Исследование влияния эффектов низкочастотного ультразвука на процессы сбраживания виноматериалов

Виноградное вино – это уникальный продукт, который требует большого внимая на всех этапах производства, только в этом случае будет сформирован изысканный и благородный напиток. Известно, что в процессе виноделия происходят сложные микробиологические и физико-химические изменения в системе продукта, которые обеспечивают определенный уровень качества. Для потребителя важно чтобы вино было хорошо структурированным, полнотелым с богатым вкусом и пониженным уровнем алкоголя. Тем не менее, успешное достижение этих признаков довольно сложно из-за дисбаланса между накоплением сахара и фенольной зрелостью ягод, которые требуют позднего сбора урожая, чтобы гарантировать надлежащую ароматическую и фенольную зрелость [20].

Первичная или алкогольная ферментации в виноделии – процесс преобразования сахара, содержащегося в сусле, во время которого дрожжи начинают воздействовать на сахар, содержащийся в виноградном соке. Этот процесс может продолжаться от нескольких дней до нескольких недель, проходит при постоянно контролируемой температуре.

По данным французского ученого энoлoга Пейно Пьер-Жан-Эмиль (1912–2004) в брожении участвуют дрожжи аспорогенные (принадлежащие к 5 родам, включающие 8 видов) и спорогенные (принадлежащие к 6 родам, включающие 20 видов). Им установлено, что смена дрожжей при брожении происходит в следующем порядке: забраживание сусла нередко вызывают слабо бродящие, но сильно почкующиеся дрожжи Hanseniaspora apiculata и Тоrulopsis bacillaris, причем дрожжи Н. apiculata выполняют эту роль главным образом при сбраживании красных сортов винограда. Они способны образовывать 4…5 % об. спирта, а Т. bacillaris более устойчивые, – 7…10 % об. Однако оба эти вида дрожжей весьма неустойчивы к действию SO2. Поэтому в сульфитированных суслах их активность снижается, а Sacch. vini, как более сульфитоустойчивые, получают возможность быстро размножаться. Они полностью подавляют дрожжи Н. apiculata и Т. Bacillaris [6, 9, 10]

Дальнейшее сбраживание сахара ведут расы вида Sacch. oviformis . Они образуют максимальное количество спирта – 18…19 % об. Во время брожения процент клеток Sacch. oviformis постепенно нарастает. По данным Пейно Пьер-Жан-Эмиль, в свежеотжатом виноградном сусле их относительное содержание не превышает 5 на тысячу, а к концу брожения число их достигает 1/3 всех дрожжевых клеток. Sacch. vini кроме того, достаточно спиртоустойчивы: они выдерживают концентрацию спирта от 8 до 16 % об. в зависимости от расы [3, 4, 9].

На ход спиртового брожения и качество получаемого вина влияет температура. Вина, сброженные при более низких температурах, сохраняют первичные фруктовые ароматы, свежесть и сортовой характер. Красные вина сбраживаются при более высоких температурах – между 25 и 30°. Такие условия необходимы для того, чтобы извлечь из мезги (кожицы и гребней) цвет и танины [7].

В виноградном соке содержатся примерно в равных количествах глюкоза и фруктоза, иногда небольшое количество сахарозы. Глюкоза и фруктоза сбраживаются дрожжами непосредственно, а сахароза предварительно превращается ими в инвертный сахар, т. е.

смесь равных количеств глюкозы и фруктозы, с помощью вырабатываемого ими фермента β- фруктофуранозидазы (сахаразы, инвертазы). Таким образом, качественный состав сахаров на результат спиртового брожения заметного влияния не оказывает.

В производстве красных вин важен процесс выбор способа и длительности мацерации (настаивание на мезге). Известны различные типы мацерации: углекислотная мацерация, термомацерация, холодная мацерация сусла с применением «сухого льда» и жидкого азота, мацерация с применением пектоли-тических ферментных препаратов и танинов. В последние годы разработаны новые ферментативные композиции, обладающие сильным мацерирующим эффектом [16, 22, 24].

Ультразвуковая обработка мезги винограда используется достаточно редко, однако существуют работы, в которых отмечается значительное влияние ультразвука на экстракцию и структуру красящих и фенольных веществ [11, 13]. При использовании ультразвукового облучения экстракция веществ может увеличиваться в 3 раза [12, 15].

Преимущество ультразвуковой экстракции заключается в том, что извлечение веществ из клетки резко ускоряется без нагревания обрабатываемой среды, при этом клеточный сок сохраняет первоначальную биологическую активность. Ультразвуковые микроциркуляции в жидкости могут быть использованы для усиления процесса переноса и ликвидации сопро-

Рис. 1. Молекулярные эффекты ультразвука [23]

тивления массопереноса в гетерогенных системах [17, 18]. Все молекулярные эффекты ультразвука приведены на рис. 1.

В работе Кишковского З.Н. показано, что при использовании обработки ультразвуком диапазона малых мощностей продолжительностью 15 минут количество связанных фенольных веществ в растворе дубовых экстрактов увеличивается в среднем на 50 %, а содержание свободных фенольных соединений и углеводов – в 3 раза. В других исследованиях показано, что при экстракции с применением прибора, генерирующего продольные механические колебания с частотой 22 кГц, значительно сокращается время (от 8 до 20 минут, против нескольких часов) извлечения веществ [8].

Тем не менее, звуковые условия, которые приводят к благоприятным эффектам в биологических процессах, зависят от конкретного случая и в литературе представлены недостаточно широко.

В этой связи в качестве основной цели исследований было определено – установление оптимального режима воздействия ультразвука низкой частоты на характер течения процесса брожения.

Объекты и методы исследований

В качестве сырья для производства вина был выбран виноград ампелографического сорта «Изабелла» (Изабелла Банская), сорт винограда, появившийся самопроизвольно, в результате природной селекции в результате переопыления благородной европейской лозы Vitis Vinifera с местной Vitis Lambrusca .

Сбраживание осуществляли естественным способом за счет жизнедеятельности дрожжей, присутствовавших на поверхности ягод и гребней.

В качестве источника УЗВ был использован акустический источник упругих колебаний ультразвуком – прибор «Волна» модель УЗТА-0,4/22-ОМ, работающий на частоте (22 ± 1,65) кГц и выходной мощности (180–400 Вт). Ультразвуковая колебательная система построена на пьезоэлектрических кольцевых элементах и изготовлена из титанового сплава ВТ5. Используемые инженерные решения защищены патентом РФ № 2141386.

Технологическая схема сбраживания экспериментальных образцов включала в себя: отжим сока, внесение в него мезги (10 %), затем обработка ультразвуковым воздействием различной мощности (189 и 315 Вт) и про- должительности (3 и 5 минут). Сбраживание осуществляли при температуре (22 ± 2)°С.

Были получены следующие экспериментальные образцы (рис. 2), в качестве контроля использовался образец, не подвергшийся ультразвуковому воздействию (УЗВ).

Состояние сусла оценивали по ГОСТ 32030-2012 «Вина столовые и виноматериалы столовые». В образцах оценивали показатели:

• –    содержание спирта – оценивали по ГОСТ 32095-2013. Метод основан на определении объемной доли этилового спирта продукта ареометром для спирта в дистилляте после предварительной перегонки;

• –    массовую концентрацию титруемых кислот – по ГОСТ 32114-2013. Методы основаны на кислотно-щелочном титровании определенного объема продукта в присутствии индикатора бромтимолового синего и с применением потенциометра до получения нейтральной реакции;

• –    микроскопический анализ путем приготовления фиксированных, окрашенных препаратов-мазков.

Результаты и их обсуждение

Результаты исследований массовой доли спирта (рис. 3) свидетельствуют, что ультразвуковое воздействие на сок с мездрой активизирует процессы спиртового брожения. Причем наименьшее УЗВ сильнее активизирует процессы спиртового брожения, что можно связать активным переходом сахаров в сок, что в свою очередь положительно влияет на жизнедеятельность дрожжей.

Так, интенсификация спиртового брожения уже через пять дней способствует повышению массовой доли спирта в винном сусле на 20,7–88 % (в зависимости от режима УЗ-обработки), через 10 дней брожения содержание спирта в экспериментальных образцах превышало содержание спирта в контрольном образце на 4,8–5,8 %.

Результаты свидетельствуют об интенсификации первых стадий спиртового брожения, затем процессы затормаживаются. Данный факт подтверждается учеными Matsuura K., Hirotsune M., исследования которых способствовали уменьшению периодов брожения в вине, пиве и саке с помощью ультразвука (30 мВт/см2 и 43 кГц) до 50 %. Учеными было высказано предположение, что обработка ультразвуком ускоряет образование этанола и других компонентов в основном за счет уменьшения концентрации растворенного

УЗ: 189 Вт/л 3 минуты

УЗ: 189 Вт 5 минут

УЗ: 315 Вт/л 3 минуты

УЗ: 315 Вт/л 5 минут

Рис. 2. Описание образцов с указанием условий УЗВ

CO 2 . Было также показано, что ультразвук ускоряет рост Saccharomyces cerevisiae , что приводит к сокращению времени ферментации. Они отметили, что ультразвуковое облучение приводило к 33,3% увеличению роста дрожжей. Было высказано предположение, что улучшенные характеристики дрожжей были результатом морфологических изменений в клетках дрожжей, вызванных ультразвуком [2, 17, 19].

Известно, что ферментативные процессы резко возрастают при раздавливании ягод, особенно окислительно-восстановительные. Наряду с окислительно-восстановительными, протекают гидролитические процессы: при раздавливании ягоды под воздействием β-фруктофуранозидазы происходит инверсия сахарозы, пектинолитические ферменты вызывают распад протопектина, а затем пектина с выделением метилового спирта и галакту-роновых кислот [5].

В наших исследованиях получены данные, подтверждающие положительное действие УЗВ на ускорение ферментативных про-

Рис. 3. Содержание спирта в образцах винного сусла, %

цессов, что в дальнейшем обеспечивает повышение кислотности (рис. 4). Так, относительно контрольного образца, титруемая кислотность через пять дней брожения составила от 6,375 град до 7, 425 град, при контрольном значении 6,225 град. Большая мощность ультразвука излишне резко воздействовала на внутренние процессы и способствовала резкому увеличению кислотности через 10 дней брожения – на 66 % относительно контрольного образца.

Возможно, такие изменения обусловлены возникающими в биологических объектах под действием УЗ вторичными эффектами физикохимического характера. В результате образования акустических потоков в процессе мацерации происходит активное перемешивание внутриклеточных микроскопических структур.

Известно, что кавитационные эффекты в среде приводят к разрыву молекулярных связей, молекулы воды распадаются на свободные радикалы ОН– и Н+, что является первопричиной действия УЗ. Кроме того, подобным же образом происходит расщепление под действием УЗ высокомолекулярных соединений в биологических объектах [1, 14, 21].

Оценка дрожжевых систем, действующих в процессе брожения, показала (см. таблицу), что рост Saccharomyces cerevisiae, их способность к почкованию взаимосвязаны с УЗВ. В поле зрения наблюдаются клетки округлой и яйцевидной формы; размер их колеблется от 2,5 до 10 мкм в поперечнике и от 4,5 до 21 мкм в длину.

В клеточных системах наблюдаются запасные вещества – в виде окрашенных включений. Это волютин, липиды, гликоген, белки. Причем количество жизнеспособных клеток дрожжей больше у образца 3 и образца 4, которые подвергались УЗВ в режимах – мощность 315 Вт/л 3 и 5 минут.

На основании полученных результатов можно сделать вывод, что ультразвуковая обработка мезги перед сбраживанием сусла увеличивает активность дрожжей, ускоряя технологический процесс. Взаимодействия между ультразвуком и микроорганизмами в настоящее время изучаются многими авторами, однако пока являются недостаточно понятыми. В то же время, установленные нами положительные эффекты от внедрения в технологию винного производства ультразвуковой обработки позволяют сделать вывод о необходимости дальнейших исследований в данном направлении.

Таким образом, эффективность ультразвука определяется внешними и внутренними параметрами, которые могут варьироваться в зависимости от условий ферментации.

Рис. 4. Результаты оценки тируемой кислотности образцов винного сусла, град

Микрофотографии препаратов дрожжевых культур Saccharomyces cerevisiae сусла в разный период сбраживания (препараты окрашены трипановым синим, увеличение х900)