Влияние катионов
В данной главе авторы обобщают содержание своих работ по вопросам оклейки вин. Когда пытаются осуществить в простых растворах, имеющих такую же кислотность, как и вино, но свободных от минеральных веществ, явление такого же характера, как и оклейка вин, констатирует, что присутствие танина и белков недостаточно. Раствор остается прозрачным или немного мутным. С другой стороны, появляется значительная муть, которая интенсивно увеличивается, если в растворе содержатся соли натрия, калия, кальция или магния в таких же концентрациях, как и в вине, т. е. 1 г/л. Осаждение происходит еще быстрее и сопровождается осветлением, совершенно сходным с эффектом оклейки вин, если раствор содержит даже ничтожно малое количество трехвалентного железа. В одном из опытов 0,1 н. раствор уксусной кислоты с титруемой кислотностью и активной кислотностью (pH 2,87), близкими к соответствующим кислотностям вин, к которому добавляли 200 мг/л танина, был распределен по колбам, в которые вносили добавки хлорида натрия и трихлорида железа. Затем во все колбы добавляли 30 мг/л желатины. При этом наблюдался процесс флокуляции.
В контрольном вине, вначале прозрачном, через несколько часов образовывалось легкое и стойкое помутнение. При добавлении к вину 1 г/л NaCl сразу же происходило помутнение с медленным и неполным осаждением. Такой же эффект получается при добавлении соды. Соляная кислота не вызывает помутнения. Следовательно, помутнение можно объяснить действием катионов. При добавлении к вину 0,01 г/л FeCl3 происходило немедленное помутнение, образование окрашенных хлопьев, быстрое их осаждение и полное осветление вина.
Аналогичный эффект получается при добавлении к вину одновременно 1 г/л NaCl и 0,01 г/л FeCl3.
Таким образом, в искусственных средах при отсутствии катионов не наблюдается явления, похожего на оклейку вин. При добавлении соли щелочного или щелочно-земельного металла получают помутнение, а не хорошее осветление жидкости, как в процессе оклейки, осаждение мути протекает трудно. Оно тем более затруднительно, чем выше температура. При 25°С жидкость остается явно мутной и плохо осветляется. И наоборот, при добавлении незначительного количества трехвалентного железа всегда образуются хлопья и происходит полное осветление жидкости, как при нормальной оклейке вин, даже при температуре 25°С. Аналогичным образом флокуляция обеспечивается при внесении соли кальция или магния. Но железо более активно, чем другие соли, и достаточно иметь концентрацию железа в уксуснокислом растворе 1 мг и в виннокислом растворе 5 мг/л, чтобы вызвать флокуляцию. Такое действие трехвалентного железа выделяет его среди других катионов. Это обусловлено не трехвалентными ионами (Fe+++), а комплексом танин— железо, заряженным отрицательно (танин — Fe+++), который претерпевает вместе с желатиной, заряженной положительно в момент внесения в вино, взаимную флокуляцию. Жидкость, окрашенная вначале в синий цвет, вследствие присутствия этого комплекса обесцвечивается в результате оклейки, осадок же имеет ярко выраженную синюю окраску.
Условия первых опытов воспроизводят условия оклейки белых вин желатиной, последующие относятся к случаю красных вин. В растворе при рН 3, содержащем 5 г/л танина, добавление 200 мг/л желатины вызывает лишь легкое помутнение, которое в отсутствии солей развивается медленно. С другой стороны, при добавлении хлорида натрия, калия или кальция наблюдают немедленное появление интенсивного помутнения, которое быстро образует хлопья. Выпадающие в осадок хлопья делают жидкость почти прозрачной. Следовательно, катионы и здесь необходимы для полной флокуляции желатины. Присутствие трехвалентного железа менее полезно для осветления, чем более низкое содержание танинов, но осветление в этом случае происходит лучше и быстрее.
Влияние трехвалентного железа.
Влияние трехвалентного железа можно установить непосредственно на белых винах или путем удаления его желтой кровяной солью, или восстановлением его достаточным количеством гидросульфита, или же при длительном хранении вина без доступа воздуха. Во всех случаях, если в начале процесса оклейки отсутствие трехвалентного железа не препятствует возникновении мути, то образование хлопьев, их выпадение и осветление вина задерживаются или полностью прекращаются. Этот эффект проявляется тем сильнее, чем выше температура и ниже содержание танина. При 10—15°С разница не всегда заметна, но при 25°С она обычно уже значительна. В этом отношении показательным был следующий эксперимент. Производили одновременную оклейку двух бутылок с одним и тем же белым вином, выдерживавшимся дли тельное время без доступа воздуха.
Таблица 5.1
Результаты осветления белых вин после оклейки желатиной в дозе 25 мг/л
При этом одну бутылку откупоривали, добавляли в вино желатину, размешивали без аэрации и тут же снова закупоривали, другую же насыщали воздухом в течение нескольких часов до оклейки. Вино в первой бутылке осветлялось плохо, а во второй — хорошо. Впрочем, известны и другие факторы, обеспечивающие явление флокуляции, помимо трехвалентного железа, так как оно является необходимым лишь в искусственных средах.
В табл. 5.1. приведены результаты опыта по оклейке вин желатиной, проведенного при 23°С и повторенного с несколькими белыми винами.
Влияние растворенного кислорода
Описанные выше наблюдения дают четкое представление о влиянии трехвалентного железа, которое образуется в присутствии кислорода. Но наблюдаемое при этом действие вызывается отнюдь не одним присутствием кислорода, как это можно констатировать при насыщении воздухом вина, из которого железо удалено ЖКС, но также и присутствием трехвалентного железа. Констатируемый эффект обычно выражается тем сильнее, чем значительнее количество желатины, например 100 мг/л. Такие же результаты получаются и при использовании яичного альбумина. Что касается флокуляции рыбьего клея, то присутствие трехвалентного железа не обязательно, но оно оказывает благоприятное влияние.
На практике многие ошибки по оклейке могут быть предотвращены простым предварительным проветриванием вина. К тому же во время операций, предшествующих оклейке, вино достаточно аэрируется. Если оно в течение длительного времени хранится без доступа воздуха, то перед началом оклейки рекомендуется провести переливку.
Важную роль металлов в процессе оклейки подтвердил Гарольо (1953).
Влияние кислотности
Это влияние, так же как и влияние температуры, особенно значительно тогда, когда вина содержат мало танина. Белое вино, которое имеет определенную концентрацию танина и в которое вводится известное количество белков, ведет себя при различной кислотности или различной температуре по- разному: все происходит так, как если бы концентрация танина снижалась при повышении кислотности или температуры. Из опытов по оклейке, проводимых с белыми винами с повышенным pH (до 4,0) в результате добавления соды или с пониженным pH (до 2,0) при концентрации желатины 25 мг/л, следует, что чем ниже кислотность, тем быстрее происходит флокуляция, тем больше и тяжелее хлопья и тем лучше последующее осветление. Разницы в 0,2 pH часто бывает достаточно, чтобы вызвать значительные изменения флокуляции. Белое вино, оклеенное 40 мг/л желатины, неспособное флокулировать при pH 2,8, слабо осветляется при pH 3 и прекрасно осветляется при pH 3,2. Расхождения в pH от 3,0 до 3,6 для различных вин — довольно частое явление.
Примерно такие же результаты были получены при оклейке рыбьим клеем: никакой флокуляции не обнаружено при высокой кислотности (pH 2), лучшая флокуляция наблюдалась при низких значениях кислотности (pH 4). В последнем случае осадок получается большего объема и более окрашенным. У новых вин, богатых защитными коллоидами, влияние кислотности имеет обратный характер, как это происходит при танизации. Практически рыбий клей можно использовать для оклейки белых вин для большего предела pH, чем желатину. И наоборот, при использовании для оклейки казеина или альбумина получают лучшие результаты при средней кислотности (примерно рН 3).
Одновременно с этим белые вина тем легче переоклеиваются, чем выше их кислотность. Повышенная кислотность способствует переоклейке и вызывает нарушение флокуляции и осветления. Эти наблюдения объяснимы, если допустить, что танин вина изменяет знак электрического заряда при возрастании pH от 2,0 до 2,5. В винах танин был бы заряжен отрицательно и имел бы знак, противоположный знаку белков, но его заряд уменьшается и параллельно с этим снижается его осаждающая способность с уменьшением pH. Для кислых вин целесообразнее применять казеин вместо других белков.
Влияние температуры
Как и кислотность, температура оказывает большое влияние на оклейку белых вин. При прочих равных условиях более низкая температура способствует флокуляции и осветлению, несколько повышенная температура затрудняет ход этих процессов. Желатина представляет собой смесь белков, обладающих наибольшей чувствительностью к влиянию температуры: между 25 и 30°С флокуляция происходит с трудом или становится невозможной, по крайней мере в белых винах. Зачастую достаточно разницы в 2°С, например между 14 и 16°С, чтобы изменить ход флокуляции, и это тем более заметно, поскольку другие факторы флокуляции (трехвалентное железо, танин, кислотность) менее благоприятны. Некоторые вина могут легко осветляться при 14°С, но этого не происходит при 16°С. Небольшого отклонения температуры достаточно, чтобы вызвать различия в осветлении рыбьим клеем. При повышенных температурах (примерно 30°С) он флокулирует плохо. Другие оклеивающие вещества (альбумины и казеин) менее восприимчивы к действию температуры.
Чем выше температура, тем плотнее осадок, тем меньше в нем хлопьев. В то же время с температурой усиливается переоклейка и в осадке соответственно уменьшается содержание танина. В одном из опытов в белое вино, практически не содержавшее танина, было добавлено равное количество танина и желатины (50 или 100 мг/л). Когда оклейку проводили при 25 или даже при 15°С, количество желатины, которое оставалось в избытке, было значительным. Когда оклейку проводили при температуре, близкой к 0°С, оно было очень малым. Отсюда вытекает, что вина, подвергнутые оклейке при определенной температуре и содержащие избыток белков, мутнеют самопроизвольно, когда температура понижается. Пониженная температура действует аналогично тому, как если бы в вино добавляли танин.
Влияние защитных коллоидов
Добавление гуммиарабика (аравийской камеди) в вино препятствует флокуляции желатины и осветлению жидкости, при небольшом добавлении (например, 50 мг/л) просто задерживается осаждение, более высокие дозы прекращают его полностью, при добавлении 500 мг/л уменьшается даже интенсивность полученного помутнения. Для изменения скорости флокуляции альбумина и казеина необходимы более значительные дозы гуммиарабика. В присутствии камеди хлопья рыбьего клея, обычно большие и прозрачные, становятся непрозрачными и образуют более объемный осадок. Неблагоприятное действие гуммиарабика тем значительнее, чем выше температура и чем богаче вино танином.
Вина содержат различные количества некоторых полисахаридов (камеди, слизи), которые в большей или меньшей степени играют роль защитных коллоидов и противодействуют флокуляции других коллоидов. Их можно разделить с помощью фильтрации на коллодии или частично даже путем обычной фильтрации. Когда сравнивают ход осаждения желатины в необработанном вине и в том же самом вине после фильтрации или, еще лучше, ультрафильтрации, то наблюдают большее или меньшее ускорение флокуляции и осветления в профильтрованной жидкости, даже если вино было совершенно прозрачным до фильтрования.
Если молодые вина часто не поддаются осветлению оклейкой (или по выражению практиков, «не принимают клея»), то это бывает далеко не всегда потому, что эти вина не имеют достаточного количества танина или в них находится слишком много взвешенных частиц, а потому, что они еще богаты слизистыми веществами. Желатина особенно чувствительна к этим защитным явлениям. Альбумин в меньшей степени восприимчив к ним. Еще менее восприимчивы к этому казеин и особенно рыбий клей.
Известно, что танин и желатин соединяются не в строго определенных соотношениях и количество танина, уносимого в осадок, может постоянно колебаться. Например, 1 г/л оклеивающего вещества захватывает с собой от 0,2 до 2,4 г/л танина в зависимости от условий. Поэтому нельзя говорить о «таннате желатины» как о веществе, имеющем некоторый постоянный состав, и этот термин вообще не точен. Из исследований, проведенных авторами с белыми винами, можно сделать следующие выводы.
- При одинаковых добавлениях желатины, альбумина, рыбьего клея или казеина в вино количество танина, которое они уносят, примерно одинаково. Казеин осаждает такое же количество танина, как и другие белки, хотя его флокуляция не зависит от присутствия этого вещества.
- При одном и том же добавлении белков осаждаемое количество танина намного возрастает в зависимости от содержания его в вине, хотя и не пропорционально. Например, при добавлении в белое вино 25 мг/л протеинов осаждается от 4 до 5 мг/л танина при содержании его в вине 100 мг/л, от 10 до 12 мг/л при содержании 250 мг/л и от 40 до 50 мг/л при содержании 2500 мг/л. В белых винах с малым содержанием танина он удаляется в небольших количествах, например около 1/5 массы использованных белков. И наоборот, в красных винах количество осажденных танинов может более чем в 2 раза превышать массу добавленных протеинов.
- Чем выше дозы добавляемых белков, тем больше танина удаляется ими в осадок, но здесь нет пропорциональности. Например, в вине, содержащем 1 г/л танина, 25 мг/л яичного альбумина удаляют 24 мг/л танина, а 100 мг/л удаляют 52 мг/л танина, с увеличением оклеивающего вещества в 4 раза количество осажденного танина увеличивается в 2 раза.
- При снижении кислотности вина резко увеличивается количество удаляемого танина, заметное уже по окрашенности осадка, который бывает темнее при высоких pH. Например, при оклейке белого вина 50 мг/л казеина удаляется 6,5 мг танина при pH 2, 10,5 мг — при pH 3, 13 мг — при pH 4. В результате оклейки белого вина, получившего 2 г танина, т. е. количество, которое соответствует составу красного вина, внесением 75 мг яичного альбумина выводится 60 мг танина при pH 2, 107 мг — при pH 3 и 384 мг — при pH 4. Еще Мансо заметил такое влияние кислотности и даже установил, что основную роль здесь играет не общая кислотность, а кислота, выражаемая через pH.
- С понижением температуры намного повышается количество танина, увлекаемого данным количеством белков. Поэтому при оклейке, проводимой в условиях температур, близких к 0°С, удаляется максимальное количество танинов.
Механизм флокуляции белков
Длительное время считали, что осаждение белков танином заключается в соединении этих двух веществ и образовании так называемого танната белков, нерастворимого в вине. Это мнение ошибочно. На деле происходит адсорбция танина белками, а не химическое соединение, так как состав осадка может изменяться в зависимости от данных концентраций и условий.
К первым работам по исследованию процесса оклейки методами коллоидной химии относятся труды Рюдигера и Мэира (1928, 1929, 1932). В этих работах несколько схематически процесс оклейки сводится к простым действиям получения присутствующими частицами электрических зарядов и их разряда. Применяя электрофорез, эти авторы отмечают прежде всего, что под действием электрического тока частицы мути вина мигрируют в направлении анода, т. е. обладают отрицательным зарядом, в то время как частицы раствора желатины при pH вина заряжены положительно. При оклейке флокуляция и осветление протекают тем лучше, чем полнее взаимный разряд частиц. По мнению этих авторов, танин, который до этого считали главным фактором оклейки, играет лишь второстепенную роль. С обеих сторон этого оптимума, якобы, существует в зависимости от количества использованных белков зона замедленной флокуляции. При добавлении оклеивающего вещества в дозах, превышающих этот лимит, возникают чрезмерный заряд частиц мути и явление переоклейки. Осаждения избыточного оклеивающего материала можно добиться, добавляя агар-агар, частицы которого заряжены отрицательно. В целом для каждого мутного вина существует определенная доза белков, соответствующая точной нейтрализации зарядов мути, которая обеспечивает оптимальное осветление.
В то же время из работ этих авто ров (1934, 1935) следует, что механизм оклейки значительно сложнее и требует одновременного присутствия танина и катионов. Под действием танина желатина (коллоид гидрофильный к заряженный положительно, не флокулируемый металлическими солями) превращается в новый, гидрофобный коллоид, заряженный отрицательно осаждаемый катионами. Как считали в прошлом, происходит преобразование «эмульсоида» в «суспензоид». Этот новый коллоид представляет собой комплекс адсорбции между белками и танином, их соотношения зависят от их содержания, pH и температуры.
Следует уточнить знаки электрических зарядов. Желатина (или любая другая смесь белков) в растворе при pH 3, явно меньшем, чем ее изоэлектрический pH (4,7), заряжена положительно. В противоположность этому коллоид, образованный действием танина на желатину, заряжен отрицательно, поскольку флокуляцию определяют не анионы, а катионы (Na+, К+, Са++ и др.). В модельном растворе, содержащем только кислоты, флокуляции не происходит.
В конечном счете из этих факте» можно сделать следующее простое за ключение: желатина в кислом растворе, заряженная положительно, превращается под действием танина в комплекс желатина — танин. Это новый коллоид, заряженный отрицательно, который остается стабильным в прозрачном растворе, если раствор не содержит металлических катионов, некоторый в их присутствии выпадает в осадок. Из опытов, проведенных методом электрофореза, прямо следует, что коагулированные белки заряжены отрицательно.
Механизм осветления
Сейчас необходимо выяснить механизм, посредством которого при оклейке происходит выделение взвешенных веществ из вина. Этот механизм иногда сравнивают с механизмом фильтрования, при котором фильтровальная сетка была бы подвижной и опускалась бы сквозь массу вина. В действительности же это совсем другой механизм. Он включает взаимную флокуляцию между еще не флокулированными белками (заряженными положительно) и частицами в суспензии или в коллоидном растворе (большей частью заряженными отрицательно), как это отметили Рюдигер и Мэир. Именно поэтому в простых растворах, имеющих такую же кислотность, как и вино, прозрачность которых нарушена, например дрожжами или небольшим количеством каолина, желатина (или другие белки) флокулирует и осветляет жидкость, несмотря на отсутствие танина и солей металлов. Она флокулирует также в отсутствии танина в прозрачном коллоидном растворе фосфорнокислого железа (III).
Экспериментируя с винами, наблюдают, что присутствующая муть обычно ускоряет флокуляцию. В результате оклейки вин, пораженных железным кассом, как и вследствие ультрафильтрации, удаляется больше железа и иногда намного больше, чем при обычной фильтрации; даже в винах, остающихся прозрачными после аэрации, при оклейке удаляется небольшое количество железа. Точно так же при оклейке определяется флокуляция сернистой меди или железистосинеродистого железа (III), когда эти вещества находятся в прозрачном коллоидном растворе. Во всех случаях имеется взаимная флокуляция между коллоидами противоположных знаков. Благодаря этому механизму из вина удаляется большая часть дрожжей и бактерий. Следовательно, в процессе оклейки независимо от реакции танина на белки происходит прямое действие некоторых элементов вина (коллоидных или во взвешенном состоянии) на эти белки, еще не коагулированные танином. Взвешенные частицы мутного вина при осветлении отнюдь не пассивны. Они претерпевают взаимную флокуляцию с некоагулированными белками, повышают плотность хлопьев и ускоряют их выпадение в осадок. Разумеется, что в этом механизме нельзя проследить весь процесс оклейки, поскольку он не осветляет мутное вино при полном отсутствии танинов.
Именно для этого механизма выгодно внесение небольших количеств порошкообразного угля, инфузорной земли или каолина (например, в дозе, составляющей 1/5 часть количества белка) перед оклейкой вин, которые трудно поддаются осветлению. Некоторые осветляющие вещества содержат такие компоненты. Однако следует действовать осмотрительно, так как если вино содержит хотя бы немного защитных коллоидов, в нем может задерживаться флокуляция вина с помутнением по отношению к прозрачному вину. В целом в зависимости от дозы добавляемых белков и количества защитных элементов помутнение может быть причиной ускорения или задержки флокуляции.
Следует рассмотреть роль оклейки в отношении веществ, находящихся в истинном (молекулярном) растворе в вине. При обычных оклейках независимо от того, какие белки используются, не удаляются вещества, наносящие наибольший вред качеству вина: железо, медь, природные белки, соли винной кислоты.
Только в повышенных дозах (0,5—1 г/л), значительно больших, чем обычно применяемые для осветления вин, казеин может фиксировать часть трехвалентного железа. При оклейке удаляется значительное количество железа и меди только тогда, когда эти металлы входят в коллоиды, главным образом в результате медного или железного касса. Даже в прозрачном вине фракция железа может быть удалена при нормальной оклейке, когда эта фракция входит в состав коллоида, находящегося в прозрачном растворе, в частности комплекса танин—железо.
Рис. 5.1. Схематическое изображение механизма флокуляции белков в вине во время оклейки.
На рис. 5.1 представлена схема различных явлений, описанных в этой главе. Следует напомнить, что белки состоят из большого числа аминокислот, соединенных между собой пептидными связями (—СО—ΝΗ), связями между кислотной и аминной функциями с выходом молекулы воды. Известны небольшая кислотная фракция молекул белков (—СООН, разлагаемая на —СОО— и Н+) и небольшая аминная фракция (—ΝΗ3ΟΗ, разлагаемая на —NH+ и ОН-). Количество разлагаемых кислотных и аминных фракций зависит от концентрации ионов Н+ в растворе. Например, высокая концентрация ионов Н+ блокирует распад групп — СООН, она же высвобождает диссоциацию групп — NH3OH и соответственно сообщает частице положительный заряд. Это, в частности, относится к белкам, введенным в вино.
В противоположность этому оклейку бентонитом начинают с введения гидрофобного коллоида с отрицательным зарядом, т. е. действует только механизм, фигурирующий в правой части схемы. С другой стороны, схема (см. рис. 5.1) не учитывает механического удаления частиц и различных явлений адсорбции, которые проявляются в каждом коллоидном процессе, где, помимо электрических зарядов, может быть химическое средство.
