Ķīmija un tehnoloģijas

Cukuru saturošu produktu raudzēšanu un alkoholisko dzērienu iegūšanu pazina senajā Ēģiptē jau pirms 4 tūkstošiem gadu. Mikrobioloģisko procesu nozīmes pētījumi ir mikrobioloģijas kā zinātņu nozares rašanās aizsākums.

Raugs satur fermentus, kas disaharīdus šķeļ par monosaharīdiem un pēc tam pārvērš par etanolu un oglekļa(IV) oksīdu. Reakcijair eksotermiska.

C₅H₁₂O₆→ 2C₂H₅OH + 2CO₂ ΔH = -84 kJ/mol

No monosaharīdiem veidojas pirovīnogskābe (sāļi – piruvāti), kas atšķeļ CO₂ un pārvēršas par acetaldehīdu, kurš savukārt reducējas par etanolu.

Vispārīgā shēmā to var attēlot šādi.

1. att. Spirta rūgšanas shēma.

Alus

Alus un vīna darīšana ir vairākus tūkstošus gadu senas tehnoloģijas. Alkoholisko dzērienu ražošanai pasaulē izmanto visdažādākos ar ogļhidrātiem bagātus produktus, piem., rīsus, kartupeļus, kukurūzu, kviešus,miežus utt. Nozīmīgs Vācijas alus darīšanā ir likums, ko 1516. g. izdeva Bavārijas herzogs Vilhelms IV. Tas vēl šobaltdien Vācijā liek ievērot alus tīrības likumu – alu drīkst izgatavot tikai no trīs izejvielām – miežiem, apiņiem un ūdens.

Alus darīšana ietver vairākus posmus.

1. Miežus samitrina un diedzē, tradicionāli to darīja uzklona grīdas. Diedzējot graudus, veidojas fermenti, vispirms jau amilāze (diastāze), kas cieti daļēji pārvērš par maltozi un glikozi. Iesals (sadīguši graudi) tiek izžāvēti (kaltēti) 80-110 ºC temperatūrā, pie tam ferments amilāze saglabā aktivitāti. Atkarībā no kaltēšanas temperatūras iegūst gaišo vai tumšo alu.

2. Graudus samaļ, 50-60 ºC temperatūrā samaisa ar ūdeni, kas nesatur baktērijas un dzelzi, un iztur vairākas stundas. Dekstrīni, maltoze un glikoze izšķīst ūdenī. Fermenti pabeidz šķelšanu. Iegūto saldo misu nokāš. Drabiņas izmanto kā lopbarību.

3. Misai pievieno garšvielu – apiņus (precīzāk apiņu sievišķās ziedkopas) vai to novārījumu. Misu uzkarsē līdz vārīšanai vai vāra vairākas stundas. Apiņi ir ne tikai garšviela, bet tajos esošās vielas arī koagulē proteīnus un paildzina alus uzglabāšanas laiku, jo tām piemīt bakteriostatiska iedarbība.

4. Misu dzesē, filtrē, pārpumpē 5-10 ºC pagrabos un pievieno raugu Saccharomyces cerevisiae tīrkultūru, kas šķīstošos misas cukurus raudzē par etanolu un CO₂. Ferments maltāze šķeļ maltozi par glikozi, bet fermentu kopa zimāze – glikozi par etanolu un oglekļa(IV) oksīdu. Lai iegūtu alu ar vēlamām īpašībām, katrā konkrētā gadījumā lieto tikai noteiktu raugu. Rūgšana ilgst 8-10 dienas.

Alus darināšanā var izmantot dažādus raugus:

• apakšējās rūgšanas alū rauga šūnas nogrimst uz leju,
• augšējās rūgšanas alū raugi paliek raudzēšanas tvertnes virspusē (Weissbier, Koelsch, Altier alus).

5. Pēc rūgšanas alu vairākas nedēļas iztur pagrabos tvertnēs. Tas kļūst dzidrāks un piesātinās ar oglekļa(IV) oksīdu, t.i., turpina nogatavināties. Pēc tam alu filtrē un pilda tarā.

Tādējādi alus veidu (izskatu, garšu u.c. īpašības) nosaka iesala kaltēšanas apstākļi, rauga šķirne, apiņu daudzums un raudzēšanas režīms.

Alus sastāvs:

• Ūdens >80%
• Spirts 3-5%
• Iesala cukurs (maltoze)
• Minerālvielas 5-8%
• Oglekļa(IV) oksīds 0,3%

Lieliska interaktīva alusdarīšanas shēma atrodama vietnē http://www.beer.de/brauereirundgang.php

Raugi spēj darboties aerobos un anaerobos apstākļos. Aerobos apstākļos norit enerģiska šūnu augšana. Etanols neveidojas. Ja gaisa pieplūdi novērš, raugi nevairojas un sāk veidot etanolu.

2. att. Skābekļa satura un alkohola veidošanās sakarība raugu fermentācijas reakcijās: A – aerobi apstākļi, B – anaerobi apstākļi.

Parasti alus satur 3-5% etanola. Etanola saturs Vācijā izplatītākajos alos:

• Lagerbier 3,4-3,7%
• Exportbier 3,5-4%
• Kulmbacher 4,5-5%
• Starkbier 5%
• Berliner Weisbier 2,8-3,5%

Alū spirts veidojas līdz noteiktam daudzumam. Lai palielinātu tā saturu, jāpievieno cukurs. Etanols ir rauga šūnām kaitīgs vielmaiņas produkts, tas veidojas citoplazmā un no šūnas difundē caur šūnu membrānu. Ja etanola saturs rūgšanas vidē sasniedz 12-18% (atkarībā no rauga šķirnes) tie pārstāj darboties.

Vīns

Vīnu tradicionāli iegūst no vīnogām. No 100 kg ogām var izspiest 70-80 l sulas. Cukuru saturošo sulu 15 ºC temperatūrā raudzē 5-6 dienas, līdz rūgšanas proces sapstājas. Lai apstādinātu rūgšanu, mēdz ievadīt sēra(IV) oksīdu, kas mikroorganismiem ir stipra inde. Šādi iegūst saldos un pussaldos vīnus. To filtrē, pasterizē un pilda pudelēs.

Lai iegūtu sarkanvīnu, raudzēšanu veic pirms ogu miziņu nodalīšanas, tādējādi krāvielas iešķīst vīnā. Vīnu „buķeti” veido daudzi esteri, aldehīdi un ketoni.

Vīnogu sula satur vīnogu cukuru glikozi.Vīna un alus ražošanas bioķīmiskie procesi ir līdzīgi. Katrai vīna šķirnei lieto īpašus vīnu raugus. Atkarībā no spirta daudzuma vīnus iedala vieglajos vīnos (8-12%) un stiprajos vīnos (>14%).

Spirtotie dzērieni

Tradicionālie spirtotie dzērieni ar augstu etanola saturu ir degvīns un liķieri.

Degvīnu (40% etanols) iegūst, destilējot dažādas izcelsmes spirta rūgšanas produktus. Šī māka bija zināma kopš seniem laikiem. Kopš 11. gs. to veica retortēs, bet kā spirtoto dzērienu izgatavoja kopš 15. gs. Mūsdienās destilēšanu veic destilēšanas kolonnās.

Liķieri bez alkohola satur arī citus komponentus, piem., augu un augļu ekstraktus. Graudaugu degvīnu tradicionāli sauca par šņabi. No kukurūzas iegūst viskiju (Whiskey), no rīsiem – araku (Arrak),bet no cukurniedru cukura – rumu.

96% etanolu jeb rektifikātu izmanto ķīmiskajā rūpniecībā un medicīnā. 100% etanolu nevar iegūt, veicot vienkāršo destilāciju. To iegūst, veicot azeotropo destilēšanu ar benzolu vai dedzinātajiem kaļķiem (CaO).