Применение сернистого ангидрида при хранении виноматериалов - Связанный сернистый ангидрид в винах

Сернистый ангидрид легко соединяется с веществами, обладающими альдегидной функцией, и труднее с веществами, имеющими кетонную функцию:

В результате обратимости этих реакций устанавливается равновесие, при котором концентрации присутствующих веществ связаны между собой при данной температуре следующим отношением для случая уравнения (1):

К представляет собой константу, которая определяет химическую диссоциацию соединения и характеризует различные вещества с альдегидной или кетонной функцией.
Если К меньше чем 0,003-10-3, 99% карбонильных веществ находятся в вине в связанной форме; с другой стороны, соединение является окончательным в том смысле, что в результате окисления свободный ангидрид разрушается незначительно.

Рис. 1.3. Кривые связывания сернистого ангидрида с другим веществом (в %) в зависимости от константы диссоциации К и содержания сернистого ангидрида в свободном состоянии (Блуэн, 1966):
1 — 99; 2 — 90; 3 — 50; 4—10; 5—1.

Если К больше чем 30·10-3, связан только 1 % карбонильных веществ, и соединение является легко обратимым.
На рис. 1.2 даны кривые связывания сернистого ангидрида в зависимости от значений К. Рис. 1. 3 позволяет вычислить количество связанного вещества, зная его константу К, а также собственное содержание его и содержание свободного сернистого ангидрида в среде.
В табл. 1.4 и 1. 5 приведены компоненты вина, обладающие способностью присоединять сернистый ангидрид, процентное содержание их и значения К для каждого соединения. В первых работах (Пейно и С. Лафуркад) исследовалась только роль сахаров и ацетальдегида. Однако этими веществами объяснялась лишь часть (от 20 до 75%) всех соединений сернистого ангидрида. Блуэн и Пейно (1963, 1965), Блуэн (1966), Пейно и Лафон-Лафуркад (1966) доказали роль кетокислот, подтвержденную в дальнейшем другими авторами. Наконец, Барроу и Спаркс (1964), Вюрдиг и Шлоттер (1969), Сапнс и Пейно (1971; 1975) отмечали значительное влияние продуктов окисления сахаров. Поэтому в настоящее время стоит задача установления баланса соединений сернистого ангидрида в вине, хотя бы приближенно.

Соединение SO2 с ацетальдегидом.

Соединение с этим веществом, всегда присутствующим в винах, часто бывает очень значительным в количественном отношении. Ацетальдегид вин имеет несколько возможных источников. Прежде всего он образуется как промежуточный продукт в ходе спиртового брожения, затем при окислении спирта. При кратковременном окислении вина значительные количества ацетальдегида образуются только в присутствии дрожжей.
Реакция соединения ацетальдегида с SO₂ с образованием альдегидсернистой кислоты или оксиэтплсульфоновой кислоты записывается следующим образом: при этом 64 мг сернистого ангидрида присоединяются к 44 мг ацетальдегида.

Таблица 1.4

Связывание основных веществ вина сернистым ангидридом

Химическая диссоциация альдегидсернистой кислоты слабая, константа диссоциации этой кислоты равна 2,4-10-6. Равновесие реакции наступает тогда, когда эквивалентные количества сернистого ангидрида и ацетальдегида составляют от 98,5 до 99,8% соединения. В винах, не содержащих сернистого ангидрида в свободном состоянии, фракция альдегидсернистой кислоты, находящейся в диссоциированном виде, составляет от 1 до 3%, при этом может также содержаться небольшое количество свободного ацетальдегида. Но можно сказать, что в винах, содержащих свободный сернистый ангидрид, весь ацетальдегид блокируется в сульфитные соединения.
Изменения pH в кислой зоне не нарушают этого равновесия, которое и в щелочных растворах смещается только вблизи нейтральной зоны. Присоединение сернистого ангидрида к ацетальдегиду происходит быстро. При pH 1 реакция достигает 98% за 6 ч и заканчивается за 24 ч, тогда как при pH 3,3 она достигает 98% за 90 мин и завершается за 5 ч. При pH 7 эта реакция длится всего лишь несколько минут.
При повышении температуры в пределах нормы не происходит высвобождения сернистого ангидрида в более или менее ощутимых количествах. На основе констант диссоциации соединения при 20 и 37°С находят, что количество высвобожденного при нагревании сернистого ангидрида (для 150 мг его), связанного с ацетальдегидом, не превышает 2 мг/л, чем можно практически пренебречь.
Образование ацетальдегида во время спиртового брожения связано с интенсивностью глицерино-пировиноградного брожения (рис. 1.4). Основными факторами являются исходная сахаристость, раса дрожжей, присутствие стероидов. Но с практической точки зрения главную роль играет сульфитация винограда или сусла. Весь сернистый ангидрид, свободный или связанный, имеющийся в начале брожения, быстро переходит в состояние альдегидсернистой кислоты.
Таким образом, оказываются блокированными одновременно и окончательно ацетальдегид и сернистый ангидрид в связанной форме. Следовательно, от дозы SO₂ зависит содержание в вине ацетальдегида и связанного сернистого ангидрида.
В сладких винах, брожение которых было в определенный момент остановлено сульфитацией (операция мютирования), содержание ацетальдегида обычно бывает более значительным, особенно при повторных брожениях.

Рис. 1.4. Кривые образования ацетальдегида во время сбраживания виноградного сусла двумя расами Sacch. elipsoideus:

1. и 1' — с доступом кислорода воздуха (в аэробиозе);

2 и 2' - без доступа воздуха (в анаэробиозе).

Когда сладкое вино снова бродит и подвергается мютированию, оно фиксирует сернистый ангидрид в соединения с вновь образовавшимся ацетальдегидом. Таким образом, количество связанного сернистого ангидрида может превысить содержание общего сернистого ангидрида.
Из этих наблюдений можно сделать вывод, что сернистый ангидрид, связанный с ацетальдегидом, находится в винах в стабильной форме. Образовавшись, это соединение не может исчезнуть или уменьшиться количественно, так как при очень малой величине константы диссоциации К реакция практически необратима. С одной стороны, сернистый ангидрид нельзя высвободить из соединения, в которое он входит, нагреванием, с другой — в этой форме он проявляет устойчивость к окислению. Если хотят избежать высокого содержания общего сернистого ангидрида, то прежде всего следует создать такие условия приготовления и хранения вин, при которых образование ацетальдегида будет минимальным, т. е. проводить сульфитацию мезги возможно более слабыми дозами и избегать при хранении влияния дрожжей.
Вухерпфеиниг и Земмлер (1972, 1973) исследовали «потребности» молодых вин в SO₂ в связи с образованием ацетальдегида во время брожения. Они констатируют связь этого фактора с состоянием зрелости винограда. Виноградники северных районов обычно дают вина, которые в большей степени связывают сернистый ангидрид.
Антибактериальная роль альдегидсернистой кислоты описана в томе 2.

Соединения SO2 с сахарами.

При рассмотрении способности сахаров вина к связыванию сернистого ангидрида констатируют, что арабиноза соединяется очень быстро и дает малорастворимое соединение, глюкоза — менее стабильное соединение, а фруктоза практически не реагирует (как и сахароза). Арабиноза, присутствующая в винах в дозах около 1 г на 1 л, способна присоединять при равной массе в 10 раз большее количество сернистого ангидрида, чем глюкоза: 1 г арабинозы присоединяет от 8 до 12 г сернистого ангидрида. Связывающая способность фруктозы исключительно низкая. Например, раствор, содержащий 85 г/л фруктозы и 180 мг/л сернистого ангидрида, дает после отстоя всего 4 мг/л связанной формы SO₂. Для раствора, содержащего 40 г/л фруктозы, соединение с SO₂ неощутимо.
Образование и свойства глюкозо-сернистой кислоты исследованы достаточно хорошо. В растворы чистой глюкозы концентрацией от 25 до 100 г/л, забуференные при определенных pH в пределах значений pH вин, добавляли различные количества SO₂.
Через несколько дней отстаивания при постоянной температуре (17°С) сернистый ангидрид определяли в свободной и связанной форме. Затем вычисляли значение константы диссоциации, выражая эти вещества в молекулярных концентрациях. В табл. 1.5 даны средние цифры, полученные для Д' при четырех значениях pH, и содержание связанного сернистого ангидрида для различных концентраций глюкозы в равновесии, когда содержание свободного сернистого ангидрида равно 100 мг/л. Эти значения применяются непосредственно на практике и позволяют вычислять количество сернистого ангидрида, связываемого в вине глюкозой, если известно содержание этого сахара. Можно считать, что каждый грамм глюкозы связывает 0,8 мг сернистого ангидрида, когда содержание свободного сернистого ангидрида близко к 100 мг/л.

Таблица 1.5
Содержание сернистого ангидрида (в мг/л), связанного с глюкозой (для 100 мг свободного сернистого ангидрида и Т = 17°С )

В нормальных условиях приготовления и хранения вина значения pH мало влияют на величину К и, наоборот, температура в значительной степени влияет на положение равновесия. При повышенных температурах количество связанного SO₂ становится более ограниченным, при низких оно значительно возраста ет. Для раствора глюкозы, содержащего 50 г/л, когда содержание свободного сернистого ангидрида приведено к 100 мг, 42 мг находятся в форме глюкозо-сернистой кислоты при 13°С, 34 мг — при 22°С и только 25 мг — при 37°С. Такое влияние температуры в винах приводит к высвобождению сернистого ангидрида при повышении температуры (см. табл. 1.10).
Связывание с глюкозой происходит заметно медленнее, чем связывание с ацетальдегидом. Основным фактором этого является температура. Для достижения равновесия при 13°С требуется 6 дней, при 22°С — 24 ч, тогда как при 37°С достаточно 2 ч.

Соединения SO2 с кетокислотами.

Было установлено присутствие пировиноградной и α-кетоглутаровой кислот в бродящих средах пива, сидра, вина. Блуэн и Пейно (1963) обнаружили в сотне образцов вин от 11 до 460 мг/л пировиноградной кислоты (среднее 71 мг) и от 2 до 346 мг/л α-кетоглутаровой кислоты (среднее 80 мг). Еще до брожения виноградный сок уже содержал измеряемые количества кетокислот (в среднем 35 мг/л пировиноградной и 21 мг/л α-кетоглутаровой кислот). Наиболее богат этими кислотами сок из винограда, поврежденного плесенью.

Рис. 1.5. Кривые связывания сернистого ангидрида карбоновыми кислотами в растворе при концентрации 100 мг/л:
1 — глиоксилевая кислота; 2 — пировиноградная кислота; 3 — щавелево-уксусная кислота; 4 — α-кетоглутаровая кислота.

Блуэн (1966) доказал значительную роль этих кислот в образовании сульфитных соединений. Вино, содержащее 200 мг/л пировиноградной кислоты и 100 мг/л α-кетоглутаровой кислоты, имеет 93, 131 и 158 мг сернистого ангидрида, связанного с этими кетокислотами, при содержании свободного сернистого ангидрида —соответственно 20, 50 и 100 мг. Следовательно, это связывание SO₂ довольно значительно (рис. 1.5). Можно считать, например, что для белых ликерных вин района Бордо сернистый ангидрид, связанный с пировиноградной кислотой, составляет от 20 до 140 мг/л, а связанный с α-кетоглутаровой кислотой — от 15 до 50 мг/л. Присутствие и роль кетокислот подтвердили Рэнкин и Покок (1969), Уикс (1969), Диттрих и сотрудники (1973, 1975).
Понятен интерес к выяснению условий образования кетокислот во время брожения и к поискам средств для снижения содержания этих кислот. Пейно и С. Лафон-Лафуркад (1965, 1966) показали, что процесс образования пировиноградной кислоты достигает максимума и снижается в конце брожения (рис. 1.6). Этим объясняется тот факт, что сухие вина присоединяют меньше сернистого ангидрида, чем сладкие, и связывание зависит от момента и условий сульфитирования. Эти же авторы отметили также благоприятное влияние брожения на синтез и накопление кетокислот при повышенной температуре и высоких pH и указали на проведение аэраций. Они доказали, что при добавлении 0,5 мг/л тиамина уменьшается во многих случаях брожения содержание кетокислот (рис. 1.7 относительно пировиноградной кислоты) и, следовательно, присоединение сернистого ангидрида.

Рис. 1.6. Изменения содержания пировиноградной и α-кетоглутаровой кислот в зависимости от превращения ацетальдегида во время брожения виноградного сусла:
1 — пировиноградная кислота; 2 — α-кетоглутаровая кислота; 3 — ацетальдегид.

Рис. 1.7. Изменение содержания пировиноградной кислоты в сусле из винограда, поврежденного плесенью, после добавления 0,5 мг/л тиамина в различные моменты брожения: 1 — в начале брожения; 2 — после сбраживания 50 г/л сахара; 3 — после сбраживания 100 г/л сахара;  4 —  без добавления тиамина.

Роль тиамина (витамина B1) в этом явлении неудивительна, поскольку хорошо известно, что он представляет собой основной элемент кокарбоксилазы — фермента, действие которого заключается в том, чтобы декарбоксилировать кетокислоты согласно следующей реакции в основной фазе спиртового брожения:

Пейно и Сюдро (1968) провели систематическое исследование эффекта от добавления тиамина, с одной стороны, на содержание пировиноградной и α-кетоглутаровой кислот, с другой — на содержание свободного и связанного сернистого ангидрида (табл. 1.6).
В трех первых винах (табл. 1.6), полученных из винограда, мало пораженного плесенью,
после добавления тиамина не происходит изменений в равновесии сернистого ангидрида, которое было благоприятным уже в контрольном образце. Во всех других случаях в присутствии тиамина уменьшается содержание кетокислот и чаще всего, хотя и не всегда, улучшается равновесие сернистого ангидрида.
На основании исследований (С. Лафои-Лафуркад и сотрудники, 1967; Сюдро, 1968; Сюдро и сотрудники, 1968) сделаны следующие практические выводы:

1. При добавлении 50 г тиамина на 1 гл сусла всегда уменьшается содержание пировиноградной и α-кетоглутаровой кислот, иногда даже на несколько сотен миллиграммов на литр. Для получения удовлетворительных результатов при условии официального разрешения, которого еще нет во многих странах, следует добавлять тиамин достаточно рано, в осветленное сусло, после легкой сульфитации.
2. Влияние тиамина на содержание ацетальдегида совершенно незначительно.
3. Наблюдаются значительные побочные эффекты, часто полезные: активизация брожения и более слабое образование летучих кислот.
4. В среднем по результатам большого числа опытов добавление тиамина позволяет в восьми случаях из десяти повышать содержание свободного сернистого ангидрида на 20 мг/л, а часто и больше при одном и том же содержании общего сернистого ангидрида.

Диттрих и сотрудники (1975) получили примерно такие же данные об эффекте применения тиамина.

Таблица 1.6
Действие тиамина на содержание (в мг/л) кетокислот и свободного сернистого ангидрида в винах (рассчитано для дозы 250 мг общего SO₂) (по данным Пейно и Сюдро, 1968)

Соединения SO2 с уроновыми кислотами.

Галактуроновая кислота, образующаяся в результате гидролиза пектинов винограда, постоянно находится в винах. Глюкуроновая кислота чаще всего содержится в винах, выработанных из винограда с плесенью. Блуэн и Пейно (1963) обнаружили эти две уроновые кислоты почти во всех исследованных суслах и винах при общем содержании их от 200 до 1000 мг/л. В работах Джентилини и сотрудников (1963) и др. подтверждается присутствие глюкуроновой кислоты в винах; вопреки этому в работах Димотаки- Кураку (1964) это утверждение ставится под сомнение.
Часть SO₂, связываемая уроновыми кислотами, невелика, поскольку с учетом довольно высокой константы диссоциации (К=20·10-3) 1 мг-экв глюкуроновой кислоты фиксирует от 2 до 3 мг сернистого ангидрида, а 1 мг-экв галактуроновой кислоты от 5 до 6 мг SO₂ в присутствии 100 мг/л свободного сернистого ангидрида. Следовательно, в сульфитнрованных винах находится от 2 до 15 мг сернистого ангидрида, связанного с уроновыми кислотами.

Соединения SO2 с продуктами окисления сахаров.

 Соединения с вышеперечисленными веществами представляют только одну фракцию связанного сернистого ангидрида. Остаточный SO₂, как его определил Кильхёфер (1963), —  это сернистый ангидрид, не связанный ни с ацетальдегидом, ни с сахарами. В зависимости от вин он содержит от 26 до 81% связанного сернистого ангидрида (в среднем 62%). Блуэн (1966) обозначает через R2 значение остаточного SO₂, уменьшенное на фракцию сернистого ангидрида, связанную с кетоновыми и уроновыми кислотами. R2 содержит также от 11 до 72% сульфитных соединений (в среднем 36%). В табл. 1.7 приведены данные для некоторых вин Бордо.

Таблица 1.7
Содержание (в мг/л) различных форм сернистого ангидрида в ликерных винах (по данным Блуэна, 1966)

Исследовались вина Луньяк с содержанием свободного SO₂=60 мг/л, связанного SO₂ = 178 мг/л и Сотерн с содержанием свободного SO₂=25 мг/л, связанного SO₂=451 мг/л.
Некоторые вещества, входящие в состав R2, в настоящее время известны из работ Барроу и Спаркса (1964), Вюрдиг и Шлоттер (1969), Сапис и Пейно (1971, 1975). Исследователи из Лонг Эштон разработали аналитические методы определения, приспособленные прежде всего к исследованию этой проблемы на плодах (не на винограде) и напитках, полученных путем брожения (но не на виноградном вине, а в частности на сидре). Эти исследователи установили роль продуктов окисления сахаров.
Основой метода качественного и количественного анализа является проведение хроматографии на колонке Дауекс-1 с ионообменной смолой, предварительно приведенной в бисульфитную форму, которая удерживает все вещества, способные присоединяться к сернистому ангидриду. Извлечение этих веществ проводят раствором бисульфита натрия, градиент концентрации которого возрастает с довольно постоянной скоростью. Различные вещества собирают в виде бисульфитных соединений в пробирки коллектора фракций и количественно определяют титрованием сернистый ангидрид, который они связывают (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Хроматографическое разделение на анионной колонке (бисульфит) веществ, связывающих сернистый ангидрид в винах:
а — из здорового винограда; б — из винограда с плесенью. Идентификация: 1 — кето-5-фруктоза; 2— ацетальдегид 4-ксилозан + кето-2-глюконовая кислота; 3 — галактуроновая кислота; 4 — пировиноградная кислота + дикето-2,5-глюконовая кислота; 5 —  α-кетоглутаровая кислота: 1 — постоянный градиент элюции: 2, 3, 4, 5 — возрастание градиента элюции.

Идентифицированы четыре новых вещества: кето-5-фруктоза, ксилозан, кето-2-глюконовая и дикето-2,5-глюконовая кислоты. Были проведены количественные определения. Барроу и Спаркс (1973) показали, что кривые связывания сернистого ангидрида, рассчитанные по определенному таким образом составу вин, довольно хорошо согласуются с кривыми, полученными непосредственно путем возрастающего сульфитирования вин (рис. 1.9). В табл. 1.8 показано распределение связанного сернистого ангидрида для двух вин.
Было интересно исследовать условия образования веществ, приведенных в табл. 1.8. Результаты, которые получил Сапис и проанализировал П. Риберо-Гайон (1973), показывают следующее:

1. Эти вещества существуют от природы в здоровом винограде в состоянии зрелости.
2. Они образуются в большом количестве грибом Botrytis cinerea и уксуснокислыми бактериями (Acetobacter и Pseudomonas), которые всегда присутствуют на винограде, и развитие их особенно заметно в случае появления плесени. Блэквуд и сотрудники (1969) достаточно точно показали, что аэробная микрофлора винограда с плесенью богата кетогенными бактериями, способными образовывать кето-2-глюконовую и дикето-2,5-глюконовую кислоты.

Наконец, кетоны, образующиеся при окислении сахаров, всегда присутствуют в винах. Их много в винах из винограда, пораженного грибом Botrytis cinerea, особенно в присутствии уксуснокислых бактерий. Именно этим объясняются случаи ненормально высокого связывания сернистого ангидрида в отдельные годы у вин этих типов.
Вюрдиг и Шлоттер (1969) оспаривают присутствие кетоглюконовых кислот. По их мнению, речь идет скорее о продуктах метаболизма галактуроновой кислоты, например кето-2-галактоиовой кислоты. Эти авторы также сообщают о возможном присутствии кислот кето-2- дезокси-3-пентоновых, гексоновых и гексоуроновых. Связывающая сила этих веществ, по-видимому, очень мала.

Другие соединения.

Имеются сведения, иногда гипотетические, о других веществах, фиксирующих небольшие количества сернистого ангидрида, глиоксилевой кислоте, щавелево-уксусной, гликолевой кислоте, глицериновом альдегиде, диоксиацетане, ацетоне, ацетионе, диацетиле и др. Гликолевая кислота присутствует в концентрациях меньше 10 мг/л.

Таблица 1.8

Содержание (в мг/л) сернистого ангидрида, свизанного с карбонильными компонентами двух вин (по данным Барроу и Спаркса, 1973) сернистого ангидрида, свизанного с карбонильными компонентами двух вин (по данным Барроу и Спаркса, 1973)

Диоксиацетона в винах, по-видимому, нет (С. Лафон-Лафуркад, 1973). Высшие альдегиды определяют количественно и подсчитывают как ацетальдегид. Очень малые количества ацетоина и диацетила могут фиксировать лишь следы сернистого ангидрида.
Вопрос связывания сернистого ангидрида с полифенолами изучен еще недостаточно. Препараты лейкоантоцианов, энотанина присоединяют около 20 мг SO₂ при содержании 1 г/л. Различные антоцианы связывают его в больших количествах. Эту реакцию можно наблюдать визуально по обесцвечиванию продукта, используемого для количественного определения этих веществ. Поскольку в процессе брожения и последующей выдержки содержание свободных антоцианов уменьшается, наблюдают значительную потерю окраски у винограда и сусла, но лишь частичное обесцвечивание молодых вин. У вин в возрасте двух-трех лет обесцвечивания практически не происходит.
Связывание сернистого ангидрида — обратимый процесс, и с исчезновением свободной сернистой кислоты окраска вин вновь появляется. Связывание нарушается при нагревании вин, повышении кислотности их и добавлении сернистой кислоты, например при количественном определении свободного SO₂. Вполне вероятно, что эти соединения титруются йодом как свободный SO₂, а не являются частью связанного SO₂. Пауль (1975) сообщил о различиях в поведении сусел и вин, полученных из красного винограда, поскольку танины и красящие вещества также вступают в реакцию с сернистым ангидридом и ацетальдегидом. Сернистый ангидрид также, по-видимому, фиксируется на тиоловых группах белков.