2.3. Механизм процессов созревания виноматериалов и игристых вин

Процесс созревания вина включает совокупность сложных физико-химических, химических и биохимических реакций, приводящих к развитию тонов выдержки во вкусе и образованию букета. Исследованию механизма реакций, происходящих при созревании вина, посвятили свои труды Ж. Риберо-Гайон, Э. Пейно, А. М. Фролов-Багреев, М. А. Герасимов, Г. Г. Агабальянц и др. Тем не менее многие вопросы остаются неясными [49].

Согласно современным представлениям при созревании вина протекают следующие реакции: окислительно-восстановительные, карбониламинные, этерификации, полимеризации, поликонденсации, гидролиза и др., которые при длительной выдержке виноматериалов (используемых в купаже), послетиражной и длительной выдержке шампанизируемого вина в бутылках или резервуарах приводят к созреванию шампанского.

Окислительно-восстановительные процессы. Окислительно-восстановительные процессы имеют первостепенное значение в производстве игристых вин. Согласно классификации вин по степени окисленности, предложенной Г. Г. Агабальянцем, белые столовые и шампанские вина относятся к неокисленным винам и не должны содержать свыше 20 мг/л свободного уксусного альдегида. По мнению А. К. Родопуло и сотр., показателем окисленности вин может служить содержание диацетила, причем для игристых вин его концентрация не должна превышать 1 мг/л. Для созревания вин определенного типа необходимо строго определенное количество кислорода, поэтому для белых столовых и шампанских виноматериалов скорость ассимиляции вином кислорода не должна превышать 0,02-0,05 мг O₂ на 1 л вина в сутки [6].

Существуют различные точки зрения на роль и механизм окислительно-восстановительных процессов в биологических средах, к которым, в частности, относится и вино.

В биологическом окислении различают два основных направления. Одно рассматривает механизм активирования молекулярного и перекисного кислорода при действии соответственно оксидаз и пероксидаз. Другое направление - это активирование непосредственно водорода органического вещества, причем перенос активированного водорода к активированному кислороду осуществляется в порядке сочетания ряда биокатализаторов, действующих между дегидрогеназами и оксидазами. Представителем первого направления был А. Н. Бах, по мнению которого молекула кислорода непосредственно с водородом не может связываться. Вначале он должен вступить в реакцию с ненасыщенными веществами (-СН=СН-; -С=С-), которые А. Н. Бах назвал "оксигеназами". В результате реакции образуются вещества типа пероксидаз, в которых кислород находится в активном состоянии:

Далее пероксид передает кислород какому-то трудноокисляемому веществу - образуются оксид и вода, оксигеназа регенерируется и может вновь вступать в реакцию:

Перекисная теория А. Н. Баха нашла подтверждение после открытия нового класса ферментов - оксигеназ, активирующих молекулярный кислород и катализирующих его внедрение в субстрат окисления.

Согласно теории В. И. Палладина - сторонника второго направления, в окислении органического вещества участвуют особые соединения, так называемые пигменты-хромогены (дыхательные хромогены). По этой концепции процессы окисления органических веществ могут протекать в отсутствие кислорода воздуха. В. И. Палладии впервые показал роль процессов дегидрирования в окислении биологических субстратов и создал оригинальную теорию биологического окисления, которая лежит в основе всех современных представлений о тканевом дыхании.

По современным представлениям биологическое окисление рассматривается как процесс переноса атомов водорода или электронов окисляемого органического вещества на молекулярный или перекисный кислород. В цепи ОВ-реакций водород вначале отщепляется от субстрата и переносится через ряд дегидрогеназ и коферментов - промежуточных переносчиков - на активированный оксидазами кислород, образуя воду.

Кроме биологических катализаторов в винах большую роль играют катализаторы неорганические, в основном ионы меди и железа. Причем комплексно связанные ионы железа являются более сильными катализаторами, чем неорганические соли железа.

В последнее время в химических и биохимических процессах, и в частности окислительно-восстановительных, придают особое значение анион-радикалу O^-₂ (часто его называют супероксидом), который образуется при одноэлектронном восстановлении молекулярного кислорода и при энзиматическом аэробном метаболизме. Механизм образования анион-радикала O^-₂ следующий:

Кроме того, возможно взаимодействие O^-₂ непосредственно с Н₂O₂, в результате чего образуется гидроксильный анион-радикал:

Это взаимодействие наиболее вероятно в присутствии комплексов железа или меди:

Интенсивность окислительно-восстановительных процессов характеризует редокс-потенциал (ОВ-потенциал), который зависит от соотношения окисленных и восстановленных систем. Часть ОВ-систем являются обратимыми, другие - необратимыми. При доступе кислорода равновесие реакций сдвигается в сторону окисленных форм, при анаэробной выдержке - в сторону восстановленных форм. Наличие дрожжей в вине способствует усилению восстановительных процессов. По мнению ряда ученых, это связано с переходом из дрожжевых клеток восстановителей (глютатиона, цистеина и др.). Важное значение имеют ферменты дрожжей, особенно дегидрогеназы, которые ускоряют реакции восстановления окисленных соединений. Формирование игристых вин высокого качества должно протекать при низком уровне ОВ-потенциала.

При хранении, выдержке и обработке виноматериалов попадание в них кислорода вызывает окислительные процессы. На начальных стадиях производства виноматериалов наличие небольшого количества O₂ и невысокая температура выдержки обусловливают небольшую скорость ассимиляции вином кислорода, что благоприятно сказывается на созревании виноматериалов. Многое при этом зависит от химического состава виноматериалов, запаса редуктонов. Для белых и мускатных виноматериалов эти величины минимальны.

Как показали наши исследования, при выдержке виноматериалов и шампанизируемого вина происходят превращения органических кислот и терпеноидов. Эти превращения интенсифицируются при доступе кислорода воздуха и повышенной температуре (40-45 °С). Введение в вино меченых по ¹⁴С яблочной и винной кислот показало, что метка ¹⁴С яблочной кислоты появилась в щавелево-уксусной, пировиноградной, гликолевой, глиоксиловой, щавелевой кислотах, ацетальдегиде, а также предположительно в фумаровой и двух неидентифицированных кислотах. На основе исследований механизм окисления яблочной кислоты в вине можно представить так:

Окисление винной кислоты происходит следующим образом:

По мнению А. К. Родопуло, образование в шампанских виноматериалах щавелевой кислоты ухудшает их качество.

Превращения терпеновых спиртов - гераниола и линалоола протекает интенсивнее при температуре 40 °С. Наибольшим изменениям они подвергаются в присутствии дрожжей. Состав терпенов, образующихся из указанных спиртов, зависит в наибольшей степени от температуры и длительности выдержки. α-Терпинеол является очень стабильным соединением и в процессе созревания вина изменяется незначительно.

Методом газовой хроматографии установлено, что продуктами превращения линалоола являются гераниол, α-терпинеол, нерол, линалилацетат и геранилацетат, а гераниола - линалоол, α-терпинеол, нерол, линалилацетат, геранилацетат и цитраль. Гераниол и линалоол способны к взаимопревращениям. В процессе тепловой выдержки интенсивно протекают реакции этерификации гераниола и линалоола с образованием соответствующих эфиров уксусной кислоты. Образование α-терпинеола, нерола, цитраля связано, вероятно, с окислением гераниола и линалоола.

В образцах с дрожжами, особенно при температуре 40 °С, в среде накапливается сесквитерпеновый спирт фарнезол. И. А. Егоровым было установлено, что дрожжевые клетки выделяют фарнезол в вино. Имеются сведения, что фарнезол образуется непосредственно в дрожжевой клетке в результате пирофосфорного окисления из гераниола. В процессе выдержки и тепловой обработки фарнезол накапливается в вине в результате автолиза дрожжевой клетки.

Учитывая, что терпены гераниол и линалоол обусловливают аромат мускатов, а при анаэробной выдержке и в присутствии дрожжей их количество уменьшается, особенно при повышенных температурах, нецелесообразно выдерживать виноматериалы для мускатных игристых вин при температуре выше 20-25 °С и осуществлять длительный контакт с дрожжами. Ввиду того что в процессе выдержки на дрожжах образуется фарнезол, выдержка виноматериалов и шампанизированных вин с дрожжами улучшает органолептические качества вина. По современным представлениям терпеноиды обусловливают сортовой аромат виноматериалов. Для его сохранения в мускатных игристых винах, некоторых марках белых и красных игристых вин следует создавать условия, исключающие окисление терпенов, выдержку проводить при пониженной температуре (лучше при 0-5 °С), сокращать срок выдержки шампанизируемого вина, исключать тепловую обработку.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что регулирование окислительно-восстановительных реакций при производстве игристых вин имеет крайне важное значение, так как от интенсивности и направленности этих процессов в решающей степени зависят цвет, вкус и аромат вин этого типа.

Реакции этерификации. Сложные эфиры в винах образуются главным образом на стадии брожения в результате синтеза их клетками дрожжей и взаимодействия спиртов с ацильными производными кислот, накапливающимися в вине при блосинтезе высших жирных кислот. Концентрация синтезируемого при брожении эфира может в несколько раз превышать равновесную для соответствующих спирта и кислоты. Преобладание в вине эфиров кислот жирного ряда с четным числом углеродных атомов объясняется механизмом синтеза их кислотных предшественников, согласно которому прогрессивное удлинение ацильных производных происходит за счет конденсации молекулы с ацетил-КоА, т. е. добавлением к молекуле С₂. Повышенное содержание эфиров жирных кислот и уксусной кислоты (за счет присутствия в вине при брожении высокой концентрации ацетил-КоА), имеющих приятный фруктовый запах, оказывает непосредственное влияние на аромат молодых вин.

О важной роли эфиров уксусной и высших жирных кислот в формировании качества вин с завершенным брожением свидетельствует высокая корреляционная взаимосвязь между ароматом молодого вина Ркацители и содержанием в нем этих групп эфиров. Коэффициенты парной корреляции между оценкой аромата вина и содержанием в нем изоамилацетата, этилкапроната, гексилацетата, этиллаурата, этилкаприлата, 2-фе-нилэтилацетата варьируют в пределах от 0,51 до 0,73.

Изучение механизма этерификации кислот, содержащих меченый кислород ¹⁸O, показало, что процесс идет путем замены водорода в спиртовом гидроксиле на ацильную группу кислоты. Реакция катализируется ионом водорода или недиссоциированным протоном органической кислоты и является обратимой:

При изучении кинетических закономерностей реакций и изотопного обмена кислорода [123] установлено, что процесс синтеза-гидролиза сложных эфиров протекает через образование неустойчивого промежуточного продукта (3).

Расчет энтропии активации промежуточного комплекса для ряда сложных эфиров уксусной и высших жирных кислот в белых столовых винах показал, что величина ее колеблется от 51 до -81 кал/(моль · К). Отрицательные значения энтропии активации переходного комплекса для синтеза - гидролиза сложных эфиров свидетельствуют о том, что эти реакции в вине протекают по кислотному бимолекулярному механизму через стадию образования тетраэдрического интермедиата (3) за счет присоединения соответственно к протонированному эфиру (1) или кислоте (2) воды или спирта.

Процессы трансформации сложных эфиров особенно интенсифицируются в вине с понижением рН и увеличением температуры выдержки. Наиболее значительные изменения под влиянием указанных факторов претерпевают в вине эфиры уксусной кислоты (этилацетат, изоамилацетат, гексилацетат, 2-фенил-этилацетат), менее существенные - эфиры жирных кислот С₆-С₁₄. В процессе выдержки столовых и шампанских виноматериалов отмечается неодинаковая тенденция изменения в них концентраций отдельных эфиров. Выдержка при повышенных температурах (особенно высококислотных вин) приводит к быстрой потере ими сортового аромата. Для сохранения молодого аромата вин хранение их необходимо осуществлять при низких температурах.

Таким образом, главная роль в формировании букета вина в процессе созревания принадлежит обратимым процессам синтеза-гидролиза эфиров легко этерифицируемых кислот, так как концентрации их в вине варьируют в пределах, близких к пороговым величинам сенсорного восприятия. Эфиры многоосновных кислот вследствие присутствия их в винах в концентрациях, значительно ниже пороговых, по-видимому, могут влиять на качество вина главным образом за счет сенсибилизирующего действия, т. е. снижения или усиления в их присутствии восприятия других компонентов.

Карбониламинные реакции. Сахароаминная реакция имеет большое значение в технологии игристых вин. Изучение превращения различных Сахаров и аминокислот, добавленных в вино, показало, что образцы, содержащие фруктозу, при нагревании до 40, 50 и 70 °С очень быстро темнеют [2]. Растворы с фруктозой имеют в несколько раз больший максимум поглощения при 280-290 нм, чем растворы с глюкозой. В связи с тем что оптическая плотность чистого раствора фруктозы примерно равна оптической плотности растворов фруктозы с добавкой аминокислоты, можно считать, что при нагревании модельных сред и вина с фруктозой происходит термический распад фруктозы. В опытах с глюкозой он составляет небольшой процент и основное потемнение связано с накоплением продуктов реакции меланоидинообразования. Из веществ, образующихся при нагревании вина и модельных растворов с аминокислотой и фруктозой, были идентифицированы оксиметилфурфурол, ацетальдегид, пропионовый альдегид, пировиноградная кислота и т. д. Снижение скорости автолиза дрожжей в присутствии сахара, усиление распада фруктозы и неферментативных реакций потемнения вина показывают, что при производстве шампанского целесообразно нагревать купаж без сахара, а ликер вводить после тепловой обработки.

Реакции меланоидинообразования оказывают влияние на фенольный состав, вкус и цвет красного вина [63]. При тепловой обработке красных виноматериалов содержание аминокислот снижается в большинстве случаев до следов, что свидетельствует об их полном распаде. Виноматериалы, обработанные теплом, отличаются своеобразным ароматом различной интенсивности, что может служить косвенным свидетельством реакций меланоидинообразования, сопровождающихся распадом аминокислот с образованием соединений, ответственных за появление тех или иных запахов. При этом наибольшие превращения претерпевают мономерные и малоконденсированные формы фенольных соединений - лейкоантоцианы, антоцианы и фенольные вещества, дающие окрашивание с ванилином.

Действие аминокислот на антоцианы и другие полифенолы активнее при жесткой термической обработке [70]. В таких условиях образуются многие активные побочные продукты (перекиси, альдегиды и пр.), которые обусловливают ускорение процесса разрушения фенольных веществ.

Карбониламинные реакции, называемые также сахароаминными и реакциями неферментативного потемнения или меланоидинообразования, - это сложные реакции, протекающие через несколько стадий по кислотно-основному и радикально-цепному механизму [7, 102]. На первых стадиях происходит дегидратация Сахаров и образующиеся продукты циклизуются, давая гетеро- и карбоциклические кислородсодержащие соединения, или конденсируются с азотистыми веществами, образуя гетероциклические азотсодержащие соединения (см. схему).

При тепловой обработке вина образуется 7 кислородсодержащих соединений: фурфурол, 5-метилфурфурол, 5-этоксиме-тилфурфурол, 2-ацетилфуран, фурфурилметилкетон, 3,5-диокси-2-метил-4Н-пиран-4-он, 4-окси-2-метокси-5-метил-3 (2Н) -фура-нон, которые обусловливают карамельные тона, и 4 производных пиразина: метилпиразин, 2-5-диметилпиразин, 2-этил-З-ме-тилпиразин, 2,5-диэтил-З-метилпиразин, которые обладают тонами хлебной корочки и "жжеными" тонами. Перечисленные компоненты отличаются низкими порогами аромата и совместно с другими продуктами распада Сахаров и аминокислот формируют в вине специфические тона тепловой обработки. Промежуточные продукты: карбонильные, карбоциклические и гетероциклические соединения - при нагревании участвуют в реакциях полимеризации и поликонденсации, которые в конечном итоге приводят к образованию темноокрашенных веществ - меланоидинов.

Схема образования меланоидов в вине при тепловой обработке

На интенсивность и направленность карбониламинных реакций оказывают влияние состав вина, кислородный режим, наличие катализаторов. Органические кислоты (винная, фумаровая, пировиноградная) ускоряют превращения углеводов. Аскорбиновая кислота, дегидрируясь и взаимодействуя с аминокислотами, интенсифицирует потемнение вина. Экстрактивные вещества (особенно полифенолы и азотистые вещества), ионы железа, кислород, перекиси ускоряют формирование тонов тепловой обработки. Введение SO₂ в дозе 20-80 мг/л ингибирует эти процессы. Особенно ускоряется меланоидинообразование при повышении температуры до 50-60 °С. Карбониламинные реакции проходят и при длительной выдержке вина при низких температурах (10-20 °С), особенно в присутствии дрожжей, что имеет место при послетиражной выдержке. И хотя структура продуктов реакций в этих условиях иная, их влияние на органолептические качества игристых вин нельзя исключать.