Хімія вина (енохімія) відносно молода наука. Якщо виноробство налічує тисячолітню давність, то грунтовні хімічні дослідження винограду і вина були початі тільки в другій половині минулого століття.

Перші найбільш важливі роботи в області виноробства, присвячені вивченню процесів бродіння, хвороб вина, ролі кисню при дозріванні вин, були проведені Пастером (1866 р.). Цікаві дослідження з виявлення ролі ефірів у формуванні якості вин приблизно в той же період були виконані Бертло.

Надалі багато зробили в області хімії вина дослідники різних країн: у НРБ — Радучев, Лнчев; у УНР — Шандор; у СРР — Теодореську; у ЧССР — Ладо; у СФРЮ — Мілісавльовіч, Радовановіч; у Франциі—Женевуа, Ж- Ріберо-Гайон, П. Ріберо-Гайон, Жольм, Пейно, Дейбнер; у Італії — Гароліо, Тарантола; у США — Амерін, Уебб, Берг, Кепнер; у ФРН — Хепніг, Кильхофер, Кох, Драверт і ін.

Значний внесок до розвитку хімії вина внесли радянські енохіміки і енологи. Під керівництвом академіків А. І. Опаріна і Н. М. Сисакяна проведені експериментальні дослідження, які дали змогу встановити важливі закономірності біохімічних процесів, що проходять під час дозрівання винограду і виготовлення вин. Істотний внесок в енохімію зроблений А. М. Фроловим-Багрєєвим, Н. Н. Просгосердовим, М. А. Герасимовим, Р. Р. Агабальянцем, В І. Ніловим, А. До. Родопуло, С. В. Дурмішидзе, Н. Ф. Саєнко, І. А. Егоровим, А. Д. Лашхи, А. А. Пресбраженським, Е. Н. Датунашвілі, А. А. Мержаніан і ін. Роботи цих дослідників, присвячені вивченню складових речовин винограду і їх перетворень у процесі виготовлення вина, дозволили дати наукове обгрунтування виробництва різних типів вин, шампанського, коньяку, створити нові, прогресивніші технологічні схеми. [1]

Хімічний склад винограду і вина

Хімічний склад винограду і вина включає сполуки, що представляють різні класи — вуглеводи, органічні кислоти, фенольні, азотисті, мінеральні і інші речовини. У виноградному кетязі вони розприділені нерівномірно. Наприклад, цукри зосереджені в соці ягід, фенольні сполуки в шкірці винограду, гребенях і насінні, ароматичні - в шкірці.

В процесі переробки винограду вони переходять у вино, а також проходять складні перетворення і служать неточним утворенням нових сполук. Ці перетворення винограду, будуть відрізнятиися за своїм хімічним складом.

Моносахариди

Моносахариди, що містяться у виноградному вині представлені в (табл.1.1).

Пентози - це моносахариди, які містяться в рослинах у вільному стані в невеликій кількості. В основному вони являються основною частиною складних полісахаридів – пентозанів.

Таблиця 1.1Моносахариди, що містяться у виноградному вині

Моносахариди, що містяться увинограді та вині	Вміст моносахаридів у винограді (суслі)г/л	Вміст моносахаридів у вині г/л
L-арабіноза D-кенлоза	Пентози: В білому 0,2-0,8 В червоному 0,4-1,5	В червоному 0,2-0,7 В білому 0,4-1,4
D-глюкоза D-фруктоза	Гексози: До 250 До 100	В сухих 0,2-0,8 В сухих 1-2

Пентозам властиві всі характерні реакції моносахаридів — вони відновлюють фелінгову рідину, при взаємодії з фенілгідразином утворюють озазони, здатні давати ефіри, а також глікозиди. При відновленні пентоз утворюються відповідні п'ятиатомні спирти (наприклад, арабіт і ксиліт).

На відміну від гексоз пентози дріжджами не зброджуються. Тому при кількісних визначеннях в вині гексоз методами, в яких використовується фелінгова рідина, пентози обумовлюють отримання завищених результатів.

Характерною загальною реакцією на пентози є реакція утворення фурфуролу при відщепленні від пентози трьох молекул води. Реакція проводиться при нагріванні з помірно розбавленою соляною або сірчаною кислотою:

(1.34)

Фурфурол — рідина з приємним запахом «скориночки житнього хліба». Він утворюється при дії на пентози не тільки мінеральних, але і органічних кислот, проте реакція з органічними кислотами відбувається повільніше.

З пентоз, виявлених у винограді і вині, переважають L-арабіноза і D-ксилоза.L-арабиноза входить до складу камеді, слизу, пектинових речовин і геміцеллюлоз.

D-ксилоза (деревний цукор) виявляється не у всіх винах. У винограді її міститься мало. Вона входить до складу ксиланів, камеді і слизів.

(1.35)

β-піраноза форма

L-арабіноза

(1.36)

β-піраноза форма

D-ксилоза

В червоних винах пентолу зазвичай міститься майже у два рази більше ніж у білих винах. Таке збагачення вин відбувається внаслідок гідролізу пентозанів, які містяться у твердій частині ягоди і у гребнях. Джерелом пентоз у винах можуть бути також дубові бочки. Також джерелом пентоз можуть бути аміносахарариди, пігменти винограду.

Гексози. На відміну від пентоз, гексози у вільному стані у природі зустрічаються частіше і в більшій кількості. У винограді в найбільшій кількості міститься D–глюкоза і D – фруктоза. D–глюкоза (виноградний цукор, декстроза). Крім винограду вона міститься у меді і в плодах. D–глюкоза представляє собою альдегідоспирт. Всі водні розчини глюкози на ряду з альдегідною формою – оксоформою (І) завжди містять таутомерні циклічні (напівацетальні) її форми (фуранозну і піранозну), тобто α- і β- D–глюкозу. При цьому кількість нециклічної форми становить близько 1%.

(1.37)

У зв'язку з різним питомим обертанням α ([α]20 = + 110,1°) і β-D глюкози ([α]20 = +19,3°), обидві форми у водних розчинах піддаються муторотації. При цьому встановлюється кінцеве питоме обертання [α]20D = +52,5°, яке надалі не змінюється і відповідає стану рівноваги між α і β формами. Кристалічна D-глюкоза є зазвичай с-формою.

Для зображення циклічних форм глюкози застосовуються проекційна формула Фішера, також перспективна формула Хеуорса. Останнім часом для цієї мети використовуються також конформаційні формули, більш точно відтворюючі молекули маноз і які пояснюють ряд фактів, яким не відповідає циклічна формула.

Нижче розглянуті різні способи зображення молекули α-D-глюкози.

 

(1.38)

 

D-глюкоза є безбарвною кристалічною речовиною. Залежно від умов кристалізації вона може бути отримана у вигляді безводих кристалів (при кристалізації з метилового спирту) або з однією молекулою води — при кристалізації з водних розчинів. D-глюкоза стійка до дії кисню в нейтральних або слабокислих розчинах. У лужному середовищі при дії кисню вона руйнується. D-глюкоза добре зброджується дріжджами. У винограді вміст її разом з D-фруктозою складає 10—30% і більше.

D-фруктоза (ягідний цукор,левуаза). Крім винограду, вона міститься у бджолиному меді. D-фруктоза є кетоспиртом. В водних розчинах знаходиться в оксоформі, а також циклічній – α і β-фруктопіранозній та α і β-фруктофуранозній формах. Фруктофураноза входить в склад полісахаридів та глікозидів. В кристалічній стані D-фруктоза знаходиться в β-формах.

 

(1.39)

 

D-фруктоза гігроскопічна, у воді розчиняється з утворенням густого сиропу. Легко розчиняється в гарячому спирті.

Як і D-глюкоза, D-фруктоза відновлює фелінгову рідину і солі важких металів, окислюючись при цьому сама. Першими продуктами окислення D-фруктози є гліколева кислота і триоксимасляна; при подальшому окисленні можуть утворюватися мурашина, щавлева і винна кислоти. Відновлення D-фруктози приводить до появи D-манніта і D-сорбіта, а нагрівання у присутності сильних кислот — до утворення оксиметилфурфурола. Велика частина дріжджів повністю зброджує D-фруктозу.

На початку формування ягоди винограду загальна кількість моносахаридів складає приблизно 1% і представлено в основному глюкозою. Фруктоза з'являється дещо пізніше. В період наливання ягоди відношення глюкози до фруктози наближається до 1. Це відношення у момент технологічної зрілості винограду залежно від сорту і екологічних умов може складати 0,7—1,5. Сахариди накопичуються в ягоді у міру дозрівання винограду досить рівномірно. Середньодобовий приріст сахаридів перед дозріванням ягід складає від 0,2 до 0,5%.

У сприятливі роки при хорошій агротехніці у окремих сортів винограду середньодобовий приріст сахаридів міг досягати 1%. В загальному вміст сахаридів в період фізіологічної зрілості ягід в середньому складає у технічних сортів винограду 17—25%. Він залежить від сорту винограду, екологічних умов і агротехніки. Цукристість ув’яленного винограду, вживаного для виготовлення деяких типів вин (мускати, токай), досягає 35—50%. Проте абсолютна кількість сахаидів в ув’яленном винограді знижується за рахунок їх руйнування. Найбільшим змінам при цьому піддається фруктоза, внаслідок чого помітно зростає відношення глюкози до фруктози.

У сухих столових винах загальна кількість сахаридів коливається від 0,07 до 0,4%. При цьому вміст окремих складає (у г/л): фруктоза 0,1—2,0; глюкози 0,2—0,8; ксилози — до 0,4, арабінози 0,2—1,4. Рамнози у сухих столових винах виявлено близько 1 міліграма/л. Співввідношення глюкози до фруктози складає 0,3—1,6.

Більшість штамів дріжджів краще зброджують глюкозу. Тим часом виявлені окремі види (наприклад, сотернські дріжджі), які краще зброджують фруктозу. Існує, думка, що причина полягає не в виді дріжджів, а в початковій цукристості сусла. Так, при вмісті цукру в суслі до 20% дріжджі швидше зброджують глюкозу, а при змісті цукру від 20 до 25% вони зброджують глюкозу і фруктозу однаково. Якщо ж цукристість сусла більше 25%, то швидше зброджується фруктоза.

При отриманні сухих вин кількісне співвідношення глюкози до фруктози в суслі і вині не має значення, оскільки весь цукор зброджується в спирт. Для міцних і десертних вин це співвідношення, навпаки, дуже важливе, оскільки фруктоза майже в два рази солодше глюкози. Тому при виготовленні вин цих типів бажано використовувати сорти винограду, у яких у стадії технічної зрілості відношення глюкози до фруктози було б менше одиниці.

Полісахариди

Полісахариди – високомолекулярні нецукроподібні вуглеводи загальної формули (С6Н10О5)n. Вони є продуктами конденсації великої кількості молекул моноз по аналогії з дисахаридами. Залишки моноз сполучені етерним зв’язком (глюкозидним), який утворений за рахунок глюкозидного гідроксилу однієї молекули монози і четвертим гідроксилом другої молекули монози в a- або b-формі:

(1.40.)

Основні представники полісахаридів – крохмаль і целюлоза.

Полісахариди I порядку. Полісахариди I порядку містять відносно невелике число залишків моноз (до 10-12). Вони легко розчиняються у воді, і в чистому вигляді є кристалічними речовини. У винограді більше міститься сахарози і в незначних кількостях мальтоза, мелібіоза і рафіноза. У винах виявлені D-гліцеро-, D-маннооктулози, манногептулози, алтрогептулози.

Сахароза (тростинний, буряковий цукор). Широко поширена в рослинах. Особливо багато її в цукровому очереті, цукровому буряці, з яких сахароза і виходить. Вважають, що у вищих рослин вона є основним розчинним запасним вуглеводом. Сахароза являє собою дисахарид, що складається з α-глюкопіранози (I) і β-фруктофуранози (II), сполучених (1,2 зв'язок) за рахунок своїх глікозидних гідроксилів (1-α-D-глюкопіранозидо-2-β-D-фруктофуранозид).

(1.41)

сахароза

Сахароза не містить вільного глікозидгого гідроксила і не виявляє мутаротації. Вона не відновлює фелінгову рідину і не утворює гідразинів і азозонів. Сахароза добре розчиняється у воді. У 100 г води при температурі 12,5°С, її розчиняється 199 г, при 20° С— 204 г, при 45°С — 245 г, при 100°С — 487 г. У абсолютному спирті сахароза мало розчинна. У ефірі і хлороформі сахароза нерозчинна. При розчиненні її у воді відбувається зменшення об’єма. Під час нагрівання сахарози при температурі вище температури плавлення (190—200°) відбувається дегідратація її з утворенням різних полімерних продуктів — карамелей, органічних (зокрема, гумінових) кислот і інших маловивчених з'єднань. Ці продукти під назвою «колера» використовуються в коньячному виробництві для додання забарвлення коньякам.

Залежно від ступеня дегідратації розрізняють наступні карамелі — карамелан, карамелен і карамелш. При утворенні цих карамелей в першому випадку видаляється – води 10,5%, в другому—14% і в третьому — 18%. Карамелі важко розчинити навіть в гарячій воді, через це для отримання кольору карамелізацію припиняють на стадії карамелена. Колір їм додають гумінові кислоти, що утворюються.

У суслі європейських сортів винограду, сахарози дуже мало і довгий час вважалося, що в нім її зовсім немає, тому виявлення у виноградних винах сахарози раніше служило ознакою фальсифікації вина. Проте останнім часом наявність сахарози в європейських сортах винограду доведена, хоча кількості її незначні (0,056—3,93%). Н. М. Сисакян і С. А. Марутян, досліджуючи вірменські, грузинські, азербайджанські, угорські, французькі і американські сорти винограду, знайшли, що вміст сахарози в них коливається в межах від 0,2 до 1,5%. У винограді американських сортів зустрічається до 5% сахарози, а у винограді ряду мічурінських сортів — до 7,2 %, причому вміст її закономірно збільшується у міру дозрівання винограду.

Сахароза з'являється в ягоді при досягненні відповідного рівня вмісту в ній глюкози і фруктози. Проте цей рівень залежно від сорту може коливатися від 4,5 до 22%. Мабуть, цією обставиною можна пояснити, що сахароза довгий час не була виявлена у винограді багатьох європейських сортів.

За допомогою хроматографічних методів сахароза була знайдена в невеликих кількостях в сухих винах, так само як глюкоза і фруктоза.Мальтоза (солодовий цукор) утворюється при розщепленні крохмалю при дії амілаз. У вільному стані міститься в рослинах в невеликій кількості. Складається з двох молекул α-D-глюкозы, сполучених між собою зв'язком між першим і четвертим атомами (1,4-α-глюкозоглюкозид):

(1.42.)

Мелібіоза входить в склад рафінози. Склдається з глюкози і галактози в піранозних формах, зєднаних за допомогою первинної спиртової групи α-D-глюкози та напівацетального гідроксилу α-D-галактози. Зброджується дріжджами низового бродіння. У винограді і винні міститься у невеликих кількостях.

Рафіноза у виногаді міститься у невеликих кількостях. Рафіноза являє собою трисахарид, який складається α-D-галактози, α-D-глюкози, α-D-фруктози.

(1.43) Рафіноза

При ферментативному гідролізі рафіноза може розщеплюватися до фруктози і мелібіози або галактози і сахарози, при кислотному гідролізі до моноз.

Рафіноза не відновлює фелінгову рідину і не має солодкого смаку.

Полісахариди II порядку. Полісахариди II порядку — високомолекулярні речовини, що містять від кількох десятків до декількох тисяч залишків моносахаридів. В воді вони або не розчинні, або утворюють в’язкі колоїдні розчини. В винограді і продуктах його переробки знайдені
пентозани, крохмал, глікоген, целлюлоза, пектинові
речовини, камеді, декстрани. (Табл 1.2)

Таблиця 1.2

Вміст полісахаридів у винограді

Полісахариди 2-ог порядку	Вміст полісахаридів у в суслі, г/л	Вміст полісахаридів у вині, г/л
Пентозани	0,3-2	0,2-1,5
Крохмал	Сліди
Глікоген		Сліди
Целюлоза
Пектинові сполуки	0,5-2	0,1-1
Камеді	0,3-4	0,2-3
Декстрани	0-1	Сліди

Пентозани входять до складу геміцелюлоз. Легко гідролізуются мінеральними кислотами з утворенням відповідних пентоз. При розчиненні в воді дають колоїдні розчини, з яких вони осаджуються спиртом. Фелінгову рідину не відновлюють. Серед пентозанів найбільш відомі арабани і ксилани, створюючи при гідролізі відповідно L-арабінозу і D-ксилозу. З пентозанів в вині переважають арабани. Їх співвідношення з ксиланами складає 3: 1. Це обумовлено тим, що арабани добре розчинні у воді, тоді як ксилани розчиняються погано і тому гірше витягуються суслом.У винограді нормальної зрілості вміст пентозанів коливається в межах від 0,41 до 0,48 %.

Крохмал в винограді присутній у листках, плодоножках, гребнях, а також в зелених плодах. Крохмал побудований з двох полісахаридів амілози та амілопектину.В різних рослинах співвідношення амілози і амілопектну різне. В більшості випадків амілози 10-20%, амілопектину 80-90 %. Глюкозні залишки зв'язані між собою першим і четвертим вуглецевими атомами (α-1,4 глюкозидний зв'язок). Амілоза легко розчиняється в теплій воді, дає з йодом синє забарвлення. У молекулі амілопектину ланцюги глюкозных залишків сильно розгалужені. В точках розгалужень ланцюга з глюкозных залишків, зв'язаних як у амилози 1,4-глюкозидним зв'язком, є інші зв'язки, а саме α-1,6-глюкозидные зв'язки. Останнім часом в молекулі амілопектину були виявлені 1,3-глюкозидні зв’язки(0,5—1% від загального числа глюкозидных зв'язків). Молекулярна маса його значно вище, ніж у амілози.

При кип'ятінні з кислотами крохмаль утворює α-D-глюкозу. При більш слабкішій дії кислот, наприклад 7,5% HCl протягом 7 днів при кімнатній температурі, утворюється так званий «розчинний крохмаль» (використовується при виготовленні крохмального клейстеру, приготуванні індикатора, вживаного в йодометричних реакціях). Під дією ферменту амілази, що міститься у великій кількості в пророзшому зерні, в слині і в соку, що виділяється підшлунковою залозою, відбувається ферментативне зцукрення крохмалю до мальтози.

Глікоген — тваринний крохмал. Міститься в тканинах тіла людини и тварин, в грибах і дріжджах. Відіграє важливу роль в перетворенні вуглеводів в тваринному організмі і в дріжджах при спиртовому бродінні. Він представляє інтерес як запасна поживна речовина в дріжджових клітинах. В дріжджах, перераховуючи на суху масу, глікогена може містититися до 32%. Джерелом глікогена в вині являються винні дріжджі. В виноград­ній ягоді він не знайдений. По своїй будові глікоген подібний до амілопектину. Молекулярная маса глікогена значно більша. При кип’ятінні з кислотами глікоген утворює α-D-глюкозу. Глікоген розчиняється в гарячій воді, утворюючи опалесцентні розчини.З йодом розчини глікогена дають колір від вин­но-червоного до червоно-бурого в залежності від походження глікогена.

Целлюлоза. Становить головну масу кліткових стінок рослини, в тому числі виноградної лози. Присутня сама по собі або разом з іншою сполукою, наприклад лігніном. В склад целюлози входить від 1400 до 100000 залишків глюкози. Целюлоза утворює довгі волокна, які можна побачити під електронним мікроскопом. При довготривалому кип’ятінні з мінеральними кислотами целюлоза гідролізує до β-D-глюкози. Целюлоза не розчинна у воді.

 

(1.44)

 

Пектинові сполуки - це гелеподібні аморфні речовини. Входять в склад первинних кліткових стінок та сполучних пластинок.Вони оточують мікрофібрили целюлози. Пектинові сполуки беруть участь в регулюванні водного режиму тканин рослин, через свою здатнісь утримувати велику кількість води. В їх склад, крім галукторонової кислоти, входять такі цукри: D-галактоза, L-раміноза, L-арабіноза, D-ксилоза. Лужні солі пектинової кислоти добре розчинні у воді. У вигляді пектата кальцію вона легко осаджується з розчину. Це використовується для кількісного визначення пектинових речовин. При фракціонуванні пектинової кислоти, частково гідролізованої дріжджовою ендополігалактуроназою і морквяною полігалактуроназою, були отримані фракції, в яких містилися галактуронова кислота і нейтральні цукру — галактоза, арабіноза, ксилоза і рамноза. У складі пектової кислоти знайдені пектинові кислоти, що володіють колоїдними властивостями, вільні від метоксильних груп. Пектова кислота містить близько 100 залишків галактуронової кислоти. Солі (пектати) лужних металів пектової кислоти у воді розчинні, солі полівалентних металів практично нерозчинні.

Таким чином, основним складником пектинових речовин є полиігалактуронові кислоти. Кожна група пектинових речовин відрізняється молекулярною масою, степенем метоксілірування, ацетиловим числом, складом, нейтральних цукрів. Не дивлячись на значні досягнення останніх років в області вивчення пектинових речовин, багато що залишається ще не ясним в їх будові і властивостях. Так, до теперішнього часу не встановлена точна відмінність в будові розчинного пектину і протопектину, не вдалося виділити протопектин в нативному вигляді і визначити його зв'язки з іншими полісахаридами.

Пектинові речовини різних рослин по своєму складу мають багато загального. Проте разом з цим спостерігається і широке варіювання показників по молекулярній масі, ступеню метоксілірування, співвідношенню і складу окремих фракцій. У винограді і винах містяться всі групи пектинових речовин. У суслі розчинний пектин складає приблизно 50%, пектинова кислота — 30%, пектова кислота — 20%. Протопектин міститься у всіх частинах виноградної лози, за винятком соку. Висока твердість незрілих ягід обумовлена протопектином. У міру дозрівання винограду протопектин переходить в розчинний пектин і ягода розм'якшується. При перезріванні частково відбувається гідроліз розчинного пектину — утворюється пектинова кислота і метанол. Виноградний пектин містить близько 6% метоксильних груп і 1,0—1,5%' ацетальних груп. Зольність його складає 1,0—1,8%. В'язкість 0,5%-их розчинів виноградних пектинів залежно від сорту і способу виділення коливається в широких межах (від 1,4 до 2,3-10-8 м3/с). Як правило, виноградний пектин володіє слабкою желеутворюючою здатністю (тиск нижче 21,28 кПа).

Вміст пектинових речовин у винограді залежить від сорту, ступені зрілості і зазвичай коливається в межах 0,5—2 г/л. У мускатних сортах воно вище і складає 3— 4 г/л. У червоному винограді пектинових речовин міститься більше, чим в білому. Багато їх в гребенях (від 0,5 до 1,6%). Протопектин складається з полігалактуронових кислот, зв'язаних з іншими з'єднаннями — крахмалом, целюлозою, галактаном, арабаном. Він нерозчинний в воді, входить до складу клітинних стінок і серединних пластинок молодих тканин. Для видалення його з рослинних тканин застосовуються розбавлені розчини хлоридної і щавлевої кислот, щавелевокислий і лимоннокислий амоній і інші розчинники.

Хімічна природа протопектину погано вивчена, оскільки виділити його в незмінному вигляді з рослин поки не вдається. Вважають, що карбоксильні групи в молекулі протопектину сполучені з молекулами целюлози, білків і інших компонентів клітинних стінок за допомогою полівалентних металів (зазвичай Са). При кислотному гідролізі (розбавленими кислотами) або ферментативному гідролізі протопектин переходить в розчинний пектин. Пектин не має запаху. Основою молекули розчинного пектину є галактуронова кислота – полімер галактуронової кислоти (галактуронан). Полігалактуронова кислота складається з залишків D-галактуронової кислоти, частково метоксіліруваних (від 30-80%) і зєднаних α-1,4-зв’язками:

(1.45)

Встановлено, що в склад молекули розчинного пектину включені також й нейтральні цукри, більш-менш добре зєднані з основним ланцюгом.Кількість нейтральних цукрів в молекулі пектину складає 10—12%. З цукрів виявлені у вигляді полісахаридів і частково у вільному вигляді арабіноза і галактоза. Іноді в пектині знаходять помітні кількості ксилози і рамнози.

Дослідження пектинів, отриманих з рослинних тканин (суспензія каллусів білого клена, бобів, яблуні, камбіального пектину яблуні і каллусу галів дикого винограду), що активно ростуть, а також пектину із дозрілих яблук, показали, що ці пектини різняться між собою по вмісту і співвідношенню нейтральних цукрів: арабінози, галактози, рамнози, ксилози.