Вино глазами химика
Vina bibunt homines, animalia cetera fontes.
Только люди пьют вино, остальные животные — чистую воду (лат.)
 |
| Иллюстрация Сергея Дергачева |
Если первой химической реакцией, которую начал использовать человек, было горение, то второй такой реакцией стало брожение. В Месопотамии способы получения различных напитков с помощью брожения были разработаны еще в первой половине третьего тысячелетия до н. э. Бродить могут самые разнообразные продукты, содержащие сахар: мед, патока, виноградный и другие фруктовые соки. В древности заметили, что легче всего подвергается брожению жидкость, полученная путем выжимки сока из винограда, — виноградное сусло. Дрожжевые грибки, вызывающие спиртовое брожение, живут и в дикой природе (см. «Химию и жизнь 2016 №12), в сладкие напитки, приготовленные человеком, попадают из воздуха, поэтому этиловый спирт в виде разбавленных растворов известен людям с давних времен. Хотя, конечно, еще тогда человечество перестало надеяться на помощь диких дрожжей в приготовлении пива и браги и научилось использовать закваски.
С тех пор люди изобрели множество самых разнообразных спиртсодержащих напитков. В винном отделе крупного магазина за границей в глазах пестрит от множества бутылок, начиная дешевыми ординарными винами по два-три доллара за бутылку и заканчивая коллекционными марочными, их цену и назвать страшно. А еще бывают аукционы, где за бешеные деньги продают залитые сургучом бутылки, возраст которых исчисляется веками. Чем же все эти вина различаются?
Для поэта вино — дар богов, а для химика — водный раствор этилового спирта, сахар и немного примесей, содержание которых составляет порой сотые доли процента. Но именно эти примеси и придают винам особо тонкий вкус и аромат; в этом отношении дорогие вина можно сопоставить с французскими духами, а дешевые — с «Тройным» одеколоном. Хорошее вино содержит множество самых разнообразных соединений. В 24-м томе американской энциклопедии технической химии Кирка-Отмера, вышедшем в 1978 году, было указано, что вино содержит более 200 компонентов; сейчас их известно вдвое больше. Среди них спирты и сахара, альдегиды и кетоны, кислоты и их эфиры, минеральные соли, витамины, полифенолы и терпены, ароматические соединения и красители. Причем все эти вещества подобраны природой в определенных соотношениях, и каждому вину свойствен его неповторимый состав, как каждому музыкальному инструменту — свой тембр и богатство обертонов. Американский химик, специалист-энолог (от др.-греч. Οίνος — вино) профессор Мейнард Эндрю Америн из Калифорнийского университета в Дэвисе назвал вино «химической симфонией».
Когда-то с помощью Луи Пастера (1822—1895) вино внесло важный вклад в физику. На стенках бочек с вином со временем образуется твердый налет, который назвали винным камнем. Это кислая калиевая соль винной (виннокаменной) кислоты, один из продуктов брожения виноградного сока. При нагревании ее водного раствора образуется так называемая виноградная кислота. Природная винная кислота обладает оптической активностью — вращает плоскость поляризованного света вправо, а виноградная кислота оптически неактивна. Пастер, рассматривая под микроскопом кристаллы натрий-аммониевой соли виноградной кислоты, заметил, что по форме кристаллы можно разделить на два типа. Он отделил кристаллы одного типа от другого и показал, что из них можно получить два разных вещества — правовращающую винную кислоту и ранее неизвестную левовращающую, то есть виноградная кислота оказалась их смесью. Это было выдающееся открытие: обнаружение энантиомеров (от греч. enantios — противоположный) оптически активных органических соединений.
Физика не осталась в долгу — лауреат Нобелевской премии Уиллард Либби (1908— 1980) разработал метод определения возраста вин (если им не больше нескольких десятков лет). Виноград поглощает тритий из почвенных вод, а после снятия урожая содержание трития в виноградном соке начинает снижаться с известной скоростью: примерно вдвое через каждые 12 лет. По остаточной активности и определяется возраст.
В принципе все виноградные вина образуются одинаковым способом. В виноградном сусле 18— 5% сахаров, из которых 95% — это глюкоза и фруктоза, остальное — сахароза, мальтоза, мелобиоза, рафиноза и т. д. Есть в сусле и другие вещества — десяток органических кислот, два десятка аминокислот, антоцианы и другие пигменты, танины, ароматические соединения, витамины, ферменты, минеральные соли. При брожении сусла сахар превращается в этанол и углекислый газ, а в растворе появляется масса новых компонентов, среди которых важную роль играют пахучие соединения — уксусный альдегид, сложные эфиры, лактоны. Если считать, что весь этот сахар в сусле представлен глюкозой и она полностью сброжена, то крепость вина при указанном содержании сахара составит 10—14,5%. Для получения более крепких десертных вин в них добавляют перегнанный из вина этиловый спирт. С помощью добавок спирта можно остановить брожение, когда в продукте осталось еще много сахара. Так получают сладкие и полусладкие вина.
Когда концентрация этилового спирта повышается примерно до 12—13%, дрожжи погибают и спиртовое брожение прекращается (хотя известны штаммы дрожжей, выживающие и при несколько большем содержании спирта). Для получения более концентрированных растворов спирта необходима перегонка вина. Такие спиртовые растворы научились делать алхимики в Италии в XII веке (по-видимому, это первая документированная процедура). Они нагревали вино до кипения и конденсировали выделяющиеся пары, а собранному конденсату дали латинское название spiritus vini, то есть «дух вина». И сейчас перегонкой получают более крепкие спиртные напитки — виски, бренди, джина, рома, коньяка. Этиловый спирт применяют для крепления виноградного вина.
Долгое время не знали, что именно превращает сахар в спирт. В 1802 году французский химик Луи Жак Тенар (1777—1857) впервые обратил внимание на активную роль дрожжей при брожении. Долго не прекращался спор о сути брожения между выдающимся немецким химиком Юстусом Либихом (1803—1873) и не менее выдающимся французским ученым Луи Пастером. Либих считал, что это чисто химический процесс, тогда как Пастер утверждал, что брожение могут вызывать только целые (живые) клетки дрожжей. В 1897 году немецкий биохимик Эдуард Бухнер (1860—1917) и его старший брат бактериолог Ганс Бухнер (1850—1902) для получения биохимических препаратов тщательно растерли дрожжи, а чтобы вытяжка долго не портилась, добавили к ней консервант — сахар. Каково же было их удивление, когда оказалось, что разрушенные дрожжевые клетки сбраживают сахар ничуть не хуже, чем живые дрожжи. Так ученые открыли бесклеточное брожение и доказали чисто химическую природу этого процесса. Оказалось, что в дрожжах содержатся особые белковые вещества, которые катализируют разнообразные химические процессы; их назвали ферментами. За это открытие Эдуард Бухнер в 1907 году, через пять лет после смерти своего брата, был удостоен Нобелевской премии по химии.
Но даже если к суслу не добавлять никаких дрожжей, вино все равно получится. Кожица растущей виноградины покрыта естественной воскообразной пленкой — примерно такой же, как на яблоке. На этой пленке оседают частицы плесени и диких дрожжей, заносимых на нее ветром или насекомыми. Дрожжевых клеток на одной ягоде бывает до 10 миллионов, лишь около 1% из них принадлежит к различным разновидностям винных дрожжей, но в благоприятных условиях дрожжи быстро размножаются. Тип дрожжей заметно сказывается на качестве вина, на старых виноградниках между виноградом и дрожжами на протяжении столетий установилась естественная гармония, поэтому неудивительно, что именно в таких местах получают вина высшего качества.
От чего же зависит, получится ли из отжатого виноградного сока — сусла простенькое сухое вино или изысканный напиток, имеющий всемирную славу? Прежде всего — от сорта винограда, места его произрастания и погодных условий. Чтобы дрожжи хорошо себя чувствовали, им нужны не только сахар и вода, но и многие другие содержащиеся в виноградном соке вещества. В этом легко убедиться, добавив дрожжи просто к сладкой воде — ничего, кроме неприятно пахнущего слабого спиртового раствора, не получится.
Качество вина зависит от весенних заморозков, от влажности воздуха, числа солнечных дней летом и даже от того, на каком склоне — северном или южном выросла лоза. Поэтому при оценке вин столь большое значение придают году сбора урожая. Если осенью, в самое важное для вызревания винограда время, будут идти дожди или просто будет пасмурно, виноград останется кислым. Кислым будет и полученное из него вино, при этом концентрация кислот может достигать 13 г/л. В хорошем же вине она не должна превышать 6 г/л. Для снижения кислотности в вино добавляют мел, который нейтрализует часть кислот (осадок кальциевых солей отфильтровывают). Самые благоприятные для винограда условия хорошо сочетаются в районе Бордо во Франции, в Северной Испании, в Центральной и Северной Италии, Северной Калифорнии. А вот в Германии, Швейцарии, Австрии и даже в Бургундии (Франция) в некоторые годы виноград накапливает недостаточно сахара, и его приходится потом добавлять к суслу, что отражается на качестве вина.
После сбора виноград необходимо как можно скорее доставить на винный завод, чтобы он не потерял влагу и не испортился. Если нужно изготовить белое вино, на брожение направляют только отжатый сок. При изготовлении красного вина в бродильные чаны закладывают все, что выходит из давильных устройств: и сок, и мякоть, и кожицу, и косточки (которые при отжиме должны оставаться неповрежденными). Содержащиеся в кожице пигменты придают красному вину его цвет, а танины косточек и кожицы — терпкий аромат и вяжущий вкус. Бывают и розовые вина. Их созревание начинается, как и у красных вин, но примерно через сутки сок отфильтровывают, и он продолжает бродить уже сам по себе.
Как уже говорилось, современные виноделы не полагаются на капризы естественных дрожжей, размножившихся на кожице виноградин, их заменяют специально выращенными чистыми культурами — так же, как при изготовлении молочнокислых продуктов на молокозаводах не используют случайные закваски. Чтобы подавить жизнедеятельность диких дрожжей, сусло сначала обрабатывают сернистым газом или сульфитами, а уже затем добавляют чистые культуры. Сернистый газ заодно осветляет вино и замедляет нежелательные процессы окисления.
Еще одно нововведение — тщательный контроль температуры в бродильном чане, которая не должна превышать 29,5°С для красных столовых вин и 15,5°С — для белых. Медленное брожение при пониженной температуре повышает содержание в вине сложных эфиров и других пахучих соединений, а также увеличивает выход спирта. Если к сухому вину добавить сахар и подвергнуть его повторному брожению в замкнутом сосуде (откуда выделяющийся углекислый газ не может улетучиться), то получится так называемое игристое вино. Давление в бутылке шампанского достигает 4—5 атм; в прежние времена во время приготовления шампанского сильное давление разрывало до четверти всех бутылок. Потом давление углекислого газа в бутылке научились точно рассчитывать, и уже в 30-е годы ХХ века удалось снизить потери до 1%.
Однажды с углекислым газом случился казус. В 1827 году в Лондоне, под Темзой, прокладывали первый туннель. Окончание работ отметили мероприятием, на котором присутствовали 50 «очень важных персон» и акционеров строительной компании и 120 рабочих. По традиции выпили шампанского. Но, поднявшись наверх, люди почувствовали себя плохо: при понижении внешнего давления углекислый газ начал освобождаться из жидкости прямо в желудке. К счастью, перепад давления был не очень большим, так что все закончилось благополучно. Кстати, чтобы с выбитой пробкой из бутылки не выплеснулась половина шампанского, его следует предварительно охладить и не подвергать резким толчкам: встряхивание создает в вине центры нуклеации, которые способствуют быстрому образованию мириадов газовых пузырьков со всеми вылетающими последствиями.
Для качества вина исключительно важны условия, в которых происходит его «созревание». Это очень сложный химический процесс, при этом молодое вино теряет дрожжевой привкус и приобретает сложный букет. Окисление пигментов и танинов кислородом воздуха делает красное вино более темным, а белое приобретает янтарный оттенок. Поэтому очень важно также качество дубовых бочек, в которых созревает вино: от него зависит степень проницаемости воздуха. Искусство винодела состоит в том, чтобы разлить вино из бочки в бутылки вовремя — не слишком рано и не поздно. Обычно для созревания хорошего вина требуется около двух лет. Дешевые вина выдерживают в цементных или стальных резервуарах.
Жизнь вина не прекращается и после того, как оно попадет в бутылку: с годами оно зреет и стареет. Однако далеко не всегда самые старые вина — самые лучшие. Красное марочное вино может начать терять свои качества через десять лет хранения, а белое — уже через пять. Крепленые вина выдерживают более длительные сроки.
В виноделии существуют весьма экзотические технологические приемы. Например, при производстве испанского хереса загружаемый в пресс виноград пересыпают местной землей, содержащей 80—85% гипса, — около 2 кг на тонну ягод. Вино выдерживают в неплотно закрытых бочках, при этом на его поверхности появляется толстая, в полсантиметра, дрожжевая пленка. Именно благодаря ей херес приобретает свойственные только ему специфический вкус и запах. А при изготовлении мадеры вино выдерживают в специальных отапливаемых помещениях, температура в которых достигает 70°С, причем в крышках бочек имеются отверстия. Вино высшего качества требует нескольких лет нагрева. Длительное нагревание в дубовых бочках приводит к окислению выделяющихся из тары дубильных веществ, а также спирта, сахара и красящих веществ. Получающаяся смесь множества веществ и определяет качество этого вина.
При спиртовом брожении всегда в большем или меньшем количестве образуется множество других побочных продуктов, в числе которых — высшие спирты. Их, а также некоторые другие соединения, называют сивушными маслами; они имеют неприятный запах и вкус и ядовиты. Задача винодела — ограничить образование высших спиртов в допустимых пределах.
Если сухое вино вовремя не выпить, то при длительном хранении (особенно в открытой бутылке) оно скиснет. Это происходит потому, что в воздухе всегда присутствуют зародыши особой бактерии (ее называют также уксусным грибком), которая, попадая в спиртовую жидкость, начинает в ней размножаться, перерабатывая при этом спирт в уксусную кислоту. Уксуснокислое брожение сахара используют для получения столового уксуса.
Качество вина определяют специалисты-дегустаторы, которые оценивают в баллах аромат, вкус, консистенцию, прозрачность и другие показатели. По распространенной 10-балльной шкале наивысшую оценку получают вина, безупречные во всех отношениях, тогда как баллом 6 оцениваются вина посредственные, но допустимые к употреблению. Таким образом, огромное разнообразие вин «втискивается» в пределах 4-балльного отрезка шкалы. Существуют и значительно более информативные методики. Например, по 100-балльной шкале дегустатор отдельно оценивает прозрачность, цвет, вкус, букет и другие показатели вина. Но в любом случае оценка эксперта во многом субъективна: разные люди по-разному чувствуют один и тот же запах или вкус. Известны опыты, когда добровольцы давали более высокую оценку вину, о котором им сказали, что оно дороже другого.
Осенью девятого года император Август распорядился выслать одного из самых талантливых римских поэтов Публия Овидия Назона в дикую страну гетов и сарматов, на берега Черного моря (сейчас на этом месте румынский город Констанца). Для римлянина это было тяжелым наказанием, Овидий жаловался, что «вина зимой здесь затвердевают, и люди не пьют их, а едят кусочками». Поскольку крепленых вин тогда не делали, этот факт позволяет определить, насколько студеную зиму приходилось терпеть поэту. Опыт с сухим каберне показал, что при –6,5°С сначала образуется густая «каша», которая при дальнейшем снижении температуры до –9,5°С постепенно твердеет. В современной Констанце температура в январе действительно опускается до –10°С, так что климат на черноморском побережье Румынии с тех пор мало изменился.
Что мы писали о вине
Международный коллектив проекта «VineRobot» под руководством инженеров из Политехнического института Валенсии решил создать электронного помощника виноградаря. Он будет ездить между лозами и бесконтактно определять спелость ягод. За первый год работы удалось придумать некоторые датчики и собрать мобильную платформу, способную самостоятельно перемещаться по узким рядам, расположенным на склонах, преодолевая заросли сорняков. На 2015 год был запланирован монтаж камер и датчиков.
«Химия и жизнь» 2015 №2
Французские ученые и сотрудник нашего журнала исследовали выделение растворенного в шампанском и пиве газа в процессе налива. Работа выполнена с применением современных методик (французскими учеными) и путем визуального наблюдения поведения пива (нашим коллегой) и имеет практическую ценность — установлено, как именно надо наливать, чтобы газа сохранилось меньше или больше.
«Химия и жизнь» 2011 №12
Ароматы вин — важнейший их при знак — связаны с определенными химическими веществами и их смесями, и во многих случаях эти вещества уже установлены. Описание запаха — отдельная проблема, которую для Азии приходится решать не так, как для Европы. Многие европейские ароматические дескрипторы (термины, с помощью которых дегустаторы характеризуют вино) непонятны китайским потребителям. С другой стороны, увлечение вином в Азии началось достаточно давно, и азиатский мир стал создавать свой винный язык. В европейских учебниках для начинающих любителей вина написано: каберне совиньон — это черная смородина и зеленый перец, сира, или шираз — черный перец и другие специи. В Азии каберне совиньон описывают ароматами китайских фиников, слив и чайных листьев, сира — запахами соленой свинины, пасты из красной фасоли и чая с жасмином.
«Химия и жизнь», 2014, № 3
В 2010 году из Балтийского моря с глубины 50 метров добыли 168 бутылок — шампанского старше 170 лет. Несколько бутылок все эти годы пролежали горизонтально, при температуре 2—4°C, в темноте, при низкой солености (менее 10 г/кг NaCl), то есть практически в идеальных для хранения условиях. Надо ли объяснять, как французские и немецкие ученые кинулись его изучать? И изучили, и много интересного узнали — например, что в это шампанское добавляли виноградный сироп, чтобы сделать его слаще. Вино неплохо сохранилось, уксусной кислоты в нем не было, вкус и запах оказались не идеальными, но вполне приемлемыми.
«Химия и жизнь» 2015 №7
Как установили немецкие ученые, вкус вина связан с цветом освещения. Эксперимент они провели в дегустационном зале Аллендорфской винокурни. В помещении включался рассеянный свет того или иного оттенка, бокалы же поставили черные и непрозрачные, чтобы цвет вина не был виден. Оказалось, что наименее приятно пить вино (а подавали участникам опыта один и тот же рислинг) при зеленом и белом свете. С другой стороны, красный и синий свет делают напиток особенно вкусным.
«Химия и жизнь» 2010 №1