Ферментация в производстве алкогольных напитков представляет собой совокупность анаэробных биохимических процессов, в ходе которых углеводы превращаются в этанол, диоксид углерода и широкий спектр побочных метаболитов. Ключевую роль в этих превращениях играют микроорганизмы, прежде всего дрожжи рода Saccharomyces, реже — бактерии и плесневые грибы в специальных технологиях.
Основным субстратом ферментации являются сбраживаемые сахара: глюкоза, фруктоза, сахароза, мальтоза и мальтотриоза. Их происхождение определяется видом сырья — виноград, зерно, фрукты, мед, картофель. Центральным метаболическим путем является гликолиз, в ходе которого гексозы расщепляются до пирувата с образованием АТФ и восстановленных коферментов. В анаэробных условиях пируват подвергается декарбоксилированию с образованием ацетальдегида, который затем восстанавливается до этанола.
Суммарное уравнение алкогольной ферментации:
C₆H₁₂O₆ → 2 C₂H₅OH + 2 CO₂ + энергия
Ведущими агентами ферментации являются дрожжи, обладающие ферментативным аппаратом для эффективного сбраживания сахаров и устойчивостью к этанолу.
Основные группы микроорганизмов:
Каждый штамм характеризуется определённой ферментативной активностью, спиртоустойчивостью, температурным оптимумом и способностью образовывать вторичные метаболиты.
Химическая природа сырья определяет стратегию подготовки субстрата к ферментации.
Виноград и фрукты содержат свободные моносахара, не требующие предварительного гидролиза. Зерновое сырьё включает крахмал, который должен быть ферментативно расщеплён до сбраживаемых сахаров.
Процесс осахаривания основан на действии амилаз:
Контроль температуры, pH и ионного состава среды определяет эффективность осахаривания и последующей ферментации.
Ферментация является чувствительным к параметрам среды процессом.
Ключевые факторы:
Температура — влияет на скорость метаболизма и профиль побочных продуктов
pH среды — оптимум 3,0–5,5; низкий pH подавляет развитие посторонней микрофлоры
Концентрация сахаров — избыточное осмотическое давление тормозит рост дрожжей
Кислород — необходим на начальной стадии для синтеза стеролов и ненасыщенных жирных кислот
Ферментация протекает в несколько фаз: лаг-фаза, активное брожение, замедление и завершение, каждая из которых имеет собственный метаболический профиль.
Помимо этанола и CO₂, дрожжи синтезируют сотни соединений, определяющих органолептические свойства напитка.
Основные группы побочных веществ:
Соотношение этих соединений определяется штаммом дрожжей, температурой, доступностью азота и режимом аэрации.
Для полноценного брожения необходим усвояемый азот, представленный аминокислотами, аммонийными солями и пептидами. Дефицит азота приводит к замедлению ферментации и повышенному образованию серосодержащих соединений.
Азот участвует:
В промышленности применяется корректировка азотного состава среды для стабилизации процесса.
Завершённой считается ферментация, при которой сбраживаемые сахара исчерпаны или активность дрожжей подавлена концентрацией этанола. В этот период происходят автолиз дрожжевых клеток и высвобождение внутриклеточных компонентов: маннопротеинов, аминокислот, нуклеотидов.
Эти процессы:
В отдельных технологиях применяется вторичная ферментация, включая малолактическое брожение, при котором яблочная кислота превращается в молочную с участием молочнокислых бактерий.
Для управления процессом используются аналитические методы:
Комплексный химический контроль позволяет обеспечить воспроизводимость, безопасность и высокое качество алкогольных напитков в промышленном производстве.