Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Каким же чудом виноградный сок превратился в вино при дворе персидского царя? Сами того не зная, античные химики-любители открыли алкогольную ферментацию – химическую реакцию, которая превращает сахар (см. главу 18, «Сахара, крахмал и углеводы») в алкоголь, то есть вещество, в молекуле которого углерод связывается с группой OH. В виноградном соке эта химическая реакция происходит с помощью микроорганизмов: обитающие на кожице винограда дрожжи под названием Saccharomyces cerevisiae преобразуют в спирт содержащиеся в ягодах природные сахара. Брожение простейшего моносахарида, глюкозы (и ее изомера фруктозы), приводит к возникновению этанола C 2 H 5 OH и углекислого газа CO 2 :

C 6 H 12 O 6 → 2C 2 H 5 OH + 2CO 2.

Для химиков вино, как и любой алкогольный напиток, представляет собой главным образом смесь воды и этанола. Однако оно содержит и множество других соединений в небольшой пропорции (до 2000 различных молекул). Именно они и придают вину его вкус и цвет.

Искусство винодела – нелегкий труд. Основная сложность заключается в том, что в присутствии кислорода алкоголь легко окисляется и превращается в уксусную кислоту CH 3 COOH. Другими словами, вино превращается в уксус! Римские агрономы и естествоиспытатели, такие как Колумелла и Плиний Старший, оставили рецепты, как это предотвратить. Например, они рекомендовали покрывать амфоры смолой – вероятно, чтобы не позволить воздуху просочиться в сосуд. Современные бутылки имеют безупречную герметичность и не нуждаются в этой сомнительной обработке, но может быть, и неплохо предотвратить проникновение воздуха через пробку с помощью слоя воска. Впрочем, хотя смолу виноградари давно уже не используют, зато часто добавляют в вино диоксид серы SO 2 , который обладает антиоксидантными свойствами.

Великий биолог Луи Пастер (1822–1895) весьма интересовался вином; в частности, он показал, что окисление алкоголя до уксусной кислоты происходит под влиянием бактерий. Труды Пастера подвели научную основу под методы виноградарства, которые на протяжении многих поколений виноделы совершенствовали путем проб и ошибок. Например, известно, что, для того чтобы не допустить длительного брожения виноградного сока вплоть до получения уксусной кислоты, следует вовремя отделить сусло (то есть виноградный сок, получаемый прессованием) от дрожжей. В этом и заключается основная роль фильтрации сусла. С другой стороны, ферментация – это экзотермическая реакция (то есть реакция, проходящая с выделением тепла), поэтому температура сусла может подниматься вплоть до 40 °C. Столь высокая температура может привести к испарению летучих соединений, в том числе ценных фруктовых и цветочных ароматов, которые определяют качество хороших вин. Чтобы сохранить эти природные сокровища, сегодня производители осуществляют так называемую холодную ферментацию при температуре около 18 °C. Химические реакции при этом протекают гораздо медленнее: процесс ферментации занимает примерно три недели вместо обычных 7–8 дней. После ферментации, чтобы удалить некоторые ненужные составляющие, следует провести холодную фильтрацию. Дело в том, что ввиду содержания алкоголя при температуре –4 °C вино еще остается жидким, в то время как упомянутые примеси при этой температуре уже затвердевают, что позволяет их легко отделить. Что же касается температуры, при которой вино начинает замерзать, то она убывает на треть градуса с каждым процентом спирта в объеме [14] Когда крепость вина составляет 10°, это означает, что концентрация этанола составляет 10 % объема. Из литра этого вина можно извлечь децилитр чистого спирта (при 20 °C). Плотность этанола составляет 0,787 г на литр, следовательно, четверть литра вина 12° содержит чуть менее 24 г спирта. (илл. 2).

2. Температура, при которой водно-спиртовой раствор начинает затвердевать, в зависимости от массовой доли этанола, выраженной в процентах. Заметим, что вплоть до объемной доли алкоголя в 93 % температура, при которой смесь замерзает, монотонно убывает и достигает значений заметно ниже температуры замерзания чистой воды (0 °C). Алкоголь – это антифриз!

Приведенные факты объясняют, почему современные винные заводы часто выглядят подобно лабораториям! Можно углубиться в эту тему, но давайте пока обсудим некоторые физические свойства самого вина.