Analiza wina na lekcji chemii Teach article

Tłumaczenie Jadwiga Schreiber. Kraje europejskie produkują ponad połowę światowego wina i spożywają znaczne jego ilości! Przedstawione tutaj ćwiczenia ujawniają naukowy sekret wyśmienitego wina.

Wiek, od którego można legalnie spożywać alkohol różni się między krajami. Mimo to większość nauczycieli z pewnością zgodziłaby się, że picie wina na lekcji chemii jest zupełnie niestosowne (i do tego niebezpieczne!). Jednak śledzenie oraz analiza procesu, w jakim powstaje wino jest doskonałym połączeniem zabawy z nauką. Opisane niżej ćwiczenia, opracowane w centrum naukowych Experimenta^w1, pozwolą uczniom w wieku 15 do 18 lat na jeden dzień wczuć się w rolę winiarzy oraz zapoznać się z technikami analitycznymi procesów zachodzących podczas powstawania wina.

Wino powstaje w procesie fermentacji soku winogronowego (który zawiera wysoki poziom cukru) przy użyciu drożdży. W warunkach beztlenowych zawarty w soku cukier przekształcany jest w etanol i dwutlenek węgla:

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

Trzy główne czynniki decydujące o jakości wyprodukowanego wina to: słodkość, zawartość alkoholu oraz zawartość kwasu. Przedstawione poniżej ćwiczenia przedstawiają standardowe metody laboratoryjne wykorzystywane przy produkcji wina ale w formie przystosowanej do wyposażenia laboratoriów szkolnych. Ukazują one bezpośredni wpływ jakości świeżego soku winogronowego oraz tzw. moszczu (soku zaczynającego fermentować) na jakość produktu końcowego – wina. Każde z tych ćwiczeń zajmie około 20-30 minut.

1. W ćwiczeniu nr. 1 uczniowie mają za zadanie określi zawartość cukru w soku winogronowym przy użyciu refraktometru. Alternatywnym sposobem określenia ilości cukru jest pomiar gęstości roztworu zaprezentowany w ćwiczeniu 1a (zobacz poniżej).
2. Dokładne określenie zawartości alkoholu w winie polega na destylacji etanolu, a następnie pomiaru lepkości destylatu przy użyciu dość skomplikowanej maszyny. W ćwiczeniu nr. 2 uczniowie mają za zadanie określi zawartość alkoholu w winie korzystając ze urządzenia winiarzy hobbystów – vinometru.
3. Dobrze wyważone wino zawiera również odpowiednią ilość kwasu owocowego. Określenie całkowitej zawartości kwasu w winie jest bardzo ważnym pomiarem gdyż kwasowość bezpośrednio wpływa na jego smak. W ćwiczeniu nr. 3 zawartość kwasu określa się za pomocą miareczkowania.

Dodatkowo można pobrać cztery inne ćwiczenia^w2:

• Ćwiczenie 1a: jest inną wersją ćwiczenia nr. 1. Uczniowie określają zawartość cukru w soku winogronowym za pomocą pomiaru gęstości a nie przy użyciu refraktometru.
• Pomiar poziomu dwutlenku węgla, jednego z produktów fermentacji, jest przydatnym parametrem określającym progres reakcji. W ćwiczeniu nr. 4 uczniowie określają ilościowo poziom CO₂, powstałego podczas fermentacji, poprzez wytrząsanie gazu z roztworu.
• W ćwiczeniu nr. 5 uczniowie wykorzystują przepuszczalność światła do badania efektu tzw. klarowania mętnego wina (polega to na dodawaniu substancji oczyszczających wino na zasadzie precypitacji i sedymentacji).
• W ćwiczeniu nr. 6 uczniowie obserwują po mikroskopem drożdże używane do fermentacji.

Aby wyprodukować potrzebny do tych ćwiczeń moszcz, fermentację soku winogronowego (może to być sok kupiony w supermarkecie) należy rozpocząć, co najmniej jeden dzień przez rozpoczęciem ćwiczeń. Dodatkowo potrzebna są: podstawowy sprzęt laboratoryjny, vinometr do pomiaru zawartości alkoholu, piknometr (specjalna butelka do określania gęstości cieczy) oraz refraktometr. Protokół do przygotowania fermentacji można pobrać tutaj^w2.

Określanie zawartości cukru

Słodkość wina zależy od zawartości cukru pozostającego w roztworze po zakończeniu procesu fermentacji oraz od całkowitej zawartości kwasu w winie. Wino wytrawne zawiera do 9 g/l cukru a poziom kwasowości musi być, co najmniej o 2 g/l niższy od poziomu cukru. Wino półwytrawne zawiera pomiędzy 9-18 g/l cukru a poziom kwasowości nie powinien być wyższy niż10 g/l niższy od zawartości cukru. Wino słodkie zawiera od 18-45 g/l cukru. Aby zapewnić odpowiedni balans pomiędzy zawartością cukru, kwasu i alkoholu w wyprodukowanym winie, ważne jest być określić początkową koncentrację cukru; w razie potrzeby można dodać cukier przed rozpoczęciem procesu fermentacji.

Wyższa gęstość moszczu (w porównaniu z wodą) jest spowodowana głównie przez cukier. Zawartość cukru można określić za pomocą pomiaru gęstości roztworu lub refraktometrii. W Niemczech wyraża się ją, jako wagę moszczu w skali Oechslea (°Oe). W krajach anglojęzycznych zawartość cukru wyrażana jest w skali Brix (°Bx), reprezentującej koncentrację rozpuszczonego cukru w ułamku wagowym (stężenie masowe procentowe; wt%).

Sposób obliczania wagi moszczu:

Waga moszczu = (gęstość – 1) X 1000

Gdzie waga moszczu wyrażana jest w °Oe a gęstość w g/l.

W przybliżeniu, 1°Oe odpowiada 2.37 g/l cukru (to jest około 0.237 °Bx). Dlatego też stężenie cukru może być obliczone w następujący sposób:

Stężenie cukru = waga moszczu X 2.37

Stężenie cukru wyrażone jest w g/l.

Z fermentacji całego dostępnego cukru w roztworze o skali 100 °Oe (stężenie cukru wynosi tu 237 g/l lub 23.7 °Bx) powstaje około 100 g/l etanolu (inaczej 10 wt% alkoholu). Ponieważ etanol ma gęstość 0.79 g/ml, powstający alkohol ma objętości 12.67 %. Zatem:

Koncentracja alkoholu (w % objętości) = koncentracji alkoholu (w g/l) X 0.1267

Ćwiczenie nr. 1: pomiar zawartości cukru za pomocą refraktometru

Zawartość cukru w soku winogronowym wpływa zarówno na zawartość alkoholu, jaki i na słodkość wyprodukowanego wina. W ćwiczeniu tym użyjemy współczynnika załamania roztworu do określenia zawartości cukru.

Refrakcja (inaczej załamanie) światła to zmiana kierunku rozchodzenia się światła, gdy przechodzi ono z jednego ośrodka w drugie (np. z powietrza w wodę). Właściwości rozpraszania światła danego roztworu zmieniają się wraz ze zmianą stężenia jego składników. Refraktometr wykorzystuje tą właściwość do określenia koncentracji rozpuszczonych substancji w roztworze – w winie jest to głównie sacharoza.

Większość przenośnych refraktometrów podaje stężenie rozpuszczonych substancji albo w skali Brix (°Bx), określającej zawartość sacharozy, lub w skali Oechsle (°Oe). Roztwór o 20 wt% sacharozy w wodzie ma 20 °Bx. Oechsle można przekształcić, w przybliżeniu, na skalę Brix mnożąc stopień Oechsle (zmierzony przez refraktometr) przez 0.237.

Materiały

• Refraktometr
• 20 wt% roztwór sacharozy
• Sok winogronowy
• Ręcznik papierowy
• Pipeta

Procedure

1. Nanieś dwie krople roztworu sacharozy na szklaną powierzchnię refraktometru i zamknij pokrywkę.
2. Odczytaj wynik na wyświetlaczu i zapisz go w tabeli 1.

3. Wyczyść szklaną powierzchnię refraktometru ręcznikiem papierowym zamoczonym w wodzie destylowanej.
4. Powtórz pomiar używając tym razem soku winogronowego.
5. Oblicz brakujące parametry w tabeli 1 używając powyższych równań.

Tabela.1: Obliczanie zawartości cukru w próbce

	20 wt% sacharozy	Sok winogronowy
Waga moszczu (°Oe)
Stężenie cukru (°Bx)
Przybliżona zawartość alkoholu (vol %)

Pytania

1. Jak dokładny był Twój pomiar sacharozy w porównaniu z oczekiwaną wartością?
2. Jak odtwarzalne były Twoje pomiary? Porównaj wyniki z innymi grupami.
3. Jeśli wykonałeś również zadanie 1a: czy uzyskane wyniki, używając dwóch różnych metod, były porównywalne (pomiar gęstości w porównaniu z refraktometrią).
4. Typowe wino zawiera około 12 vol% alkoholu. Oszacuj jak dużo cukru należy dodać to soku winogronowego by otrzymać 12 vol% alkohol?

Ćwiczenie nr. 2: określenie zawartości alkoholu

Zawartość alkoholu powstałego w wyniku fermentacji zależy od stężenia cukru w użytym soku winogronowym jak również od tolerancji alkoholowej użytych do fermentacji drożdży: większość szczepów drożdży toleruje do 16% alkoholu. Zawartość alkoholu można dość precyzyjnie zmierzyć za pomocą vinometru, prostego urządzenia opracowanego specjalnie dla winiarzy hobbystów. Pomiar ten opiera się na zasadzie spadku napięcia powierzchniowego roztworu wraz ze wzrostem zawartości alkoholu.

W ćwiczeniu tym będziemy mierzyć zawartość alkoholu w moszczu.

Materiały

• Filtr do kawy
• Lejek
• Zlewki
• Moszcz
• Wino
• Vinometer
• Pipeta
• Ręczniki papierowe
• Woda destylowana

Wykonanie doświadczenia

1. Przefiltruj 20 ml moszczu przez filtr do kawy, aby usunąć resztki drożdży.
2. Wlej niewielką ilość uzyskanego przesączu na lejek vinometru (rysunek 2B) i poczekaj aż kapilara całkowicie się wypełni. Zachowaj pozostały przesącz, gdyż będzie on nam potrzebny do ćwiczenia nr. 3.
3. Ostrożnie odwróć vinometer i postaw go na warstwę złożonych ręczników papierowych. Obserwuj powoli opadający poziom roztworu w kapilarze (rysunek 2C). Gdy poziom roztworu ustabilizuje się, odczytaj objętość na skali kapilary i zapisz wynik w tabeli 2.
4. Umyj vionometr wodą destylowaną i powtórz to samo doświadczenie używając wina.

Tabela 2: Zawartość alkoholu określona za pomocą vinometru

	Zawartość alkoholu (vol %)
Moszcz (przefiltrowany)
Wino

Uwaga: zawartość alkoholu w moszczu jest najprawdopodobniej dużo niższa niż w winie. Może to być spowodowane tym, że w moszczu fermentacja wciąż trwa oraz tym, że pozostały jeszcze w roztworze cukier podnosi napięcie powierzchniowe i wpływa na wynik.

Pytania

1. W ćwiczeniu nr. 1 określiliśmy zawartość cukru w soku winogronowym. Biorąc pod uwagę zmierzoną zawartość cukru w moszczu czy spodziewasz się, że wino będzie mieć wyższą zawartość alkoholu?
2. Jeśli przedłużylibyśmy czas trwania fermentacji, czy spodziewałbyś się jeszcze wyższej zawartości alkoholu?

Całkowita zawartość kwasu

Soki owocowe zawierają różne rodzaje kwasów np. kwas winowy, jabłkowy, cytrynowy czy szczawiowy – w różnych proporcjach, w zależności od rodzaju owocu. Głównym kwasem w winie jest kwas winowy, o pH pomiędzy 3 a 4. Jednak, ponieważ wino jest mieszaniną składającą się wielu różnych kwasów, zasad, białek i soli, pomiar pH nie jest wystarczający do określenia całkowitej zawartość kwasu. Dokonuje się tego za pomocą miareczkowania kwasowo-zasadowego. Zazwyczaj zawartość kwasu w winie wynosi około 4-8.5 g/l, ale może się zdarzyć ze będzie ona wynosić nawet 15g/l. Ilość kwasu powiązana jest z ilością zawartego w winie cukru (Zobacz: określanie zawartości cukru).

Kwas winowy (masa cząsteczkowa 150 g) jest (hydroksy)kwasem dwukarboksylowym (zawierającym 2 atomy wodoru w jednej cząsteczce, które w wodzie mogą ulec dysocjacji na 2 protony) mogącym ulec neutralizacji poprzez wodorotlenek sodu. Ponieważ 1 mol NaOH zobojętnia 0.5 mola kwasu winowego (75 g/l), 1 ml 0.1 M NaOH neutralizuje 7.5 mg kwasu winowego.

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

Ćwiczenie nr. 3: Określanie kwasowości za pomocą miareczkowania

Wszystkie wina zawierają pewną ilość kwasu. Winiarze zainteresowani są szczególnie zawartością kwasu winowego, gdyż jest on głównym kwasem występującym w winie. Określenie jego zawartości dokonuje się metodą miareczkowania (rozcieńczonym) wodorotlenkiem sodu.

Materiały

• pH meter
• Mieszadełko magnetyczne
• Zlewka (250 ml)
• Dwa cylindry pomiarowe (10 ml, 100 ml)
• Biureta
• Roztwór NaOH (0.1 M)
• Woda destylowana
• 10 ml przefiltrowanego moszczu (z ćwiczenia nr. 2)
• 10 ml wina

Wykonanie doświadczenia

Dla każdej z próbek (moszczu czy wina):

1. Napełnij biuretę roztworem NaOH. Zapisz początkową objętość NaOH w tabeli 3.
2. Odmierz 10 ml twojej próbki a następnie wlej ją do 250 ml zlewki. Dodaj 100 ml wody destylowanej.
3. Włącz mieszadełko magnetyczne oraz umieść elektrodę pH w roztworze, tak żeby jej koniec zanurzony był w próbce, ale nie dotykał ścianek zlewki i mieszadełka.
4. Kroplami (bardzo powoli) dodawaj NaOH do próbki aż do momentu zneutralizowania pH. Odczytaj objętość NaOH w biurecie i zapisz w tabeli 3.
   • Czy zaobserwowałeś zmianę koloru roztworu?
   • Jeśli tak, przy jakiej wartości pH kolor uległ zmianie?
   • Jak myślisz, co spowodowało zmianę barwy roztworu?
5. Oblicz ilość zużytego NaOH oraz zawartość kwasu w twojej próbce.

Przykład: użyliśmy 14 ml 0.1 M NaOH by zneutralizować 10 ml roztworu próbki. W takim razie koncentracja kwasu wynosi: (14 x 7.5 mg/ml x 100) = 10.5 g/l kwasu.

Tabela 3: Określanie całkowitej zawartości kwasu.

	Moszcz	Wino
Początkowa wartość pH
Początkowa objętość NaOH ( w ml)
Końcowa objętość NaOH (w ml)
Obliczona zużyta objętość NaOH
Koncentracja kwasu (g/l)

 

Wskazówka bezpieczeństwa

podczas doświadczenia załóż ochronne okulary oraz rękawiczki. Zwróć uwagę na ogólne zasady bezpieczeństwa.

 

Pytania

W ćwiczeniach od 1-3, analizowaliśmy trzy główne czynniki wpływające, na jakość wyprodukowanego wina: słodkość, zawartość alkoholu i kwasu. Nadszedł czas, aby ocenić produkt końcowy.

1. Czy całkowita zawartość kwasu twojej próbki mieści się w granicach typowego wina?
2. Czy użyty do tego doświadczenia sok winogronowy zawierał wystarczającą ilość cukru, aby uzyskać odpowiednią zawartość alkoholu?
3. Jak myślisz jak długo trwa całkowita fermentacja wina?

Podziękowania

Autor chciałby podziękować fabryce wina Pfäffle GmbH w Heilbronn, Niemcy, za pomoc w opracowaniu tego ćwiczenia. Autor dziękuje również Christine Dietrich oraz Karstenowi Wiese z kolegium szkolenia nauczycieli w Heilbronn za ich współpracę.