Вино очима хіміка

Vina bibunt homines, animalia cetera fontes.

Тільки люди п’ють вино, інші тварини — чисту воду (лат.)

Якщо першою хімічною реакцією, яку почала використовувати людина, було горіння, то другою такою реакцією стало бродіння. У Месопотамії способи отримання різних напоїв за допомогою бродіння були розроблені ще в першій половині третього тисячоліття до н. е. Бродити можуть найрізноманітніші продукти, що містять цукор: мед, патока, виноградний та інші фруктові соки. У давнину помітили, що найлегше піддається бродінню рідина, отримана шляхом витискання соку з винограду, — виноградне сусло. Дріжджові грибки, що викликають спиртове бродіння, живуть і в дикій природі (див. «Хімію і життя» № 12, 2016), в солодкі напої, приготовані людиною, потрапляють з повітря, тому етиловий спирт у вигляді розбавлених розчинів відомий людям з давніх часів. Хоча, звичайно, ще тоді людство перестало сподіватися на допомогу диких дріжджів у приготуванні пива і браги і навчилося використовувати закваски.

Відтоді люди винайшли безліч найрізноманітніших спиртовмісних напоїв. У винному відділі великого магазину за кордоном в очах рясніє від безлічі пляшок, починаючи дешевими ординарними винами по два-три долари за пляшку і закінчуючи колекційними марочними, їх ціну і назвати страшно. А ще бувають аукціони, де за шалені гроші продають залиті сургучем пляшки, вік яких обчислюється століттями. Чим усі ці вина відрізняються?

Для поета вино — дар богів, а для хіміка — водний розчин етилового спирту, цукор і трохи домішок, вміст яких становить часом соті частки відсотка. Але саме ці домішки і надають винам особливо тонкий смак і аромат; в цьому відношенні дорогі вина можна зіставити з французькими духами, а дешеві — з «Потрійним» одеколоном. Гарне вино містить безліч найрізноманітніших сполук. У 24-му томі американської енциклопедії технічної хімії Кірка-Отмера, що вийшов в 1978 році, було зазначено, що вино містить понад 200 компонентів; зараз їх відомо вдвічі більше. Серед них спирти і цукру, альдегіди і кетони, кислоти та їхні ефіри, мінеральні солі, вітаміни, поліфеноли і терпені, ароматичні сполуки і барвники. Причому всі ці речовини підібрані природою в певних співвідношеннях, і кожному провину властивий його неповторний склад, як кожному музичному інструменту — свій тембр і багатство обертонів. Американський хімік, фахівець-енолог (від др.-греч. Професор Мейнард Ендрю Амерін з Каліфорнійського університету в Девісі назвав вино «хімічною симфонією».

Колись за допомогою Луї Пастера (1822-1895) вино внесло важливий внесок у фізику. На стінках бочок з вином з часом утворюється твердий наліт, який назвали винним каменем. Це кисла калієва сіль винної (виннокам’яної) кислоти, один з продуктів бродіння виноградного соку. При нагріванні її водного розчину утворюється так звана виноградна кислота. Природна винна кислота має оптичну активність — обертає площину поляризованого світла вправо, а виноградна кислота оптично неактивна. Пастер, розглядаючи під мікроскопом кристали натрій-амонієвої солі виноградної кислоти, зауважив, що за формою кристали можна розділити на два типи. Він відокремив кристали одного типу від іншого і показав, що з них можна отримати дві різні речовини — правовертаючу винну кислоту і раніше невідому ліворуч, тобто виноградна кислота виявилася їх сумішшю. Це було видатне відкриття: виявлення енантіомерів (від греч. — Це протилежний) оптично активних органічних сполук.

Фізика не залишилася в боргу — лауреат Нобелівської премії Віллард Ліббі (1908-1980) розробив метод визначення віку вин (якщо їм не більше декількох десятків років). Виноград поглинає тритій з ґрунтових вод, а після зняття врожаю вміст тритію у виноградному соку починає знижуватися з відомою швидкістю: приблизно вдвічі через кожні 12 років. За залишковою активністю і визначається вік.

Пам’ятник Овідію в Констанці

Восени дев’ятого року імператор Август розпорядився вислати одного з найталановитіших римських поетів Публія Овідія Назона в дику країну гетів і сарматів, на береги Чорного моря (зараз на цьому місці румунське місто Констанца). Для римлянина це було важким покаранням, Овідій скаржився, що «вина взимку тут ствердівають, і люди не п’ють їх, а їдять шматочками». Оскільки кріплених вин тоді не робили, цей факт дозволяє визначити, наскільки студену зиму доводилося терпіти поету. Досвід з сухим каберне показав, що при _ 6,5 ° С спочатку утворюється густа «каша», яка при подальшому зниженні температури до _ 9,5 ° С поступово твердіє. У сучасній Констанці температура в січні дійсно опускається до − 10 ° С, так що клімат на чорноморському узбережжі Румунії з тих пір мало змінився.

У принципі всі виноградні вина утворюються однаковим способом. У виноградному суслі 18-25% цукрів, з яких 95% — це глюкоза і фруктоза, решта — цукрозу, мальтоза, мелобіозу, рафінозу тощо. Є в суслі й інші речовини — десяток органічних кислот, два десятки амінокислот, антоціани та інші пігменти, танини, ароматичні сполуки, вітаміни, ферменти, мінеральні солі. При бродінні сусла цукор перетворюється на етанол і вуглекислий газ, а в розчині з’являється маса нових компонентів, серед яких важливу роль відіграють пахучі сполуки — оцтовий альдегід, складні ефіри, лактони. Якщо вважати, що весь цей цукор в суслі представлений глюкозою і вона повністю зброжена, то фортеця вина при зазначеному вмісті цукру складе 10-14,5%. Для отримання більш міцних десертних вин у них додають перегнаний з вина етиловий спирт. За допомогою добавок спирту можна зупинити бродіння, коли в продукті залишилося ще багато цукру. Так отримують солодкі і напівсолодкі вина.

Коли концентрація етилового спирту підвищується приблизно до 12-13%, дріжджі гинуть і спиртове бродіння припиняється (хоча відомі штами дріжджів, які виживають і при дещо більшому вмісті спирту). Для отримання більш концентрованих розчинів спирту необхідна перегонка вина. Такі спиртові розчини навчилися робити алхіміки в Італії в XII столітті (мабуть, це перша документована процедура). Вони нагрівали вино до кипіння і конденсату, що виділяються, а зібраному конденсату дали латинську назву spiritus vini, тобто «дух вина». І зараз перегонкою отримують більш міцні спиртні напої — віскі, бренді, джин, ром, коньяк. Етиловий спирт застосовують для кріплення виноградного вина.

Довгий час не знали, що саме перетворює цукор на спирт. У 1802 році французький хімік Луї Жак Тенар (1777-1857) вперше звернув увагу на активну роль дріжджів при бродінні. Довго не припинялася суперечка про суть бродіння між видатним німецьким хіміком Юстусом Лібіхом (1803-1873) і не менш видатним французьким вченим Луї Пастером. Лібіх вважав, що це суто хімічний процес, тоді як Пастер стверджував, що бродіння можуть викликати тільки цілі (живі) клітини дріжджів. У 1897 році німецький біохімік Едуард Бухнер (1860-1917) і його старший брат бактеріолог Ганс Бухнер (1850-1902) для отримання біохімічних препаратів ретельно розтерли дріжджі, а щоб витяжка довго не псувалася, додали до неї консервант — цукор. Яке ж було їх здивування, коли виявилося, що зруйновані дріжджові клітини збражують цукор нітрохи не гірше, ніж живі дріжджі. Так вчені відкрили безклітинне бродіння і довели суто хімічну природу цього процесу. Виявилося, що в дріжджах містяться особливі білкові речовини, які каталізують різноманітні хімічні процеси; їх назвали ферментами. За це відкриття Едуард Бухнер в 1907 році, через п’ять років після смерті свого брата, був удостоєний Нобелівської премії з хімії.

Але навіть якщо до сусла не додавати ніяких дріжджів, вино все одно вийде. Шкіряна виноградини покрита природною воскоподібною плівкою — приблизно такою ж, як на яблуці. На цій плівці осідають частинки цвілі і диких дріжджів, що заносяться на неї вітром або комахами. Дріжджових клітин на одній ягоді буває до 10 мільйонів, лише близько 1% з них належить до різних різновидів винних дріжджів, але в сприятливих умовах дріжджі швидко розмножуються. Тип дріжджів помітно позначається на якості вина, на старих виноградниках між виноградом і дріжджами протягом століть встановилася природна гармонія, тому не дивно, що саме в таких місцях отримують вина вищої якості.

Від чого ж залежить, чи вийде з віджатого виноградного соку — сусла простеньке сухе вино або вишуканий напій, що має всесвітню славу? Насамперед — від сорту винограду, місця його виростання і погодних умов. Щоб дріжджі добре себе почували, їм потрібні не тільки цукор і вода, але й багато інших, що містяться у виноградному соку речовини. У цьому легко переконатися, додавши дріжджі просто до солодкої води — нічого, крім неприємно пахнучого слабкого спиртового розчину, не вийде.

Якість вина залежить від весняних заморозків, від вологості повітря, числа сонячних днів влітку і навіть від того, на якому схилі — північному або південному — зросла лоза. Тому при оцінці вин настільки велике значення надають року збору врожаю. Якщо восени, у найважливіший для визрівання винограду час, йтимуть дощі або просто буде похмуро, виноград залишиться кислим. Кислим буде і отримане з нього вино, при цьому концентрація кислот може досягати 13 г/л. У хорошому ж вині вона не повинна перевищувати 6 г/л. Для зниження кислотності у вино додають крейду, яка нейтралізує частину кислот (осад кальцієвих солей відфільтровують). Найсприятливіші для винограду умови добре поєднуються в районі Бордо у Франції, в Північній Іспанії, в Центральній і Північній Італії, Північній Каліфорнії. А ось у Німеччині, Швейцарії, Австрії і навіть у Бургундії (Франція) в деякі роки виноград накопичує недостатньо цукру, і його доводиться потім додавати до сусла, що відбивається на якості вина.

Після збору виноград необхідно якомога швидше доставити на винний завод, щоб він не втратив вологу і не зіпсувався. Якщо потрібно виготовити біле вино, на бродіння направляють тільки віджатий сік. При виготовленні червоного вина в бродильні чани закладають все, що виходить з давильних пристроїв: і сік, і м’якоть, і шкірку, і кісточки (які при віджиманні повинні залишатися неушкодженими). Пігменти, що містяться в шкіряці, надають червоному вину його колір, а танини кісточок і шкіряці — терпкий аромат і в’яжучий смак. Бувають і рожеві вина. Їх дозрівання починається, як і у червоних вин, але приблизно через добу сік відфільтровують, і він продовжує бродити вже сам по собі.

Як уже говорилося, сучасні винороби не покладаються на капризи природних дріжджів, що розмножилися на шкірі виноградин, їх замінюють спеціально вирощеними чистими культурами — так само, як при виготовленні молочнокислих продуктів на молокозаводах не використовують випадкові закваски. Щоб придушити життєдіяльність диких дріжджів, сусло спочатку обробляють сірчистим газом або сульфітами, а вже потім додають чисті культури. Сірчистий газ заодно висвітлює вино і уповільнює небажані процеси окислення.

Ще одне нововведення — ретельний контроль температури в бродильному чані, яка не повинна перевищувати 29,5 ° С для червоних столових вин і 15,5 ° С — для білих. Повільне бродіння при зниженій температурі підвищує вміст у вині складних ефірів та інших пахучих сполук, а також збільшує вихід спирту. Якщо до сухої вини додати цукор і піддати його повторному бродінню в замкненій судині (звідки вуглекислий газ не може полетіти), то вийде так зване ігристе вино. Тиск у пляшці шампанського сягає 4-5 атм; у колишні часи під час приготування шампанського сильний тиск розривав до чверті всіх пляшок. Потім тиск вуглекислого газу в пляшці навчилися точно розраховувати, і вже в 30-ті роки ХХ століття вдалося знизити втрати до 1%.

Одного разу з вуглекислим газом стався казус. У 1827 році в Лондоні під Темзою прокладали перший тунель. Закінчення робіт відзначили заходом, на якому були присутні 50 «дуже важливих персон» і акціонерів будівельної компанії і 120 робітників. За традицією випили шампанського. Але, піднявшись нагору, люди відчули себе погано: при зниженні зовнішнього тиску вуглекислий газ почав звільнятися з рідини прямо в шлунку. На щастя, перепад тиску був не дуже великим, так що все закінчилося благополучно. До речі, щоб з вибитою пробкою з пляшки не вихлюпнулася половина шампанського, його слід попередньо охолодити і не піддавати різким поштовхам: струсування створює у вині центри нуклеації, які сприяють швидкому утворенню міріадів газових бульбашок з усіма вилітаючими наслідками.

Для якості вина виключно важливі умови, в яких відбувається його «дозрівання». Це дуже складний хімічний процес, при цьому молоде вино втрачає дріжджовий присмак і набуває складного букета. Окислення пігментів і танінів киснем повітря робить червоне вино темнішим, а біле набуває бурштинового відтінку. Тому дуже важлива також якість дубових бочок, в яких дозріває вино: від нього залежить ступінь проникності повітря. Мистецтво винороба полягає в тому, щоб розлити вино з бочки в пляшки вчасно — не дуже рано і не пізно. Зазвичай для дозрівання хорошого вина потрібно близько двох років. Дешеві вина витримують у цементних або сталевих резервуарах.

Життя вина не припиняється і після того, як воно потрапить у пляшку: з роками воно зріє і старіє. Однак далеко не завжди найстаріші вина — найкращі. Червоне марочне вино може почати втрачати свої якості через десять років зберігання, а біле — вже через п’ять. Кріплені вина витримують більш тривалі терміни.

У виноробстві існують досить екзотичні технологічні прийоми. Наприклад, при виробництві іспанського хересу завантажуваний в прес виноград пересипають місцевою землею, що містить 80-85% гіпсу, — близько 2 кг на тонну ягід. Вино витримують у нещільно закритих бочках, при цьому на його поверхні з’являється товста, в півсантиметра, дріжджова плівка. Саме завдяки їй херес набуває властивих тільки йому специфічний смак і запах. А при виготовленні мадери вино витримують у спеціальних опалюваних приміщеннях, температура в яких досягає 70 ° С, причому в кришках бочок є отвори. Вино вищої якості вимагає декількох років нагріву. Тривале нагрівання в дубових бочках призводить до окислення дубільних речовин, що виділяються з тари, а також спирту, цукру і червоних речовин. Отримана суміш безлічі речовин і визначає якість цього вина.

При спиртовому бродінні завжди в більшій або меншій кількості утворюється безліч інших побічних продуктів, в числі яких — вищі спирти. Їх, а також деякі інші сполуки, називають сивушними маслами; вони мають неприємний запах і смак і отруйні. Завдання винороба — обмежити освіту вищих спиртів у допустимих межах.

Якщо сухе вино вчасно не випити, то при тривалому зберіганні (особливо у відкритій пляшці) воно скисне. Це відбувається тому, що в повітрі завжди присутні зародки особливої бактерії (її називають також оцтовим грибком), яка, потрапляючи в спиртову рідину, починає в ній розмножуватися, переробляючи при цьому спирт в оцтову кислоту. Оцнокисле бродіння цукру використовують для отримання столового оцту.

Якість вина визначають фахівці-дегустатори, які оцінюють у балах аромат, смак, консистенцію, прозорість та інші показники. За поширеною 10-бальною шкалою найвищу оцінку отримують вина, бездоганні в усіх відношеннях, тоді як балом 6 оцінюються вина посередні, але допустимі до вживання. Таким чином, величезне розмаїття вин «втискується» в межах 4-бального відрізка шкали. Існують і значно більш інформативні методики. Наприклад, за 100-бальною шкалою дегустатор окремо оцінює прозорість, колір, смак, букет та інші показники вина. Але в будь-якому випадку оцінка експерта багато в чому суб’єктивна: різні люди по-різному відчувають один і той же запах або смак. Відомі досліди, коли добровольці давали вищу оцінку провину, про яку їм сказали, що воно дорожче іншого.

Що ми писали про провину

Міжнародний колектив проекту VáRobot під керівництвом інженерів з Політехнічного інституту Валенсії вирішив створити електронного помічника виноградаря. Він буде їздити між лозами і безконтактно визначати стиглість ягід. За перший рік роботи вдалося придумати деякі датчики і зібрати мобільну платформу, здатну самостійно переміщатися вузькими рядами, розташованими на схилах, долаючи зарості бур’янів. На 2015 рік був запланований монтаж камер і датчиків.

«Хімія і життя» № 2, 2015

Французькі вчені і співробітник нашого журналу досліджували виділення розчиненого в шампанському і пиві газу в процесі наливу. Робота виконана із застосуванням сучасних методик (французькими вченими) і шляхом візуального спостереження поведінки пива (нашим колегою) і має практичну цінність — встановлено, як саме треба наливати, щоб газу збереглося менше або більше.

«Хімія і життя» № 12, 2011

Аромати вин — найважливіша їхня ознака — пов’язані з певними хімічними речовинами та їх сумішами, і в багатьох випадках ці речовини вже встановлені. Опис запаху — окрема проблема, яку для Азії доводиться вирішувати не так, як для Європи. Багато європейських ароматичних дескрипторів (терміни, за допомогою яких дегустатори характеризують вино) незрозумілі китайським споживачам. З іншого боку, захоплення вином в Азії почалося досить давно, і азіатський світ став створювати свою винну мову. У європейських підручниках для любителів-початківців вина написано: каберне совіньйон — це чорна смородина і зелений перець, сіра, або шираз, — чорний перець та інші спеції. В Азії каберне совіньйон описують ароматами китайських фініків, слив і чайного листя, сіра — запахами солоної свинини, пасти з червоної квасолі і чаю з жасмином.

«Хімія і життя» № 3, 2014

У 2010 році з Балтійського моря з глибини 50 метрів видобули 168 пляшок — шампанського старше 170 років. Кілька пляшок всі ці роки пролежали горизонтально, при температурі 2-4 ° C, в темряві, при низькій солоності (менше 10 г/кг NaCl), тобто практично в ідеальних для зберігання умовах. Чи треба пояснювати, як французькі та німецькі вчені кинулися його вивчати? І вивчили, і багато цікавого дізналися — наприклад, що в це шампанське додавали виноградний сироп, щоб зробити його солодшим. Вино непогано збереглося, оцтової кислоти в ньому не було, смак і запах виявилися не ідеальними, але цілком прийнятними.

«Хімія і життя» № 7, 2015

Як встановили німецькі вчені, смак вина пов’язаний з кольором освітлення. Експеримент вони провели в дегустаційному залі Аллендорфської винокурні. У приміщенні включалося розсіяне світло того чи іншого відтінку, келихи ж поставили чорні і непрозорі, щоб колір вина не було видно. Виявилося, що найменш приємно пити вино (а подавали учасникам досвіду один і той же рислінг) при зеленому і білому світлі. З іншого боку, червоне і синє світло роблять напій особливо смачним.

«Хімія і життя» № 1, 2010