Спиртовое брожение – магия превращения сахара в этиловый спирт

Ферментация сахара в спирте - характеристика и условия процесса

Алкогольное брожение — основа приготовления любого алкогольного напитка. Это самый простой и дешевый способ получить этиловый спирт. Второй метод, гидратация этилена, является синтетическим, применяется редко и только при производстве водки. Мы рассмотрим характеристики и условия ферментации, чтобы лучше понять, как сахар превращается в спирт. С практической точки зрения эти знания помогут создать оптимальную среду для дрожжей: правильно разместить сусло, вино или пиво.

Алкогольная ферментация — это процесс преобразования дрожжей глюкозы в этиловый спирт и диоксид углерода в анаэробной (бескислородной) среде. Уравнение выглядит следующим образом:

C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2.

В результате одна молекула глюкозы превращается в 2 молекулы этилового спирта и 2 молекулы углекислого газа. При этом выделяется энергия, что приводит к небольшому повышению температуры окружающей среды. Во время ферментации также образуются сивушные масла: бутиловый, амиловый, изоамиловый, изобутиловый и другие спирты, которые являются побочными продуктами метаболизма аминокислот. Во многом сивушные масла формируют аромат и вкус напитка, но большинство из них вредны для человеческого организма, поэтому производители стараются очистить спирт от вредных сивушных масел, а полезные оставляют.

Дрожжи — одноклеточный шаровидный гриб (около 1500 видов), который активно развивается в жидкой или полужидкой среде, богатой сахаром: на поверхности плодов и листьев, в цветочном нектаре, в мертвой фитомассе и даже в почве.

Ферментация сахара в спирте - характеристика и условия процесса
Клетки дрожжей под микроскопом

Это один из первых организмов, «одомашненных» человеком, в основном дрожжи используются для выпечки хлеба и приготовления алкогольных напитков. Археологи установили, что древние египтяне 6000 лет до нашей эры. Н.С научился варить пиво и в 1200 г до н.э освоил выпечку квасного хлеба.

Научные исследования природы брожения начались в 19 веке, первая химическая формула была предложена Ж. Гей-Люссаком и А. Лавуазье, но суть процесса осталась неясной, возникли две теории. Немецкий ученый Юстус фон Либих предположил, что ферментация носит механический характер: колебания молекул живых организмов передаются сахару, который распадается на спирт и углекислый газ. В свою очередь, Луи Пастер считал, что в основе процесса ферментации лежит биологическая природа: при достижении определенных условий дрожжи начинают превращать сахар в спирт. Пастеру удалось эмпирически доказать свою гипотезу, позже биологическая природа брожения была подтверждена другими учеными.

Русское слово «дрожжи» происходит от старославянского глагола «дрозгати», что означает «месить» или «месить», есть четкая связь с выпечкой хлеба. В свою очередь, английское название дрожжей «дрожжи» происходит от старых английских слов «gist» и «gyst», что означает «пена», «газ» и «кипение», что ближе к перегонке.

В качестве алкогольного сырья используется сахар, сахаросодержащие продукты (в основном фрукты и ягоды), а также крахмалосодержащее сырье — пшеница и картофель. Проблема в том, что дрожжи не могут сбраживать крахмал, поэтому вы должны сначала расщепить его на простые сахара, это делает фермент: амилаза. Амилаза содержится в солоде, проросшем зерне и активируется при высоких температурах (обычно 60-72 ° C), а процесс преобразования крахмала в простые сахара называется осахариванием. Осахаривание солода («горячее») можно заменить добавлением синтетических ферментов, что не требует нагревания сусла, поэтому метод называется «холодным осахариванием.

Условия брожения

На развитие дрожжей и ход брожения влияют следующие факторы: концентрация сахара, температура и свет, кислотность окружающей среды и наличие микроэлементов, содержание алкоголя, доступ кислорода.

1. Концентрация сахара

Для большинства дрожжевых пород оптимальное содержание сахара в сусле составляет 10-15%. При концентрации выше 20% брожение ослабевает, а на 30-35% почти гарантированно прекращается, поскольку сахар становится консервантом, который препятствует функционированию дрожжей.

примечательно, что при содержании сахара в среде менее 10% брожение также протекает слабо, но перед подслащиванием сусла необходимо запомнить максимальную концентрацию спирта (4 балл), получаемую при брожении.

2. Температура и свет

Для большинства штаммов дрожжей оптимальная температура брожения составляет 20-26 ° C (для пивных дрожжей низового брожения требуется 5-10 ° C). Допустимый диапазон 18-30 ° С. При более низких температурах брожение значительно замедляется, а при значениях ниже нуля процесс останавливается и дрожжи «засыпают» — впадают в анабиоз. Чтобы возобновить брожение, просто поднимите температуру.

Слишком высокая температура разрушает дрожжи. Порог сопротивления зависит от усилия. В целом, значения выше 30-32 ° C считаются опасными (особенно для вина и пива), однако существуют отдельные сорта алкогольных дрожжей, которые могут выдерживать температуру сусла до 60 ° C. Если дрожжи «закипели», вам нужно будет добавить новую порцию в сусло, чтобы возобновить брожение.

Сам процесс брожения вызывает повышение температуры на несколько градусов: чем больше объем сусла и чем активнее дрожжи, тем сильнее нагрев. На практике температурная коррекция проводится, если объем больше 20 литров — достаточно удерживать температуру ниже 3-4 градусов от верхнего предела.

Емкость оставляют в темном месте или накрывают плотной тканью. Отсутствие прямых солнечных лучей предотвращает перегревание и положительно сказывается на работе дрожжей: грибы не любят солнечный свет.

3. Кислотность среды и наличие микроэлементов

Среда с кислотностью pH 4,0-4,5 способствует спиртовому брожению и подавляет развитие сторонних микроорганизмов. В щелочной среде выделяются глицерин и уксусная кислота. В нейтральном сусле брожение протекает нормально, но активно развиваются болезнетворные бактерии. Кислотность сусла регулируется перед добавлением дрожжей. Часто производители-любители повышают кислотность лимонной кислотой или любым кислым соком, а для уменьшения сусла утоляют жажду мелом или разбавляют водой.

Помимо сахара и воды дрожжам необходимы и другие вещества, в основном азот, фосфор и витамины. Эти микроэлементы используются дрожжами для синтеза аминокислот, составляющих их белок, а также для размножения на начальной стадии ферментации. Проблема в том, что точно определить концентрацию веществ в домашних условиях невозможно, а превышение допустимых значений может негативно сказаться на вкусовых качествах напитка (особенно для вина). Поэтому предполагается, что крахмалистое и фруктовое сырье изначально содержит необходимое количество витаминов, азота и фосфора. Обычно подается только чистое сахарное сусло.

4. Содержание спирта

С одной стороны, этиловый спирт — продукт жизнедеятельности дрожжей, с другой — сильный токсин для дрожжевых грибов. При концентрации спирта в сусле 3-4% брожение замедляется, этанол начинает тормозить развитие дрожжей, при 7-8% дрожжи перестают размножаться и при 10-14% прекращается переработка сахара — брожение прекращается . Лишь несколько штаммов культивируемых дрожжей, выращенных в лабораторных условиях, переносят концентрацию алкоголя выше 14% (некоторые продолжают ферментировать даже при 18% и выше). Около 0,6% спирта получается из 1% сахара в сусле. Это означает, что для получения 12% спирта требуется раствор с содержанием сахара 20% (20 × 0,6 = 12).

5. Доступ кислорода

В анаэробной (бескислородной) среде дрожжи нацелены на выживание, а не на размножение. Именно в этом состоянии выделяется максимум спирта, поэтому в большинстве случаев необходимо защитить сусло от доступа воздуха и одновременно организовать удаление углекислого газа из емкости, чтобы избежать повышения давления. Эта задача решается установкой гидрозатвора.

При постоянном контакте сусла с воздухом существует опасность скисания. Вначале, когда брожение активно, выделяющийся углекислый газ отводит воздух от поверхности сусла. Но в конце концов, когда брожение ослабевает и появляется все меньше и меньше углекислого газа, воздух попадает в открытый контейнер с суслом. Под действием кислорода активируются уксуснокислые бактерии, которые начинают превращать этиловый спирт в уксусную кислоту и воду, что приводит к порче вина, снижению выхода самогона и появлению кислого привкуса в напитках. Поэтому так важно закрыть емкость гидрозатвором.

Однако для размножения дрожжей (в оптимальных количествах) необходим кислород. Обычной концентрации в воде достаточно, но для ускоренного размножения сусла после добавления дрожжей оставьте его открытым на несколько часов (с доступом воздуха) и несколько раз перемешайте.