Из приведённого краткого исторического обзора следует, что для успешного изготовления водки в домашних условиях, в том числе и виноградной, а также для грамотного проектирования перегонного аппарата необходимо иметь представление о процессах брожения, испарения, кипения, дистилляции, а также обладать знаниями о физических и химических свойствах получающихся в результате брожения продуктов.
Начнём с брожения.
Глава 2. Брожение
Брожение (ферментация)26 — являлось наиболее изученным в прошлые времена химическим явлением.
Опытным путём было выяснено, что спирт образуется в результате брожения лишь сладких (содержащих сахар) веществ27, что в процессе брожения образуется газ, признанный позже фиксированным воздухом, и характерный осадок на дне сосуда. Однако брожение первоначально рассматривали как процесс разложения, вызванный веществом, которое само находится в стадии разложения. В 1659 г. существовала такая теория брожения [8]: «Ферментация — это внутреннее движение, которым охвачены с помощью необходимой для этого влажности, различные, не слишком связанные между собой составы (из соли, масла и земли), которые благодаря длительному перемещению относительно друг друга, взаимно сталкиваются и истираются. В результате этого нарушается существовавшая взаимная связь частиц и оторвавшиеся частицы, уменьшившиеся в размерах благодаря постоянному трению, переводятся в новое, более прочное соединение».
Химический процесс спиртового брожения был впервые разъяснён Антуаном Лаувазье [16] в 1789 г. Путём количественных исследований он показал, что сахар распадается при брожении на этиловый спирт и углекислоту28 (по Лаувазье при этом также образуется и уксусная кислота).
В 1836 г. французский учёный Шарль Каньяр де Ла-Тур установил, что спиртовое брожение неотъемлемо связано с ростом и размножением дрожжей [16]. Бродильная сила дрожжей первоначально объяснялась двумя принципиально различными предположениями. Луи Пастер в 1857 г. пришёл к выводу, что спиртовое брожение могут вызывать только живые дрожжи в анаэробных (без кислорода) условиях [17]. Своё предположение он основывал на том, что стерилизованные растворы сахара, если их предохранить от попадания дрожжевых зародышей из воздуха, не подвергаются брожению. Тем самым было доказано, что спиртовое брожение вызывается дрожжами, и поэтому долгое время считали, что процесс расщепления сахара на спирт и углекислый газ обязательно связан с жизнедеятельностью дрожжей.
В противовес этому немецкий учёный Юстус Либих (1803—1873 г.г.) настаивал на том, что разложение сахара представляет собой явление, лишь сопутствующее росту дрожжей, но не является частью собственно жизненных процессов этих микроорганизмов. Однако теория Либиха в то время не получила широкого распространения. Общепринятое предположение Пастера о том, что брожение могут вызывать только живые дрожжи, было опровергнуто в 1871 г. русским врачом-биохимиком М. М. Манассеиной, установившей путём ряда опытов, что и совершенно убитые дрожжевые клетки способны вызывать брожение [5]. Через 26 лет в 1897 г. немецкий биохимик Бухнер повторил её опыты и подтвердил, что брожение не требует обязательного присутствия именно живой клетки. Для этого он уничтожил клеточные оболочки дрожжей, растерев их с кварцевым песком. Из полученной массы он под большим давлением выжал сок и установил, что ничтожная добавка этого сока вызывает брожение большого количества сахара. Чтобы опровергнуть утверждение оппонентов, что брожение вызывается находящейся в отжатом соке «живой протоплазмой», Бухнер предварительно убил дрожжи ацетоном, а затем показал, что сок, отжатый из таких дрожжей, не уступает по действию соку, отжатому из живых клеток [18]. Попутно было установлено, что при нагревании до 50оС и выше сок в обоих случаях утрачивает бродильные свойства.
Таким образом было доказано, что брожение вызывается находящимся внутри дрожжевых клеток веществом, которое не теряет своей активности и вне дрожжевой клетки. Это вещество, вызывающее спиртовое брожение, Бухнер назвал зимазой. Оно относится к группе веществ, называемых энзимами или ферментами (см. выше).
26
Брожение — процесс ферментативного расщепления органических веществ, преимущественно
27
Существует мнение, что вовсе не труд, а содержащийся в сладких забродивших плодах алкоголь сделал из обезьяны человека [74]. Так за переваривание этилового спирта в пищеварительном тракте человека и обезьян отвечает фермент ADH4. Но человеческий вариант этого энзима настолько силён, что позволяет нежным дамам хлестать портвейн дозами, от которых крупный бабуин впадает в алкогольную кому. Учёные выяснили, что за 70 миллионов лет существования фермент ADH4 претерпел только одну мутацию, которая произошла 10 миллионов лет назад. К этому времени климат стал более засушливым и из-за сужения кормовой базы наши хвостатые предки вынужденно стали спускаться на землю и ходить на двух ногах в поисках упавших с дерева плодов. Вследствие процессов брожения, в мякоти этих перезревших сладких плодов накапливался алкоголь, специфическое действие которого на организм обезьян побуждало их чаще спускаться на землю и ходить на двух ногах. Благодаря естественному отбору выживали и давали потомство только те особи, организм которых быстро переваривал алкоголь — они слабо пьянели и были способны улизнуть от хищников даже в «поддатом» состоянии. «Трезвенники» и сильно хмелеющие просто не выжили. Первые захирели от голода, вторых съели хищники, а фермент между тем крепчал!
28
Кроме того, Лаувазье выяснил роль кислорода в процессах горения, дыхания и окисления, чем опроверг теорию флогистона — невесомого горючего вещества, якобы входящего в состав всех тел. То ли расстроившись из-за этого, то ли потому, что знаменитый учёный не вовремя ввязался в политику, импульсивные соотечественники гильотинировали его в 1794 г. во время Великой французской революции.