1.2. Диоксид углерода в игристых винах

Игристые вина выделяются среди вин другого типа пенистыми и игристыми свойствами, обусловленными наличием в них образующихся в процессе вторичного брожения различных форм СO₂.

Согласно гипотезе Г. Г. Агабальянца [11], в процессе вторичного брожения в игристых винах накапливаются три формы диоксида углерода: газообразная, связанная и растворенная, находящиеся между собой в подвижном равновесии: СО_2газ ↔ СО_{2раствор} ← RСО₂. Под RCO₂ понимается связанная форма диоксида углерода, образующаяся в результате физико-химического и биохимического взаимодействия СО₂ с другими компонентами вина. Связанная форма СO₂ накапливается в замкнутой системе вино-СO₂ в процессе вторичного брожения в концентрациях до 20% общего содержания СO₂ в растворе и не участвует непосредственно в динамическом равновесии СO_2газ ↔ СО_{2раствор}.

Основным свойством связанных форм СО₂, обеспечивающих игристые и пенистые качества игристых вин, является их способность сохранять устойчивость повышенного давления в замкнутой системе вино -СО₂ и медленно разрушаться с высвобождением диоксида углерода при снижении давления до атмосферного.

Несмотря на установленную прямую взаимосвязь между пенистыми и игристыми свойствами и содержанием в вине СО₂ в связанной форме, о природе последней в игристых винах существуют противоречивые мнения.

Ряд исследователей (Е. М. Козенко, Л. Н. Парфентьев и др.) высказываются в пользу химической природы образования связанной формы СO₂ в виде моно- и диэтиловых эфиров угольной и пироугольной кислот, карбаминовых кислот, соединений типа кетокислот. Однако из всех эфиров угольной и пироугольной кислот только диэтилпирокарбонат имеет кинетику гидролиза, сходную с кинетикой игры шампанского, вследствие чего присутствие этого эфира в вине способствует увеличению продолжительности выделения пузырьков СO₂. Остальные эфиры, характеризуясь либо очень легкой гидролизуемостью (С₂Н₅-О-СООН; С₂Н₅-О-COO-СООН), либо повышенной устойчивостью (С₂Н₅-О-COO-С₂Н₅), не обладают свойствами, позволяющими приписывать им определенную роль в формировании типичных качеств игристых вин [60].

Высокая реакционная способность пироугольных эфиров с соединениями, имеющими группу NH₂, не исключает возможности существования в игристых винах химически связанной углекислоты в виде карбаминовых соединений.

В литературе имеется целый ряд данных о взаимосвязи образования в вине химически связанных форм СO₂ с биохимическими процессами, которые протекают в дрожжевых клетках и осуществляются ферментами, перешедшими из них в вино в процессе брожения. Согласно данным И. Ф. Рудомановой и А. С. Вечера [89], источниками химически связанной СО₂ могут быть кетокислоты, образующиеся в условиях вторичного брожения, связывающие СО₂ путем прямого и непрямого карбоксилирования (цикл биохимических превращений). Возможность включения СО₂ в различные продукты брожения (аминокислоты, органические кислоты, кетокислоты) подтверждена [36] с помощью радиохимического анализа тиражной смеси, в которую при брожении вводили 14 СО₂. Важная роль ферментативных процессов в образовании связанных форм СО₂ подтверждается также тем, что снижение скорости выделения СO₂ из вина, сатурированного углекислотой, обратно пропорционально дозе вносимой в него кокарбоксилазы, катализирующей присоединение СО₂ к различным органическим соединениям [60].

По мнению А. М. Фролова-Багреева и Л. Н. Парфентьева, высокая ферментативная активность дрожжей и повышенное давление являются благоприятными условиями для синтеза в игристых винах кислых и средних этиловых эфиров угольной и пироугольной кислот.

Другие исследователи (П. М. Розенфельд, П. А. Ребиндер, А. А. Мержаниан) считают, что образование в вине связанной формы диоксида углерода является результатом физико-химического взаимодействия СO₂ с компонентами вина, имеющими большую адсорбционную способность, - белковыми, фенольными, пектиновыми веществами. Поэтому обогащение игристых вин продуктами автолиза дрожжей благоприятно сказывается на накоплении связанных форм СО₂.

Согласно кинетической теории Я. Н. Френкеля, часть углекислоты в игристых винах присутствует в виде мельчайших пузырьков, находящихся в состоянии равновесия. Однако эта форма менее устойчива по сравнению с растворенным (адсорбированным) СО₂ и сама по себе не может благоприятно сказываться на игристых и пенистых свойствах вин. Поэтому зародышевые пузырьки нельзя отнести к связанной форме СO₂. Значительная стабилизация их в игристых винах достигается наличием на поверхности пузырьков ПАВ, которые препятствуют коалесценции и замедляют диффузию в них газа из пересыщенной жидкости. Выделение СО₂ из такой устойчивой формы пузырьков или капель происходит после снижения давления до атмосферного в результате их коалесценции. Процесс этот протекает медленно и зависит от количества мелких пузырьков, разности температур вина и воздуха и других факторов, обусловливающих проникновение кислорода в вино и замену им СO₂ [60].

Физическая связь СО₂ в игристых винах в виде клатратных соединений, выдвинутая Ю. А. Клячко, частично подтверждена Л. А. Шумиловой [117] на модельных растворах, содержащих белки и пептиды. Обнаруженные изменения в спектрах растворов белков, находящихся под давлением СО₂, связываются автором с включением диоксида углерода в α-спиральные структуры белков и пептидов. Аминокислоты в указанных условиях образований с молекулами СО₂ не давали. По данным Л. А. Шумиловой, накопление физически связанных форм СО₂ в вине происходит при достаточно высокой концентрации диоксида углерода в растворе за счет адсорбции СO₂ на поверхности белковой глобулы и является равновесным процессом СO_{2раствор} → СO_2газ.

Механизм образования связанной формы СО₂ за счет включения субстрата во внутреннюю сферу глобулы белка в результате воздействия определенных факторов подтвержден экспериментально [52]. Согласно данным О. Р. Литвинцевой, особая роль в образовании связанной формы диоксида углерода принадлежит гидратированным формам СO₂ (НСО^-₃ и Н₂СО₃), суммарная концентрация которых в игристых винах не превышает 1-2% общего содержания растворенного диоксида углерода.

Адсорбированные на поверхности белковой молекулы гидратированные формы СO₂ (НСО^-₃ или Н₂СO₃) проникают во внутреннюю сферу глобулы, координируясь с соответствующими центрами белковой молекулы. Образование таких комплексов происходит в период интенсивной деятельности дрожжей.

Клатратная теория связи СO₂ в игристых винах хорошо согласуется с гипотезой, выдвинутой Г. Г. Агабальянцем, подтвержденной А. А. Мержанианом, о существовании равновесия СO_{2связанный} ↔ СO_{2растворенный}, так как повышение температуры до 70 °С и перемешивание приводят к необратимым уменьшениям концентрации СO_{2связанный} в первом случае за счет денатурации белка, во втором - вследствие нарушения конформации глобул и разрушения клатратов.

В вине СO₂ может связываться с веществами, содержащими гидроксильные и аминные группы, а также с положительно заряженными ионами, образующимися при протонировании этих групп. Простейшими представителями этих функциональных групп являются этанол и глицин.

Результаты квантово-химических расчетов показали, что диоксид углерода с этиловым спиртом не взаимодействует. При взаимодействии HCO^-₃ и Н₂СО₃ с этиловым спиртом полная энергия системы уменьшается, т. е. угольная кислота и карбонат-ион связываются с этиловым спиртом водородной связью:

Что касается иона этоксония, то с СO₂ он не взаимодействует, а с угольной кислотой и карбонат-ионом (энергия системы при взаимодействии уменьшается) образует водородную связь:

Не взаимодействует с СО₂ и глицин, а угольная кислота и карбонат-ион при образовании комплексов

связываются с аминокислотами водородной связью. В случае атаки глицина угольной кислотой в положении

наблюдается увеличение энергии системы, что свидетельствует о возможности образования химической связи.

Проведенные расчеты, несмотря на неизбежные в таких случаях приближения, тем не менее дают основание заключить, что гидратированные формы диоксида углерода могут связываться водородной связью с такими компонентами игристых вин, как этиловый спирт, ион этоксония, аминокислоты. Кроме того, с аминокислотами угольная кислота способна связываться химической связью. По полученным данным, с увеличением давления в сосудах количество связанных форм диоксида углерода будет расти. Квантово-химические расчеты, выполненные с помощью ЭВМ, свидетельствуют о возможности образования в процессе вторичного брожения следующих связанных форм гидратированного СO₂:

Анализ рассмотренных точек зрения позволяет заключить, что типичные свойства игристых вин обусловлены содержанием в них в количествах, превышающих равновесные при данных температуре и давлении, химически и физико-химически связанных форм СО₂, которые при снижении давления способны высвобождаться с меньшей скоростью, чем растворенный СО₂.