Бродіння цукру до спирту – особливості та умови процесу
Спиртове бродіння є основою приготування будь-якого алкогольного напою. Це найпростіший і найдоступніший спосіб отримати етиловий спирт. Другий метод - гідратація етилену, є синтетичним, застосовується рідко і лише у виробництві горілки. Ми розглянемо особливості та умови бродіння, щоб краще зрозуміти, як цукор перетворюється на спирт. З практичної точки ці знання допоможуть створити оптимальне середовище для дріжджів – правильно поставити брагу, вино чи пиво.
Спиртове бродіння - це процес перетворення дріжджами глюкози в етиловий спирт і вуглекислий газ в анаеробному (безкисневому) середовищі. Рівняння таке:
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2.
В результаті одна молекула глюкози перетворюється на 2 молекули етилового спирту та 2 молекули вуглекислого газу. При цьому відбувається виділення енергії, що призводить до незначного підвищення температури середовища. Також у процесі бродіння утворюються сивушні олії: бутиловий, аміловий, ізоаміловий, ізобутиловий та інші спирти, які є побічними продуктами обміну амінокислот. Багато в чому сивушні олії формують аромат і смак напою, але більшість із них шкідливі для людського організму, тому виробники намагаються очистити спиртне від шкідливих сивушних олій, але залишити корисні.
Дріжджі - це одноклітинні гриби кулястої форми (близько 1500 видів), що активно розвиваються в рідкому або напіврідкому середовищі багатого на цукор: на поверхні плодів і листя, в нектарі квітів, мертвій фітомасі і навіть грунті.
Це одні з найперших організмів, «приручених» людиною, переважно дріжджі використовуються для випікання хліба та приготування спиртних напоїв.Археологами встановлено, що давні єгиптяни за 6000 років до зв. е. навчилися робити пиво, а до 1200 до н. е. освоїли випічку дріжджового хліба
Наукове дослідження природи бродіння почалося в XIX столітті, першими хімічну формулу запропонували Ж. Гей-Люссак та А. Лавуазьє, але залишилася неясною сутність процесу, що виникло дві теорії. Німецький вчений Юстус фон Лібіх припускав, що бродіння має механічну природу – коливання молекул живих організмів передаються цукру, що розщеплюється на спирт та вуглекислий газ. У свою чергу Луї Пастер вважав, що в основі процесу бродіння біологічна природа – при досягненні певних умов дріжджі починають переробляти цукор у спирт. Пастеру досвідченим шляхом вдалося довести свою гіпотезу, згодом біологічну природу бродіння підтвердили інші вчені.
українське слово «дріжджі» походить від старослов'янського дієслова «drozgati», що означає «тиснути» чи «місити», простежується явний зв'язок із випіканням хліба. У свою чергу, англійська назва дріжджів «yeast» походить від староанглійських слів «gist» та «gyst», які означають «піна», «виділяти газ» та «кипіти», що ближче до винокуріння.
Як сировину для спирту використовують цукор, цукрозміщувальні продукти (в основному фрукти і ягоди), а також сировину, що містить крохмаль: зерно і картопля. Проблема в тому, що дріжджі не можуть збродити крохмаль, тому спочатку потрібно розщепити його до простих цукрів, це робиться ферментом – амілазою. Амілаза міститься в солоді - пророщеному зерні, і активується при високій температурі (зазвичай 60-72 ° C), а сам процес перетворення крохмалю до простих цукрів називається «цукрівкою». Оцукрювання солодом («гаряче») можна замінити внесенням синтетичних ферментів, при якому не потрібно нагрівати сусло, тому методназивається «холодним» оцукрюванням.
Умови бродіння
1. Концентрація цукру. Для більшості рас дріжджів оптимальна цукристість сусла становить 10-15%. При концентрації вище 20% бродіння слабшає, а за 30-35% майже гарантовано припиняється, оскільки цукор стає консервантом, що перешкоджає роботі дріжджів.
Цікаво, що при цукристості середовища нижче 10% бродіння теж протікає слабо, але перш ніж підсолоджувати сусло, потрібно пам'ятати про максимальну концентрацію спирту (4-й пункт), отриманого під час бродіння.
2. Температура та світло. Для більшості штамів дріжджів оптимальна температура бродіння – 20-26 °C (пивним дріжджам низового бродіння потрібно 5-10 °C). Допустимий діапазон – 18-30 °C. При більш низьких температурах бродіння суттєво уповільнюється, а при значеннях нижче за нуль процес зупиняється і дріжджі «засинають» - впадають в анабіоз. Для відновлення бродіння достатньо підняти температуру.
Надто висока температура знищує дріжджі. Поріг витривалості залежить від штаму. У загальному випадку небезпечними вважаються значення вище 30-32 ° C (особливо для винних та пивних), проте існують окремі раси спиртових дріжджів, здатні витримати температуру сусла до 60 ° C. Якщо дріжджі зварилися, для відновлення бродіння доведеться додати в сусло нову партію.
Процес бродіння сам по собі викликає підвищення температури на кілька градусів – чим більший обсяг сусла та активніша робота дріжджів, тим сильніше нагрівання. Насправді корекцію температури роблять, якщо обсяг більше 20 літрів – досить тримати температуру нижче 3-4 градусів від верхньої границі.
Місткість залишають у темному місці або накривають щільною тканиною. Відсутність прямих сонячних променів дозволяє уникнути перегріву та позитивнопозначається на роботі дріжджів – грибки не люблять сонячного світла.
3. Кислотність середовища та наявність мікроелементів. Середовище кислотністю 4.0-4.5 рН сприяє спиртовому бродінню і пригнічує розвиток сторонніх мікроорганізмів. У лужному середовищі виділяються гліцерин та оцтова кислота. У нейтральному суслі бродіння протікає нормально, але активно розвиваються патогенні бактерії. Кислотність сусла коригують перед внесенням дріжджів. Найчастіше винокури-аматори підвищують кислотність лимонною кислотою чи будь-яким кислим соком, а зниження гасять сусло крейдою чи розбавляють водою.
Крім цукру та води дріжджам потрібні інші речовини – насамперед це азот, фосфор та вітаміни. Ці мікроелементи дріжджі використовують для синтезу амінокислот, що входять до складу їхнього білка, а також для розмноження на початковому етапі бродіння. Проблема в тому, що в домашніх умовах точно визначити концентрацію речовин не вийде, а перевищення допустимих значень може негативно вплинути на смак напою (особливо це стосується вина). Тому передбачається, що крохмалевмісна і фруктова сировина спочатку містить необхідну кількість вітамінів, азоту та фосфору. Зазвичай підгодовують лише брагу із чистого цукру.
5. Доступ кисню. В анаеробному середовищі (без доступу кисню) дріжджі націлені на виживання, а не розмноження. Саме в такому стані виділяється максимум алкоголю, тому в більшості випадків потрібно захистити сусло від доступу повітря та одночасно організувати відведення вуглекислого газу з ємності, щоб уникнути підвищеного тиску. Це завдання вирішується шляхом встановлення гідрозатвору.
При постійному контакті сусла із повітрям виникає небезпека скисання. На самому початку, коли бродіння активне, вуглекислий газ, що виділяється, виштовхує повітря відповерхні сусла. Але в кінці, коли бродіння слабшає і вуглекислоти з'являється все менше, повітря потрапляє в незакриту ємність із суслом. Під впливом кисню активуються оцтовокислі бактерії, які починають переробляти етиловий спирт на оцтову кислоту та воду, що призводить до псування вина, зниження виходу самогону та появи у напоїв кислого присмаку. Тому важливо закрити ємність гідрозатвором.
Однак для розмноження дріжджів (досягнення їх оптимальної кількості) потрібен кисень. Зазвичай достатньо тієї концентрації, що у воді, але прискореного розмноження брагу після внесення дріжджів залишають кілька годин відкритої (з доступом повітря) і кілька разів перемішують.