Ugrás a tartalomhoz

Borászati kémia

Kállay Miklós

Mezőgazda Kiadó

Polifenolok, színanyagok

Polifenolok, színanyagok

Borászati szempontból az egyik leglényegesebb vegyületcsoport. Oxidációra való hajlamuk miatt a barnulással járó és más, különböző kiválások okozói, másrészt jelenlétük – különösen vörösborok esetében – feltétlenül szükséges a borjelleg kialakításában.

A polifenol elnevezés a fenolos OH-csoportok számára utal. Az oxidációra való hajlam a következő kémiai reakcióval szemléltethető (14. képlet).

14. képlet

Polifenolok

A vegyületcsoport kémiája

A szőlő, illetve a must polifenol vegyületeit kémiai, valamint a borban észlelt tulajdonságaik alapján lehet csoportosítani. Ez utóbbi szerint négy csoportot különböztetünk meg:

  • flavonok,

  • fenolsavak,

  • antocianinok,

  • tanninok.

Az inkább kémiai szemléletet tükröző csoportosítás szerint lehetnek:

a) nem flavonoid-fenolok, mint:

  • hidroxi-benzoesav és származékai,

  • hidroxi-fahéjsav és származékai,

  • egyéb nem flavonoid fenolok (pl. rezveratrol),

b) flavonoid fenolok, mint

  • katechinek (3-flavanol),

  • leukoantocianinok (3,4-flavandiolok),

  • antocianinok,

  • flavonok és flavonolok,

c) tanninok.

a) Nem flavonoid-fenolok

A nem flavonoid-fenolok vagy egyszerű fenolok (fenolsavak) majdnem kizárólag a bogyóhúsban találhatók, főleg észter típusú vegyületek formájában. A szőlő és a bor hat benzoesav- és három fahéjsav-származékot tartalmaz (15. képlet).

15. képlet

Benzoesav-származékok:

  • R = R’ = H: p-hidroxi-benzoesav,

  • R = OH, R’ = H: protokatechusav,

  • R = OCH3, R’ = H: vanillinsav,

  • R = R’ = OCH3: veratrumsav,

  • R’= H: szalicilsav,

  • R’= OH gencizinsav.

Fahéjsav-származékok:

  • R = H: p-kumársav,

  • R = OH: kávésav,

  • R = OCH3: ferulasav.

Feltételezhető, hogy a borban előforduló benzoesav-származékok az antocianinok lebomlásának termékei, ami szerint a floroglucin mellett keletkezhet pl. a peonidinből vanillinsav, a cianidinből protokatechusav, a delfinidinből galluszsav.

A fahéjsav származékok szabad állapotban, valamint az antocianinokkal alkotott vegyületek (acilezett antocianinok) formájában találhatók meg. A nem flavonoid-fenolok érzékszervi jellemzője a kevésbé összehúzó íz. Különböző kezelésekkel mennyiségük csak kismértékben csökkenthető.

Az egyéb nem flavonoidok közül említést érdemel a rezveratrol, amely a stilbének családjába tartozó, fenolos vegyület (16. képlet).

16. képlet

Az alapváz kémiai elnevezése α,β-difenil-etilén. Érdekessége, hogy a polifenol típusú vegyületekre jellemző fenolos-hidroxilcsoporttal rendelkezik. Két geometriai izomerje van. A természetben előforduló transz-stilbénben a fenilcsoportok átlósan helyezkednek el, s így távolabb vannak egymástól. A cisz-izomer (izostilben) labilis, mivel a fenilcsoportok azonos oldalon helyzkednek el (szterikus gátlás).

A szőlőbogyóban – az érés során – elsősorban a héjszerkezetben halmozódnak fel, de kimutathatók a magrészekből is. Ebből következik, hogy a borok rezveratroltartalma elsősorban az alkalmazott szőlőfeldolgozási technológia függvénye. Meghatározó jelentőségű tehát a cefreáztatás időtartama és hőmérséklete, a szén-dioxid-maceráció, a pektinbontó enzimkezelés, a hiperoxidáció alkalmazása, valamint a lékinyerés présnyomásának nagysága.

Francia és olasz kutatók mérési eredményei alapján a vörösborokban meghatározott koncentrációk (átlagérték: 2,24 mg/dm3, szélsőértékek: 0,44–4,71 mg/dm3) magasabbak, mint a fehérborokban.

A kutatási eredmények megállapításai szerint a resveratrol élettani hatása kettős. A publikációk kiemelik, hogy mint növényi védőanyag, igen fontos szerepet tölt be a szőlő patogén kórokozókkal (gombás fertőzések) szembeni természetes védekező mechanizmusában (növényi immunanyag). Hangsúlyozzák kedvező gyógyszertani hatását is, amely a szív- és érrendszeri betegségek elleni védőhatásban nyilvánul meg.

A szőlő és a bor rezveratroltartalmával kapcsolatos publikációk zöme az 1985 utáni időszakra esik. CREASY és COFFEE (1988) vizsgálatai szerint a rezveratrol elsősorban a szőlőhéjban halmozódik fel. JEANDET et al. (1991) a transz-rezveratrol-koncentráció változását vizsgálta a szőlő érése során.

A transz-rezveratrolnak mint növényi védőanyagnak a jelentősége többek között LANGCAKE és PRYCE (1976, 1977), DRECKS és CREASY (1989), STEIN és HOOS (1984) és STEIN és BLAICH (1985) közleményei hívják fel a figyelmet. Kiemelik a stilbének védőhatását, amelyet mint természetes immunanyagok fejtenek ki a szőlőnövény gombás fertőzések elleni védekező mechanizmusában.

SIEGNEUR et al. (1990) publikációja a rezveratrol gyógyszertani hatását emeli ki, amely a szív- és érrendszeri megbetegedések elleni védőhatásban nyilvánul meg, s a vér HDL-koleszterinszintjének normalizálásán alapszik.

MATTIVI és NICOLINI (1993) a borkészítési technológiák hatását vizsgálta a borok rezveratrol tartalmára. Megállapította, hogy a vörösborok átlagosan 2,24 mg/dm3 transz-rezveratrolt tartalmaznak, ami egy nagyságrenddel magasabb, mint a fehérborok hasonló koncentrációja.

A rezveratrol dimer-származékairól (ε-viniferin) LANGCAKE és PRYCE (1977), a trimerekről (α-viniferin) PRYCE és LANGCAKE (1977), a tetramerekről (γ-viniferin) MATTIVI és REINIERO (1992) publikációi számolnak be.

Hazai vizsgálataink alapján megállapítható, hogy a szőlőbogyó héjában található transz-rezveratrol glükozid formában (a cukorrész tulajdonképpen glükuronsav) van, melyet piceidnek nevezünk (az angolszász irodalomban polidatin), melyből az alkoholos erjedés során az élesztő β-glükozidáz enzimaktivitása szabadítja fel a transz-rezveratrolt.

A botritiszes szőlőkben annak ellenére nem lehetett transz-rezvaratrolt kimutatni, hogy a stilbének koncentrációnövekedése a szakirodalom szerint válaszreakció kellene, hogy legyen a „fertőzés”-re.

A hazai „Borrégiók” esetében a transz-rezveratrol mennyiségéről az alábbi trend állapítható meg: Villány és Sopron tartalmazott figyelemreméltó mennyiségeket. Fajták esetében a trasz-rezveratrolt tekintve a sorrend: Merlot, Kékfrankos, Pinot Noir, melyek a legnagyobb mennyiségben tartalmaztak transz-rezveratrolt.

b) Flavonoid-fenolok (nem tannin-flavonoidok)

SINGLETON és ESAU (1969) vizsgálatai és kutatása szerint a bor fenolos anyagainak változása – illetve az ezzel összefüggő barnulási hajlam és egyéb érzékszervi elváltozások – a flavonoidok mennyiségére vezethető vissza. Így pl. a keserű, összehúzó íz is a flavonoid koncentrációtól függ.

Ebbe a csoportba tartoznak a katechin, leukoantocianin és az antocianin monomerek. Ezek a monomer molekulák a procianidinek építőköveinek tekinthetők, hiszen belőlük épülnek fel a különböző polimerizációs fokú származékok. Az alapvegyületeknek rendkívül sok típusa ismeretes, amelyek a különböző gyűrűkön előforduló hidroxilcsoportok számában és elhelyezkedésében, valamint ez utóbbiak metilálásában térhetnek el egymástól. A variációk számát növeli az a lehetőség, hogy a flavonoidok rendszerint glükozidjaik alakjában fordulnak elő.

A cukorrészek leggyakrabban az aglükonok 3-as, 5-ös és 7-es szénatomján lévő hidroxilcsoportok hidrogénjének cukorral vagy acilezett cukrokkal való helyettesítése révén kapcsolódnak. Az így létrejövő C-O-cukor, illetve C-O-acilezett cukor kötésekkel számtalan mono-, di- és poliglükozid-származék alakulhat ki. A kapcsolódó cukrok lehetnek monozidok (általában glükóz, galaktóz, ramnóz és arabinóz), biozidok (az előző monozidok és a xilóz koncentrációjából keletkeznek) és triozidok is.

Az acilezett cukrok acil részei elsősorban fenol-karbonsavak (p-kumársav, kávésav, ferulasav). A flavonoidok általános kémiai tulajdonsága, hogy könnyen oxidálhatók és jó fémmegkötő képességgel rendelkeznek, valamint könnyen reagálnak fehérjékkel és egyéb polimerekkel (pl. poliszacharidok).

Redukálóképességük az alapváz telítetlenségére, illetve a különböző helyzetű és számú hidroxilcsoportok oxidációs-redukciós mechanizmusára vezethető vissza.

Antioxidáns hatásukat indirekt módon is kifejthetik úgy, hogy az oxidációt katalizáló fémionokat (nehézfémek) kelátkomplex képződése közben megkötik.

Jellemző kémiai tulajdonságuk továbbá a kondenzációs reakciókra való hajlam, tehát a polimerizációs képesség.

Farmakológiai hatásuk a vér- és hajszálerek áteresztő képességének és törékenységének csökkentésében nyilvánul meg, ezért a gyógyászatban sikeresen alkalmazzák a kapillárvezérléssel kapcsolatos betegségek (retina- és vesevérzések stb.) gyógyításában.

A szőlő kiemelkedően gazdag flavonoid vegyületekben.

Katechinek (3-flavanolok). A vegyületek alapváza a 2-fenil-kromán (flavan)-váz. Vízoldhatók, hidrolízissel nem bonthatók le, tehát nem észter jellegűek, ezért kondenzált tanninoknak vagy flobatanninoknak nevezzük őket (17. képlet).

17. képlet

R = OH, R’= H: katechin,

R = R’ = OH: gallokatechin.

A katechinek tehát flavanol-3 alapvázú vegyületek. Kémiai neve 5,7,3’4-tetrahidroxi-flavanol-3. Összegképlete: C15H14O6. Két aszimmetriacentrummal rendelkezik.

A szőlőben – de más gyümölcsökben is – csak a (+)-katechin és sztereoizomerje, a (-)-epikatechin fordul elő. Térbeli szerkezetüket nézve a (+)-katechinben a két aszimmetriacentrumhoz kapcsolódó hidroxil- és dihidroxi-fenil-csoport transzhelyzetű, míg az (-)-epikatechinben ciszhelyzetű. A (+)-katechin vizes oldata melegítéskor (+)-epikatechinné izomerizálódik. Ez utóbbi vegyület monomer formában fordul elő a szőlőben, de a procianidin B-csoport egyes dimer-katechinjeinek alkotórésze is. A katechin származékai közül kisebb jelentőségű a (+)-gallokatechin és ennek sztereoizomerje az (-)-epigallokatechin, amelyek az alapvegyület galluszsav észterei.

A bor P-vitamin-aktivitása a katechin-koncentráció növekedésével egyenes arányban nő, az öregedéssel viszont csökken.

A fejlődésben lévő borokban egyszerű katechinek, gallokatechinek, valamint azoknak molekulárisan és kolloidálisan diszpergált átalakulási termékei találhatók.

Leukoantocianinok (3,4-flavandiolok). A leukoantocianinok a flavandiol-3,4 alapváz hidroxilezett származékai, színtelen vegyületek (18. képlet).

18. képlet

R = OH, R’ = H: leukoantocianidin,

R = R’ = OH: leukodelfinidin,

R = R’ = OCH3: leukomalvidin,

R = OCH3, R’ = OH: leukopetunidin,

R = OCH3, R’ = H: leukopeonidin,

R = R’ = H: leukopelargonidin.

Alkoholos sósavval melegítve antocianin-kloriddá alakulnak, amely vörös színű vegyület (ezen alapul meghatározási módszerük is) (19. képlet). Kísérletek alapján bizonyított, hogy az antocianinok bioszintézise a leukoantocianinokon keresztül történik. A szintelen leukoantocianinok dehidrogénezés révén flavonszármazékokká alakulnak át, majd ezekből dehidratálás és az ezt követő diszproporcionálódás útján antocianidinek és katechinek jönnek létre, íly módon proantocianinoknak is tekinthetők.

19. képlet

Borkémiai szempontból jelentőségüket a következők mutatják.

BATE-SMITH és SWAIN (1963) vizsgálatai szerint a leukoantocianidin és kondenzációs terméke, a tannoid, alkotják a borcserző anyag, az önotannin legnagyobb részét.

Fontos szerepet játszanak a bor derítésénél, mert a zselatint „kicsapják”.

Befolyásolják az érzékszervi tulajdonságokat, összehúzó ízük a polimerizációs fok függvénye.

Szerepet játszanak a bor P-vitamin-aktivitásában, valamint az óborok színének kialakulásában. GLORIES (1976) eredményei azt mutatják, hogy az öregedés során a tanninok polimerizációs foka nő.

A leukoantocianinokból képződő leukoantocianidinek a redoxfolyamatokban mint köztes oxidánsok szerepelnek, és mint antioxidánsok hatnak, megvédve a borokat az oxigén káros hatásától. Mennyiségük borokban 2 g/l körüli, a vörösborokban fordulnak elő nagyobb koncentrációban.

A flavonoidok főleg a héjban, a kocsányban és a magban találhatók, elsősorban monomer állapotban, esetleg dimer vagy trimer formában. (500–700 Dalton közepes molekulatömeg.) Innen jutnak tehát a mustba, illetve a borba, ahol a már említett problémákat okozhatják. A modern szőlőfeldolgozási technológiák lehetővé teszik a flavonoid-fenolok koncentrációjának fehérboroknál alacsony (<200 mg/l összes polifenol), illetve vörösboroknál megfelelő szinten tartását.

c) Tanninok

Hidrolizálható tanninok. A fenolkarbonsavak egymással vagy cukrokkal alkotott, észterszerű tulajdonságokkal rendelkező vegyületei.

Fajtái közül a legismertebbek a galluszsav, a digalluszsav – amely két molekula galluszsavból vízkilépéssel képződik –, az ellágsav és a penta-galloil-glükóz, ami 1 molekula glükóz és 5 molekula digalluszsav észtere. Ismertek még egyéb – különféle mértékben és módon galloilezett – 0-glükóz származékok is. Közös tulajdonságuk, hogy a szőlőben nem, de a borokból kimutathatók. Részben a tölgyfa hordókból, illetve a derítések során használt borászati csersavkészítményekből oldódnak a borba.

Nem hidrolizálható tanninok (procianidinek, kondenzált tanninok, tannin-flavonoidok). Ebbe a csoportba tartoznak a monomer-flavonoidok kondenzációs reakciók által képzett, különböző polimerizációs fokú és molekulasúlyú polimer vegyületei. Egyaránt megtalálhatók közöttük a kis kondenzációs fokú és molekulatömegű dimer, trimer, tetramer stb. vegyületek, amelyek vízben jól oldódnak és a cserzőanyagokra jellemző tulajdonságokat (összehúzó, fanyar íz, fehérjék kicsapása) hordoznak. Nagy polimerizációs fokú és molekulatömegű származékait flobaféneknek nevezik. Ezek jellemzői a vízben való rossz, alkoholban és lúgos közegben való jó oldhatóság. A fenolos hidroxilcsoportok nagy száma miatt könnyen oxidálódnak, aminek eredményeképpen kinoidális szerkezetű és oxidált formájú vörös, illetve sötétbarna színű polimerszármazékok keletkeznek.

A tanninok gátolják az enzimek működését, mivel denaturálják azok fehérjerészét (apoenzim). Ez az oka annak, hogy a must enzimaktivitása gyorsan csökken, a boroké pedig csekély. Ahhoz, hogy a tanninok stabil fehérjekomplexet képezzenek, viszonylag nagy molekulamérettel kell rendelkezniük, mert csak így képesek a szükséges kötésszámot kialakítani, ha azonban a molekula túlságosan nagy, térbelileg gátolt a komplex kialakulása. Az optimális molekulatömeg 500–3000 Dalton.

Procianidinek. A tannintípusú polifenolok 2–6 egységből álló oligomerjei.

A szőlő fenolos vegyületei és minőségi összetételük meghatározó jelentőségűek a borminőség szempontjából. Fontos szerepet játszanak a stabilitásban és az érzékszervi tulajdonságok (szín, íz) alakulásában. Bizonyítást nyert, hogy a szőlő fenolos vegyületei közül a procianidinek prekurzorai, a monomer katechinek határozzák meg döntően a színintenzitást, és árnyalatot, továbbá felelősek – fehérborok esetében – az oxidációs folyamatok hatására bekövetkező színmélyülésért is. Komoly szerepet játszanak a bor tisztaságában, stabilitásában, s okozói lehetnek a kellemetlen, összehúzó, fanyar ízérzetnek is. A szőlő fenolos vegyületei különböző mennyiségi és minőségi összetételben találhatók meg az egyes fürtrészekben. A bortechnológiai szempontból fontos szerepet játszó procianidinek és ezek prekurzorai a (+)-katechin és a (-)-epikatechin elsősorban a héj-, a mag- és a kocsányrészekben fordulnak elő, míg az egyszerű fenolok (kávésav, p-kumársav, ferulasav, klorogénsav stb.) legnagyobb koncenrációban a bogyóhúsban (lében) találhatók. A borok fenolösszetétele tehát elsősorban az alkalmazott szőlőfeldolgozási- és borkészítési technológia függvénye.

A szőlő fenolos vegyületei jelentős élettani hatásúak. A régebbi irodalmi utalások elsősorban a baktericidhatást, illetve a P-vitamin-aktivitást emelik ki. Napjaink kutatásai (elsősorban francia és olasz kutatók tudományos közleményei) beszámolnak a procianidinek és a rezveratrol szív- és érrendszeri betegségek elleni védőhatásáról. Ezek szerint a vérben gyorsítják a koleszterin kiürülését, valamint stabilizálják az érfalak rugalmasságát biztosító rostokat, megakadályozva ezzel az érszűkület, illetve a szívinfarktus kialakulását (6. ábra).

6. ábra - Összefüggés a borfogyasztás és a szív-érrendszeri megbetegedésekből származó halálozás között

kepek/6-abra.png


PERI és POMPEI (1971) csoportosítása szerint a procianidinek a tannin-fenolok vagy más néven kondenzált tanninok csoportjába sorolhatók (7. ábra).

7. ábra - Fenolos vegyületek csoportosítása (Peri és Pompei alapján, 1971)

kepek/7-abra.png


A procianidinek tulajdonképpen a (+)-katechin és a (-)-epikatechin egymással kondenzációs reakciók során képzett oligomer származékai. Polimerizációs fokuk a dimerektől a hexamer állapotig változik.

A procianidinek prekurzorainak térbeli szerkezetét a 8. ábrán mutatjuk be. A (+)-katechinben a két aszimmetria centrumhoz kapcsolódó hidroxil-fenil-csoport transz-helyzetű, míg az (-)-epikatechinben cisz-helyzetű.

8. ábra - A procianidin-dimerek prekurzorjainak szerkezeti képlete és térszerkezeti struktúrája

kepek/8-abra.png


A procianidin B-csoportot alkotó, dimer komponensek szerkezetét, valamint az ezeket alkotó monomer katechineket, illetve ezek kapcsolódási helyét a 9. ábra mutatja.

9. ábra - A procianidin-dimerek (B-csoport) szerkezeti képlete

kepek/9-abra.png


A procianidin trimereket (C-csoport) alkotó katechin-sztereoizomerek – (+)-katechin és (-)epikatechin – lehetséges kapcsolódásait toluol-tiol reagens alkalmazásával állapították meg a procianidin-frakciók savas hidrolízise utáni származékképzéssel és kromatográfiás végpontjelzéssel. A lehetséges típusok szerkezeti képleteit szemléltető séma szerint az alábbi kapcsolódási variációk (8 féle) lehetségesek (10.ábra). Néhány trimer szerkezeti képletét a 11. ábra mutatja.

10. ábra - A procianidin-trimereket (C-csoport) felépítő (+)-katechin és (-)-epikatechin molekulák elméletileg lehetséges (8-féle) kapcsolódási variációi

kepek/10-abra.png


11. ábra - A fontosabb procianidin-trimerek (C-csoport) szerkezeti képlete

kepek/11-abra.png


A procianidinek bioszintézise tehát – a kiindulási vegyület minősége szerint – két úton történhet:

1. A kiindulási vegyület monomer katechin, illetve ennek valamilyen származéka, amely először heterociklusos hidrolitos hasadást szenved. A reakció második lépcsőjében ezt követi egy másik molekula katechinnel lejátszódó kondenzációs reakciója, amelynek végterméke a procianidin-dimer molekula.

Analóg módon képződik a trimer, tetramer, pentamer stb. származéka is (12. és 13.ábra).

12. ábra - A procianidinek szintézise

kepek/12-abra.png


13. ábra - A procianidin-trimerek katechinből való képződésének mechanizmusa

kepek/13-abra.png


2. Képződhetnek leukoantocianidinekből kiindulva is, a következő átalakulási séma szerint (14. ábra). Az első lépésben a leukoantocianidin 3-keto-flavan-származékká dehidratálódik, majd az ezt követő diszproporcionálódás után antocianidinek és katechinek keletkeznek. Ez utóbbiakból az előzőekben ismertetett mechanizmus szerint – kondenzációs reakció során – procianidinek keletkeznek.

13. ábra - A procianidin-trimerek katechinből való képződésének mechanizmusa

kepek/13-abra.png


Ahogy fentebb említettük, a dimerek, trimerek átlagos molekulatömege 500–700 D (mustok, újborok), míg az idősebb borokban nem ritka a 10 vagy több tagból álló polimer jelenléte sem (átlagos molekulatömeg 2000–3000 D). A kondenzáció egyik flavanoid molekula 4-es és a másik C-8, illetve C-6 atomja között jön létre. Így a dimerek esetében öt aszimmetriacentrum alakul ki, amely elméletileg 32 optikailag aktív formát jelent (15. ábra).

15. ábra - Procianidin-dimer

kepek/15-abra.png


A már kondenzált molekulán belül ismét a C-4 reagál a monomer C-8, illetve C-6 atomjával (16. ábra). A procianidinek és prekurzorai a (+)-katechin és a (-)-epikatechin különböző mennyiségben találhatók a szőlőfürt részeiben. Legnagyobb koncentrációban a magban, a kocsányban és a héjban fordulnak elő, de kis mennyiségben jelen vannak a bogyóhúsban is. Hazai vizsgálatok (KÁLLAY, 1995) szerint a koncentrációk megoszlása:

must < héj < kocsány < mag.

16. ábra - Procianidin-tetramer (flavolan)

kepek/16-abra.png


A borokban kialakuló mennyiségük és minőségi összetételük elsősorban az alkalmazott szőlőfeldolgozási technológia függvénye. A lékinyerést jellemző cefre extrakció időtartama és hőmérséklete, a pektinbontó enzimkezelés, a szén-dioxid-maceráció és a hiperoxidáció meghatározó jelentőségű a bor fenolos vegyületeinek összetétele szempontjából (17–20. ábra).

17. ábra - 1992-es évjáratú, síkvidékről származó szőlő fürtösszetétele

kepek/17-abra.png


18. ábra - 1992-es évjáratú, síkvidékről származó szőlő fürtösszetétele

kepek/18-abra.png


19. ábra - 1992-es évjáratú, síkvidéki Kadarka fürtösszetétele procianidin szempontjából

kepek/19-abra.png


20. ábra - 1992-es évjáratú, síkvidéki Kadarka fürtösszetétele a procianidinok szempontjából

kepek/20-abra.png


Polifenolok bioszintézise

A magasabb rendű növények – így a szőlő is – igen gazdagok aromás vegyületekben, amelyek nagy csoportját a fenolos vegyületek alkotják. Keletkezésük a növényben többféle úton mehet végbe. A két legfontosabbat emeljük ki: a sikiminsav-utat és az acetát-malonátos utat. A fenolvegyületek bioszintézisének általános vázlatát a 21. ábra mutatja be.

21. ábra - A fenolvegyületek bioszintézisének általános vázlata (Lásztity, 1981)

kepek/21-abra.png


A fotoszintézisben megkötött szén mennyiségének kb. 1/60-ad része fordítódik a flavonoidok képződésére. Az arányból következtethetünk ezen vegyületek fontosságára (GOODWIN, 1976).

Általánosságban három fő lépést különböztethetünk meg. Először a C6-C3-C6 váz alakul ki, amelyhez a sikiminsav-úton keletkezett aromás vegyületek szolgálnak kiindulópontul. Ezt követően létrejönnek a nagy csoportok, majd a csoportokon belül az egyes vegyületek (22. ábra), melynek során -OH, -OCH3-csoportok kialakulása, illetve a cukrok kapcsolódása jelenti a főbb reakciókat. A C6-C3-C6 váz kialakulását a közti termékek elkülönítésével, meghatározásával és az enzimek azonosításával végezték el (Gombkötő et al., 1985).

22. ábra - Főbb polifenolcsoportok kialakulásának vázlata

kepek/22-abra.png


a)A sikiminsav-út

A szintézis legfontosabb útja a sikiminsav-út, amely a folyamat egyik köztes vegyületéről, a sikiminsavról kapta a nevét. A reakcióút jelentőségére utal az a tény, hogy a polifenolok mellett három fontos aminosav (triptofán, fenilalanin és a tirozin) szintén ezen az úton szintetizálódik.

A magasabb rendű növényekben a sikiminsav-út szabályozásának problémája vitatott. OSIPOV (1984) a nyitvatermőkkel kapcsolatban végzett ezirányú kutatásokat. A feldúsult sikiminsav tárolása a fiatal tűlevelekben a sikiminsav-kináz szabályozó funkciójának köszönhető, amely összhangban van a sejt energiaállapotával. Megállapította, hogy a kinasav sikiminsavvá való átalakításáért felelős kinasav-dehidrogenáz enzim stabilizálni képes a sikiminsav felé való szénatom áramlás mértékét, ezáltal hatással van az aromás aminosavak és a hidroxi-benzoesavak bioszintézisére.

A szintézis első lépése a pentózfoszfát-körben keletkező eritróz-4-foszfát és a glükolizisben keletkező foszfoenol-piroszőlősav (PEP), vagyis a C3 és a C4 egységek kapcsolódása. Ezt követi gyűrűzáródással a sikiminsav kialakulása, amelyhez egy második C3 egység (PEP) kapcsolódik. Így jutunk el a korizminsavhoz, ami után a szintézis két úton folytatódhat (23., 24. ábra).

23. ábra - A sikiminsav-út vázlata

kepek/23-abra.png


24. ábra - A sikiminsav reakcióút elágazása a korizminsavnál

kepek/24-abra.png


Az egyik út a prefénsavon keresztül vezet a fahéjsavhoz és a p-kumársavhoz, a másik úton a triptofánhoz és az indolauxinhoz jutunk.

A fahéjsav és származékai. A fahéjsav közvetlen előfutára a fenilalanin, amit a fenilalanin-ammónia-liáz (FAL) alakít át fahéjsavvá (25. ábra). A 14C-izotópot tartalmazó fenil-alanin felhasználásával végzett kísérlet (HARBORNE, 1967) igazolta, hogy a flavonoidok bioszintézise a magasabb rendű növényekben és a mikroorganizmusokban hasonló módon megy végbe.

25. ábra - Transz-fahéjsav képződése L-fenilalaninból

kepek/25-abra.png


A glükozidok kialakulása. A flavonoid aglükonokat flavonoid-7-o-glikozil-transzferázok alakítják át glükozidokká. A cukormolekula, elsősorban a glükóz a 7 C-atomhoz épül be a Vitis vinifera esetében. Az interspecifikus szőlőfajták esetében két cukormolekula beépülése megy végbe a 7-, majd a 3-C atomon.

A p-kumársav tirozin-ammónia-liáz enzim segítségével szintetizálódik a tirozinból. A flavonoidok általában C-4’ pozicióban hidroxilcsoportot tartalmaznak. Ez arra utal, hogy a további reakciókban nem a fahéjsav, hanem inkább a p-kumársav vesz részt. A fahéjsavat p-kumársavvá a fahéjsav-4-hidroxiláz enzim alakítja át. Ezt a folyamatot a 26. ábra mutatja. Az enzim vegyes funkciójú oxidáz, amely működéséhez molekuláris oxigént és NADPH jelenlétét igényli. Optimális működéséhez 2-merkapto-etanol is szükséges.

A flavanoidszintézis önszabályozó voltával áll összefüggésben az a tény, hogy az enzim aktivitása a fahéjsavval szemben a legnagyobb, valamint a p-kumársav már kis koncentrációban is gátolja a reakciót.

26. ábra - Kumársav képződése fahéjsavból

kepek/26-abra.png


A fahéjsav-származékokhoz egyszerű szubsztitúciós lépésekkel jutunk el (27. ábra).

27. ábra - Fahéjsav-származékok képződésének sémája

kepek/27-abra.png


Fenolkarbonsavak és az egyszerű fenolok. A fenolkarbonsavak (pl. a galluszsav, protokatechusav) és az egyszerű fenolok (p-hidroxi-benzoesav, vanillinsav, sziringinsav) a fahéjsavak oldalláncainak részleges vagy teljes lebomlásával jönnek létre (28. ábra - Szalai, 1985)

28. ábra - A fenolkarbonsavak és az egyszerű fenolok képződésének sémája

kepek/28-abra.png


b) Az acetát-malonátos út

Ezen az úton keletkeznek a flavonoidok. A szintézis helye a citoplazmában található, majd onnan vándorolnak a vakuólumban. Először a C3-C6-C3 váz alakul ki, amelynek létrejöttében CoA-SH tioészteren keresztül malonil-CoA és fahéjsav- vagy p-kumársavészterek vesznek részt. A tioészter kialakulásakor az aktiváló szerepet az ATP tölti be:

p-kumársav + ATP → p-kumársav-AMP + PPi.

Az így aktivált kumársav reakcióba lép a CoA-SH-val:

A p-kumársav-AMP + CoASH → p-kumársav-CoA + AMP.

A kalkon kialakulása. A p-kumarolil-, vagy a fahéjsav-CoA és a malonil-CoA kondenzációja kalkont eredményez, amelyet a kalkon-szintetáz enzim katalizál (29.ábra). Ez a köztes termék flavanonná alakul át, amelyet a kalkon-flavanon szintetáz irányít. Az enzim külön aktivátort nem igényel, a kalkon gyűrűjében levő OH- csoportok száma az enzim aktivitását nem befolyásolja.

29. ábra - C3-C6-C3 váz kialakulása

kepek/29-abra.png


A flavonoidok kialakulása. A flavonoidok többsége hattagú heterociklikus gyűrűt tartalmaz. Ezek szintézise azonban nem a flavanonból, hanem a kalkonból indul ki:

30a. ábra - A flavonoidok kialakulása

kepek/30-a-abra.png


A szintézis e szakaszát monooxidáz, dehidrogenáz típusú enzimek katalizálják. A flavánvázas származékok szintézisének útjait a 30. ábra mutatja be.

30b. ábra - A flavánvázas származékok színtézisének útjai

kepek/30-b-abra.png


OH-csoportok beépülése. A B gyűrű 4’ helyén az OH-csoport még a folyamat elején, a fahéjsav hidroxilezése révén kerül a szerkezetbe. A további OH-csoportok bevitelét a polifenoloxidázok (pl. katechinoxidáz, monofenol-, polifenoloxidáz, tirozináz) katalizálják. Ezek az enzimek a második OH-csoportot orto-helyzetbe építik be (a 3’-helyre).

OCH3 csoportok beépülése. A flavonoidok OH-csoportok mellett OCH3-csoportokat is tartalmaznak. A metilezési reakció kalkon-szinten valósul meg. A folyamatot a (3’)-ometil-transzferáz enzim katalizálja (31. ábra).

31. ábra - Flavonoidok metilezési reakciójának vázlata (Ar: aril-csoport)

kepek/31-abra.png


Színanyagok

Antocianinok

A kékszőlők és a vörösborok színét dominánsan a vízoldható antocianinok határozzák meg. A borba a szőlőből kerülnek, ahol mennyiségük változó, az évjárattól függ. Míg a flavonoidok a héjban és a bogyóhúsban találhatók, az antocianinok – ritka kivételtől (direkttermők) eltekintve – a héjban, az epidermisz alatti 3–4 sejtsorban helyezkednek el.

Az erjedés során az alkohol, illetve a melegítéses technológia során a hő hatására a színanyagokat tartalmazó „tasakok” felrepednek, az antocianinok kémiailag változatlanul kerülnek át a mustba, majd a borba.

Az antocianinok kémiailag a 2-fenil-benzo-pirillium-glikozid származékai (20. képlet). Az aglükon részt antocianidineknek nevezzük.

20. képlet

A flaviliumváz savas közegben ionos szerkezetű, amelyet általában klorid formában ábrázolhatunk, a 21. képlet szerint. Az antocianinok a természetben heterozid-állapotban vannak jelen, a cukorgyököket a 3-as, ritkábban az 5-ös szénatom köti meg.

21. képlet

Az antocianinok vízben oldódnak, az antocianidinek (aglükonok) nem. A cukor rész tehát az oldhatóságot javítja, illetve megvédi az érzékeny antocianidint a különböző kémiai vagy enzimes behatásoktól (pl. oxidáció).

A leggyakrabban előforduló cukrok a glükóz, a galaktóz, a ramnóz és az arabinóz. Az egyéb gyümölcsökben – mint pl. a bodza – az aglükonhoz kapcsolódó cukorként diszacharidok is előfordulhatnak.

Az antocianinok savas hidrolíziskor vagy enzimes behatásra monoszacharidra és aglükonra bomlanak. Az antocianidinek felépítésében a flaviliumváz közös, egymástól csak a laterális helyzetű fenilcsoport fenolos hidroxiljainak számában és azok észterezettségi fokában különböznek.

A természetben megtalálható 6 antocianinról azt tartották, hogy a kékszőlőben, illetve a vörösborban 5 fordul elő közülük (22. képlet).

22. képlet

A legújabb vizsgálatok szerint a pelargonidin, illetve a származékai is megtalálhatók a szőlőben és a mustban, legfeljebb az erjedés során átalakulnak vagy kicsapódnak:

R = R’ = OH: delfinidin,

R = OCH3; R’ = OH petunidin,

R = R’ = OCH3: malvidin,

R = OCH3; R’ = H: peonidin,

R = OH; R’ = H: cianidin,

R = R’ = H: pelargonidin.

A Vitis nemzetség fajtáiban 6–10 heterozidot azonosítottak, amelyek monoglükozidok, diglükozidok, illetve azok acilezett származékai lehetnek (az acilezett származékokban általában a p-kumársav kapcsolódik a cukorészterhez). Ezeket a vegyületeket a következő képletekkel mutatjuk be (23., 24., 25. képlet).

23. képlet

24. képlet

25. képlet

Az európai kékszőlők színét a monoglükozidok adják, nagyobb mennyiségű diglükozid direkttermő jelenlétére utal. A monomer antocianinok koncentrációja a különböző kémiai átalakulások miatt az érlelés során fokozatosan csökken, az idősebb vörösborok színének kialakításában a katechinek és a leukoantocianinok kondenzációs termékei is szerepet játszanak.

Az antocianinok bioszintézise

Bár a flavonol – antocianidin átalakulás mechanizmusa még nem teljesen tisztázott, valószínű, hogy a flavonol először flavan-3,4-diollá redukálódik, amely később antocianidinekké oxidálódik (GEISSMAN, 1962). A mechanizmust a 32., 33. ábra szemlélteti.

32. ábra - Az antocianidinek keletkezésének feltételezett mechanizmusa I.

kepek/32-abra.png


33. ábra - Az antocianidinek keletkezésének feltételezett mechanizmusa II.

kepek/33-abra.png


A szőlő érése kezdetén, normális környezeti feltételek mellett, a kék borszőlőkben az antocianintartalom emelkedése figyelhető meg (7. táblázat). A szintézis a bogyóhéjban megy végbe, kezdete 2–3 héttel megelőzi a zsendülést, a héj látható elszíneződését (DARNE, 1988). Ezzel a folyamattal egy időben a magban, a szőlőbogyó érése előtt felhalmozódott procianidintartalomban csökkenés tapasztalható, egészen addig, amíg az el nem ér egy alacsony, de stabil szintet, amely az érett szőlőmagra jellemző (DARNE, 1991).

7. táblázat - Kékszőlő-fajták átlagos bogyósúlya és antocinin-koncentrációja

Fajta neve

Bogyósúly

(g/100 bogyó)

Antocianinkoncentráció

(g/kg bogyó)

Cabernet Sauvignon

148,0

1,03

Teltfürtű Kékfrankos

215,0

1,07

Zweigelt

247,0

1,02

Kármin

188,0

1,35

Kurucvér

178,0

5,10

Médea

135,0

5,90


DARNE (1993) kutatási eredményei alapján megállapítható, hogy az antocianinok szintézise a növényi szervtől függően két úton történhet.

A levelekben: ősszel a vegetáció megszűnése utáni folyamatok megzavarják a levelekben történő metabolizmust. Az antocianinok szintézise ilyen körülmények között a cukrokból indul ki, amelyek már nem szállítódnak a szőlőbogyó felé. Többségében a legkevesebb szubsztituenst tartalmazó cianidin- és peonidin-molekulák képződnek. Ezzel egy időben ezen vegyületek feldúsulása mellett a flavandiolok koncentrációjának növekedése is megfigyelhető.

A szőlőbogyóban: a bogyóhéjban található antocianinok szintézisének kiinduló vegyületei valószínűleg a zsendülést megelőző időszakban, a magban felhalmozódott procianidinek és nem a bogyóban található szénhidrátok, mint ahogy azt eddig hitték (PIRIE és MULLINS, 1976, 1980).

A szintézis során legelőször a legkomplexebb vegyületek, vagyis a malvidin és a delfinidin jön létre, amelyek három szubsztituenst tartalmaznak.

Élettani szempontból az antocianidinszintézis intenzitása szorosan összefügg a magból történő, a terméskötés és a zsendülés közötti időszakban felhalmozódott procianidinprekurzor-szállítással.

A zsendülés előtt kb. 3 héttel a bogyóban nemcsak a fenolok metabolizmusában résztvevő enzimek aktivitása növekszik, mint pl. a fenilalaninammónia-liázé (HRAZDINA et al., 1984), hanem ez a kezdete az abszcizinsav (ABA) felhalmozódásának is, amely egészen a zsendülés végéig tart (BROQUEDIS, 1987). Szoros összefüggés figyelhető meg az antocianinszintézis és a bogyóban lévő ABA koncentrációjának növekedése között.

Az antocianinok kémiai tulajdonságai

Borkémiai szempontból a következő lényeges tulajdonságokat szükséges megemlíteni:

a) Gyengén savas közegben a piros színű forma reverzíbilis egyensúlyban van a színtelen formával. Az egyensúlyi helyzet a pH függvénye. Egyszerűbben: színük savas közegben vörös, növekvő pH mellett színtelen, majd kék (26. képlet).

ahol:

1 = malvidin (flavilium),

2 = pszeudobázis (enol forma),

2’ = pszeudobázis (keto forma),

3 = bázisanhidrid,

3’ = bázisanhid (kalkon forma).

26. képlet

b) Az SO3H--ionok kondenzálódnak az antocianinokkal. Reverzíbilis reakció során színtelen vegyület keletkezik (27. képlet). Ezzel magyarázható a vörösborok kénezés utáni időszakos elszíntelenedése.

27. képlet

Az SO3H--anion támadási pontja az elektrofil centrummal rendelkező antocianin-kation.

c) Az antocianinok elszíntelenedését redukció is okozhatja. Az átalakulás mechanizmusa még nem tisztázott, feltételezések szerint a központi heterociklus kettős kötése redukálódik (28. képlet).

ahol:

1 = malvidin (antocianidin),

2 = flavén-2,

3 = dihidrokalkon.

28. képlet

d) Az antocianinkomponensek azonosítása szempontjából érdekes, hogy az oldalsó benzolgyűrűn orto-helyzetben két hidroxilcsoportot tartalmazó vegyületek (delfinidin, petunidin, cianidin) etanolos AlCl3-dal kék színű komplexet képeznek (29. képlet).

29. képlet

Az antocianinvegyületek stabilitását illetőleg általánosságban meg kell említeni, hogy az aglükon az, amely érzékeny a különböző kémiai behatásokra. Eszerint tehát az aglükon rész okozta barnulást, elszíneződést meg kell, hogy előzze a mono- vagy diglükozidmolekula kémiai vagy enzimes hidrolízise. Érdekességképpen itt említhetjük meg, hogy élettani hatás szempontjából éppen az aglükonnak van baktericid hatása. A specifikus enzimreakciókat nem beleértve (amelyek általában ritkábban, csak mikrobiológiailag „szennyezett” közegben játszódnak le) a diglükozidok az ellenállóbbak a különböző kémiai, fizikai (pH, hőmérséklet stb.) behatásoknak, valószínűleg sztereokémiai, kvantumkémiai okok miatt.

A további reakciókat a borok kémiai összetételének tárgyalásakor ismertetjük.

Zöld és sárga színezékek

A szőlő zöld és sárga színezékeit a klorofill, a karotin, a xantofill és különböző flavonok, flavonszármazékok képezik. A levelekben és zöld növényrészekben a színtelen kromatofórákban a fény hatására zöld színezék képződik. A zöld színű, gömb vagy tojás alakú testecskék a kloroplasztok, ezek alapanyaga színtelen és a klorofill nevű színezék sok zöld, olajos cseppjét tartalmazza. Emellett a klorofilltestecskékben sárga (xantofill) és narancsvörös (karotin) festékanyag is van. Mindegyik festékanyag alkoholban oldható.

A növényi klorofill két alkotórészből áll: a klorofill „a”-ból (kékeszöld) és klorofill „b”-ből (sárgászöld). Közel három molekula klorofill „a”-ra esik egy molekula klorofill „b”.

A klorofill „a” tapasztalati képlete: C55H72O5N4Mg. Jellegzetes szerkezeti képlete egy dihidroporfirin-gyűrű, egybeépített izociklikus gyűrűvel.

A klorofill „b” tapasztalati képlete: C55H70O6N4Mg. Szerkezeti képlete csak annyiban különbözik a klorofill „a”-étól, hogy a 3. szénatomhoz metilcsoport helyett formilcsoport kapcsolódik.

A klorofill savak hatására könnyen bomlik. Már a savas sejtnedv hatására is barna színű lesz, amint az a levelek száradásakor, az őszi levélbarnuláskor tapasztalható. A szőlőbogyó érésekor, puhulásakor a klorofilltartalom csökken, de csak a teljes érés vagy a túlérés idején tűnik el egészen. Ekkor a bogyó héjában sárgászöld, sárga és barnás színű anyagok találhatók.

Még nem teljesen tisztázott, hogy ezek az anyagok a klorofill bomlástermékei, kísérő anyagai vagy pedig egyéb, a xantofillal vagy karotinnal rokon vegyületek. Ezek az anyagok adják részben a szőlő aranysárga színét és belekerülnek a mustba, valamint a borba is.

A karotinoidok csoportjába tartozik a szőlő két sárga színezéke, a karotin és a xantofill. A karotinizoprén-egységekből álló szénhidrogén: C40H56, amelyben két nem aromás gyűrű metilcsoporttal szubsztituált konjugált kettőskötésű láncot fog közre. Három izomerje van: az α-, β- és a γ-karotin. A β-karotin az A-vitamin provitaminja.

A xantofill (lutein) az oxigéntartalmú karotinoidok csoportjába tartozik (C40H56O2), és mint a karotin oxidja fogható fel. Valamennyi karotinoid kénsavban indigószínnel oldódik.

A flavonok és flavonszármazékok is igen elterjedt sárga szinezékek a növényvilágban. A szőlőben is megtalálhatók. A γ-pironból vezethetők le, az antocianinokhoz hasonló vegyületek, de nincs ionos sajátságuk (30. képlet).

30. képlet

Ezek az anyagok jelen vannak a mustokban és a fehér-, illetve vörösborokban is. A flavonok esetében, úgy látszik, egyszerűbb a helyzet, mint az antocianinoknál, mivel ez idáig a szőlőben csak egy ilyen anyagot identifikáltak: a kvercetint, illetve ennek ramnozidját, a kvercitrint(31. képlet).

31. képlet

A kvercetin a szőlőben főleg glükozid formában található, amely az erjedés alatt részben bomlik. A kvercetin koncentrációja vörösborokban néhány tíz mg/l, fehérborokban általában 10 mg/l alatti.

A kvercitrinnél a 3. szénatom OH-csoportjához kapcsolódik a ramnóz. A sárga flavonpigmentek a zsendüléskor jelennek meg a szőlőbogyóban, mennyiségük a teljes érésig nő. A flavonok a bogyó héjában és húsában is megtalálhatók, bekerülnek a mustba és a borba is.