Преобразование вина и его обработка - Процессы этерификации в винах

ГЛАВА III
ПРОЦЕССЫ ЭТЕРИФИКАЦИИ В ВИНАХ

Сложные эфиры представляют собой вещества, образующиеся в результате взаимодействия кислот и спиртов, следовательно, они всегда присутствуют в вине. Прежде склонны были относить эти вещества к летучим, наделенным ярко выраженными запахами, и приписывали им значительную роль в образовании букета вина. Однако эта точка зрения должна быть целиком пересмотрена.
В последних своих работах, посвященных всестороннему изучению эфиров вина и их образованию, процессам этерификации, Пейно описал методику анализа каждой категории эфиров и доказал, что эфиры образуются в винах двумя различными путями: во-первых, в результате биологических явлений дрожжи и бактерии образуют средние эфиры — уксусно-этиловый (этилацетат), молочно- этиловый; во-вторых, в процессе старения вина спирты и кислоты способны чисто химическим путем образовать преимущественно нелетучие кислые эфиры. Продуктами реакций между винной и яблочной кислотами и этиловым спиртом являются кислые винно-этиловый и яблочно-этиловый эфиры. Реакции названных кислот с этиловым спиртом протекают крайне медленно и подчинены закону равновесия. Они начинают проявляться в вине лишь спустя несколько месяцев и не достигают своего предела даже по прошествии пятидесяти лет его хранения. С течением времени в эфиры может перейти около 0,1 общего содержания кислот.
Исследования Пейно показали, что эфиры вовсе не входят в ароматы и букеты вин или влияют на них в очень слабой степени¹.
При опробовании искусственных растворов, в которые внесены основные эфиры вина, можно убедиться, что в количествах, встречающихся в вине, эфиры не придают вину ни особого вкуса, ни запаха, за исключением уксусно-этилового эфира, подробно рассмотренного ниже, острый запах которого характерен для прокисших вин.  

¹ На это в русской литературе указывал, на основании своих исследований, М. Ф. Щербаков еще в 1903 г., когда он писал: «едва ли можно придавать большое значение эфирной теории образования букета в винах». Щербаков, Старение вина, Записки И. общ. с. х. южной России, 1903.

Вопрос об участии в развитии букета некоторых эфиров,
образующихся в очень небольших количествах с другими спиртами вина, решен опытным путем отрицательно.
Через различные вина в соответствующем экстракционном аппарате повторно пропускали пары очищенного петролейного эфира и сгущали их вновь. Было обнаружено, что при этом запах и букет исчезают из вина и обнаруживаются в сгущенном эфире, т. е. растворяются в парах петролейного эфира и извлекаются ими из вина вместе с эфирами вина, но от эфиров они отличаются тем, что не разрушаются под действием едкого натра.
Для освещения этих вопросов лучше всего привести наиболее ценные выдержки из превосходных работ Пейно, выполненных в биохимической лаборатории Бордоского научно-исследовательского института¹.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ЗАКОНОВ ЭТЕРИФИКАЦИИ

Вертело и Пеан де Сен-Жилль в 1862 г. установили, что реакции этерификации, идущие между кислотами и спиртами, отличаются медленностью и ограниченностью.
Действительно, если смешать молекулу уксусной кислоты с молекулой этилового спирта, то смесь при неизменной температуре мало-помалу теряет свою кислотность вследствие нейтрализации кислоты спиртом. При этом образуются нейтральные соединения: уксусно-этиловый эфир и вода. В этом и заключается явление этерификации. Реакция может быть изображена следующим уравнением:

Формула этой реакции весьма похожа на формулу нейтрализации кислоты основанием и часто с ней сравнивалась.

Существует, однако, глубокое различие в ходе этих двух реакций. Насыщение кислот основаниями происходит мгновенно, так как вещества эти диссоциированы в растворе на ионы и в реакции участвуют ионы СН3СОО- и Nа+, а также ионы Н+ и ОН-. Реакция между кислотами и основаниями носит характер ионной реакции. Этерификация, напротив, протекает крайне медленно. В значительной степени эта реакция зависит от температуры.  
Этерификация, которая длилась бы годами при обычной температуре, завершается в несколько дней при 100° и в несколько часов при 200°. Это молекулярная реакция; в ней участвуют только недиссоциированные молекулы кислоты (в данном случае — СН3.
Поликислоты в зависимости от того, вступает ли в реакцию со спиртом один или несколько их карбоксилов (—СООН), способны образовать кислые эфиры и средние эфиры почти аналогично тому, как образуются кислые или нейтральные соли в зависимости от нейтрализации одного или всех карбоксилов². Например, винная кислота, образующая кислый виннокислый калий и нейтральную виннокислую соль калия, может дать следующие два эфира:  представляющий собой моноэфир, или этиловинную кислоту, и

являющийся диэфиром, или средним этиловинным эфиром.

¹ Эта работа, как и большинство наших первых трудов о вине

² В этом случае автор пользуется лишь внешним сходством продуктов солеобразования и эфирообразования. На самом же деле карбоксильная группа кислот в растворе находится в двух состояниях: в так называемом координированном, когда водород присоединен к обоим атомам кислорода, и в виде псевдокислот, когда он присоединен к одному из атомов кислорода. В первом случае кислоты присутствуют в состоянии электрической диссоциации и образуют соли, у псевдокислот при образовании эфиров отщепляется гидроксил, а от спирта отщепляется водород. Этот механизм

При образовании уксусноэтилового эфира в указанной выше смеси уксусной кислоты и этилового спирта скорость процесса этерификации постепенно уменьшается и вскоре достигает нуля, хотя еще не вся кислота нейтрализована спиртом; при этом получается раствор, содержащий 1/3 молекулы уксусной кислоты, 1/3 молекулы спирта, ¹/3 молекулы этилуксусного эфира и 2/3 молекулы воды. При таком соотношении веществ в растворе реакция достигает предела. О такой системе говорят, что она находится в состоянии равновесия.
Если же смешать молекулу уксусно-этилового эфира с молекулой воды, то произойдет распад эфира на кислоту и спирт. Смесь этого эфира с водой находится в неустойчивом равновесии. Нейтральная вначале смесь при некотором повышении температуры быстро приобретает кислую реакцию, в ней происходит реакция, обратная этерификации, — омыление эфира.
Реакция омыления, подобно этерификации, протекает очень медленно, и скорость ее в значительной степени зависит от температуры. Постепенно замедляясь, она прекращается раньше, чем распадается весь уксусноэтиловый эфир. Когда реакция достигает состояния равновесия, то раствор состоит из тех же веществ в тех же количествах как при образовании эфира в эквивалентной смеси спирта и кислоты.
Эти два процесса — этерификация и омыление — взаимно ограничивают друг друга. Поэтому формула их реакции изображается со знаком обратимости.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Таким образом, этерификация является медленной молекулярной реакцией, ограничиваемой процессом — омылением. Статика этой обратимой реакции, по меньшей мере приближенно, подчиняется закону действия масс. Расчеты баланса реакций по формуле этого закона применимы к вину. Уже Бертело предложил для такого рода вычислений эмпирическую формулу, дающую результаты, несколько отличные от получаемых согласно закону действия масс. Например, раствор с 10° этилового спирта и 100 мэкв свободной кислотности в литре, т. е. с количеством спирта и кислот, встречающимся в винах, должен содержать в литре согласно закону равновесия реакций этерификации 12,4 мэкв, а по формуле Бертело только 11.
2. Изучение процесса этерификации органических кислот в искусственной среде, близкой к вину по содержанию спирта, титруемой кислотности и концентрации ионов Н+, было повторено. В другом месте для различных кислот мы приводим сравнительные таблицы количественного содержания эфиров и скорости их образования в зависимости от времени и различных pH. Из этих таблиц видно, что свойства кислоты и pH среды являются основными факторами, ускоряющими реакцию. Изученные кислоты при прочих равных условиях распределяются по убывающей скорости процесса этерификации в следующем порядке: янтарная, яблочная, молочная, винная, лимонная, уксусная, пропионовая и масляная. Ионы Н+ являются весьма активными катализаторами этерификации.
3. Существующие до настоящего времени методы определения общего количества эфиров в вине (Шмитта, Губерта) дают очень неточные результаты. Определяя эфиры в вине омылением щелочью, за эфиры принимают вещества, на самом деле к ним не относящиеся, в частности сахара и дубильные вещества, которые в щелочной среде разрушаются или окисляются, образуя кислоты. Эти методы определения эфиров настолько неточны, что в сладких винах дают завышение в 2—5 раз.

Точное определение эфиров в вине можно получить посредством полного экстрагирования средних и кислых эфиров из определенного количества вина, подкисленного до pH 2 при помощи аппарата Гагена, применяя серный эфир в качестве растворителя. Если параллельно произвести омыление щелочью той части вина, которая лишена эфиров, и омыление в контрольном образце, то разность между обоими показателями омыления соответствует количеству экстрагированных сложных эфиров.

1. Способы, указанные для выделения эфиров, основаны большей частью на свойстве летучести этих соединений. Но только нейтральные эфиры являются летучими, и, следовательно, методами дистилляции (Гайона, Шелля и др.) можно исследовать лишь эту категорию эфиров.

При фракционной перегонке нейтральных эфиров вина установлено, что уксусноэтиловый эфир целиком перегоняется с первой десятой частью объема. Прочие нейтральные эфиры, например, молочноэтиловый, выделяются более равномерно. После отгона 10/11 объема вина в остатке еще сохраняется некоторое количество нейтральных эфиров, примерно 5—10% всего их количества.
Пейно разработал быстрый и более правильный метод определения нейтральных эфиров в вине путем отгонки, чем описанные раньше.

1. Эспиль и Пейно предложили метод определения нейтральных эфиров путем извлечения их петролейным эфиром из нейтрализованных жидкостей. Применяя этот метод, пользуются аппаратом непрерывного извлечения Гагена, хорошо выполняющим этот процесс. Точность предложенного метода не вызывает сомнения. Он применим ко всем сложным сброженным средам.

Кроме того, пользуясь этим методом, можно определять природу извлеченных средних эфиров и их количество. Уксусная кислота может быть определена в извлечении путем дистилляции. Этим самым устанавливается содержание в вине уксусноэтилового эфира. Молочная кислота, определяемая после превращения ее в ацетальдегид, показывает содержание в вине молочноэтилового эфира. Точность подобных определений подтверждается на растворах известных количеств чистых эфиров. Общее количество средних эфиров винной, яблочной и лимонной кислот всегда очень незначительно и приближенно определяется окислением марганцем.

1. Количество кислых эфиров выражается разностью между общим количеством эфиров и количеством нейтральных эфиров. Путем определения винной кислоты можно получить данные о количестве этой кислоты, этерифицированной в винах.

Этот метод определения дает возможность установить достаточно полный баланс различных средних эфиров в небольших объемах вина. Особенно надежные результаты получаются при продолжительном экстрагировании. Посредством этих методов, мало используемых при анализе вин, по-видимому, можно разрешить такие вопросы, как отделение бесцветного танина красных вин от красящих веществ и отделение высших монокислот от уксусной кислоты.

1. Пейно, пользуясь вышеописанными способами, установил балансы эфиров в большом количестве тонких вин, преимущественно из района Бордо, различных по возрасту, характеру, происхождению и качеству. Эти данные опубликованы в его сводной работе. Некоторые из них приведены в качестве примера в табл. 8 (анализы 1936 г.).

Таблица 8
Содержание эфиров в бордоских винах в мэкв/л

Сравнение данных, полученных на 50 образцах различных вин, с теоретически вычисленными дало возможность обнаружить закономерности этерификации кислот в подобного рода средах.

1. Эфиры вина образуются в результате химических реакций в процессе старения или вследствие действия эстеразы при брожении и болезней вин. В общем, эти два процесса этерификации раздельно участвуют в образовании эфиров; химическая этерификация дает преимущественно кислые эфиры, а биологическая —  главным образом средние.

Содержание эфиров в вине обусловлено его составом и возрастом. Оно колеблется от 2 до 3 мэкв/л в молодых винах и от 9 до 10 мэкв/л — в старых.
Их увеличение в винах особенно заметно в течение первых двух лет хранения. Эта реакция остается далекой от своего предела. Даже старые вина (пятидесятилетнего возраста) накопляют примерно три четверти возможного количества эфиров. Отношение всего количества эфиров к предельному количеству, исчисленному по формуле Вертело (соотношение), может служить показателем возраста вина, как это видно из данных табл. 9.
Таблица 9
Соотношение между количеством эфиров а и их предельным количеством 

В вине образуется примерно равное количество средних и кислых эфиров.
Количество нейтральных эфиров, образующихся преимущественно физиологическим путем, медленно увеличивается при старении вина, т. е. в результате химических реакций. Количество уксусно-этилового эфира в здоровых винах колеблется в пределах 0,5—2 мэкв/л. Содержание нейтральных эфиров винной, яблочной и лимонной кислот редко достигает 0,75 мэкв/л. Образование их, по-видимому, активируется химическими катализаторами. Эти эфиры образуются в течение ряда лет. Поэтому в очень молодых винах их нет. Молочно-этиловый эфир присутствует в довольно больших количествах в винах, богатых молочной кислотой. Этот эфир образуется в процессе спиртового брожения и, вероятно, при молочнокислых брожениях, которые обычны для молодых красных вин в течение первого года. Циклического сложного эфира молочной кислоты (лактида), образующегося в результате внутренней реакции, о наличии которого в вине имеются указания, на самом деле в вине быть не может.

В старых винах кислые эфиры образуются за счет свободных кислот в количестве нескольких миллиэквивалентов; заметим, что до сих пор эти величины не принимались в расчет при вычислении баланса органических кислот вина. Из этих эфиров на долю кислого винно-этилового эфира в старых бордоских винах приходится 1,5 мэкв/л. В винах, с повышенным содержанием винной кислоты его больше, чем в легких винах Жиронды. Этерификация этой кислоты всегда далеко не достигает предела равновесия. В соответствии с законом равновесия в вине могут присутствовать лишь в очень небольших количествах этилофосфорная и глицерино-фосфорная кислоты.
Следует иметь в виду, что этерификация каждой органической кислоты вина происходит обособленно и независимо и ни одна из них никогда не достигает теоретического предела.

1. В практических условиях брожение представляет источник довольно значительного образования нейтральных этиловых эфиров. При брожении в колбах с чистыми культурами винных дрожжей всегда образуется очень мало эфира, но имеются расы дрожжей, обладающие ясно выраженной способностью образовывать эфиры.

Уксусные бактерии в процессе окисления спирта при помощи, содержащейся в них эстеразы образуют более или менее значительное количество уксусно-этилового эфира в зависимости от вида бактерий и температурных условий. Бактерии вида Bacterium Xylinum также способны образовывать уксусно-этиловый эфир. Эти бактерии были найдены в трубопроводах вертикальных чанов с медленным протеканием вина. Их зооглеи принимали форму внутренней капсулы, прилегающей к стенкам. В виде плотной перепонки они были обнаружены и в бутылке бургундского вина 1893 г., сильно вытекшего вследствие плохой закупорки.
Уксус при полном окислении спирта в уксусную кислоту содержит лишь незначительное количество уксусноэтилового эфира. В процессе брожения или размножения уксусных бактерий эфиры всегда образуются внутри клеток и только за счет вырабатывающихся в них кислот. И во время брожения кислоты сока также не этерифицируются; с другой стороны, уксусные бактерии образуют только уксусно-этиловый эфир.
Общее количество эфиров под действием цвели вина (Мусоderma vini) уменьшается в отношениях, часто не зависящих от свободной кислотности; цвель вина не действует на эфиры при помощи эстеразы.
Бактерии турна, изучавшиеся в винах с повышенным pH, проявляли лишь слабое эфирообразование сравнительно с большими количествами образуемых ими кислот.
В молодых винах не был обнаружен биологический катализатор этерификации, способный разрушаться при нагревании; во всяком случае присутствие подобной эстеразы оказывало бы лишь незначительное влияние на этерификацию в винах.

1. Для того чтобы значительно повысить содержание эфиров в винах, требуется длительное пребывание их при температурах выше тех, при которых вина способны сохраняться, не изменяя своей природы. Пастеризация не влияет на повышение количества эфиров. На их количество не влияют также слабые и сильные окислительные процессы, не влияет и продолжительность их, емкость, форма винной посуды и обычные технологические операции (оклейка, фильтрация, переливки).
2. Эфирам принято приписывать важную роль в образовании букета и вкусовых свойств вина. Однако, как уже отмечено некоторыми авторами (Гайон), качество вина совершенно не связано с содержанием эфиров, а является результатом процессов, одинаковых для всех вин, как тонких, так и простых. В искусственном растворе веществ в концентрациях, в каких они встречаются в вине, этиловые эфиры, средние или кислые (исключая образованные только одноосновными кислотами), не обладают ни особым запахом, ни специфическим вкусом. Основные букеты вин, экстрагируемые петролейным эфиром, полностью омылением не уничтожаются. Кроме того, доказано, что свойства, приобретаемые вином при длительном хранении в бутылках, являются результатом процессов восстановления и не связаны ни с окислением, вызываемым проникающим через пробку кислородом, ни с медленной этерификацией.

Уксусно-этиловый эфир образуется уксусными бактериями, а не реакцией присутствующей в вине уксусной кислоты со спиртом, как обычно полагают, и является веществом, придающим вину характерный запах уксусного скисания.