A taste of wine chemistry — ABC Chemicals

Нина Нотман разговаривает с виноделами, раскрывая молекулы аромата в наших любимых напитках

«Вино — это редкий пример потребительских товаров, где вариации не только терпимы, но и отмечаются», — объясняет Гэвин Сакс, винный химик из Корнельского университета в штате Нью-Йорк, США. Более 400 000 различных вин в настоящее время доступны для продажи в США, и пьющие ожидают, что каждое из них будет иметь особый запах, внешний вид и вкус. Хотя они, возможно, не все осознают это, они ожидают, что химический состав в каждой из этих бутылок также будет разным.

Вино представляет собой удивительно сложную химическую смесь. Это 97% воды и этанола, но каждая бутылка также содержит тысячи, если не десятки тысяч, различных молекул, от кислот и сахаров до фенольных соединений и исчезающих ароматических соединений с низкой концентрацией.

Работа винных химиков, таких как Sacks, состоит в том, чтобы определить, какое из этих соединений или даже классы соединений является наиболее доминирующим в каждом сорте вина, а затем направить виноделов к методам, которые увеличивают или уменьшают их концентрации, как это желательно для вин, которые они делают. , Это может означать изменения в управлении виноградниками, как и когда собирать виноград, в процессе виноделия или даже в хранении вина.

Это не сложная реакция, чтобы понять, но есть так много возможностей

Определение важных вкусовых и ароматических молекул в вине является сложной задачей. Отчасти это связано с огромным количеством различных молекул, которые в нем содержатся, а также с тем, что эти летучие соединения обычно присутствуют на очень низких уровнях. Некоторые из них могут быть обнаружены различением пьющих в концентрациях частей на триллион (ppt).

После идентификации определить, откуда взялась молекула, может быть не менее сложно. Молекулы винного вкуса редко встречаются в самом винограде, а вместо этого они образуются во время брожения и хранения вина. «Это похоже на то, как кто-то пошел в химический магазин, разбил все бутылки, а затем указал на беспорядок и спросил, какие реакции произошли», — говорит Сакс. «Это не сложная реакция, чтобы понять, но есть так много возможностей».

Реакции также довольно неясны, по крайней мере, для глаз традиционного химика. «Вино настолько отличается от типичной матрицы органической химии, — объясняет он. Он описывает виноделие как синтез в одном сосуде, происходящий в слабокислых водных условиях, при комнатной температуре и в присутствии мягкого восстановителя. «Если вы посмотрите на учебники, то ничего интересного в этих условиях не произойдет, но что уникально в вине, так это то, что оно происходит в течение длительного времени», — говорит Сакс. И эти реакции не прекращаются, когда происходит процесс виноделия — молекулы в вине продолжают развиваться после разлива в бутылки. Вот почему вино часто описывают как живую, дышащую вещь.

Секреты Совиньона

Несмотря на эти проблемы, растет число примеров вкусовых молекул, и виноделы используют эти знания для улучшения своего продукта. Комбинация родственных тиолов 3-меркаптогексанола и 3-меркаптогексилацетата, которые придают новозеландскому Совиньон бланку свой характерный аромат пассифлоры, является одним из таких примеров. Эти молекулы представляют собой прямые цепи из шести атомов углерода с спиртовой или ацетатной группой на одном конце и тиоловыми тремя атомами углерода вдоль цепи, объясняет Эндрю Уотерхаус, американский винный химик из Калифорнийского университета в Дэвисе. «Почти все, что содержит тиол, который также является летучим, будет иметь сильный аромат, потому что наши обонятельные детекторы просто любят группы SH», — говорит он.

A taste of wine chemistry - ABC Chemicals

Эти молекулы обычно обнаруживаются в Совиньон блан из Новой Зеландии в несколько раз более высоких концентрациях, чем у того же сорта, произведенного в других местах, и когда ученые начали искать причину, они обнаружили неожиданно сложную историю. Это объясняется серией счастливых несчастных случаев в уникальной среде Новой Зеландии по выращиванию и переработке винограда Совиньон Блан, объясняет Уотерхаус.

Во-первых, их предшественник — линоленовая кислота — более распространен в винограде Совиньон блан, выращенном в Новой Зеландии, чем в более теплом климате. «В холодных климатических условиях клеточные мембраны, как правило, содержат больше ненасыщенных липидов, чтобы сохранить целостность своего липидного бислоя», — говорит Уотерхаус. Во-вторых, недостаток ручного труда в Новой Зеландии означает, что виноград обычно собирают машиной. Виноградные ягоды отмываются от виноградной лозы пластиковой колотушкой и опускаются на движущуюся конвейерную ленту внизу. «Это довольно жестокий процесс», — говорит Уотерхаус, который стремится вскрыть виноград. После открытия на воздухе предшественник липидов очень быстро окисляется (в течение минуты или около того) с образованием α-β-ненасыщенного альдегида с шестью атомами углерода.

Углерод-углеродная двойная связь в этой молекуле затем реагирует с серосодержащим нуклеофилом, вставляя серосодержащую группу в положение C3. Согласно Уотерхаусу, идентичность этого нуклеофила все еще определяется, но это, вероятно, глутатион, природный антиоксидант в винограде или сульфит, который обычно распыляется на виноград, собираемый машиной, перед тем как покинуть виноградники для предотвращения окисления (см. Раздел «Основы окисления» ниже) , Когда Уотерхаус начал исследовать этот аромат маракуйи в новозеландском Совиньоне Блан, он не знал, что нужно какое-то окисление.

Затем виноград попадает на винодельню, где проходит стандартный процесс производства белого вина — дробление, декантация, а затем брожение с дрожжами. По словам Уотерхауса, дрожжи превращают альдегид в спирт, а серосодержащую группу — в тиол. «Дрожжи также превращают часть спирта в ацетатный эфир, так что в итоге вы получаете 3-меркаптогексанол и 3-меркаптогексилацетат, которые придают вину его особенный вкус».

Раскрытие науки, стоящей за их вином, позволило новозеландским производителям жестко контролировать вкус производимого ими совиньон бланка. Можно избежать ручного сбора урожая, например, увеличивается длина контакта кожи с соком во время прессования и дрожжевых штаммов, которые особенно хороши для нанесения на ацетатные группы. Хранение готового вина также изменилось. По словам Уотерхауса, во время выдержки ацетатная группа склонна к гидролизу, нарушая идеальный баланс вкусовых молекул, присутствующих в вине при розливе в бутылки. «Как только это стало понятно, новозеландские виноделы начали держать свои вина очень холодными, пока они не были проданы, потому что вы можете замедлить процесс гидролиза, понизив температуру».

Основы окисления

Виноделы имеют сложные отношения с кислородом, объясняет американский винный химик Эндрю Уотерхаус из Калифорнийского университета в Дэвисе. «Традиционно кислород считался врагом виноделия, потому что технология, доступная около ста лет назад, не могла удержать кислород». Вино, которому тогда было больше года, на вкус было бы как уксус.

Сегодня можно практически полностью исключить кислород из процесса производства и хранения вина. Но это не всегда нужно, так как кислород может стимулировать образование некоторых желательных вкусовых молекул. «Виноделам пришлось научиться контролировать использование кислорода в виноделии», — говорит Уотерхаус. Например, с середины 1990-х годов широко практикуется контролируемое добавление кислорода, известное как микрооксигенация. «Например, в Совиньоне Каберне он ослабляет аромат овощей, сладкого перца, и в результате вы получили более вкусные вина», — говорит Уотерхаус. «Было очень интересно понять реакции, которые происходят. Это очень сложно, потому что в вине так много компонентов, и все они могут реагировать по-разному ».

Другой химик, изучающий это, — британский Джон Данилевич. До своего ухода на пенсию 20 лет назад Данилевич был химиком по поиску лекарств для фармацевтического гиганта Pfizer на их предприятии в Сэндвиче в Кенте. Когда он покинул Pfizer, Данилевич посадил поблизости небольшой коммерческий виноградник и построил винодельню, которую он недавно продал. Он также создал в своем саду дома все еще работающую исследовательскую лабораторию по химии вина. Здесь он изучает механизм окисления вина. «Я очень заинтересован в механизме окисления, потому что кислород не реагирует напрямую ни с какими компонентами вина; его реакции катализируются железом, которое всегда присутствует в небольших количествах в вине », — объясняет Данилевич. «Железо (II) сначала окисляется кислородом на стадиях одноэлектронного переноса с образованием железа (III). Это окислитель, который окисляет различные вещества в вине, полифенолы и так далее ».

Он также работает, чтобы улучшить фундаментальное понимание того, как работает сульфит. Он регулярно добавляется в вина для предотвращения окисления на различных этапах производственного процесса и, наконец, в готовое вино. Конечной целью Данилевича является научное использование сульфита для улучшения качества вина.

Раскрывая тайну перца

Другой характерный винный аромат, который был под микроскопом, — это треснувший характер черного перца в Ширазе, выращенном в прохладном климате. «До недавнего времени мы не знали, что это за химическое вещество, которое вызывает вкус черного перца в прохладном климате Шираз», — объясняет Ли Фрэнсис, винный химик из Австралийского научно-исследовательского института вина в Аделаиде. Квест был усложнен высокой биологической активностью молекулы в вине — некоторые люди могут обнаружить его только в 16ppt.

A taste of wine chemistry - ABC Chemicals

В 2008 году коллеги Фрэнсиса использовали газовую хроматографию-масс-спектрометрию (ГХ-МС) в сочетании с группой экспертов-анализаторов, чтобы идентифицировать молекулу как сесквитерпеновый ротундон. «Мы обнаружили, что ранее сообщалось в ореховой траве Cyperus rotundus но раньше он не был признан ароматизатором », — говорит он. Более поздние исследования показали, что ротундон распространен в черном перце и многих других травах и специях. Это также — необычно для винного вкуса — также присутствует в винограде.

Дальнейшая работа команды Фрэнсиса показала, что концентрации ротундона увеличиваются по мере созревания винограда. Поэтому производители Шираз начинают задумываться о том, насколько острыми они хотят своего вина, когда решают, когда начинать собирать виноград.

Ученые также наблюдают за тем, как уровни ротундона могут варьироваться в зависимости от отдельных виноградников. «Хорошо известно, что виноградники не обязательно однородны», — объясняет Фрэнсис. «Даже если оно выглядит визуально идентично, посажено из одного и того же материала и выращено таким же образом, на некоторых участках можно получить вино более темного цвета или с другим вкусом». Это изменение вкуса означает, что некоторые виноделы собирают свои виноградники посылками; сгруппировать ряды виноградных лоз, которые созревают в одно и то же время.

Команда Фрэнсиса работала с некоторыми винодельнями, чтобы лучше информировать этот так называемый процесс дозирования, сопоставляя концентрацию ротундона в виноградных ягодах Шираз на их виноградниках. Виноградник Гора Ланги Гиран в соседнем австралийском штате Виктория имеет очень высокие уровни ротундона, и они обнаружили 50-кратное изменение концентрации на площади в шесть гектаров. Команда обнаружила, что вариации уровня сильно коррелируют с уровнями освещенности. «Виноградные лозы с большим количеством затенения содержали большое количество этого перца», — объясняет Фрэнсис.

Найдите идеальную смесь

Дэмиен Шихан, виноградарь и генеральный менеджер в Mount Langi Ghiran, объясняет, что перед работой с Фрэнсисом они отобрали шесть гектаров, которые использовались для производства их флагманского вина всего за две или три отдельные партии. «Мы начинали с одного конца ряда и шли до другого конца ряда, а затем продолжали работать. Это было довольно грубо. Теперь мы собираем целых 13 отдельных пакетов фруктов из этого блока и делаем отдельные ферменты с каждой из этих партий ». В результате, объясняет он, получается вино более высокого качества. Его команда теперь собирает фрукты, содержащие концентрацию ротундона, которая лучше всего соответствует вкусу их покупателя. Некоторые винодельни также начали изменять стратегии управления навесом, чтобы манипулировать уровнями ротонда.

A taste of wine chemistry - ABC Chemicals

В прохладном климате Шираз и Совиньон Блан могут иметь один или два доминирующих вкусовых состава, но это необычно. Фрэнсис объясняет, что именно комбинации соединений придают сортам вина уникальный вкус. Его команда в настоящее время изучает происхождение абрикосовых и персиковых вкусов в Шардоне и некоторых других белых винах. Ранее газовая хроматография в сочетании с работой по нюханию человека не обнаружила ни одного распространенного ароматического соединения, ответственного за этот так называемый характер косточковых фруктов — вместо этого предполагалось наличие смеси. В 2018 году команда Фрэнсиса сообщила, что, используя исследование сенсорной реконструкции, они определили, что это смесь монотерпенов и лактонов, которая вызывает этот аромат косточковых фруктов. «Как только вы думаете, что определили, что это за соединения, их добавляют в нейтральную среду, чтобы посмотреть, можно ли воспроизвести характер», — объясняет Фрэнсис. «Этот шаг восстановления не был сделан очень в винных исследованиях до сих пор».

Другой подход, применяемый для снятия смесей ароматических соединений в вине, состоит в том, чтобы «удалить» отдельные молекулы из искусственной винной матрицы и посмотреть, как меняется вкус. «Этот метод включает удаление отдельного компонента из известной смеси ароматических химикатов и выяснение того, как он способствует получению смеси», — объясняет Уотерхаус. «Понимание взаимодействия всех этих ароматических компонентов и того, как они влияют друг на друга в смеси, стало основной областью исследований в вине и, в более широком смысле, в сенсорной науке».

Штатные аналитические инструменты

Сегодня аналитическая химия обычно используется практически на всех винодельнях на протяжении всего процесса виноделия. Марк Барнс следит за содержанием сахара и кислотности в своем винограде во время процесса созревания, чтобы решить, когда его собирать. Он является главным виноделом и генеральным менеджером в винограднике Чилфорд Холл на территории восьми гектаров около Кембриджа в Великобритании. Он использует ручной рефрактометр для измерения удельного веса, и из этого рассчитывается содержание сахара и предполагаемый уровень алкоголя. «Это говорит нам о том, каким будет уровень алкоголя, если весь сахар в винограде будет превращен в алкоголь», — говорит Барнс. Титрование используется для определения общей кислотности в винограде, которая служит прокси для определения того, насколько кислым будет полученное вино. 

A taste of wine chemistry - ABC Chemicals

Крупные винодельни начинают инвестировать в небольшие инфракрасные и ультрафиолетовые / видимые спектроскопические машины, способные измерять уровень сахара и алкоголя в винограде, и другие полезные высокотехнологичные аналитические инструменты, которые позволяют проводить более тщательный анализ виноградного сока и вина, объясняет Гевин Сакс, винный химик в Корнелльском университете в США. По словам Эрика Эрве из независимой американской винной лаборатории ETS в Калифорнии, контрактные аналитические лаборатории также предлагают ряд различных тестов на виноград. Самый популярный тест среди его клиентов для общего уровня азотсодержащих соединений, таких как соли аммония и первичные аминокислоты. Азотные питательные вещества могут быть добавлены в ферментационный резервуар, если эти так называемые усваиваемые дрожжами уровни азота в винограде оказываются слишком низкими — что может произойти, если виноград перезрелый во время сбора урожая. Низкий уровень азота может привести к застреванию брожения или к образованию дрожжами избыточного количества сероводорода с запахом тухлого яйца. 

Chilford Hall использует свой рефрактометр во время брожения дрожжей — стандартный подход к определению того, когда весь сахар превращается в спирт. Для тех, кто хочет больше узнать об остаточном содержании сахара, возможны ферментативные методы определения соотношения глюкоза-фруктоза, объясняет Эрве. Фермент, предназначенный стать красным вином, затем подвергается второй ферментации. Здесь малолактические бактерии превращают яблочную кислоту в менее кислую молочную кислоту, объясняя, почему красные вина имеют тенденцию быть менее кислыми, чем большинство белых.

Уровни сульфита являются еще одним типичным измерением в процессе виноделия. Как естественный побочный продукт брожения, сульфит присутствует во всем вине. Но его уровни также искусственно повышаются на различных этапах производственного процесса, чтобы замедлить порчу окисления (см. Вставку 1). Титрование является типичным инструментом для проверки уровня сульфита.

Источник: © Королевское химическое общество

Как член Схемы качества вина ЕС, Чилфорд Холл также должен проверить уровень металла и стабильность белка в своих винах перед розливом в бутылки. «Если вино не стабилизировано белками и не становится теплым, оно может вызвать мутность белка вокруг него, и по бокам бутылок появляются маленькие шарики из ваты», — объясняет Барнс. «Пить абсолютно хорошо, но людям не нравится внешний вид».

Винные лаборатории, такие как ETS, предлагают множество тестов, направленных на диагностику неприятных запахов в вине, объясняет Эрве. Загрязнение дымом является растущей проблемой. «Это придает вину запах, который заставляет вас думать о костре, — объясняет он. «В худшем случае вино оставляет послевкусие, которое заставляет вас думать, что вы лизали пепельницу». Его лаборатория использует газовую хроматографию-масс-спектрометрию, чтобы проверить первичные маркеры дыма, гваякола и 4-метилгуайакола, как в винограде, так и после дрожжевого брожения.

AOC, IGP, GC – MS?

Сегодня большинство виноделов предпочитают использовать науку для улучшения своего вина, хотя многие все еще склонны скрывать его за кулисами традиционно представленного продукта. Большинство винных заводов проводят собственные химические анализы, такие как уровень сахара и кислоты (см. Вставку выше). Более крупные винодельни часто имеют инструменты для более глубокого химического анализа. Для любых других необходимых испытаний существуют специализированные контрактные лаборатории. Но в настоящее время нет быстрого способа обнаружения низкоуровневых молекул аромата или их предшественников. Сакс работает над его разработкой. Он предполагает, что это будет использоваться в крупных коммерческих винодельнях, чтобы помочь определить, какой виноград следует сбраживать вместе. «На больших винодельнях во время сбора урожая тонны винограда прибывают с разных виноградников и отправляются в резервуары каждые 15–30 минут. «Одно из самых важных решений, которое должен принять винодел, — это выяснить, какой из этих сортов винограда будет бродить, а какой другой виноград», — объясняет он.

Эта работа повысила мое удовольствие от вина

В настоящее время золотым стандартом для измерений летучих веществ низкого уровня в других отраслях является ГХ-МС, что обычно занимает 30–60 минут на образец. «Мы хотели бы сократить это до 30–60 секунд на анализ», — объясняет Сакс. Его инструмент выбора — масс-спектрометрия с ионизацией окружающей среды (Aims), которая ионизирует образцы снаружи машины, а затем всасывает их внутрь для анализа. Он может вдыхать молекулы, выходящие из целого винограда или нескольких миллилитров виноградного сока или вина. Но поскольку молекулы аромата имеют тенденцию находиться на низком уровне, их сигналы часто теряются в шуме от гораздо более крупных химических составляющих вина. Лаборатория Сакса разрабатывает простой шаг подготовки образца, чтобы преодолеть это.

«Мы загружаем наши образцы в многолуночный планшет и размещаем сорбентную полимерную пленку сверху», — говорит он. Это создает нестабильное «изображение» образцов на пленке, которое затем передается перед детектором Aims, чтобы можно было количественно определить количество каждого одоранта. В своей лаборатории Сак может обнаружить шесть молекул аромата менее чем за 30 секунд, но планирует увеличить это число примерно до дюжины. Его подход вскоре будет опробован на винодельне E & J Gallo в Калифорнии, одной из крупнейших в США. «Мы надеемся, что к концу следующего урожая [2019] у нас будет четкое представление о том, является ли этот метод подходящим для повседневного использования в промышленности», — говорит он.

Винные химики, опрошенные для этой статьи, все согласились с тем, что их работа была мечтой, что позволило им совместить любовь к химическим исследованиям с их любимым напитком. «Эта работа повысила мое удовольствие от вина, потому что, когда я пробую разные вина, я могу понять, что я чувствую на другом уровне», — объясняет Уотерхаус. «Если вокруг будут другие химики, мы поговорим о вкусе вина с точки зрения химических компонентов. Но если я не с химиками, я этого не сделаю, потому что хочу быть вежливым!

Нина Нотман — научный писатель из Солсбери, Великобритания

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *