Основы процесса спиртового брожения

Что такое спиртовое брожение?

Изначально брожением называли процесс, идущий с выделением газов. Далее было установлено, что брожение – это результат жизнедеятельности определенных микроорганизмов. Некоторые из них могут существовать в анаэробной среде, то есть без доступа или с очень ограниченным доступом воздуха. Необходимая для жизнедеятельности энергия появляется именно в процессе брожения.

Существуют разные виды брожения, в зависимости от того, какие микроорганизмы из вызывают и в каких условиях они проходят. 

Спиртовое брожение – это процесс окисления углеводов, то есть сахаров. Основные возбудители процесса – одноклеточные грибы (дрожжи). Большая часть из них питается моносахаридами, и некоторыми дисахаридами (в основном сахарозой).

Уравнение спиртового брожения выглядит так:

C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂.

Если перевести формулы в названия участвующих в процессе веществ, то получится, что молекула моносахарида, в данном случае глюкозы преобразуется в 2 молекулы этанола и 2 молекулы углекислого газа. Иными словами, сахар превращается в спирт.

Также в процессе выделяется углекислый газ и образуются сивушные масла, вредные примеси, среди которых метанол, изоамиловый, бутиловый, изобутиловый и другие виды спиртов, опасных для человеческого организма.

Условия спиртового брожения

Химизм спиртового брожения может изменяться под влиянием разносторонних факторов. Чтобы добиться нормального протекания процесса брожения, необходимо обеспечить благоприятные условия для жизнедеятельности дрожжей.

Основные факторы – это:

• достаточное содержание питательных веществ, то есть сахара;
• температурный режим и уровень освещенности;
• кислотность среды и наличие микроэлементов;
• концентрация спирта;
• доступ кислорода.

Совокупность этих факторов и определяет, начнется ли брожение, насколько интенсивно оно будет проходить и каким будет результат.

Концентрация сахара

Наличие сахара – первоочередное условие для брожения, поскольку именно этот продукт дрожжи расщепляют на составляющие. Если в сырье нет сахара, то брожение не начнется.

Значение оптимальной сахаристости для разных штаммов дрожжей может незначительно отличаться, но средний показатель для наиболее интенсивного дрожжевого брожения от 10 до 15%. При более низкой концентрации сахарозы или другого сахарида брожение идет очень слабо, но и слишком высокое содержание углеводов тоже не идет на пользу.

Если сахара в сусле больше 20%, процесс замедляется, а если показатель сахаристости превышает 35%, брожение прекращается. Это происходит из-за того, что сахар исполняет роль консерванта и начинает препятствовать жизнедеятельности микроорганизмов.

Температура и свет

Диапазон температур, в которых дрожжи могут существовать, довольно широк. Многое зависит от конкретного штамма, его характеристик и выносливости. Но все же есть усредненные показатели для всех видов дрожжей. Брожение может протекать при температуре от +17 до +32⁰С.

Внимание! Оптимальная температура при которой происходит наиболее активное брожение, а значит и расщепление глюкозы и сахарозы – от +20 до + 26⁰С.

При температуре ниже минимального указанного значения реакция брожение протекает существенно медленнее, а при температуре близкой к нулю и при минусовых показаниях термометра микроорганизмы впадают в анабиоз, их функционирование практически прекращается, реакции брожения не происходит. Чтобы возобновить процесс, достаточно всего лишь повысить температуру.

Но слишком высокая температура также негативно влияет на грибки. Большинство дрожжей погибает при температуре выше +40⁰С. Хотя отдельные штаммы выдерживают температуру до +60⁰С.

Внимание! Важно учитывать, что в процессе брожения температура сусла повышается на 2–4⁰С, чем активнее работают микроорганизмы, тем быстрее идет нагрев.

Что касается освещения, то дрожжи не любят солнечный свет и это тоже нужно учитывать. Именно поэтому емкости с суслом или брагой рекомендуется ставить в темное место или накрывать плотной тканью.

Кислотность среды и наличие микроэлементов

Жизнедеятельность дрожжей, а значит и скорость сбраживания глюкозы зависят от кислотности среды. Микроорганизмы могут существовать при значениях рН от 2 до 8, оптимальным считается значение от 4 до 4,8 рН.

Кислотность можно корректировать. Для повышения в брагу вводят, например, кислый ягодный или фруктовый сок, лимонную кислоту. Для понижения чаще других используют мел или просто добавляют больше воды.

Помимо сахара дрожжам нужны и другие питательные вещества для подержания организма, размножения, восполнения запасов энергии, которая тратится на расщепление углеводов. В перечень необходимых элементов в первую очередь входят витамины, азот, фосфор, а также другие микро- и макроэлементы.

В некоторых видах сырья содержится достаточный запас питательных веществ для дрожжей, если же нет, используют специальные подкормки для дрожжей.

Содержание спирта

В процессе расщепления глюкозы дрожжами образуется этиловый спирт. Но этот продукт жизнедеятельности микроорганизмов токсичен для них. Поэтому по мере накопления этанола развитие грибков постепенно замедляется.

Внимание! Даже совсем невысокое содержание этилового спирта в среде обитания дрожжей около 4-5% уже негативно сказывается на процессе спиртового брожения.

Когда концентрация достигает 8% грибки перестают размножаться. При содержании спирта 10 – 14% дрожжи совсем перестают перерабатывать углеводы, брожение прекращается.

В лабораторных условиях выводят штаммы толерантные к спирту. Такие дрожжи нормально существуют и активно развиваются в среде, где концентрация этанола достигает 14–18%.

Доступ кислорода

При отсутствии доступа кислорода – основная задача дрожжей – выжить, а не размножаться. Именно поэтому в анаэробной среде происходит образование максимального количества этанола.

Внимание! Поскольку задача винокура – как можно быстрее получить как можно более крепкую брагу, необходимо полностью перекрыть доступ кислорода к браге.

В это же время надо обеспечить отвод углекислого газа, выделяющегося в процессе брожения сахаров. Одновременно решить обе эти задачи помогает установка гидрозатвора.

Если не оградить брагу от доступа кислорода, начинают активизироваться другие микроорганизмы, в частности уксуснокислые бактерии, которые перерабатывают спирт. В результате образуется вода и уксусная кислота, то есть брага постепенно скисает, а выход конечного продукта уменьшается.

Единственный этап, на котором доступ кислорода желателен – это начало брожения. Так как для быстрого размножения дрожжам нужен кислород, то можно первые 3-4 часа не закрывать брагу и, более того, несколько раз за это время активно ее перемешать. Для дальнейшего развития дрожжам будет достаточно кислорода, содержащегося в воде.

Стадии брожения

Как и все виды брожения, спиртовое проходит в несколько этапов. Если рассматривать процесс с точки зрения химии, то стадий всего две:

• на первой окислительной моносахарид превращается в пировиноградную кислоту, при этом отщепляются атомы водорода;
• на второй восстановительной пировиноградная кислота превращается в этанол и углекислый газ.

Если же рассматривать химические реакции спиртового брожения глюкозы с практической точки зрения, то процесс выглядит следующим образом:

1. При создании благоприятных условий дрожжи в браге начинают активное размножение.
2. Грибки поглощают сахар, содержащийся в браге, перерабатывая его в этиловый спирт и углекислый газ. На поверхности жидкости появляется пена, гидрозатвор булькает, крепость браги начинает повышаться.
3. Когда сахара в браге остается все меньше, а спирта становится все больше, брожение замедляется, а потом прекращается совсем. Гидрозатвор булькает все реже, брага перестает шипеть и пениться.
4. Жидкость светлеет, на дне образуется осадок, вкус браги со сладкого меняется на горьковатый. Это основные признаки того, что брожение завершилось и брага готова.

Заключение

Обеспечить подходящие условия для активной работы дрожжей совсем несложно. Зная азы спиртового брожения, можно приступать к практике, будучи уверенным, что брага, пиво или вино будут готовы в срок и получатся отменного качества.