Спиртовое брожение — главный процесс превращения сусла в вино под действием дрожжей.
Основные цели спиртового брожения сусла при производстве белых вин следующие: полное сбраживание сахаров, предохранение ароматических веществ винограда, уменьшение содержания азотистых веществ сусла, накопление глицерина и других продуктов спиртового брожения, создающих вкусовые качества вина.
Спиртовое брожение — очень сложный процесс, каждый этап которого катализируется определенными ферментами (энзимами), расположенными в дрожжевой клетке. При спиртовом брожении происходит превращение сахара в этиловый спирт и углекислый газ. Помимо главных продуктов спиртового брожения из углеводов образуется целый ряд вторичных продуктов: органические кислоты (уксусная, янтарная, пировиноградная, лимонная, молочная), глицерин, альдегиды, высшие спирты, эфиры, диацетил, ацетоин, 2,3-бутиленгликоль и другие продукты. Концентрация этих веществ во многом зависит от расы дрожжей, осуществляющих брожение, и условий, в которых оно проходит.
Кроме основных и вторичных продуктов при спиртовом брожении образуются также побочные продукты. Эти компоненты являются конечным результатом превращения аминокислот в процессе метаболизма дрожжевых клеток. К побочным продуктам относятся высшие многоатомные спирты — пропиловый, изоамиловый, изобутиловый, гексиловый, гептиловый, октиловый и другие. Смесь этих спиртов в виноделии известна под названием «сивушные масла». Большая концентрация сивушных масел токсична для организма человека, но в небольшом количестве они обладают определенным ароматом и участвуют в формировании букета вина.
Накопление высших спиртов в виноматериале в основном зависит от расы дрожжей и условий проведения спиртового брожения.
В процессе спиртового брожения химический состав сусла претерпевает значительные изменения, при этом отдельные компоненты полностью исчезают, превращаясь в новые, что проводит к образованию нового продукта, свойства которого отличаются от свойств сусла.
Процесс спиртового брожения виноградного сусла зависит от целого ряда факторов: температуры, содержания сернистого ангидрида, расы дрожжей, химического состава сусла и др.
Температура оказывает существенное влияние на ход брожения, химический состав и качество вина.
Установлено, что дрожжевые клетки хорошо развиваются в температурном интервале 15—25°С, при 30— 35°С их активность уменьшается, а при 40—45°С они полностью прекращают свои действия. Низкие температуры брожения 5—10°С также задерживают развитие дрожжевых клеток, в результате чего затягивается срок брожения. В интервале температур 25—30°С сусло бродит очень бурно, интенсивно выделяются пузырьки углекислого газа, увлекающие с собой в атмосферу ряд ценных ароматических веществ и паров этилового спирта.
Брожение сусла при очень низких или очень высоких температурах может привести к получению виноматериалов с большим содержанием остаточного сахара, который служит средой для развития патогенных микроорганизмов. При температуре брожения выше 25°С и ниже 15°С увеличивается содержание летучих кислот и альдегидов, что отрицательно сказывается на качестве белых столовых вин. Наименьшее количество этих компонентов образуется при температуре брожения 15—25°С.
Температура брожения является очень надежным фактором регулирования содержания азотистых веществ в виноматериале. Азотистые вещества служат питательной средой для дрожжей при брожении сусла, а также молочнокислых бактерий в вине в процессе яблочно-молочного брожения и прямо или косвенно влияют на вкусовые качества вина. В то же время избыток азотистых веществ в белых винах может способствовать появлению белковых и микробиальных помутнений, а также тонов переокисленности в результате дезаминирования и последующего декарбоксилирования аминокислот.
Осуществление брожения в интервале температур 15— 20°С позволяет получить виноматериалы с минимальным содержанием азотистых веществ, поскольку дрожжи потребляют азот сусла, а процесс автолиза дрожжевых клеток не протекает.
Высокая температура брожения (выше 25°С) способствует интенсивному размножению дрожжей, а следовательно, и усиленному потреблению азота сусла. В конце процесса брожения, когда дрожжевые клетки отмирают, происходит выделение в среду азотистых веществ, в результате чего увеличивается их содержание в виноматериале. Повышенное содержание азотистых веществ наблюдается и в виноматериале, полученном при температуре брожения ниже 16°С, так как активность дрожжей низкая и они потребляют меньше азота из сусла.
Температура брожения оказывает также влияние и на содержание титруемой кислоты в вине. При низкой температуре брожения вина получаются менее кислотными. С повышением температуры брожения концентрация спирта уменьшается.
С помощью температурного фактора при брожении сусла можно регулировать содержание свободных аминокислот. В виноматериале, полученном при температуре 30°С, содержание незаменимых аминокислот, особенно валина, метионина и фенилаланина, выше, чем при температуре 16—25°С.
Для производства марочных белых столовых и шампанских виноматериалов рекомендуется режим брожения в пределах 15—20°С.
Другим фактором, влияющим на жизнедеятельность дрожжей, является кислород. Процесс брожения протекает в анаэробных условиях, однако дрожжам необходим кислород, особенно в стадии размножения. Рост и развитие дрожжей во время брожения виноградного сусла зависят от количества кислорода воздуха. С увеличением количества кислорода размножение дрожжей интенсифицируется и процесс брожения ускоряется, однако при этом увеличивается содержание ацетальдегида, высших спиртов, летучих кислот, ацетоина, диацетила, т. е. компонентов, которые ухудшают качество вина, особенно белого столового. Поэтому брожение сусла при производстве белых столовых вин следует проводить с минимальным доступом кислорода воздуха.
На размножение, рост и активность дрожжей значительное влияние оказывает кислотность сусла. Оптимальные значения pH среды для нормального развития дрожжей варьируют от 3,2 до 3,5. Значение pH ниже 3,0 отрицательно влияет на жизнедеятельность винных дрожжей.
На активность дрожжей оказывает действие также этиловый спирт. При содержании в вине этилового спирта 4% об. уже задерживается активность дрожжей, а при 7—8% об. прекращается бурное брожение и начинается дображивание. Дрожжи приостанавливают свою деятельность при содержании спирта 13—14% об., и только отдельные расы могут выдерживать концентрацию выше 16% об.
Сахара также влияют на развитие дрожжей. Спиртовое брожение протекает очень медленно в сильно разбавленных сахарных растворах (1 г/100 мл), и скорость брожения увеличивается с повышением содержания сахаров. Содержание в виноградном сусле сахаров в количестве до 20 г/100 мл не задерживает брожение. Высокие концентрации сахаров (свыше 40 г/100 мл) могут остановить брожение, при этом дополняющим ингибитором является этиловый спирт.
На ход спиртового брожения воздействует сернистый ангидрид. Он считается лучшим антисептиком в виноделии. Однако для предотвращения развития дрожжей в вине содержание свободной сернистой кислоты в нем должно быть довольно высокой — 200—300 мг/л. Пленчатые дрожжи выдерживают и более высокие дозы SO2.
Значительное влияние на спиртовое брожение оказывают расы дрожжей. Дрожжевые клетки, возбудители спиртового брожения, широко распространены в природе — на ягодах, листьях, побегах виноградного растения, оборудовании, а также в почве виноградников. При переработке винограда дрожжевые клетки, попадая в сусло, начинают процесс брожения. Кроме дрожжевых клеток в сусло также попадают неспоровые и споровые бактерии, актиномицеты и микробактерии. Высокая кислотность виноградного сока создает неблагоприятные условия для жизнедеятельности большинства групп микроорганизмов, и поэтому при брожении они обычно не размножаются. Сбраживание сусла на естественных дрожжах — это спонтанное брожение. Однако сбраживание виноградного сусла на спонтанной микрофлоре имеет ряд недостатков: неизбежны случаи получения недобродов, низок выход спирта, виноматериалы невысокого качества и медленнее подвергаются осветлению. Поэтому в ряде стран с развитой винодельческой промышленностью для сбраживания виноградного сусла используют чистые культуры винных дрожжей.
Чистые культуры получают в результате выращивания дрожжевых клеток при постепенно изменяющихся условиях их культивирования. Путем адаптации можно получить новые формы дрожжей, приспособленных к высоким концентрациям сернистой кислоты, сахаров, этанола, кислой реакции среды, к высоким или низким температурам. Чистую культуру дрожжей вносят в подготовленное для брожения сусло в количестве 2—3% в виде активной разводки, содержащей 100—150 млн. клеток в 1 мл.
Главное условие успешного проведения спиртового брожения на чистой культуре дрожжей заключается в том, чтобы количество внесенных дрожжевых клеток было примерно в 10 раз больше, чем содержание дрожжей в сусле до внесения дрожжевой разводки. Между этими микроорганизмами начинается конкуренция и овладевают брожением те, у которых количество клеток больше и которые легче адаптируются в этой среде.
Чтобы брожение прошло на чистой культуре дрожжей, необходимо соблюдать следующие условия: проводить осветление сусла до брожения с целью удаления максимального количества естественных микроорганизмов, применять конкурентоспособные расы дрожжей, адаптированные на высоких дозах SO2, дрожжевую разводку вносить в сусло в стадии бурного брожения и в достаточном количестве, быстро перемешивать внесенную дрожжевую разводку со всей массой сусла.
Применение ЧКД спиртоустойчивых, кислотовыносливых, сульфитостойких рас особенно необходимо в годы, когда виноград накапливает много сахара или он недозрел, а также если сусло содержит большое количество SO2. Если температура брожения неблагоприятна для этого процесса (низкая или высокая), положительный эффект достигается при использовании термоустойчивых рас дрожжей. Применение ЧКД имеет ряд преимуществ по сравнению со спонтанным брожением: сусло быстрее сбраживает, брожение протекает без замедления и остановок, сахар в сусле полностью сбраживается, выход спирта на 0,1—1,0% об. больше, вина быстрее осветляются. Поэтому применение ЧКД для сбраживания виноградного сусла нашло широкое распространение на винодельческих предприятиях нашей страны.
В Молдавии для производства белых столовых вин рекомендована местная раса дрожжей Кишиневская 341, которая способна сбраживать сусло при температуре ниже 15°С. К сульфитостойким расам относятся Романешты и Ленинградская. Они могут действовать при повышенном содержании сернистой кислоты в сусле (свободной SO2 — более 20 мг/л). Для сбраживания сусла с высокой кислотностью используются раса Ужгород 67. Дображивание сахаров в недобродах лучше всего производить на расе Ленинградская.
Количество разводки ЧКД, необходимое для успешного сбраживания сусла, сильно варьирует и зависит от санитарного состояния винограда, температуры среды, концентрации сахара и т. и. Для сбраживания сусла, полученного из гнилого винограда, разводку ЧКД следует вносить в количестве 3—5%, из хорошего винограда — 2—3%. Применение разводки ЧКД в большом количестве (5—10%), особенно при сбраживании сусла без охлаждения, нецелесообразно, так как брожение протекает очень бурно, что приводит к нежелательным последствиям.
Для проведения брожения сусла по белому способу используют различные методы, которые по принципу действия классифицируются на периодические и поточные. Периодическое брожение сусла осуществляют в дубовой таре (бочки, буты) и в эмалированных или металлических резервуарах различного объема, имеющих защитные покрытия. Брожение является экзотермическом процессом, в результате которого из одной грамм-молекулы сахара (180 г) высвобождается примерно 168 кДж энергии.
В процессе брожения часть этой энергии (примерно 61 кДж) используется дрожжевыми клетками для обеспечения их жизненных функций и, в частности, роста и размножения. Разница, составляющая около 107 кДж, выделяется в виде теплоты и вызывает повышение температуры бродильной среды. Чем крупнее объем резервуара, тем больше тепла накапливается в нем и температура брожения сильно повышается. Поэтому при брожении очень важно регулировать температуру в оптимальном интервале, рекомендуемом для производства того или другого типа вина.
Преимущество сбраживания сусла в бочках состоит в том, что в процессе брожения тепло очень легко излучается через поверхности бочки, и таким образом температура бродящей среды поддерживается на уровне 18—20°С. Этот температурный уровень является оптимальным для производства высококачественных марочных и шампанских виноматериалов.
Помимо значительных расходов на приобретение бочек и их содержание такой метод проведения брожения при производстве белых вин имеет и другие недостатки. Прежде всего при использовании его требуются значительные затраты ручного труда при доливках, снятии с дрожжей и контроле за процессом брожения в каждой бочке. Поэтому в настоящее время по причинам в основном экономического характера брожение сусла по белому способу проводят чаще всего в крупных железобетонных или металлических резервуарах.
При сбраживании сусла в крупных резервуарах, особенно железобетонных, обладающих низкой теплопроводностью, излучение тепла очень слабое. Это приводит к значительному повышению температуры бродящего сусла, что особенно заметно в годы, когда брожение сусла происходит в теплую осень. При сильном повышении температуры бродящего сусла применяют охлаждение его в трубчатом теплообменнике холодной водой. Наиболее эффективен метод охлаждения бродящего сусла при помощи искусственного холода.
Применение аппаратуры и искусственного холода для охлаждения бродящего сусла на винодельческих предприятиях, несомненно, является одним из основных факторов улучшения качества белых вин и получения более ароматических виноматериалов. На тех предприятиях, где нет условий для проведения искусственного охлаждения, следует применять все способы, которые обеспечивают замедленное брожение, так как они способствуют спонтанному охлаждению (например, «суперкатр»—дробный или доливной способ брожения). При этом новые порции свежего холодного сусла, которые вносятся в бродящее сусло, поглощают часть тепла, задерживают начало брожения и тормозят его. Довольно эффективным процессом регулирования температуры является хорошее проветривание бродильного помещения в ночные часы.
За рубежом охлаждение бродящего сусла осуществляют льдом. Но этот способ требует больших расходов и малоэффективен. Так, для охлаждения резервуара, содержащего 2000 дал сусла, на 5°С необходимо использовать 1 т льда. Также малоэффективен для охлаждения и прием проведения открытой переливки бродящего сусла, поскольку при этом температура среды снижается только на 1°С за счет испарения тепла. Не рекомендуется и остановка процесса брожения путем сульфитации с целью понижения температуры, так как это ведет к появлению в винах слишком высоких концентраций общего сернистого ангидрида.
Благоприятные условия для управления процессом брожения создает непрерывное брожение сусла в потоке.
На винодельческих предприятиях Молдавии довольно широкое распространение получили установки непрерывного брожения виноградного сусла, предложенные Л. А. Кошевым, С. И. Циммерманом и А. П. Опря. Они используются для производства хересных и белых сухих виноматериалов и действует на многих предприятиях Молдавии, где вырабатаваются белые столовые, хересные и шампанские виноматериалы.
Более прогрессивный способ брожения сусла — отъемно-доливной. Он осуществляется с помощью аппарата непрерывного действия марки БА-1. Аппарат предназначен для производства белых сухих виноматериалов в непрерывном потоке. Среднесуточная производительность установки при сахаристости сусла 17 г/100 мл и остаточном сахаре в виноматериале 2,5 г/100 мл — 7000 дал.
Основное преимущество установки БА-1—значительное сокращение продолжительности брожения сусла. Это происходит потому, что свежее сусло, поступающее в бродящую массу с большим количеством жизнедеятельных дрожжевых клеток, сразу вступает в стадию активного брожения, минуя стадию забраживания. Наличие надежной теплообменной системы обеспечивает проведение брожения в оптимальном температурном режиме. Поскольку периоды забраживания и дображивания исключаются, производительность установки (при одинаковых объемах резервуаров) возрастает примерно на 25—30%. Процесс брожения может быть полностью механизирован и автоматизирован. Виноматериалы, полученные на установке БА-1, характеризуются более высокой спиртуозностью, большим содержанием глицерина, меньшим содержанием молочной кислоты.
Во ВНИИВиВ «Магарач» и «Росглаввино» разработана универсальная автоматическая установка непрерывного брожения ВБУ-4н, предназначенная для производства десертных, крепких, полусладких и сухих виноматериалов. Общая производительность установки — 12 000 дал/сут.
Однако для современных винодельческих предприятий первичного виноделия высокой мощности использование непрерывных установок для сбраживания сусла малоэффективно. В этом случае наиболее целесообразным является брожение сусла в сверхкрупных резервуарах (от 15 до 50 тыс. дал).
Рис. 4. Аппаратурно-технологические схемы приготовления белых сухих виноматериалов с брожением сусла в сверхкрупных металлических резервуарах:
1 — контейнер для доставки винограда; 2 — бункер-питатель; 3 — валковая дробилка-гребнеотделитель; 4—мезгосборник; 5—транспортер для гребней; 6 —мезгонасос; 7 — сульфитодозатор; 8 — насос центробежный; 9 — стекатель; 10 — пресс; 11 — транспортер для выжимки; 12 — резервуар для отстоя сусла; 13 — сверхкрупный резервуар для брожения сусла; 14 — охладитель; 15 — суслосборник; схема 1 — брожение поточно-доливным способом без применения искусственного холода; схема 2 — брожение поточно-доливным способом при температуре 18— 20°С с двухступенчатым предварительным охлаждением сусла; схема 3 — брожение периодическим способом при постоянной температуре.
В настоящее время разработаны несколько схем брожения сусла в резервуарах вместимостью 15—50 тыс. дал для производства белых сухих виноматериалов.
По первой схеме (рис. 4) брожение проводится поточно-доливным способом без применения искусственного холода. Сусло-самотек из суслосборника сульфитируется в дозе 50 мг/л и подается в отстойник, где осветляется в течение 18—24 ч при температуре 18—20°С. Осветленное сусло снимается с осадков и подается в сверхкрупный резервуар на брожение первоначально в количестве 15— 20% общего объема резервуара, и задается разводка ЧКД из расчета 5—10% объема введенного сусла. После разбраживания бродильной смеси до содержания остаточного сахара 10—20 г/л на брожение подается ежесуточно осветленное сусло в количестве 10—16% объема бродящего сусла в зависимости от условий протекания процесса.
По второй схеме брожение проводится поточно-доливным способом с применением искусственного холода. Сусло-самотек из сусло-сборника сульфидируется до 50 мг/л и подается в охладитель, где охлаждается до температуры 10—12°С, после чего осветляется в течение 10—12 ч. Затем осветленное сусло обрабатывается, как в первой схеме. После разбраживания бродильной смеси до содержания остаточного сахара 10—20 г/л на брожение ежесуточно подается осветленное сусло с температурой 10— 12°С в количестве 12—28% объема бродящего сусла в зависимости от условий протекания процесса.
По третьей схеме брожение проводится периодическим способом при постоянной температуре с применением искусственного холода. Сусло-самотек из суслосборника сульфидируется до 50 мг/л и поступает в отстойник, где осветляется в течение 18—24 ч при температуре 18—20°С. Осветленное сусло снимается с осадков и подается в сверхкрупный резервуар на брожение. Поддержание температуры брожения на заданном уровне осуществляется периодической циркуляцией бродящего сусла через охладители с помощью центробежного насоса.
Брожение сусла периодическим способом при температуре 18—20°С в резервуарах емкостью 50 тыс. дал дает экономический эффект в сумме около 71 руб. на 1000 дал сусла, а применение брожения поточно-доливным способом при температуре 18—20°С и периодическим способом при температуре 12—16°С в резервуарах вместимостью 50 тыс. дал — 5,8 руб. на 1000 дал сусла.
На винодельческих предприятиях Молдавии высококачественные сухие виноматериалы для производства марочных белых столовых и шампанских вин получают на установках непрерывного сбраживания или в крупных емкостях с регулированием температуры брожения.
После окончания бурного брожения начинается процесс дображивания, который протекает медленнее.
