахара — 3 г/100 см3.
Процесс брожения.
Спиртовое брожение — один из путей анаэробного превращения углеводов, механизм которого определен последовательностью реакций и превращением глюкозы в пировиноградную кислоту без участия свободного кислорода. В зависимости от условий брожение протекает неодинаково. В результате пировиноградная кислота образует различные продукты: этиловый спирт или молочную, уксусную кислоты и т. д. Возникновение пировиноградной кислоты рассматривают как поворотный этап анаэробного расщепления сахара, общий для дыхания, гликолиза и брожения всех видов. Содержание пировиноградной кислоты в винах достигает 11 ... 460 мг/дм3.
Гликолиз. Заключается в перестройке структуры молекулы глюкозы в высокоактивный химический и лабильный пируват, что облегчает биохимические превращения исходного субстрата. Наличие фермента пируватдекарбоксилазы приводит к образованию ацетальдегида и диоксида углерода. В последней стадии ацетальдегид присоединяет водород от кофермента НАД/Н2 с образованием этилового спирта и окисленной формы НАД. Последняя вновь восстанавливается в реакциях, а в начале брожения кофермент может отдать свой водород 3-фосфогли- цериновому альдегиду, превращая его в глицерин, входящий в состав вторичных продуктов. В обычных винах содержание глицерина составляет 3... 10 г/дм3, в винах, приготовленных из винограда, пораженного благородной гнилью, — до 20 г/дм3. Благодаря сладкому вкусу, маслянистости и полноте вкуса он играет важную роль в создании вкусовой гармонии напитка.
Вторичные продукты брожения. В их образовании участвует в основном уксусный альдегид. При конденсации двух его молекул возникает ацетоин (до 100 мг/дм3). Восстанавливаясь, он дает 2,3-бутиленгликоль (300... 1500 мг/дм3), также положительно влияющий на букет и вкус вина. Около 0,5% сбраживаемых сахаров расходуется на образование молочной кислоты. В здоровых белых винах ее количество достигает 2,5 г/дм3, в красных — 4,5 г/дм3. Янтарная кислота (0,25...1,5 г/дм3) возникает как продукт брожения. Она улучшает аромат вина. Лимонная кислота (0,3 ...0,8 г/дм3) появляется как вторичный продукт. Количество кетоглутаровой кислоты составляет 2... 341 мг/дм3.
Эфиры. Образуются во время брожения (более 100 мг/дм3). Среди них этилацетат, характеризующийся плодовым ароматом. Некоторые эфиры высших спиртов обладают плодово-цветочным оттенком. Их появление также зависит от расы дрожжей, причем в анаэробных условиях накопление таких эфиров увеличивается в шесть раз.
Побочные продукты. Возникают при декарбоксилировании и дезаминировании аминокислот (по реакции Эрлиха) с образованием высших спиртов (сивушных масел).
Если изобутиловый и изоамиловый спирты придают винам неприятный сивушный оттенок, то н-амиловый, н-гексиловый, н-гептиловый способствуют образованию плодового аромата, напоминающего запах «энантовых эфиров». Цветочный аромат появляется в присутствии н-октилового, н-нонилового и н-децилового спиртов. Если содержание высших спиртов в винограде составляет 10 ...30 мг/дм3, то в белых винах их количество достигает 150 ...400, в красных — 300 ... 600 мг/дм3.
Винные дрожжи используют в процессе брожения часть вторичных продуктов. Через биомассу дрожжей регулируют наличие высших спиртов, кислот, азотистый состав. Уксусную кислоту дрожжи применяют для построения аминокислот, белков и жиров.
Активаторы и ингибиторы. Брожение зависит от присутствия в среде различных активаторов и ингибиторов. Активаторы брожения — вещества, стимулирующие (активизирующие) биосинтез в дрожжах. Среди них важное место занимают факторы роста дрожжей, присутствующие в виноградном сусле: биотин (витамин Н), пиридоксин (витамин В6), тиамин (витамин B1), пантотеновая и аминобензойная кислоты. Некоторые промежуточные продукты спиртового брожения и препараты экстрактов дрожжей, внесенные перед началом брожения в небольших количествах (зимол, тренозин), также активизируют процесс.
Ингибиторами брожения служат как технологические приемы (сульфитация, пастеризация, обеспложивающая фильтрация), так и химический состав среды. Кроме того, определенным угнетающим действием обладают спирт, сахар, дубильные и красящие вещества. Некоторые дрожжи способны синтезировать ингибиторы (изоантагонизм).
