Глава 4. Образование вина

В этот период происходит брожение сусла, при котором выделяется СО₂, тепло, осадки солей винной кислоты, образование белково-танатных комплексов и т.д. (см. таблицу). В сотни-тысячи раз возрастает концентрация дрожжевых клеток, которые активно размножаются. На данной стадии происходят сложные химические и биохимические реакции.

Брожение

Сахара аминокислоты

Основные продукты Вторичные продукты Побочные продукты

брожения брожения брожения

этанол глицерин (в наиб. высшие спирты

СО₂ количестве) жирные кислоты

ПВК альдегиды

ацетальдегид

уксусная кислота

молочная кислота

янтарная кислота

высшие спирты

жирные кислоты

эфиры

лимонная кислота

ацетоин

диацетил

2,3-бутандиол

4.1. Механизм спиртового брожения

СН=О СН=О СН₂~ОР

НС-ОН АТФ АДФ НС-ОН С=О АТФ АДФ

НО-СН НО-СН НО-СН

гексокиназа глюкозофосфоат- фосфофрук-

НС-ОН НС-ОН изомераза НС-ОН токиназа

НС-ОН НС-ОН НС-ОН

СН₂ОН СН₂~ОР СН₂ОН

глюкоза глюкоза-6-фосфат фруктоза-6-фосфат

СН₂~ОР СН₂~ОP

С=О С=О фосфодиоксиацетон

альдолаза

НО-СН СН₂ОН триозофосфатизомeраза

НС-ОН СН=О

НС-ОН НС-ОН 3-фосфоглицериновый

альдегид

СН₂~ОР СН₂~ОР

фуранозо-1,6-дифосфат Н₃РО₄

НАД, ESH, дегидрогеназа фосфотриоз

СН₂~ОР АДФ АТФ СН₂~ОР СН₂ОН

НС-ОН фосфоглицеро- НС-ОН фосфоглицеро- НС~ОР

киназа мутаза

О=С~ОР НО-С=О НО-С=О 2-фосфоглицери-

3-фосфоглицериновая новая кислота

1,3-дифосфогли- кислота

цериновая кислота

-Н₂О, фосфопируватгидратаза

СН₂ АДФ АТФ СН₂ СН₃

С~OР С-ОН С=О

фосфопируват-

HO-C=О киназа СООН СООН

фосфо-энол- энол-ПВК ПВК

ПВК

Упрoщенно механизм спиртового брожения можно изобразить следующим образом:

А ТФ АДФ АТФ АДФ альдолаза

Г л Г-6-Ф Ф-6-Ф Ф-1,6-ДФ Ф-ДОА

НАД*Н₂ НАД

НАД

Н АД*Н₂ 3-ФГА .... Глицерин

1 ,3-ДФГК 3-ФГК 2-ФГК ФЭПВК ЭПВК ПВК МК

АДФ АТФ АДФ АТФ НАД*Н₂ НАД

ЦиклКребса СО₂+Н₂О

СО₂

брожение связывание дыхание

П ВК СН₃-СОН + H₂SO₃ CH₃-CHOH-O-SO₃H

C₂H₅OH

НАД*Н₂ НАД

C H₃COH C₂H₅OH

АДГ

В аэробных и анаэробных условиях механизм процесса брожения до образования ПВК идет одинаково.

Этанол и углекислый газ - основные продукты брожения, образуются из сахара:

С ₆Н₁₂О₆ 2С₂Н₅ОН + 2СО₂

Вторичные продукты брожения - это вещества, образующиеся при спиртовом брожении из сахаров за исключением этанола и углекислого газа.

Проведенные исследования вторичных продуктов брожения позволили установить зависимость, связывающую количество глицерина и других вторичных продуктов брожения сахаров. Л.Женевуа было выведено уравнение:

ГП+А+2У+5Я+2М+Б,

где Г- глицерин, П - ПВК, А - ацетальдегид, У - уксусная кислота, Я - янтарная кислота, М - молочная кислота, Б - 2,3-бутандиол.

Однако в последние годы в уравнение вводят ацетоин (АЦ), лимонную кислоту (Л), высшие спирты (ВС), жирные кислоты (ЖК), эфиры (ЭФ) и диацетил (ДА).

Окончательно, уравнение будет иметь вид:

ГП+А+2У+5Я+2М+Б+9Л+2АЦ+ВС+ЖК+ЭФ+ДА.

Сумма вторичных продуктов в правой части уравнения составляет 80-92% от содержания глицерина.

4.2. Механизм образования вторичных продуктов брожения

Глицерин образуется по II схеме брожения Нейберга, в том случае, если уксусный альдегид блокирован бисульфитом, то в бродящей среде накапливается НАД*Н₂, который расходуется на восстановление 3-фосфоглицеринового альдегида в 1-фосфогилцерофосфат, который под действием дрожжевой фофатазы превращается в глицерин. В вине при брожении вследствие сульфитации указанный альдегид связывается с сернистым ангидридом с образованием альдегидосернистого соединения и происходит восстановление фосфоглицеринового альдегида в фосфоглицерин, из которого образуется глицерин. Кроме того, уксусный альдегид может связываться с фенольными веществами.

Пировиноградная кислота (см. уравнение спиртового брожения)

Г л ... 1,3-ДФГК 3-ФГК 2-ФГК ФЕПВК ПВК

Глицерин (см. уравнение спиртового брожения)

Г л ... 3-ФГА .... Глицерин

Уксусный альдегид и уксусная кислота (образуются из ПВК)

СО₂

Г л .... ПВК СН₃-СОН

ПВК взаимодействует с ацетил-КоА, образуется уксусная кислота

Г л .... ПВК СН₃-СООН (окислительное декарбоксилирование)

+1/2О₂ СО₂

СО₂

С Н₃-СО-СООН СН₃-СОН

СО₂

С Н₃-СО-СООН +1/2О₂ СН₃-СООН

Янтарная кислота

Образуется из двух молекул уксусного альдегида и по циклу Кребса:

2 СН₃-СО~SKoA + АДФ + Ф + НАД + 2Н₂О СООН-СН₂СН₂СООН +

+ 2HS~КоА + АТФ + НАД*Н₂

По циклу Кребса образуется из -кетоглютаровой киcлоты

-СО₂; +Н₂О; -2Н

С ООН-СО-СН₂-СН₂-СООН СООН-СН₂-СН₂-СООН

Молочная кислота

Образуется при восстановлении ПВК в присутствии НАД*Н₂

СН₃ СН₃

С=О НАД_*Н₂ СНОН + НАД

СООН СООН

ПВК Молочная кислота

НАД_*Н₂

Г л .... ПВК МК

Ацетоин образуется из ацетомолочной кислоты, предшественником которой является ПВК; а 2,3-бутандиол - при восстановлении ацетоина в присутствии НАД*Н2

СН₃ CH₃

+2Н -CO₂

С=О + СН₃-СО~SKoA -KoASH СН₃-СО-С-СООН СН₃-СО-СНОН-СН₃

СООН OH

ПВК Ацетил КоА Ацетомомлочная кислота Ацетоин

+ НАД_*Н₂

СН­₃-СНОН-СНОН-СН₃

2,3-бутандиол

Из ацетоина также образуется диацетил в присутствии НАД

-НАД_*Н₂

С Н₃-СО-СНОН-СН₃ СН₃-СО-СО-СН₃

Лимонная кислота

Образуется по циклу Кребса, а также из ацетл-КоА, который взаимодействует с щавелевоуксусной кислотой и образуется лимонная кислота

Цикл Кребса

Г л .... ПВК ЛК

Механизм образования высших спиртов

Данный механизм открыли японские ученые Иошицава и Ямада. Высшие спирты образуются также из сахаров, в частности из ПВК.

СН₃ CH₃

+2Н +2Н (изомеризация)

С=О + СН₃-СО~SKoA -KoA~SH СН₃-СО-С-СООН

СООН OH

ПВК Ацетил-КоА Ацетомомлочная кислота

СН­₃ -Н₂О СН₃ -СО₂

С-----СН-СООН СН-СО-СООН

СН­₃ СН₃

ОН ОН

,-диоксиизовалериановая кислота -кетоизовалериановая кислота

СН­₃ +2Н СН₃

СН-СН=О СН-СН₂ОН

СН­₃ СН₃

изомасляный альдегид изобутиловый спирт

Аналогично образуется изоамиловый спирт.

Механизм образования жирных кислот

O O O

-CO₂

С Н₃-С~SKoA + CO₂ СООН-СН₂-С~SKoA + СН₃-С~SKoA

-КоА~SH

Ацетил-КоА Малонил-КоА Ацетил-КоА

O O

+2Н +Н₂О

CH₃-CO-CH₂-C~SKoA CH₃-CH₂-CH₂-C~SKoA CH₃-CH₂-CH₂-COOH

-SH~KoA

Кетоацил-КоА Ацил-КоА масляной кислоты Масляная кислота

В результате данной реакции происходит увеличение углеродного скелета на 2 атома углерода.

Механизм образования эфиров

Эфиры образуются из ацильных производных жирных кислот и спирта. Схему образования эфиров предложил Нордстрём.

O O

R-CH₂-C~SKoA + НО-С₂Н₅ R-CH₂-C-O-C₂H₅ + KoA~SH

4.3. Механизм образования побочных продуктов брожения

Побочные продукты брожения образуются из других веществ, а не из сахаров. При брожении образуются основные продукты: спирт, углекислый газ, вторичные - из сахаров, побочные продукты - из АМК. К побочным продуктам относятся высшие спирты и жирные кислоты. Образование этих продуктов происходит при дезаминировании АМК при брожении.

На данном этапе происходит интенсивное развитие дрожжевой биомассы. При этом лимитирующим фактором для развития дрожжей является азотистое питание. Дрожжевые клетки в первую очередь ассимилируют аммиачные соли, далее - свободные АМК. Дрожжевая клетка при размножении ассимилирует -NH2 группу и “выбрасывает” остаток. Таким образом происходит дезаминирование АМК.

Существуют различные схемы образования побочных продуктов брожения (т.е. различные схемы дезаминирования АМК). Рассмотрим следующие из них:

1. Эрлиха - Нейбауэра (немецкая схема);

2. Иошицава - Ямада (японская схема);

3. Стикленда (американская схема).