Жизнь и размножение дрожжевых клеток подчиняются закономерностям жизнедеятельности низших растительных организмов. Целый ряд факторов физических и химических или способствует, или угнетает их развитие. Знание и изучение этих факторов при осуществлении виноделия — залог успеха в его проведении в благоприятных условиях. Рассмотрим последовательно влияния температуры, давления, света, аэрации отдельных элементов среды, служащей для питания дрожжей, сахаров, кислот, азотистых и минеральных веществ, вредных веществ, угнетающих деятельность дрожжей, алкоголя, сернистой кислоты, некоторых ядов и антисептиков и пр.
Влияние температуры.
Начальная температура брожения определяется температурой поступающего в переработку винограда, а в дальнейшем и температурой помещения, в котором оно будет идти. Практический оптимум для хорошего хода брожения и развития полезных сахаромицетов — в известном обобщении от 18 до 30° Ц. При 20—25° почкование дрожжей идет совершенно нормальным темпом, ниже этой температуры замечается замедление, точно так же как и выше 30°.
38—40° — предельный максимум, при котором возможно получение нормально выбродивших вин.
По М. Тургау минимальная температура для размножения дрожжей 6° Ц и максимальная — около 40°. По Ганзену дрожжи Иоганнисберга не могли почковаться при температуре 37 — 38° Ц. По Руссо, Роосу и Шаберту алкогольное брожение сусла прекращается между 38 и 42° Ц; оптимальная температура для его проведения лежит между 27 и 30° Ц.
Повышение температуры в бродящем сусле, основанное на выделении тепла в самом ходе процесса, подчиняется закону массы при всех других равных условиях, вследствие чего, чем больше емкость бродильной посуды, а следовательно чем больше в нее вмещается сусла, тем выше температура брожения. По Мюллер-Тургау температура в чане емкостью в 48 гл (повторяем при всех прочих равных условиях) повышалась против начальной на 17° Ц, а в чане емкостью в 72 гл — на 20° Ц. Здесь три градуса могут сыграть решающую роль в зависимости от начальной температуры брожения. Если оно было около 20°, то в конечном результате могла получиться приостановка брожения за гранью в 40°.
На влиянии массы на температуру брожения основано применение бродильной посуды уменьшенных размеров — в жарком климате или увеличенных — в более холодном. С биологической точки зрения дрожжевые клетки сохраняют способность к дальнейшей жизнедеятельности и размножению в очень широких пределах температуры. Вортманн замораживал дрожжи во льду, после этого оттаивал их, причем они ничего не потеряли в своей сбраживающей способности.
Тот же автор полагает, что в атом ничего нет удивительного, так как в северных районах виноградарства дрожжи ежегодно подвергаются замерзанию и сохраняют однако свою жизненность. По опытам Шумахера дрожжи не убивались совершенно при охлаждении до — 113,75° Ц; он установил уменьшение их сбраживающей силы при выдерживании до — 91° Ц. В опытах же Каньяра-Латура, Рауля Пиктэ и Юнга выявлено, что дрожжи могут выдержать температуру в 200° ниже нуля. При этом микроскопический анализ показал, что они не подвергались внешним изменениям и сохранили даже способность к дальнейшему размножению в благоприятной среде.
По отношению к высоким температурам дрожжи обладают меньшей выносливостью: в сухом виде нагревание до + 125° Ц убивает их; + 65—70° достаточно для смерти дрожжевых клеток в жидкой среде.
По Визнеру медленно высушенные дрожжи могут быть нагреты до 100° без потери своей жизнеспособности. По Кейзеру дрожжи во влажном состоянии убиваются при 60—65° Ц. Споры дрожжей в сухом виде погибали при температуре 125 — 130°.
По Визперу содержимое дрожжевых клеток при высокой, температуре делится на много мелких вакуолей (вместо 2—3 нормальных). Этот признак потери жизнеспособности в дрожжах Визиер определяет термином «ненормальная вакуолизация».
Потеря жизнеспособности дрожжевых клеток при температуре в 65°, отмеченная впервые Пастером, используется в практическом виноделии для остановки брожения в вине, еще содержащем сахар (пастеризация).
Возвращаясь к происходящему в обстановке брожения перерабатываемого сусла на вино, или к активной работе дрожжевых клеток в нем, мы должны остановить внимание на том, что задачей рационального виноделия должно быть предоставление процессу брожения оптимальных условий температуры, так как вне предельных температур, которыми нужно считать 18—38°, полезные расы дрожжей прекращают свою работу и, если не гибнут, то переходят в инертное состояние, уступая поле деятельности другим микроорганизмам, вызывающим болезни вина и его порчу (уксусным, маннитным, молочнокислым и пр.). Кроме того слишком большое повышение температуры брожения ведет к очень бурному его течению, сопровождающемуся сильным выделением угольной кислоты, увлекающей пары алкоголя и ароматических начал, не говоря уже о том, что с достижением предельной высокой температуры (например в 40°) дрожжи не в состоянии довести брожение до конца, т. е. до переработки всего сахара в спирт. Однако если брожение протекает, не достигнув указанного высокого предела, та оно оканчивается тем скорее, чем выше была температура. Так в произведенном нами опытном брожении 18% сусла саперави в Цинондали в чане емкостью в 60 гл сбраживание сахара до конца происходило:
При низких предельных температурах брожение затягивается, но в белых винах оно заканчивается довольно благоприятно несмотря на продолжительность брожения (иногда 30—50 дней).
Сусло рислинга в Цинандали при начальной температуре в 16° давало вполне сухое вино через 34 дня, причем температура в период наиболее бурного брожения (в течение 4 дней) не была выше 24,5.
По Мюллер - Тургау брожение в пределах 12—25° Ц протекает всегда благоприятно; при этом наблюдается максимум получаемого алкоголя и образование больших количеств глицерина, что в связи с сохранением букетистых веществ придает вину лучшие свойства.
В особенно ароматичных рейнских и мозельских винах брожение при очень низких температурах (12—18°) протекает медленно, затягиваясь иногда на несколько месяцев.
Винодельческое оборудование современных бродилен требует применения различных методов и соответственной аппаратуры как для понижения, так и для повышения температуры в бродящем сусле. К числу их относятся частичное нагревание сусла в луженой посуде до температуры около 40—50° и вливание нагретой жидкости в общую массу сусла для доведения его до температуры, при которой размножение дрожжей идет в благоприятных условиях. Само собой разумеется, что результаты получаются тем скорее, чем меньше объем нагреваемой массы и чем выше температура подогреваемого сусла; иногда достаточно нагреть 2—3 гл до 60°, чтобы получились благоприятные результаты в чане с 40 гл сусла. Для той же цели помещают в чан, наполненный суслом, небольшие снаружи луженые змеевики, через которые пропускается горячая вода (или пар), выпускаемая через нижнее шпунтовое отверстие бродильной посуды. Имеются также несложные передвижные согревательные аппараты, устанавливаемые около нагреваемого чана или бута. В них сусло может пропускаться внутри луженых труб в приемнике с нагреваемой водой. Нагревание помещений в целом ведет к той же цели, если оно не вызовет нежелательного повышения температуры в бродящем, ранее загруженном в чаны сусле. Нагревание помещения даже простой переносной печкой практически полезно, если сусла немного и оно получено из одновременно собранного холодного винограда. В больших винодельнях с паровым или иным отоплением по тем же соображениям надо разделять дробильные помещения на отделения рассчитанной величины, изолированные друг от друга переборками, в целях доведения в них температуры порознь до желательных пределов включением в отопительную систему находящихся в них батарей.
После доведения температуры холодного сусла до 18—20° дальнейший ход брожения обыкновенно уже обеспечивается повышающейся температурой в процессе самого брожения. Однако нельзя упускать из виду возможного угнетения его окружающей холодной температурой и надо принимать меры против вредных ее влияний. Само собою разумеется, что в холодных районах должно быть отдано преимущество крупной бродильной посуде (70—100 гл). Для нагревания сусла при наличии электрической проводки возможно применение новейших электрических грелок из неокисляющегося металла.
В совершенно иных условиях протекает брожение в более южных районах с жарким климатом. Здесь виноград поступает в винодельню сильно нагретым, зачастую с начавшимся уже брожением в транспортной посуде, почему провести брожение в оптимальных условиях температуры оказывается часто невозможным.
В Туркестане применяется охлаждение поступающего винограда холодной водой, с тем чтобы вода с погруженного в корзинах винограда испарилась и стекла полностью до его переработки. Некоторый эффект охлаждения может быть получен, если виноград в ночное время находится в хорошо проветриваемом помещении, а также если брожение производится в углубленных в землю чанах.
Понижение температуры бродящей жидкости достигается в небольших пределах проветриванием винограда и перепусканием охлаждающихся его отдельных порций в открытых лоханях или перерезах.
Конечно для больших виноградных сборов, перерабатываемых в больших винодельнях, этих в сущности паллиативных мероприятий недостаточно. Необходимо применять охлаждение сусла до начала брожения, а также уже бродящего при достижении температуры примерно в 30—32°.
При больших количествах собираемого винограда ограничить время сбора утренними и вечерними часами не представляется возможным, так как это сопряжено с потерей рабочих часов. Аэрация сусла и другие примитивные меры не ведут к достижению особенно ощутительных результатов, не говоря уже о том, что аэрация иногда ведет к искусственному возбуждению жизнедеятельности дрожжей и сопряжена с окислительным действием воздуха на сусло.
Охлаждение сусла может быть достигнуто также змеевиками, через которые пропускается холодная вода.
Опыт наиболее южных районов виноградарства заграницей и у нас в СССР выявил большое значение не только емкости бродильной посуды, но и материалов, из которых она сделана, в отношении хода повышения температуры в бродящей жидкости. С увеличением массы бродящей жидкости обычно наблюдается повышение температуры, почему уже проведение брожения белого и красного сусла в чанах емкостью в 30—35 гл привело бы к благоприятному течению брожения. Однако для таких установок в крупных хозяйствах потребовалось бы сооружение слишком больших помещений. Наиболее благоприятные условия чрезмерному повышению температуры бродящего сусла создаются в бетонных или каменных зацементированных чанах, не дающих потери тепла излучением; деревянные же чаны в этом отношении находятся в более благоприятных условиях.
Введенные одно время в Алжире железные, эмалированные изнутри чаны системы Туть, с применением смачивания их снаружи водою, не дали особенно хороших результатов даже при укутывании холстом, так как понижение температуры бродящей в них жидкости не достигало желаемых норм: кроме того эти чаны были дороги и не устраняли, при долговременном пользовании, соприкосновения с металлом.
Хорошие результаты в смысле понижения температуры брожения дают простейшие холодильники, если имеется для них холодная вода (15—18°).1
Несложный по устройству холодильник системы Гильебо (и сходные с ним Мюнца и Руссо, Андрие, Поля, Рооса, Гекмана и др.) изображен на рис. 62. Здесь подвергаемое охлаждению сусло входит через нижнее отверстие А, а затем под давлением жидкости проходит по всем трубам (луженым) и выходит через верхнее отверстие В. Во время этого прохождения сусло охлаждается льющейся сверху по каплям и частично испаряющейся водою из ситообразного жолоба В, находящегося над трубами и имеющего в своем дне ряд небольших отверстий для пропуска воды. Таким образом наиболее холодную температуру проходящее внутри труб сусло получает к концу своего прохождения в них.
Рис. 62. Холодильник Гильебо.
Во время работы холодильник герметически закрывается сбоку дверцами Г при помощи винтов и каучуковых зажимов. Большие холодильники Гильебо из 38—40 труб длиною в 3—4 м, диаметром в 4,5 см, пропускают до 60 гл сусла в 1час. Очистка труб от накопившегося винного камня и твердых частей винограда (кожицы, семян, обрывков гребней) производится через открывающиеся дверцы Г простыми травяными или щетинными банниками.
В опытах, произведенных нами в крупных винодельческих хозяйствах Кахетии (Цинандали, Мукузань, Напареули), удавалось понизить температуру бродящего красного сусла на 5 —7° при наличии воды в 17—18° Ц. При этом: 1) охлаждение применялось каждый раз, когда сусло, еще содержащее много сахара, начинало нагреваться выше 32° Ц, а в случаях быстрого темпа поднятия температуры и раньше этого — при 29 и даже 28°; 2) после охлаждения ход брожения был тем правильнее, чем менее сусло подвергалось влиянию высокой температуры (выше 32° Ц); 3) охлаждение во всяком случае должно иметь место до наступления критических температур (38—40°).
Рис. 63. Холодильник Лавранса.
В связи с этими опытами было введено охлаждение описанными выше холодильниками во всех случаях повышения температуры бродящих сусел. В результате достигнуто полное выбраживание вин в короткий промежуток времени (7—8 дней) и повышение качества продукции, не подвергавшейся воздействию микроорганизмов, развивающихся за пределами благоприятной температуры для хороших дрожжей.
На том же принципе охлаждения сусла холодной водой основываются холодильники Лавранса (Lawrence) (рис. 63); в них холодная вода протекает внутри по трубам, сусло же по каплям льется сверху вниз по волнистой их поверхности в замкнутой камере.
Рис. 64. Максимальный чановой термометр в открытом и закрытом виде.
Рис. 65. Изогнутый чановой постоянный термометр.
Еще лучшие результаты получаются в применяемых в настоящее время в Алжире и на юге Франции холодильниках, в которых охлаждение достигается химическими смесями (они будут описаны в главе V в связи с применением охлаждения в некоторых случаях для готового вина).
Поддержание температуры, при которой протекает брожение, в надлежащих пределах — могучее средство для доведения его до конца, т. е. до сбраживания всего сахара, заключающегося в нем. Это существенно необходимо при получении сухих столовых вин, так как остающийся несброженный сахар при последующем дображивании служит материалом для жизнедеятельности болезнетворных микроорганизмов, вступающих в борьбу за существование с вялыми, не энергично размножающимися дрожжами.
Измерение температуры бродящего сусла производится максимальным термометром, погружаемым до середины его на особой присоединенной к термометру палке (рис. 64) в закрывающемся продырявленном футляре. Более совершенно это делается в чанах и больших бутах изогнутым под прямым углом термометром, укрепленным в специальном просверленном шпунте или трубке на должной высоте указанной посуды (рис. 65).
Рис. 66. Автоматически сигнализирующий термометр: 1. Электрич. батарея, 2. Звонки для максимальной и минимальной температуры, 3. Термометр с циферблатом и стрелками.
В Алжире в наиболее хорошо оборудованных винодельнях теперь в употреблении автоматически сигнализирующие термометры (см. схему на рис. 66); они дают звонок, как только температура бродящего сусла достигнет определенного максимума или минимума, или вычерчивают на особом циферблате кривую брожения.1
1 Все эти термометры изготовляются парижской фирмой Дюжарден-Саллерона.
Рис. 67. График брожения, проходившего при очень высокой температуре (39° Ц).
При рациональном ведении виноделия на всякой посуде, в которой идет брожение, прикрепляется разграфленный в клетку бланк, на котором отмечается точками температура в определенные дни и часы наблюдений. Обыкновенно температура измеряется 3 раза в сутки, примерно в 6, 14 и 22 часа. Нанесенные на бланк точки соединяются в линию, которая наглядно иллюстрирует ход брожения и следовательно указывает моменты, когда сусло должно быть подвергнуто охлаждению или нагреванию. Графическое изображение температур в период брожения дает возможность предсказывать качество получаемого вина.
Рис. 68. График брожения сусла, прошедшего через холодильник 4 сентября при 84° Ц.
На рис. 67 приведен график брожения с ненормально повысившейся температурой, а на рис. 68 — график брожения, при котором было применено охлаждение, когда повышение температуры достигло 34° Ц. В данном случае охлаждение в Мукузани при помощи холодильника Гильебо дало понижение температуры на 10°, причем в дальнейшем температура не поднималась выше 28°. Вино прекрасно выбродило и было значительно выше по качеству, чем вино из того же сорта винограда, одновременно собранного, бродившее при более высокой температуре.
Так как повышение температуры бродящего сусла помимо воздействия внешних условий находится в зависимости от энергии размножения дрожжей, то эффект общего понижения температуры в бродящем сусле может быть достигнут искусственной задержкой размножения и работы дрожжей. Для этой цели за последнее время применяется сернистый газ (SO2), который можно вводить в жидком виде.
В некоторых случаях получаются благоприятные результаты сильным окуриванием сернистым газом части отлитого сусла в отдельной бочке, с последующим вливанием его в бурнобродящую массу. Этот метод тем более достоин внимания, что сернистый газ, временно угнетая деятельность полезных для брожения эллиптических дрожжей, вызывает гибель нежелательных и вредных для нормального хода брожения микроорганизмов (бактерий). Здесь конечно имеет весьма важное значение правильная дозировка вводимого сернистого газа, так как избыток его помимо влияния на вкусовые качества бродящей жидкости может вызвать полное прекращение брожения. Опыты показали, что количество вводимого в подобных случаях сернистого ангидрида не должно превышать 14 г на 1 гл. Однако по Фабру эта доза не растворяется в указанном количестве сусла при его взбалтывании и одновременном окуривании газом, выделяющимся при сжигании серных фитилей (при так наз. мютаже); в этом случае часть сернистого газа улетучивается в воздух. Кроме того растворимость сернистого газа меняется в зависимости от температуры жидкости и ее состава. Так по Симсу 1 л воды при 8° растворяет 16,8 г сернистой кислоты, при 12° — 14,2 г, при 20° — 10,4 г, при 24° — 9,2 г и т. д. В сусле поглощение SO2 увеличивается вследствие образующихся соединений с сахаром, альдегидами и проч.
Для точной дозировки вводимого чистого сернистого газа наиболее целесообразно применять его в жидком состоянии из стальных или чугунных бомб при помощи особых сюльфитометров, позволяющих ввести точно отмеренное количество газа (сюльфитометры Пакоттэ, фульгур Зейтца и др.). 1
Сернистый газ может быть введен в сусло также путем прибавления метабисульфита (пиросульфита) калия (K2S2O6), который теоретически содержит 52—57% сернистой кислоты (практически не более 50%); однако последняя из метабисульфита частично соединяется с основными частями сусла, образуя сульфатное соединение калия и т. п., так что практически можно рассчитывать, что 4 г метабисульфита калия дают 1 г свободной сернистой кислоты. Следовательно, если принять, что для задержки брожения нужно примерно 2,5 г сернистого газа па 1 гл, то метабисульфита нужно взять 10 г на то же количество сусла, чтобы в нем наступило временное прекращение развития дрожжей и соответственное его охлаждение. По А. Ружье в южных районах «не следует делать ни одной капли красного вина без прибавления к суслу бисульфита калия. Он умеряет ход брожения, не давая повышения температуры, при которой сахар остается недоброженным в пользу болезнетворных микроорганизмов, не дающих спирта. Бисульфит как бы иммунизирует вина против болезней, турна, ожирения, уксусного закисания и пр. Применение бисульфита дает возможность получать даже из подгнившего винограда здоровое вино, скорее осветляющееся и становящееся скорее готовым».
1 Описание сюльфитометра Зейтца приведено на стр. 195.
Влияние атмосферного давления на жизнедеятельность дрожжей.
Дрожжи, как и вообще все микроорганизмы, могут выдерживать очень высокое атмосферное давление без потери своей жизнеспособности. Однако до сих пор было мало известно, при каком максимуме давления дрожжи теряют способность сбраживать сахаристые вещества. Ответ на этот вопрос частично разрешен для пива и шампанского, в особенности для последнего, так как повышение давления углекислого газа при его фабрикации до 5 и 6 атмосфер не оказывает влияния на жизнеспособность дрожжевых клеток.
По Аберсону глюкоза еще бродит при 25 атмосферах давления.
Опыты Лиске и Гофмана, проведенные в запаянных сосудах (стальных бомбах), дали следующие результаты: нормальное дрожжевое брожение при обыкновенной комнатной температуре в замкнутом сосуде прекращается, когда давление образующейся углекислоты достигает 38—40 атмосфер. Эти пределы столь велики, что в практическом виноделии не может возникать вопроса об угнетающем воздействии давления.
С другой стороны, удаление путем высасывания угольной кислоты из бродящего сусла нужно считать благоприятным фактором для ускорения брожения. Согласно данным, сообщаемым Пакотте, дрожжи не теряют свой жизненности в пустоте.
Влияние кислорода воздуха при аэрации.
Как было указано выше (стр. 90), жизнь дрожжевых клеток и их размножение возможно в аэробных и анаэробных условиях. В первом случае дрожжи черпают необходимый для их жизни кислород из воздуха, во втором они получают кислород из той среды, где протекает их жизнь. В первом случае сахар бродящей жидкости образует самые ничтожные количества алкоголя и трансформируется в углекислоту и воду, во втором же — дрожжи, отщепляя кислород сахара, образуют помимо угольной кислоты алкоголь и некоторые другие продукты, о которых будет сказано ниже.
По Ганзену число образующихся новых дрожжевых клеток при проветривании сусла увеличивается, что видно ив следующих данных.
С другой стороны, усиленное размножение дрожжевых клеток влечет за собой потребление ими больших количеств азота для своего питания, так что в результате сусло, подверженное увеличенному доступу воздуха, дает вино с меньшим содержанием азота, чем непроветренное. Кроме того нужно иметь в виду, что всякое проветривание влечет за собой удаление угольной и летучих кислот, окисление дубильных веществ и переход белковых веществ вместе с ними в осадок.
Этим благоприятным результатам операции проветривания противопоставляются существенные отрицательные моменты проветривания. К числу последних следует отнести окисление красящих веществ.
Ввиду изложенных причин в практическом виноделии к проветриванию бродящего сусла может быть проявлено неодинаковое отношение в различных случаях. Оно полезно, как указано выше, для понижения температуры бродящей жидкости; оно благоприятно, помогая оживлению деятельности дрожжей в недоброженном, еще содержащем сахар сусле, когда часть дрожжевых клеток переходит в осадок в инертном состоянии. Иначе говоря, проветривание помогает оживлению дрожжей и образованию новых количеств зимазы. С другой стороны, ведение брожения красных вин в закрытых чанах (без доступа воздуха) в результате дает вина с более густой и красивой окраской; это подтверждено рядом опытных работ Кремера, Шандера, Фукса и др., почему они пришли к заключению, что проветривание бродящего красного сусла нужно считать скорее вредным, чем полезным. Усматривая в данном случае окислительные процессы в сфере красящих веществ для красных материалов, мы должны обратить внимание и на то обстоятельство, что излишний доступ воздуха также действует и на цвет бледножелтых сусел из белого винограда, изменяя их окраску в более желтый и даже бурый цвет. Кроме того нельзя упускать из виду, что при всяком проветривании бродящего сусла происходит улетучивание ароматических веществ и паров алкоголя, который к тому же должен уменьшиться в своем количестве вследствие сгорания сахара до образования угольной кислоты и воды от аэробной деятельности дрожжей. Таким образом имеются доводы как за доступ кислорода в бродящую массу, так и против него, подлежащие в каждом отдельном случае основательному рассмотрению.
Влияние света не имеет существенного значения, так как размножение дрожжей в бродящей жидкости идет в закрытой посуде, не пропускающей света.
Согласно наблюдениям Мартинана дрожжи на ягодах винограда при сильном солнечном освещении находятся в ослабленном состоянии или вовсе отмирают. Мартинан указывает, что яркий свет действует разрушительно на дрожжи, особенно при высоких температурах. Так он наблюдал, что при 40—45° Ц дрожжи в этом случае погибали в течение 4 часов; отсюда он делает вывод, что виноград, собираемый при ярком солнечном освещении, поступает с дрожжевыми клетками, неспособными к размножению.
Влияние среды.
Химический состав дрожжей находится в известной зависимости от составных частей той среды, в которой протекает их жизнь.
Дрожжи сами по себе содержат воду, углеродистые, азотистые и минеральные вещества. Удельный вес их, приблизительно равный 1,180, колеблется от возраста, расы и питания. Находясь во взвешенном состоянии в сусле, имеющем приблизительно ту же плотность, они, по мере увеличения содержания спирта и следовательно с уменьшением удельного веса жидкости в образующемся вине, опускаются на дно в виде плотного осадка.
