ABC wina Wino i nauka

Drożdże, drożdże, cz. 1

17-02-2011

Saccharomyces cerevisiae | fot. Peter Hollenhorst i Catherine Fox (www.yeastgenome.org/yeast_images.shtml)

Z blisko tysiąca rozpoznanych związków aromatycznych wchodzących w skład wina, co najmniej czterysta powstaje podczas fermentacji alkoholowej przy istotnym udziale drożdży.

Koncentrując się na alkoholu, zwykle zapominamy o pozostałych związkach, a to one decydują o ostatecznym charakterze i jakości wina. Czas więc bliżej przyjrzeć się drożdżom, których rolę w budowaniu aromatycznej złożoności wina trudno byłoby przecenić.

Drożdże są grzybami jednokomórkowymi, należą do organizmów eukariotycznych, a więc w przeciwieństwie do prokariotów (np. bakterii) ich komórki mają jądra. Rozmnażają się zwykle przez pączkowanie (co jest jedną z ich cech charakterystycznych), choć mogą się też mnożyć w sposób bardziej typowy dla organizmów jednokomórkowych, czyli przez podział. Najbardziej znane są drożdże piwne, bądź też winiarskie, z gatunku Saccharomyces cerevisiae (co dosłownie znaczy „cukrowe grzyby / pleśnie piwne”) – to one dzięki dużej odporności na alkohol odgrywają główną rolę w produkcji wina. Trudno jednak spotkać je w naturze, gdzie dominują z kolei gatunki „dzikie”: Kloeckera apiculata, Hanseniaspora uvarum, Candida famata i stellata, Cryptococcus, Kluveromyces, Metschnikowia pulcherrima, Pichia membranefaciens… Na skórkach winogron co najwyżej kilka procent wszystkich znajdujących się tam komórek drożdży należeć będzie do gatunku S. cerevisiae.

Innym ważnym dla wina (choć niekoniecznie mile widzianym) rodzajem drożdży są Brettanomyces, będące źródłem różnych, zwykle niepożądanych aromatów (pisałem o nich w numerze 1/2006 Magazynu WINO). Warto wiedzieć, że pod względem genetycznym drożdże są bardzo skomplikowane i zróżnicowane. Nawet w obrębie jednego gatunku Saccharomyces cerevisiae można znaleźć szczepy różniące się między sobą dużo bardziej pod względem budowy DNA, niż ma to miejsce między różnymi gatunkami ssaków naczelnych. Dlatego też od dawna drożdże są ulubionym obiektem badań genetyków; to ich genom został w roku 1996 opisany jako pierwszy wśród organizmów jednokomórkowych (zajęło to dziesięć lat i wymagało współpracy blisko stu zespołów badawczych – dziś takie rzeczy robi się dużo szybciej).

Antonie Philips van Leeuwenhoek | mal. Jan Verkolje, Rijksmuseum Amsterdam

Historia

List informujący o odkryciu budowy drożdży, wydany drukiem wraz z innymi pracami van Leeuvenhoeka

Komórkową naturę drożdży piwnych odkrył około 1680 r. Holender Antonie Philips van Leeuwenhoek (1632–1723), który żył z handlu suknem, a przez pewien czas był urzędnikiem skarbowym nadzorującym sprzedaż i opodatkowanie wina i piwa w mieście Delft. Nigdy nie studiował na uniwersytecie, nie znał angielskiego ani łaciny, która w tym czasie wciąż była oficjalnym językiem europejskiej nauki, ale w kręgach naukowych cieszył się wielkim poważaniem i w wieku 48 lat został członkiem londyńskiej Royal Society. Był konstruktorem rewolucyjnych na tamte czasy mikroskopów, a dziś jest uważany za twórcę mikrobiologii. Do jego najważniejszych dokonań należy odkrycie bakterii, włókien mięśniowych i plemników – „żywych stworzeń pływających w nasieniu”. W liście z 14 czerwca 1680 r. adresowanym do Thomasa Gale’a opisał on drożdże (gist) jako substancję zbudowaną z małych „globulek”. By unaocznić adresatowi to, co zobaczył przez swój mikroskop, do listu prócz rysunku dołączył model zbudowany z sześciu woskowych kulek.

Trzeba było dalszych dwóch stuleci i geniuszu Louisa Pasteura oraz żmudnej pracy jego następców, by odkryć prawdziwą naturę fermentacji alkoholowej i rolę, jaką odgrywają w niej drożdże. Pasteur swą fundamentalną pracę Mémoire sur la fermentation alcoolique opublikował w 1857 roku. Opisał w niej wyniki badań rozpoczętych rok wcześniej na prośbę ojca jednego ze swych studentów, pana Bigo. Trudnił się on produkcją spirytusu poprzez destylację produktów fermentacji cukru buraczanego i wciąż miał problemy z jakością: alkohol często okazywał się kwaśny. Pasteur wyizolował kwas zanieczyszczający spirytus i stwierdził, że jest to kwas mlekowy, ten sam, który powstaje podczas kwaśnienia mleka. Doszedł do wniosku, że fermentacja poprzedzająca destylację składa się z dwóch niezależnych od siebie procesów – w jednym z nich powstaje alkohol, w drugim kwas mlekowy. Odkrył i wyizolował produkujące ten ostatni bakterie kwasu mlekowego (ale na odkrycie natury powodowanej – jak dziś wiemy – przez te same bakterie fermentacji jabłkowo-mlekowej wina, czyli znanego i w czasach Pasteura wiosennego „burzenia się” młodego wina, trzeba było poczekać jeszcze blisko sto lat) i stwierdził, że ich źródłem musi być zanieczyszczone powietrze.

Louis Pasteur w roku 1878 | fot. Félix Nadar

W dalszej kolejności Pasteur zajął się fermentacją alkoholową. W jego czasach powszechnie wierzono, że proces ten, choć dość tajemniczy, ma czysto chemiczny charakter, a drożdże są co najwyżej katalizatorem reakcji i jednocześnie jej ubocznym produktem. Pasteur dowiódł, że drożdże biorą czynny w niej udział, a w sterylnych warunkach bez ich obecności fermentacja alkoholowa nie zachodzi. Opisał też rolę tlenu w rozmnażaniu się drożdży i ich pracy podczas fermentacji.

Badania Pasteura nad fermentacją i jakością wina, a zwłaszcza odkrycie, że wiele wad wina jest wywoływanych przez mikroorganizmy, doprowadziły go w końcu do pomysłu, że bakterie mogą być też przyczyną chorób zakaźnych ludzi i zwierząt, co zrewolucjonizowało medycynę, ale to jest już zupełnie inna, zresztą dużo bardziej znana historia. Warto jednak pamiętać, że zanim monsieur Bigo przedstawił swój kwaśny problem Pasteurowi, ten miał zupełnie inne plany naukowe. Jak wiele znaczy przypadek – moglibyśmy tu westchnąć; sam Pasteur jednak, gdy w roku 1854, a więc jeszcze przed dokonaniem swych pierwszych wielkich odkryć w dziedzinie biochemii, został mianowany profesorem chemii i dziekanem nowo powstałego Wydziału Nauk na Uniwersytecie w Lille, podczas wykładu inauguracyjnego powiedział: „Przypadek sprzyja jedynie umysłom dobrze przygotowanym”.

Fermentacja alkoholowa

Trudno mówić o tak skomplikowanych procesach, jakimi bez wątpienia są fermentacja alkoholowa i towarzyszące jej inne zjawiska, nie odwołując się do chemii organicznej, postaram się jednak nie odstraszyć Czytelników. Zwykle mówiąc o fermentacji, zapisuje się reakcję chemiczną

C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂

w której jedna cząsteczka cukru prostego (fruktozy lub glukozy) ma się zamieniać w dwie cząsteczki alkoholu etylowego i dwie dwutlenku węgla. Na szczęście (przynajmniej dla konsumentów wina) sprawa jest dużo bardziej skomplikowana. Piszę „na szczęście”, gdyż gdyby fermentacja ograniczała się do zamiany części cukru na alkohol (dwutlenek węgla ulatnia się do atmosfery), wino nie pachniałoby i nie smakowało tak, jak naprawdę pachnie i smakuje (proszę powąchać dowolną mistelę, czyli alkoholizowany moszcz gronowy).

Tak naprawdę fermentacja alkoholowa jest złożonym zespołem enzymatycznych reakcji chemicznych, w których poza cukrami udział biorą różne nukleotydy (w tym znane być może czytelnikom ze szkolnych lekcji biologii ADP i ATP, odpowiedzialne za transport energii w komórkach, a w tym konkretnym przypadku również za intensywne wydzielanie się ciepła podczas fermentacji). Yair Margalit w książce Concepts of Wine Chemistry wyróżnia siedem etapów przemiany cukru prostego w alkohol oraz kilka reakcji pobocznych. Oczywiście cieszenie się winem nie wymaga poznawania wszystkich szczegółów, warto jednak wiedzieć, że jednym ze związków pojawiających się niejako po drodze jest aldehyd octowy (zamieniany później w etanol), który znamy także z odwrotnej reakcji, gdy nasz organizm metabolizuje etanol, a tenże aldehyd pojawia się wówczas na jednym z etapów. To właśnie ten związek bywa łączony z bólami głowy i innymi niezbyt przyjemnymi skutkami nadmiernej konsumpcji, co pomaga zrozumieć, dlaczego różne szturmy czy burczaki są tak zdradliwe – wszak fermentacja nie jest w nich doprowadzona do końca i aldehydu octowego jest w nich sporo.

W początkowym okresie fermentacji, gdy zawartość aldehydu octowego w moszczu nie jest jeszcze wysoka, jeden ze związków pośrednich może ulec innej reakcji, w której efekcie powstanie glicerol (zwany też gliceryną), który też jest co prawda alkoholem, ale nie ma toksycznych właściwości etanolu, nie wpływa też negatywnie na sprawność układu nerwowego. Stąd też jedną z metod walki z rosnącym poziomem alkoholu w winach jest poszukiwanie takich szczepów drożdży, które większą niż zwykle część cukru przerobią na glicerol, a mniejszą na etanol. Nie jest to niestety rozwiązanie idealne, gdyż glicerol ma słodszy smak niż etanol, zwiększenie jego zawartości w winie prowadzi do wyraźnie słodkiej końcówki i ogólnie zaburza równowagę. Jest jeszcze jeden problem: do dziś jedyną skuteczną metodą produkcji takich drożdży jest inżynieria genetyczna, a ta nie ma zbyt dobrej prasy.

Warto tu wspomnieć o jeszcze jednej sprawie: drożdże radzą sobie nie tylko z cukrami mającymi po sześć atomów węgla w cząsteczce (jak glukoza i fruktoza, a także mannoza i galaktoza), lecz również z cukry dwunastowęglowymi, a więc laktozą, maltozą i przede wszystkim sacharozą, czyli zwykłym cukrem buraczanym, co skrzętnie wykorzystują producenci wina stosujący sacharozę podczas szaptalizacji, czyli dosładzania moszczu przed fermentacją, by zwiększyć końcową zawartość alkoholu w winie. Nie tylko wszak oni – liqueur de tirage stosowany podczas wtórnej fermentacji przy produkcji win musujących też na ogół zawiera zwykłą sacharozę (a już zupełnie na marginesie, choć wciąż na temat: do przeprowadzania wtórnej fermentacji win musujących często używa się specjalnie wyselekcjonowanych kultur drożdży, które dają ziarnisty osad i łatwiej je później usunąć z butelki).

Nie są to jednak wszystkie cukry występujące w winogronach, można w nich bowiem spotkać i pentazy, czyli cukry proste mające po pięć atomów węgla w łańcuchu cząsteczkowym. Nie ulegają one fermentacji i pozostają w winie, nawet przefermentowanym „do końca”, jako cukier resztkowy. Ich zawartość nie przekracza zwykle jednego grama na litr wina, więc choć same są słodkie, nie powodują wrażenia słodyczy wina. Całkiem odrębną sprawą jest odporność skrobi, czyli polisacharydów, na działanie drożdży. Dla wina nie ma to aż tak wielkiego znaczenia jak dla produkcji alkoholi np. ze zbóż, gdzie ziarna muszą być najpierw słodowane, by część skrobi przekształcić w cukry drożdżom powolne.

Tyle o cukrach i powstającym z nich alkoholu, ale jak już wspomniałem jego wytwarzanie, choć dominujące pod względem ilościowym, jest tylko jednym z wielu procesów dziejących się podczas fermentacji. Zarówno podczas przetwarzania cukrów, jak i w występujących równolegle reakcjach angażujących obecne w moszczu aminokwasy i inne substancje, drożdże produkują setki związków aromatycznych, w tym różnorodne estry, aldehydy (o jednym już wspomnieliśmy), ketony, wyższe alkohole, kwasy tłuszczowe, a także niezwykle istotne lotne związki siarki (zwłaszcza tiole, zwane też merkaptanami). One wszystkie mają ogromny wpływ na zapach i smak wina. Napiszemy o tym w kolejnych artykułach, zastanowimy się też nad związkiem drożdży z pojęciem terroir, rozważymy pokrewny i stale dyskutowany problem: co jest lepsze, drożdże rdzenne i tzw. dzika fermentacja, czy też wyselekcjonowane drożdże hodowlane.

Drożdże cz. 2: chemia w kadzi i w kieliszku
Drożdże cz. 3: kwestia terroir
 

Tekst ukazał się w numerze 44 (2/2010)