Analýza vína ve škole Teach article

Přeložila Zdena Tejkalová. Evropské země produkují více než polovinu světového množství vína-a také ho hodně vypijí! Tyto praktické aktivity pro školy odhalí vědu v pozadí dokonalého vína.

Věk, od kdy je legální požívat alkohol, se v jednotlivých zemích liší, ale většina učitelů by se shodla na tom, že pití vína v hodinách chemie je nevhodné (a potenciálně nebezpečné!). Nicméně výroba a analýza vína ve škole může být zábavná i edukativní. Následující aktivity, vytvořené ve vědeckém centru Experimenta^w1, umožní studentům ve věku 15-18 let stát se na den vinaři, používat analytické metody k objevování změn, které se dějí během procesu výroby vína.

Víno se vyrábí kvašením šťávy z hroznů (s mimořádně vysokým obsahem cukru) pomocí speciálních kvasinek. Cukr je za anaerobních podmínek přeměňován na etanol a oxid uhličitý:

C₆H₁₂O₆ + 2 ADP + 2 Pi = 2 C₂H₅OH + 2 CO₂ + 2 AT

Tři hlavní faktory, které určují kvalitu výsledného produktu jsou sladkost, obsah alkoholu a obsah kyselin. S využitím metod, jež jsou standardně používané komerčními vinnými laboratořemi, následující tři aktivity, uskutečnitelné i ve školních laboratořích, ukáží, jak kvalita výchozí hroznové šťávy a moštu (nakvašená hroznová šťáva) ovlivní výsledný produkt. Každá aktivita zabere cca 20-30 minut.

1. Během aktivitě 1 studenti mohou určit obsah cukru v hroznové šťávě s využitím refraktometrie. Aktivita 1a (viz dole) nabízí alternativu založenou na měření hustoty.
2. Přesné určení obsahu alkoholu v komerčně prodávaných vínech se provádí destilací etanolu a následným měřením viskozity destilátu s využitím sofistikované aparatury. V aktivitě 2 studenti mohou použít vybavení pro amatérské výrobce vína – vínoměr – ke zjištění obsahu alkoholu v moštu a víně.
3. Dobře vyvážené víno potřebuje určité množství ovocné kyseliny; celkový obsah kyseliny je velmi důležité měřit, přímo totiž ovlivňuje chuť. V aktivitě 3 je obsah kyseliny zjišťován pH titrací.

Další čtyři aktivity si můžete stáhnout zde^w2:

• Aktivita 1a: je alternativou k aktivitě 1, studenti měří obsah cukru v hroznové šťávě s využitím měření hustoty namísto refraktometrie.
• Měření hladiny oxidu uhličitého, jednoho z produktů kvašení, je užitečná metoda ke sledování průběhu reakce. V aktivitě 4 studenti stanovují hladinu CO₂ v průběhu reakce třepáním plynu z roztoku.
• V aktivitě 5 studenti využívají světelnou transmitanci (propustnost) ke zjištění vlivu, který má čiření (přidání látek, které čistí víno precipitací) na zakalení konečného produktu.
• V aktivitě 6 studenti zkoumají kvasinky pod mikroskopem.

K nahrazení moštu, využívaného v těchto experimentech, stačí jednoduše zkvasit hroznovou šťávu, alespoň den předem; použijte červenou hroznovou šťávu (např. ze supermarketu). Dále budete potřebovat základní chemické laboratorní vybavení a vínoměr na měření obsahu alkoholu, pyknometr (také známý jako nádoba s přesním objemem) a refraktometr. Návod k fermentaci si můžete stáhnout^w2.

Stanovení obsahu cukru

Sladkost vína se učí podle množství cukru, které zbyde po fermentaci, společně s celkovou kyselostí vína. Suché víno má obsah cukru maximálně 9 g/l a kyselost minimálně o 2 g/l nižší než obsah cukru. Středně suché víno obsahuje 9 – 18 g/l cukru a kyselost by neměla být o více než 10 g/l nižší než obsahu cukru. Sladké víno má obsah cukru 18 – 45 g/l. Pro zajištění správné rovnováhy cukru, kyselosti a alkoholu ve vyrobeném vínu je důležité stanovit výchozí obsah cukru, v případě potřeby je možné omezené množství cukru přidat během kvašení.

Vyšší hustota moštu (v porovnání s vodou) je dána především zkvasitelnými cukry. Měření hustoty či refraktometrie mohou být využity ke zjištění obsahu cukru, který se v Německu vyjadřuje jako váha moštu a jeho jednotkou je Oechsle (°Oe). V anglofonních zemích se obsah cukru určuje pomocí jednotky Brix (°Bx), která udává koncentraci rozpuštěného cukru v hmotnostních procentech (wt %).

Hmotnost moštu je počítána následovně:

hmotnost moštu = (hustota – 1) x 1000

Hmotnost moštu je měřena v °Oe a hustota v g/l.

Hrubým odhadem 1°Oe odpovídá množství cukru 2.37 g/l (t. j. okolo 0.237 °Bx). Proto může být obsah cukru odhadnut následovně:

koncentrace cukru = hmotnost moštu x 2.37

Kde koncentrace cukru měřena je v g/l.

Zkvašením veškerého zkvasitelného cukru v roztoku o 100 °Oe (koncentrace cukru 237 g/l či 23.7 °Bx) lze získat přibližně 100 g/l etanolu (10 hmotnostních %). Protože etanol má hustotu 0.79 g/ml, lze údaj převést na 12.67 objemových %. Takto:

koncentrace alkoholu (v objemových %) = koncentrace alkoholu (v g/l) Í 0.1267

Studentská aktivita 1: měření obsahu cukru s využitím refraktometru

Množství cukru v hroznové šťávě ovlivní jak obsah alkoholu, tak sladkost připraveného vína. Během této aktivity využijete index lomu k určení obsahu cukru.

Refrakce je změna směru světla při průchodu z jednoho prostředí do jiného (např. ze vzduchu do vody). Rozptylová schopnost roztoku se mění v závislosti na rostoucí koncentraci rozpuštěných látek. Refraktometr využívá tohoto principu ke zjištění koncentrace rozpuštěných částic v roztoku. Ve víně se měří částice sacharózy.

Většina ručních refraktometrů určuje koncentraci rozpuštěné látky buď v Brixech (°Bx), což je definováno jako obsah sacharózy, nebo v Oechslech (°Oe). 20% roztok sacharózy ve vodě odpovídá 20 °Bx. Oechsle může být převeden na přibližnou hodnotu v jednotkách Brix vynásobením 0,237.

Pomůcky

• Refraktometr
• 20% roztok sacharózy (hm. %)
• Hroznová šťáva (džus)
• Papírové utěrky
• Pipeta

Postup

1. Odpipetujte 2 kapky sacharózového roztoku na skleněný povrch refraktometru a zavřete víčko.
2. Po přečtení údajů dalekohledem zaneste data do tabulky 1.

3. Vyčistěte skleněný povrch papírovou utěrkou, navlhčenou destilovanou vodou a pak osušte.
4. Měření opakujte s hroznovou šťávou.
5. Spočítejte chybějící čísla v tabulce 1 s využitím rovnic výše uvedených.

Tabulka 1: Výpočet obsahu cukru ve vzorcích

	20% sacharóza (hm. %)	Hroznová šťáva
Hmotnost moštu (°Oe)
Obsah cukru (°Bx)
Potenciální zisk alkoholu (objemová %)

Otázky

1. Jak přesný byl váš výsledek ve srovnání s očekávanou hodnotou?
2. Jak reprodukovatelná byla vaše měření? Srovnejte je s ostatními skupinami.
3. Pokud jste zpracovávali i aktivitu 1, byly vaše výsledky pro tyto dvě metody srovnatelné (hustota versus refraktometrie)?
4. Víno má typicky kolem 12 % alkoholu. Odhadněte, kolik cukru musí být přidáno do hroznové šťávy k získání 12% alkoholu.

Studentská aktivita 2: měření obsahu alkoholu

Množství alkoholu získané kvašením závisí na obsahu cukru v hroznové šťávě a na alkoholové tolerance kmene kvasinek: většina kvasinek toleruje do obsahu 16 %. Množství alkoholu může být rychle a přesně změřeno s využitím vínoměru, jednoduchého zařízení vyvinutého pro domácí výrobce vína. Je založen na principu snižování povrchového napětí s rostoucím množstvím alkoholu.

Během této aktivity budete měřit obsah alkoholu ve svém moštu.

Pomůcky

• Kávové filtry
• Nálevka
• Kádinky
• Mošt
• Víno
• Vínoměr
• Pipeta
• Papírové utěrky
• Destilovaná voda

Postup

1. Pro odstranění zbývajících kvasinek přefiltrujte 20 ml moštu přes kávový filtr.
2. Malé množství filtrátu nalijte do nálevky vínoměru (obrázek 2B) a počkejte, dokud se kapilára nenaplní. Zbytek filtrátu si uschovejte do aktivity 3.
3. Opatrně otočte vínoměr na vrstvu papírových utěrek, pozorujte hladinu kapaliny, zatímco pomalu kape (obrázek 2C). Jakmile se ustálí, načtěte hodnotu a zapište ji do tabulky 2.
4. Vínoměr vypláchněte destilovanou vodou a opakujte měření s vínem.

Tabulka 2: Obsah alkoholu měřený vínoměrem

	Obsah alkoholu (obj. %)
Mošt (filtrovaný)
Vino

Poznámka: Obsah alkoholu v moštu je pravděpodobně mnohem nižší než ve víně. To může být způsobeno nedokončenou fermentací. To může také znamenat, že zbývající cukr zvýšil povrchové napětí a ovlivňuje odečet.

Otázky

1. V aktivitě 1 jste měřili obsah cukru v hroznové šťávě. Podle množství dostupného cukru v hroznové šťávě, očekávali jste vyšší obsah alkoholu ve víně?
2. Kdyby kvašení probíhalo delší dobu, očekávali byste zvýšení obsahu alkoholu?

Celkový obsah kyseliny

Ovocné džusy mohou, v závislosti na typu ovoce, obsahovat odlišná množství několika různých kyselin včetně vinné, jablečné, citronové a oxalové. Převládající kyselinou ve víně je kyselina vinná, jejíž pH se pohybuje mezi 3-4. Ovšem díky komplexní směsici různých kyselin a bází, proteinů a solí, celkový obsah kyseliny ve víně nemůže být odhadu pouze z hodnoty pH. Namísto toho se zjišťuje titrací pH na neutrální a vyjádřením jako totální ekvivalent kyseliny vinné v g/l. Obsah kyseliny ve víně se obvykle pohybuje mezi 4-8.5 g/l, ale může být až 15 g/l. Vždy musí být posuzována v souvislosti s množstvím zbytkového cukru (viz „Stanovení obsahu cukru“).

Kyselina vinná (molární hmotnost 150) je diprotická kyselina (obsahuje v molekule dva vodíkové atomy, které mohou ve vodě disociovat), která může být neutralizována hydroxidem sodným. Protože 1 mol NaOH zneutralizuje 0.5 molu kyseliny vinné (75 g/l), 1 ml 0.1M NaOH zneutralizuje 7.5 mg kyseliny vinné.

HOOC-CH(OH)-CH(OH)-COOH + 2NaOH → Na⁺-OOC-CH(OH)-CH(OH)-COO^– Na⁺ + 2H₂O

Studentská aktivita 3: Určení kyselosti titrací

Všechna vína obsahují určité množství kyseliny. Výrobci vína se zajímají o celkovou kyselost, způsobenou především kyselinou vinnou. Celková kyselost je určována titrací zředěným hydroxidem sodným.

Pomůcky

• pH metr
• Magnetická míchačka
• Kádinka (250 ml)
• Dva odměrné válce (10 ml, 100 ml)
• Byreta
• Roztok NaOH (0.1 M)
• Destilovaná voda
• 10 ml moštu (filtrovaného, z aktivity 2)
• 10 ml vína

Postup

Pro každý vzorek (mošt či víno):

1. Naplňte byretu roztokem NaOH. Zapište počáteční objem do tabulky 3.
2. Odměřte 10 ml svého roztoku a nalijte ho do 250 ml kádinky. Přidejte 100 ml destilované vody.
3. Zapněte magnetickou míchačku a vložte pH elektrodu do kádinky tak, aby špička byla ponořená, ale nedotýkala se stěn, dna ani míchadla. .
4. Přikapávejte roztok NaOH do neutrálního pH. Odečtěte hodnotu z byrety a zaneste do tabulky 3.
   • Pozorovali jste nějaké změny barvy?
   • Pokud ano, při jakém pH?
   • Co by mohlo být důvodem pro barevnou změnu?
5. Vypočítejte množství spotřebovaného NaOH a koncentraci kyseliny.

Příklad: Použili jsme 14 ml 0.1 M NaOH k neutralizaci 10 ml roztoku. Koncentrace je potom (14 x 7.5 mg/ml x 100) = 10.5 g/l kyseliny.

Tabulka 3: Zjištění celkové kyselosti

	Mošt	Vino
pH na začátku
Počáteční objem NaOH (ml)
Konečný objem NaOH (ml)
Použitý objem NaOH (ml)
Koncentrace kyseliny (g/l)

 

Bezpečnostní poznámka

Používejte ochranné brýle a rukavice. Viz všeobecné zásady bezpečnosti.

Otázky

V aktivitách 1 – 3 jste analyzovali tři hlavní faktory, které ovlivňují kvalitu konečného produktu: sladkost, obsah alkoholu a obsah kyselin. Nyní je čas ohodnotit váš produkt.

1. Je celková kyselost v limitu pro vinnou produkci?
2. Obsahovala výchozí hroznová šťáva dostatek cukru pro produkci očekávaného obsahu alkoholu?
3. Jak dlouho byste očekávali, že trvá dokončení fermentace?

Poďakovanie

Autor by rád poděkoval vinné laboratoři Pfäffle GmbH v Heilbronnu, Německo za podporu v průběhu vývoje aktivit. Také by rád poděkoval především Christine Dietrich a Karsten Wiese z Vysoké školy pedagogické v Heilbronnu za jejich spolupráci.