Понимание дрожжей

 

Сделать хорошее вино поможет вам понимание химии винных дрожжей.

Без дрожжей не может быть никакого вина. Но роль винных дрожжей выходит за рамки просто спиртового брожения — биохимического процесса превращения сахара в этиловый спирт и углекислый газ.

Дрожжи придают вину его характер, аромат, вкус и ощущения во рту. (В некоторых случаях, также играют роль и бактерии– пресловутое ЯМБ). Они также влияют на цвет и синтезируют множество побочных продуктов, взаимодействие которых создаёт очень приятный, вкусный напиток. Но эти побочные продукты могут также привести и к проблеме, или прямой порче вина, если брожение не пошло должным образом. Таким образом, знания о метаболизме дрожжей помогут вам сделать ваше вино лучше.

Дрожжи, используемые в виноделии — это штаммы Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae). Например, от Lallemand — EC-1118, Д254, QA23, K1-V1116, BM4X4 и т.п., существует множество примеров штаммов различных производителей дрожжей, каждый из них приспособлен и рекомендован для конкретного сорта, винных стилей и брожения в различных условиях.

Здесь мы рассмотрим биохимию дрожжей S.cerevisiae, чтобы понять некоторые из наиболее важных биохимических аспектов их ферментативной деятельности во время алкогольного брожения, и последствия этого для вина. Мы также рассмотрим факторы окружающей среды, влияющие на производительность дрожжей.

Метаболизм сахара

Для виноделов, основной функцией дрожжей является преобразование глюкозы и фруктозы в этанол вместе с двуокисью углерода в качестве побочного продукта. Это — основной метаболический путь, который мы называем спиртовое, или алкогольное брожение (AБ). Но есть много других метаболических путей в клетках дрожжей, каждый из которых привносит один или несколько побочных продуктов, что в конечном итоге влияет на органолептические свойства вина.

Во-первых, во время спиртового брожения, ферментативный процесс в клетках дрожжей синтезирует и выделяет глицерин в качестве способа восстановить потерянную энергию во время гликолиза — биохимического процесса, в результате которого сахара перерабатываются в побочные продукты, получающиеся в результате спиртового брожения и других метаболических процессов. Глицерин представляет собой вязкую, со сладким вкусом, жидкость. Этот высший спирт синтезирован пропорционально количеству произведенного этанола. Красные вина, как правило, имеют более высокие уровни глицерина из-за более высокого уровня спирта, но ещё и потому, что больше глицерина производится при более высоких температурах брожения. Белые вина ферментируют при более низких температурах, чтобы не испарялись эфиры, придающие более тонкий аромат и вкус вину.

Мы все научились защищать вино от воздуха, чтобы минимизировать эффекты окисления, однако на ранней стадии спиртового брожения, дрожжам на самом деле нужно иметь небольшой запас кислорода, чтобы они могли наращивать свою биомассу (размножаться), и выполнять свои метаболические функции. Инокулированному суслу (суслу, в которое внесена разводка дрожжей) должна быть предоставлена возможность «дышать немного» путём аэрации, пока начинается брожение, и идёт процесс роста дрожжей в их экспоненциальной фазе.

В процессе алкогольного брожения, дрожжи синтезируют ацетальдегид наряду с другими побочными продуктами метаболизма сахара. Это может быть удивительно, зная, что ацетальдегид является соединением, обычно связываемым с порчей вина — это предвестник превращения вина в уксусную кислоту (уксус), при заражении бактериями Acetobacter . Но ацетальдегид в дрожжах превращается в этанол, в то время как небольшое его количество выводится из дрожжевых клеток и в вино. Немного ацетальдегида на самом деле желательно, поскольку это добавляет сложности букету вина.

Сульфитация до или на ранней стадии алкогольного брожения в сочетании с ацетальдегидом отбирают энергию у дрожжей. Они затем пытаются компенсировать это, производя больше глицерина для поддержания метаболизма. Значит, внесения сульфитов при дроблении или инокуляции должны быть сведены к минимуму, чтобы также минимизировать синтез глицерина.

В процессе переработки сахара дрожжами параллельно  производятся и различные летучие соединения, такие как сложные эфиры и монотерпены, ответственные за все те прекрасные составляющие аромата и вкуса готового вина, а также нелетучих соединений, включая органические кислоты и высшие спирты, которые способствуют вкусу и тельности. Эти второстепенные качества, их метаболиты и степень их производства, отличают одни штаммы дрожжей от других, на что и обращает внимание винодел при выборе расы в каждом конкретном случае.

Благоухающие эфиры — это мощные соединения, придающие вину все фруктовые ароматы. Они образуются в результате ферментативного расщепления сахара, и присутствуют в вине в небольших количествах. Некоторые сложные эфиры синтезированы дрожжами, в то время как другие уже присутствуют в виноградном соке, но могут быть обнаружены только после спиртового брожения, т.к они  химически связаны, и отщепляются от связывающих их соединений эндогенными (уже присутствующими в соке) или экзогенными (добавленными) ферментами, способными высвобождать эти ароматические соединения. Мы рассмотрим это подробнее дальше.

Существуют две основные категории эфиров: эфиры уксусной кислоты, ответственные за такие ароматические соединения, как этилацетат (растворитель/клей), изоамиловый ацетат (банан) и фенилэтил ацетат (роза) и этиловые эфиры жирных кислот, ответственные за такие ароматические соединения, как этиловый бутаноат (фруктовый/цветочный), этилгексаноат (фруктовые/зеленое яблоко) и этилового эфира коричной кислоты (мед/корица).

Монотерпены — высокоароматические соединения с чрезвычайно низкой волатильностью — содержится во многих фруктах, эфирных маслах и эссенциях, обонятельный порог их обнаружения порядка 100 мкг/л. Много сортов винограда Витис винифера, особенно с высоким содержанием ароматических веществ — мускаты, Рислинг, Гевюрцтраминер, Шенин Блан, Вионье и другие, как известно, производят значительное количество монотерпенов.

Уксусная кислота (ВА) является еще одним важным метаболитом дрожжей, она также желательна в небольших количествах и способствует появлению летучих кислот (VA) и общей сложности вина. IceWine, сладкие вина из Онтарио и Британской Колумбии, полученные из природно замороженного винограда, Сотерн, сладкие вина из этого региона в Бордо, производятся при помощи так называемой благородной гнили (Botrytis cinerea), и обязаны частью своего характера и сложности более высокому уровню ВА, чем в сухих винах. Но когда уровень ВА становится чрезмерным, он может придать вину неприятный запах уксуса.

Янтарная кислота является наиболее значимой кислотой по концентрации после винной, яблочной и молочной кислот, и составляет примерно 10% от общей титруемой кислотности (ТА), однако она имеет малое энологическое значение, для намерений и целей винодела, так как она не имеет запаха и имеет мало реактивности в винных рН.

Дрожжи также способны производить небольшие количества диацетила, бутандиола и ацетон-соединений, ответственных за маслянистый аромат и вкус, а также округлость, например, Chardonnaу, хотя их в более значительных количествах производят молочнокислые бактерии во время яблочно-молочного брожения (МФ).

Давайте теперь рассмотрим два менее известных, но важных факта о метаболизме сахара. Во-первых, глюкоза и фруктоза преобразуются с разной скоростью, что влияет на остаточную концентрацию сахара (RS) в готовом вине, и, во-вторых, небольшое количество сахара будет использовано для других метаболических функций. Этот последний пункт, что затрудняет точное преобразование Brix/SG, привносит ошибку в измерения потенциального алкоголя (ПА).

Глюкоза и фруктоза существует в винограде примерно в одинаковой пропорции, однако дрожжи S.cerevisiae, являются глюкозофилами. Это означает, что они будут перерабатывать глюкозу быстрее, чем фруктозу, и поэтому в вине, ферментированном досуха, будет меньше остаточной глюкозы, чем фруктозы. Так как фруктоза более чем в два раза слаще глюкозы, то если два вина имеют одинаковые показания остаточного сахара, но в одном больше фруктозы, то и вкус его будет слаще. Для сухого вина, как правило, считается, что содержание сахара в нём должно быть менее 0,2% (2,0 г / л) RS. Дрожжи никогда не ферментируют сахар до нуля, так как дрожжи уже еле выживают в негостеприимной среде в конце спиртового брожения. В любом случае, немного остаточного сахара всегда желательно, чтобы сбалансировать кислотность. Виноградный сок также содержит очень небольшое количество несбраживаемых сахаров, такие как арабиноза и ксилоза, которые дрожжи не способны ферментировать.

Азотистый обмен

Жизнеспособность и метаболическая активность дрожжей может поддерживаться только при достаточности азотистых питательных веществ, которые они могут усваивать из аминокислот и аммиака (NH 4 +). Эти вещества являются производными от расщепления белков в процессе производства полезных аминокислот и белков, ферментов, витаминов и других азотистых соединений.

Азот синтезируется дрожжами из аминокислот и аммиака, что составляет т.н. дрожжевой усвояемый азот (YN), который изменяется от одного урожая до другого из-за различных факторов окружающей среды. Хотя YN является важным параметром в оценке того, как много азота доступно для дрожжей, но не существует простого способа для домашних виноделов как это измерить. Однако, виноградный сок относительно беден аминокислотами и аммиаком (т.е. имеет низкий YN), что может вызвать вялую ферментацию или даже её остановку, и/или чрезмерную выработку при ферментации сульфидных соединений с образованием задушки, и, как правило, всегда рекомендуется  вносить в сусло питательные вещества дополнительно.

Метаболизм серы

S.cerevisiae имеют довольно сложный механизм для обработки серосодержащих субстратов. Они могут усваивать их из легколетучих соединений серы (VSCs), включая сульфиты, сульфиды и тиолы (меркаптаны). VSCs могут быть обнаружены в очень низких концентрациях, в мкг/л, и могут стать причиной различных оплошностей, резких запахов, начиная от тухлых яиц, канализации, лука и чеснока и до резины, природного газа и вареной капусты.

Небольшое количество сульфитов естественно синтезируется и выделяется дрожжевыми клетками. В то же время сульфаты с виноградника, от опрыскивания серосодержащими препаратами, или сульфатом меди, могут быть переработаны в сульфит, который затем может быть уменьшен до сульфидов и проявляться как, например, сероводород (H2S) и знакомый запах тухлого яйца. Сульфиды могут затем перейти к порождению множества тиолов или производства дополнительных серосодержащих аминокислот, которые не могут быть искоренены из вина. Сера из серных фитилей или диски, использующиеся для обработки бочек, также может быть источником VSCs.

VSCs-проблему можно легко избежать путем ограничения использования сульфит- и сульфат-продуктов до спиртового брожения, вносить в сок другие источники азота в форме аммониевых солей, таких как диаммонийфосфат (DAP) или полное дрожжевое питание, и использованием капельно-свободной серы при обработке бочек.

Метаболизм ароматических соединений

До сих пор мы рассматривали, как S.cerevisiae синтезируют различные соединения, однако винодельческие дрожжи, и другие виды дрожжей, также синтезируют и различные ферменты, которые могут освободить и «активировать» связанные, без запаха, ароматические соединения в виноградном сусле, сортовые ароматы и т.п. Экзогенные энзимы, такие как глюкозидазы, часто добавляют в дополнение к способности дрожжей расщеплять и выделять летучие, ароматические компоненты из большого числа нелетучих соединений, с которыми они связаны.

Это объясняет, почему характерные ароматы таких сортов, как Совиньон блан, обнаруживаются только после брожения и ферментативной активности. Вам интересно, какое соединение отвечает за то, что обычно описывается как «кошачья моча» в Совиньон блан? 4-меркапто-4-метил-пентан-2-он, более известный как 4MMP. Соединение, ответственное за цитрусовые и аромат маракуйи — это 3-меркаптогексил ацетат (3MHA) и 3-mercaptohexan-1-ол (3MH).

Автолиз дрожжей

Важным аспектом метаболизма дрожжей является автолиз дрожжей — то есть то, что происходит в клетках дрожжей после того, как они умирают и разрушаются после брожения.

Дрожжевым автолизом называется биохимическая реакция самоуничтожения мертвых клеток дрожжей в осадке. Ароматические соединения при этом высвобождаются из разрушенных клеток, затем взаимодействуют с вином, добавляя дополнительные аромат и вкус, сложность, которую часто называют хлебо-подобной или дрожжевой, а также сливочный вкус и больше тела. Дрожжевой автолиз является ключевым аспектом производства игристых вин. Как только клетки дрожжей завершили свой метаболический цикл, закончились питательные вещества и они умирают, то мертвые клетки образуют осадок на дне бродильной ёмкости. Ферменты разрушают их, и производят гликопротеины (например маннопротеины), полисахариды, аминокислоты и другие вторичные соединения, и все это приводит к усилению аромата и вкуса, связанных с выдержкой.

Дрожжевой автолиз, однако, может быть и источником H2S и других зловонных соединений серы, если вино оставляют в контакте с грубыми осадке в течении слишком долгого времени.

Дрожже-фенольные взаимодействия

Некоторые дрожжевые метаболиты могут взаимодействовать с фенольными соединениями, такими как антоцианы (красные пигменты вина) и флавонолы (танины), образовывать очень сложные соединения, которые могут повлиять на красный цвет вина и стабильность, а также органолептические свойства. Например, ацетальдегид может образовывать мосты, связывающие молекулы антоцианов вместе или молекулы антоцианов с молекулами флаванолов. Поэтому большие, сложные молекулы могут осаждаться в процессе виноделия в первую очередь. Конечным результатом является изменение в цвете, например, от красноватого к более фиолетовому цвету, в зависимости от участвующих антоцианов. Результат — увеличение стабильности вина, так как меньше антоцианов будет реагировать в течение всего срока выдержки, и, следовательно, результатом явится более гладкий вкус, в связи с нестабильными флавонолами, которые осядут ранее. Это аналогично тому, как брожение в бочках придаёт особые характеристики вину, по сравнению только с выдержкой в бочках. Этот обязательный процесс превращения флаванолов, как правило, занимает больше времени, так как флавонолы полимеризуются более медленными темпами и в более обильный осадок во время выдержки вина.

Факторы, влияющие на метаболизм дрожжей

Дрожжи — это рабочая лошадка спиртового брожения, но они могут быть привередливыми. Есть много факторов, которые могут препятствовать метаболизму дрожжей и в результате могут привести к вялому брожению или вообще к его остановке. Остановка спиртового брожения — это состояние, когда нет дрожжевой деятельности, вроде как она никогда не начиналась или прекратилась, и дрожжи больше не могут превращать сахар в этанол. Вялое брожение дрожжей происходит, когда на грани способность или бродить, или остановить брожение. Для спиртового брожения, чтобы его начать и оставаться активными, дрожжи требуют благоприятной среды, пока весь сахар не будет преобразован в этанол. Если брожение остановится или станет вялым, оно может быть перезапущено.

Ниже приведен список основных факторов, которые могут повлиять на метаболизм дрожжей:

Штамм дрожжей: Есть много штаммов S.cerevisiae, на выбор, чтобы винодел мог создать нужный стиль вина на основе определённого сорта винограда. Различные штаммы производят и различные побочные продукты, что также влияет на выбор дрожжей. Ведь не все штаммы имеют одинаковый состав, все они будут работать по-разному, по-разному реагировать на различные стимулы окружающей среды, и таким образом, штамм дрожжей также должен быть выбран в зависимости от ожидаемых условий окружающей среды.

Температура брожения: высокая температура брожения может привести к денатурации и инактивации ферментов, препятствуя таким образом активности дрожжей, или привести к повреждению клеток дрожжей, которые могут стать очевидными только позже, когда дрожжи борятся с увеличенным уровнем алкоголя. Низкие температуры могут уменьшить текучесть клеточного материала дрожжей, препятствуя способности клеток к перемещению питательных веществ от клетки к клетке, и осуществлению ферментативных реакций. Большинство штаммов дрожжей имеют довольно широкий диапазон температуры брожения, но в некоторых случаях оно может застопориться или стать вялым. Если брожение протекает при слишком высокой температуре, то это может привести к непропорционально высокому количеству побочных продуктов, которые могут вызвать посторонние запахи и вкусы, или отклонения в ключевых ароматах и вкусах.

Концентрация сахара: дрожжи питаются сахаром, но если содержание сахара в сусле или вине слишком высокое, то дрожжи могут перегрузиться от высокого осмотического давления на дрожжевые клетки, и выйти из строя. Если концентрация сахара высока (когда потенциал алкоголя выходит за алкогольный порог терпимости дрожжей), рекомендуемым методом для (пере) запуска брожения является увеличение объема сусла.

Содержание алкоголя: по мере увеличения концентрации алкоголя в процессе ферментации, дрожжевые клетки подавляются, и при высоком содержании алкоголя, обычно в пределах 15-16% для штаммов S.cerevisiae, брожение останаливается. Более высокие уровни спирта могут быть достигнуты с некоторыми штаммами дрожжей, но при этом условия регидратации и подкормок во время брожения становятся все более важными.

Регидратация: Сухие дрожжи должны быть регидратироваными для активации компонентов дрожжевых клеток перед внесением в сусло. Внесение сухих дрожжей непосредственно в сусло не рекомендуется, так как дрожжи затем пытается регидрироваться и расти в довольно агрессивной среде с высокой кислотностью и при конкуренции со многими другими микроорганизмами, прежде чем они получили шанс построить достаточное количество биомассы.

Наличие кислорода: Кислород отрицательно влияет на качество вина в конце брожения и при выдержке. Во время активного брожения вино защищено от окисления дрожжами, которые быстро забирают излишек кислорода. В начале активного брожения дрожжи выиграют от небольшого количества кислорода для жизненно важных функций клетки при проведении ферментации. Если дрожжи лишены воздуха, то это может привести к подавлению ферментации.

Доступность питательных веществ: дефицит питательных веществ, а именно азота, существенно влияет на производительность дрожжей, особенно в сусле из заплесневелого винограда, который может лишить их многих столь необходимых питательных веществ, и привести к перепроизводству H2S.

рН: Дрожжи могут легко адаптироваться при типичных рН в диапазоне 3.0-4.0, но при более низких рН, жизнедеятельность дрожжей может стать рискованной, а при более высоком рН, подверженность бактериальной порче требует больших доз сульфита, которые могут помешать метаболизму дрожжей в целом.

Летучие кислоты (VA): Для здорового винограда, уровень производства VA   здоровыми дрожжами обычно не является проблемой. Однако, если сусло обладает высокой VA (летучей кислотностью) из нескольких источников (дрожжей и бактерий), это может привести к превышению допустимого предела VA. Что еще хуже, чрезмерная VA может ингибировать дрожжи, и вызывать остановку брожения.

Свободная сера: свободный SO2, который является побочным продуктом ферментации дрожжей, обычно составляет порядка 10 мг/л. Но внесённого нами SO2 (пиросульфита) может быть слишком много, и он может мешать метаболизму дрожжей, привести к синтезу некоторых побочных продуктов и, что более важно, быть преобразован в нежелательные соединения.

Конкуренция внесённых нами дрожжей и LAB (молочно-кислых бактерий) с другими дрожжами, высокая популяция диких дрожжей, которые не являются дрожжами Saccharomyces и/или молочно-кислыми бактерии (LAB), может вызвать конкуренцию при благоприятных условиях и привести к чрезмерной выработке побочных продуктов Saccharomyces, которые препятствуют развитию дрожжевых клеток. Размеры популяций дрожжей и бактерий изменяются в процессе винификации.

Первоначально, в сусле существует значительное население нежелательных микроорганизмов, не Saccharomyces, что может привести к порче дрожжей и естественных бактерий, происходящее при сборе и дроблении винограда. Они обычно ингибируется небольшой дозой пиросульфита, такой, что дрожжи Saccharomyces могут выжить. Брожение продолжается, дрожжи Saccharomyces растут и размножаются при увеличении содержания алкоголя, и большинство других микроорганизмов им подавляется.

Когда алкогольное брожение из бурного становится тихим, вино засевают штаммами бактерий Oeni для МФ (яблочно-молочного брожения), оживляются другие микроорганизмы, которые живут в алкогольной среде, и они могут нанести ущерб суслу, а значит, МФ должна быть завершена как можно быстрее для того, чтобы сульфитировать вин и держать эти микроорганизмы в узде. Ведь LAB очень чувствительны к SO2.

Подводим итоги

Итак, что же все вышенаписанное значит для виноделов? Это была помощь им при работе над таблицами выбора нужного штамма дрожжей для их ситуации.

Надеюсь, эта статья поможет многим коллегам.

 

Daniel Pambianchi, генеральный директор Maleta Estate Winery в Niagara On The Lake, Онтарио, Канада.