Ugrás a tartalomhoz

Borászati kémia

Kállay Miklós

Mezőgazda Kiadó

Az alkoholos erjedés

Az alkoholos erjedés

A mustban található erjeszthető cukrok közül a glükóz és a fruktóz koncentrációja számottevő. A teljesség kedvéért meg kell említenünk, hogy a mustban néhány grammos mennyiségben szacharóz is található, ezt azonban még az erjedés beindulása előtt a szőlőből származó invertáz enzim elbontja. (A borélesztők is rendelkeznek extracelluláris invertáz aktivitással.)

A hexózok átalakítása alkohollá, illetve szén-dioxiddá a glikolízis vagy más néven az ún. Embden Meyerhof Parnass- (EMP-) reakcióút során történik meg.

A glikolízis során a glükóz és a fruktóz piroszőlősavvá (piruvát) alakulnak, amelyből aztán végső soron az etanol képződik. Az alkoholos erjedés reakcióegyenlete Gay-Lussac szerint a következő:

C6H12O6 → 2 CH3-CH2-OH + 2 CO2 + hő.

A glikolízis során képződött piroszőlősav dekarboxileződik acetaldehiddé, amely a NADH2 által katalizált reakcióban alkohollá redukálódik.

A NADH2 a glicerinaldehid-3-foszfát oxidációja során keletkezik.

A két reakció egy redoxrendszert képez; ha a NADH2 nem oxidálódna újra, „leállna” a glikolízis folyamata, amint végbement az összes NAD redukciója.

A must borrá erjedése azonban sohasem jelent „tiszta” alkoholos erjedést, mivel nem mindegyik cukormolekula követi a Gay-Lussac-egyenletet, mivel egy részük az ún. glicerin-piroszőlősavas erjedésen megy át a Neuberg-egyenlet szerint:

C 6 H 12 O 6 cukor CH 2 OH–CHOH–CH 2 OH glicerin + CH 3 –CO–COOH piroszőlősav

Az így képződött piroszőlősav esetenként acetaldehiddé dekarboxileződik, de nem használódik teljes egészében alkoholképződésre, hanem számos másodlagos termék prekurzora lesz, amelyek az anaerob fázisban képződnek.

A glikolízis, illetve az alkoholos erjedés során 2 molekula ATP keletkezik. A borélesztők által „végzett” alkoholos erjedés teljes kémiai anyagmérlege tehát a következő:

C6H12O6 + 2 ADP + 2 H3PO4 → 2 CH3-CH2-OH + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H2O

Energetikai szempontból vizsgálva a fentieket, egy molekula hexóz alkohollá és szén-dioxiddá alakításához, szükséges szabad energiaváltozás 40 Kcal (168 KJ). Egy, az ATP-ban lévő foszfátkötés kialakításához 7,3 Kcal (30,7 KJ) energia szükséges, két kötés 14,6 Kcal-t (60,4 KJ) igényel.

Ez az az energia, amely az élesztők életfeltételeinek biztosítására szolgál, különös tekintettel a szaporodásra, ugyanis az élesztők kizárólag az ATP-ből nyerik az ahhoz szükséges energiát.

A maradék (40 - 14,6 = 25,6 Kcal) (107,5 KJ) hő formájában szabadul fel, felmelegítve az erjedő közeget.

Egy 18% cukrot tartalmazó must (1 mól/l cukorkoncentráció) alkoholos erjedése nyomán 25,6 °C-os hőmérséklet-növekedés következne be, ha a képződött hő nem távozna a környezetbe.

A hexózok aerob fázisban történő biológiai degradációja során

(C6H12O6 → 6 CO2 + 6 H2O) a NADH2

visszaoxidálása a levegő oxigénjével, illetve a piroszőlősav oxidációja a citromsav-körben (Krebs-ciklusban) hexózmolekulánként jelentős (kb. 38 ATP egyenérték mértékű) energia-visszanyerést tesz lehetővé.

Az energia, amely egy molekula cukor „elégetésekor” szabadul fel, 686 Kcal-val (2881 KJ) egyenlő. Ebből 38 x 7,3 = 227,4 Kcal (955 KJ) áll rendelkezésre az élesztők életműködésének biztosítására.

Érthető tehát, hogy miért mondják az erjedésről, hogy „rossz energiahasznosító”, és miért fogyaszt kevés élesztő sok cukrot.

Az egy molekula cukor biológiai oxidációjakor nyert 686 Kcal (2881 KJ) energiával szemben az alkoholos erjedés során csak 40 Kcal (168 KJ), azaz 5,8% szabadul fel, amelyből mindössze 14,6 Kcal (60,4 KJ), azaz az egésznek 2,1%-a raktározódik ATP formájában az élesztők számára felhasználhatóan.

Az aerob fázisban – ahogy azt előzőekben már említettük – 277,4 Kcal (1165 KJ) energia raktározódik ATP-formában, azaz egy molekula hexóz teljes oxidációjakor a nyerhető összes energia 40,4%-a használható fel az élesztők élettevékenységének biztosítására.

Összefoglalva tehát úgy is fogalmazhatunk, hogy az erjedés kifejezés olyan biokémiai folyamatokat jelent, amelyek az energia rossz kihasználásával jellemezhetők azzal a következménnyel, hogy a sejtnek saját súlyához képest sok szubsztrátumot (cukrot) kell lebontania életműködési feltételeinek biztosításához.

Az erjedés fázisai, részreakciói

Az alkoholos erjedés mechanizmusa mintegy harminc, egymás után bekövetkező reakciót foglal magában, amelyeket különböző – részben az előzőkben ismertetett – enzimek katalizálnak.

A borászat számára elengedhetetlenül fontos az erjedés részfolyamatainak és a másodlagos termékek képződésének ismerete, hiszen főként ezek során alakulnak ki a bor alkotórészei. Ahogy fentebb már említettük, a cukrok bontása a glikolízisnek nevezett folyamattal indul:

1. Foszforsavészterek képződése

A hexózok foszforizálása során végül fruktóz-1,6-difoszfát alakul ki (48. ábra).

48. ábra - Foszforsavészterek kialakulása

kepek/48-abra.png


A Neuberg-észter tulajdonképpen a glükóz-fruktóz-mannóz-6-foszfátok közös enol alakja, amely a foszfohexokináz-enzim hatására köt meg egy újabb foszfátgyököt és alakul át 1,6-difoszfáttá.

Ebből következően tehát az energiafelhasználást 2 ATP → 2 ADP átmenet reprezentálja.

2. Trióz-foszfátok képződése

A második fázisban a hexóz-1,6-foszfát molekula 2 db három szénatomos molekulára – triózokra – bomlik.

A hasadást az aldoláz, a triózok egymás közötti izomerizációját az izomeráz-enzim katalizálja (49. ábra).

49. ábra - Triozfoszfátok képződése

kepek/49-abra.png


Az egyensúlyi állapot a dihidroxi-aceton-foszfát felé van eltolva, a további reakciókban mégis a glicerinaldehid-3-foszfát vesz részt, tehát ez a vegyület az erjedési mechanizmus egyik sarokpontja, alapvető átmeneti terméke.

3. A piroszőlősav keletkezése

Ebben az oxidációs fázisban a NAD+ a hidrát formában lévő glicerinaldehid-3-foszfátot glicerinsav-3-foszfáttá oxidálja, miközben az oxidációs energia lehetővé teszi egy molekula ATP képződését ADP-ből és szervetlen foszfátból. A glicerinsav-3-foszfátból glicerinsav-2-foszfáton keresztül vízelvonással piroszőlősav (piruvát) keletkezik.

A reakciósort a mutáz-, enoláz- és foszfatázenzimek katalizálják (50. ábra).

Az enolos hidroxilcsoportban lévő energiadús foszfátkötés lehetővé teszi az egy molekula ADP-vel való reakciót ATP keletkezése közben, valamint a piroszőlősav enol formában való felszabadulását, amely a keto formával tart egyensúlyt.

50. ábra - A piroszőlősav keletkezése

kepek/50-abra.png


Energetikailag a glicerinaldehid-3-foszfát piroszőlősavvá alakulása két molekula ATP képződésével jár. Egy molekula hexóz esetében tehát négy molekula ATP képződésével jár a piroszőlősavvá való átalakulás.

A glikolízis folyamata tehát a piroszőlősav képződéséhez vezet, amely az aerob légzési fázisban, a Krebs-ciklusban (citromsav-körben) vízzé és szén-dioxiddá oxidálódhat:

CH3-CO-COOH + 5/2 O2 → 3 CO2 + 2 H2O.

Amennyiben oxigén nincs jelen, a piroszőlősav hidrogénakceptor lehet:

(NADH2 → NAD),

miközben közvetlenül D-tejsavvá alakul. Ha a redukciót dekarboxileződés előzi meg, a piroszőlősav acetaldehiddé alakul, amiből alkohol képződik! Amennyiben a glikolízis mindkét hidrogénatomja (NADH2) másképpen használódik fel, a piroszőlősav nem tud redukálódni, és így számos szekunder (másodlagos) termék prekurzora lesz.

4. Az acetaldehid és az etanol képződése

A glikolízis során keletkezett piroszőlősav dekarboxiláz-enzim hatására acetaldehiddé és szén-dioxiddá alakul. Ezen a ponton figyelhető meg az erjedéssel járó gázfejlődés.

Az acetaldehid az alkoholdehidrogenáz-enzim katalizálta reakcióban etanollá redukálódik. A NADH2-koenzim, amely a glicerinaldehid-3-foszfát glicerinsav-3-foszfáttá való oxidációja során képződik, redoxreakcióban redukálja az acetaldehidet. A redoxreakcióban tehát a víz alkotóelemeinek a két különböző aldehidben történő megkötése során a glicerinaldehid oxidálódik, az acetaldehid redukálódik (51. ábra).

51. ábra - Az alkoholos erjedés sematikus vázlata

kepek/51-abra.png