EFFECT OF TEMPERATURE ON COLOR RED WINE DRINKS IN CONTACT WITH AIR
Rubrics: FOOD PRODUCTION TECHNOLOGY
Authors:
1.
Biysk Technological Institute (Branch of Polzunov Altai State Technical University)
2.
Biysk Technological Institute (Branch of Polzunov Altai State Technical University)
3.
Biysk Technological Institute (Branch of Polzunov Altai State Technical University)
4.
Biysk Technological Institute (Branch of Polzunov Altai State Technical University)
Type:
Article
Pages:
from 75
to 81
Status:
Published
Received:
25.12.2014
Accepted:
25.12.2014
Published:
25.12.2014
Subject area:
UDK 663.222 (0.45)
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Language:
Russian
Keywords:
Red wine drink, anthocyanins, color, aging, temperature
Abstract (English):
The topicality of the research was lack of data in literature that was render impossible stability of color prediction by heat treatment in contact with oxygen of air the specials wine drinks and applicability separate of grape cultivated in Altai territory for production. The aim of the work was studied influence of temperature on the change of color characteristics of red wine drinks produced from grape Zagadka Sharova and Zilga. In work at the accelerated aging in the presence of air oxygen at four various temperatures of the wine drinks making by several ways were determined color characteristics by UV-visible spectroscopy. According to the obtained values the models are constructed that allow us to estimate the subsequent change of the contents anthocyanins and other characteristics. The content of monomeric anthocyanins obtained by calculation on the basis of spectral data, to make the assumption that the concentration is decreased of equation first order reactions. From the comparison of experimental and calculated data shows that the lower the temperature during the observation, the greater the discrepancy between experimental and calculated values of the kinetic model. These differences are stored for each of the three drinks. At elevated temperatures and exposure time is greater than 14 weeks, the decrease of the percentage of the color attributable to the polymeric form, that the may be due to either the loss of their to with sediments, and oxidative degradation, leading to loss of color. For the mathematical description of the patterns of change in hue of the proposed of kinetic model zero order dT/dτ = k (t). Changes in the intensity of color at 520 nm from the exposure time at temperatures of 20 °C, 30 °C, 40 °C and 55 °C is for samples the wine drinks is quite similar. Experiments showed that the color of wine drinks changes towards brown tones by accelerated aging. The long aging at the high temperatures in production of wine drinks from early variety of grapes of the Altai territory is inadmissible.
The topicality of the research was lack of data in literature that was render impossible stability of color prediction by heat treatment in contact with oxygen of air the specials wine drinks and applicability separate of grape cultivated in Altai territory for production. The aim of the work was studied influence of temperature on the change of color characteristics of red wine drinks produced from grape Zagadka Sharova and Zilga. In work at the accelerated aging in the presence of air oxygen at four various temperatures of the wine drinks making by several ways were determined color characteristics by UV-visible spectroscopy. According to the obtained values the models are constructed that allow us to estimate the subsequent change of the contents anthocyanins and other characteristics. The content of monomeric anthocyanins obtained by calculation on the basis of spectral data, to make the assumption that the concentration is decreased of equation first order reactions. From the comparison of experimental and calculated data shows that the lower the temperature during the observation, the greater the discrepancy between experimental and calculated values of the kinetic model. These differences are stored for each of the three drinks. At elevated temperatures and exposure time is greater than 14 weeks, the decrease of the percentage of the color attributable to the polymeric form, that the may be due to either the loss of their to with sediments, and oxidative degradation, leading to loss of color. For the mathematical description of the patterns of change in hue of the proposed of kinetic model zero order dT/dτ = k (t). Changes in the intensity of color at 520 nm from the exposure time at temperatures of 20 °C, 30 °C, 40 °C and 55 °C is for samples the wine drinks is quite similar. Experiments showed that the color of wine drinks changes towards brown tones by accelerated aging. The long aging at the high temperatures in production of wine drinks from early variety of grapes of the Altai territory is inadmissible.
Keywords:
Red wine drink, anthocyanins, color, aging, temperature
Red wine drink, anthocyanins, color, aging, temperature
Введение В северных регионах, к которым относится Алтайский край, сумма активных температур не превышает 2100 °С, что позволяет выращивать только очень ранние и ранние сорта винограда. На химический состав виноградной ягоды решающее влияние оказывает среднесуточная температура в течение всего вегетативного периода. Её влияние особенно велико в период созревания урожая. Красные сорта винограда, выращенные в условиях Алтайского края, в неблагоприятные годы содержат незначительное количество антоцианов, что отрицательно сказывается на окраске винных напитков, изготовленных из такого сырья. В этой связи важной задачей является не только изучение влияния технологических режимов, обеспечивающих максимально полное извлечение красящих веществ, но и внешних факторов, влияющих на интенсивность окраски напитков при хранении. Антоцианы - природные красящие вещества, находящиеся в кожице красных сортов винограда, переходящие в виноматериалы в процессе технологических операций. Мономерные формы, как правило, отвечают за красный цвет молодых вин и участвуют в образовании красных полимерных пигментов вина, в процессе его старения. На полноту красного цвета вин влияет большое количество факторов, таких как строение и концентрация антоцианов, pH, концентрация свободного сернистого ангидрида, степень полимеризации и общее содержание красящих веществ. Цвет красного вина непрерывно меняется в течение его жизненного цикла, а также он изменяется под воздействием таких внешних факторов, как кислород воздуха и температура. Красное вино - сложный многокомпонентный раствор и, несмотря на это, его цвет часто характеризуется спектральными методами, хотя взаимосвязь между цветом вина и его химическим составом не поддаётся точному описанию. Применение спектрофотометрии позволяет оценить групповой вклад отдельных классов соединений, имеющих характерные максимумы поглощения при определённых длинах волн в видимой области спектра. Так, достаточно хорошо изучены цветовые переходы антоцианов в зависимости от pH вин (рис. 1) [1]. Однако эти переходы не описывают процессов полимеризации и дегидратации антоцианов, катехинов и других полифенолов и сахаров. Так, установлено, что красные вина, выдержанные в течение пяти лет и более, содержат всего 10-25 мг/дм3 антоцианов. При приготовлении модельного раствора с такой концентрацией мальвидин-3-О-глюкозида он не даёт даже розовой окраски. Такой густо окрашенный винный напиток, как Кагор Южнобережный, полностью теряет антоцианы через 15 лет хранения [2]. Из этих наблюдений видно, что мономерные антоцианы при выдержке и старении в результате взаимодействия с другими компонентами красных вин дают другие окрашенные соединения. Основные направления превращений изучены в последние годы [3] и представлены схемой, приведенной на рис. 2. Важную роль в трансформации цвета играют процессы окисления и конденсации, каждый из них связан с наличием окислителя - кислорода воздуха. Альдегиды, кетокислоты и кетоны вина образуются как в результате биохимических превращений первичных метаболитов - сахаров и аминокислот, так и при окислении этилового и высших спиртов. Полимерные антоцианы образуются в результате сшивания альдегидами и кетонами мономерных антоцианов с катехинами и некоторыми другими полифенолами. Полимерные формы красителей в ряде случаев имеют максимум поглощения в видимой области спектра при 575-700 нм. Типичность вин, приготовленных по технологии Портвейна, формируется в условиях тепловой обработки высокоэкстрактивных виноматериалов в присутствии кислорода воздуха. На органолептические показатели решающее влияние оказывают температура и продолжительность ее воздействия; контакт с кислородом и химический состав купажа. Так, оптимальное количество дубильных веществ для красных вин составляет 800-1000 мг/дм3. Режимы тепловой обработки высокоэкстрактивных виноматериалов при производстве портвейнов следующие: Температура, °С Продолжительность, дни 40 25 45 20 50 15 60 10 Рис. 1. Преобладающие структурные формы антоцианов при различных pH При этом в виноматериал вводится 30-40 мг/дм3 кислорода [4]. Известно, что возникновение синего оттенка характерно для молодых вин, в его образовании участвуют уксусный альдегид и пировиноградная кислота, являющиеся интермедиатами спиртового брожения. При выдержке этот оттенок исчезает, что связано с выпадением синих пигментов в осадок. В связи с этим для количественной оценки цвета виноматериалов предложено использовать сумму значений оптических плотностей при длинах волн 420, 520 и 620 нм. Цель работы- изучение влияния температуры на изменение цветовых характеристик красных винных напитков в условиях контакта с воздухом. Объект и методы исследования Виноград «Загадка Шарова», «Зилга» собирали 27 августа 2012 года в селе Сростки (52° северной широты; 85° восточной долготы), Алтайского края. В работе при получении винных напитков использовались различные методы повышения кислотности: внесение в сусло винограда «Загадка Шарова» лимонной кислоты (далее ЛК) и купаж сусел виноградов «Загадка Шарова» и «Зилга» (далее Купаж). Сортовое вино «Загадка Шарова» без подкисления использовалось в качестве контроля (далее Контроль). Сухие виноматериалы получены по технологии, включающей тепловую обработку, кондиционирование сусла по содержанию сахара и брожение на мезге - в течение 4 суток. Рис. 2. Образование полимерных антоцианов в результате реакций конденсации Перед закладкой вина разливались в бутылки (250 мл), в которых присутствовал кислород воздуха (30 % об.), и пастеризовались. Подготовленные образцы выдерживались в суховоздушных термостатах, в которых исключалось воздействие света, при температурах 20 °C (стандартная температура), 30, 40, 55 °C. Их массовые концентрации сахаров (50 г/дм3), титруемых (7 г/дм3) и летучих кислот, а также значение объемной доли этилового спирта имели близкие величины. Характеристики цвета вин как: процент цвета, образованный полимерами, и содержание мономерных антоцианов (рН дифференциальным методом; в пересчете на мальвидин-3-О-глюкозид M = 493 г/моль, коэффициент молярного поглощения 28000) - определяли по методике [1] с использованием в качестве обесцвечивающего агента метабисульфита натрия. Для исследования интенсивности и оттенка цвета образцов использовали общепринятый метод текущих определений [5]. Анализы выполнялись на спектрофотометре ShimadzuUV-1800 (Япония). Анализы выполнялись с февраля, следующего за сбором урожая года, с периодичностью в 7 суток для винных напитков Контроль и ЛК и с периодичностью в 14 суток для винного напитка Купаж. Продолжительность эксперимента составляла 17 недель либо выход контролируемого показателя на постоянную величину. Ниже приведены формулы для расчёта показателей цветности. Содержание мономерных антоцианов (в мг/л): А = (((Dвиз. макс. - D700)рН 1,0 - (Dвиз. макс. - D700)рН 4,5) ∙ ∙ МВ ∙ КР ∙ 1000)/(ε∙1) [1]. Интенсивность окраски: Ив.м. = (D420 + Dвизуальный макс. при рН 1,0)∙КР [1]. Оттенок: Т = D420 / D520 [5]; Интенсивность окраски после обработки диоксидом серы: ИS = ((D420 - D700) + (Dвиз. макс. - D700))∙КР [1]. Процент окраски, образованной полимерами: X = (ИS/Ив.м.)∙100 [1], где D - оптическая плотность; КР - коэффициент разбавления; МВ - молекулярный вес; ε - коэффициент молярного поглощения. Результаты и их обсуждение Содержание мономерных антоцианов (A), полученное расчётным путем исходя из спектральных данных, позволило сделать предположение, что падение их концентрации подчиняется уравнению реакции первого порядка. Поэтому для описания данных была использована кинетическая модель первого порядка вида: dA/dτ = - kA. (1) Для произвольного момента времени t зависимость содержания антоцианов имеет вид: A = A0e - kτ, (2) где k - константа скорости реакции, зависит от температуры t по закону Аррениуса: k = k0e -E/(R(t + 273)), (3) где k0 - предэкспоненциальный множитель; E - энергия активации, дж/кмоль; R - газовая постоянная 8,31 кДж/(кмоль·°K); t- температура, °С. Параметры модели, содержащиеся в уравнениях (1)-(3) для исследуемых систем, приведены в табл. 1. На рис. 3 представлены опытные и расчетные данные по содержанию мономерных антоцианов во времени винного напитка Контроль. Изменения содержания мономерных антоцианов винных напитков Купаж и ЛК при воздействии температуры имеют схожие данные. Время эксперимента составляло 17 недель. Рис. 3. Винный напиток Контроль Из сравнения экспериментальных и расчётных данных (рис. 3) видно, что чем ниже температура в ходе наблюдения, тем сильнее расхождение между экспериментальными и рассчитанными по кинетической модели значениями. Эти расхождения сохраняются для каждого из трёх напитков. Нами было отмечено, что начальные расчетные концентрации мономерных антоцианов (A0) имеют общий характер колебаний относительно усредненных значений по температуре. Средние значения определялись как среднее арифметическое для A0 при разных температурах для каждой серии (рис. 4). Таблица 1 Значения параметров кинетической модели первого порядка для исследуемых систем Система A0(среднее) k0 E Контроль 124,47 1,260×108 5,148×104 Купаж 199,39 3,165×108 5,444×104 ЛК 82,91 1,792×108 5,260×104 Как видно из рис. 2, мономерные антоцианы расходуются при взаимодействии с различными группами полифенолов и карбонильными соединениями. При оценке вклада полимерных антоцианов в окраску красных вин проводится расчёт процента окраски, образованной полимерами Х. На рис. 5 приведены зависимости Х = F(t) для винного напитка ЛК, которые позволяют предложить для описания кинетическое уравнение следующего вида: dX/dτ = k (Xk(t) - X), (4) где Xk(t) - предельное значение процента окраски (%) как функция температуры. Рис. 4. Колебания начальных расчетных содержаний антоцианов (A0) и их усреднённые значения в зависимости от температуры для исследуемых систем A0 = f(t) После интегрирования уравнения (4) получим: Х = Хк(t) + (Х0 - Хк(t))τ, (5) где X0 - начальное значение цвета при t = 0, Xk(t) - константа интегрирования. При повышенных температурах и времени выдержки больше 14 недель наблюдается снижение процента окраски, приходящейся на полимерные формы, что может быть обусловлено как выпадением их в осадок, так и окислительной деструкцией, приводящей к потере цвета. Следует отметить, что при комнатной температуре (20 °С) снижения вклада полимеров в окраску в течение периода наблюдения не происходит. После математической обработки опытных данных в системе MathCad 14 получены значения параметров модели (табл. 2 и 3). Ниже представлены графики (рис. 5) опытных и расчетных данных по цвету, образованного полимерами винного напитка ЛК. Далее проводили обработку опытных данных по изменению оттенка (Т) во времени при различных температурных режимах. Эта хроматическая характеристика рассчитывается как отношение поглощения при 420 нм к поглощению при 520 нм. Для математического описания закономерности изменения оттенка можно предположить кинетическую модель нулевого порядка: dT/dτ = k (t). (6) Таблица 2 Параметры модели по проценту окраски, образованной полимерами, для исследуемых систем Система X0 k0 E Контроль 30,7 1,547×1010 6,500×104 Купаж 37,7 2,249×103 2,367×104 ЛК 37,7 1,988×108 5,397×104 Таблица 3 Значения констант интегрирования (определены из опытных данных) t, °C Xk(t) Контроль Купаж ЛК 20 95 55 75 30 72 74 70 40 78 85 76 55 82 90 83 После интегрирования уравнения (6) получим: T = T0 + k (t)τ, (7) где Т0 - оттенок исходного образца, Т - оттенок образца на момент времени t. Параметры модели нулевого порядка по оттенку для исследуемых систем приведены в табл. 4. А на рис. 6 приводятся графики зависимости оттенка от времени. Рис.5. Винный напиток ЛК Рис. 6. Винный напиток Купаж Таблица 4 Значения параметров модели нулевого порядка по оттенку Система T0 k0 E Контроль 0,779 1,899×108 5,562×104 Купаж 0,940 3,789×107 5,291×104 ЛК 0,965 2,999×109 6,435×104 Полученные результаты совпадают с литературными данными о нарастании желто-коричневых тонов в красных винах при длительной выдержке при повышенных температурах [6, 7]. В качестве показателя при оценке устойчивости красного цвета вин, подвергшихся выдержке в контакте с воздухом, наиболее наглядным является интенсивность окраски при длине волны в видимой области 520 нм (рис. 7). Из графиков зависимости интенсивности окраски при 520 нм от времени выдержки (недели) при температурах 20 , 30 , 40 и 55 °С для испытываемых образцов винных напитков видно, что они имеют довольно схожий вид. Так, при комнатной температуре наблюдается плавное нарастание интенсивности за весь период наблюдения. Выдержка при повышенных температурах приводит к падению интенсивности через 3 недели при 55 ºС, через 4 недели - при 40 ºС и через 6 недель - при 30 ºС. Рис. 7. Винный напиток Купаж Из полученных результатов можно сделать выводы о том, что при приготовлении винных напитков из ранних сортов винограда в Алтайском крае, дающих малоэкстрактивное сусло, выдержка при повышенных температурах в контакте с воздухом нежелательна и приводит к потере окраски красных напитков
1. Giusti, M.M. Characterization and Measurement of Anthocyanins by UV-Visible Spectroscopy / M.M. Giusti, R.E. Wrolstad // Current protocols in food analytical chemistry. - 2001. - F1.2.1 - F1.2.13.
2. Valuyko, G.G. Izmenenieokraskikrasnyhvinvhodesozrevaniyaistareniya / G.G. Valuyko, A.I. Ivanyutina // Vinodelieivinogradarstvo SSSR. - 1967. - № 3. - S. 21-25.
3. Freits, V. Formation of pyranoanthocyanins in red wines: a new and diverse class of anthocyanin derivaties / V. Freits, N. Mateus // Anal. AndBioanal. Chem. - 2011. - № 5. - R. 1467-1477.
4. Sobolev, E.M. Tehnologiya natural'nyh i special'nyh vin / E.M. Sobolev. - Maykop: GURIPP «Adygeya», 2004. - 312 s.
5. Sbornik mezhdunarodnyh metodov analiza i ocenki vin i susel /pod red. N.A. Mehuzla. - M.: Pischevaya promyshlennost', 1993. - 319 s.
6. Ostrouhova, E.V. Transformaciya fenol'nogo kompleksa i cvetovyh harakteristik krasnyh vinomaterialov tipa Portveyna v hode klassicheskoy vyderzhki / E.V. Ostrouhova, V.G. Hil'skiy, T.A. Kaveshnikova // Vinograd i vino Rossii. - 2001. - № 1. - S. 36-39.
7. Kuzichkina, T.I. Vliyanie temperatury na cvetovye harakteristiki suhogo vina «Kaberne» pri hranenii / T.I. Kuzichkina // Vinodelie i vinogradarstvo. - 2007. - № 4. - S. 8-9.
