Ons bindt de vriendschap en de wijn brengt ons vreugde

Omzetting (basis)

Omzetting van suiker in alcohol (basis)

Op deze pagina worden enkele elementaire aspecten belicht van de omzetting van suiker in alcohol. Chemisch, biochemisch, zit alles veel ingewikkelder in elkaar, maar het onderstaande zou tot de basiskennis van elke wijnmaker moeten behoren.

Grondstof

In druiven bevinden zich verschillende soorten suikers, waarvan glucose en fructose de belangrijkste zijn.

Structuurformule van α-D-glucose

Glucose (hierboven, ook wel druivensuiker genoemd) bestaat uit een ring van 5 koolstofatomen (C-atomen, in de ring niet met een letter aangeduid) en 1 zuurtstofatoom. Aan één van de koolstofatomen zit het zesde koolstofatoom vast. Aan de andere koolstofatomen zitten OH-groepen vast.
Meer informatie over glucose op Wikipedia.

Structuur van β-D-Fructose

Fructose (hierboven) bestaat uit een ring van 4 koolstofatomen en 1 zuurstofatoom. Aan twee van de koolstofatomen zitten het vijfde en zesde koolstofatoom vast. Aande andere koolstofatomen zitten OH-groepen vast. Meer uitleg op Wikipedia.

Wat wij kennen als kristalsuiker is sacharose (zie uitleg op Wikipedia). Dat is een molecuul met 1 ring van glucose en 1 ring van fructose. Sacharose is dus een di-sacharide. 
Voor verteren van kristalsuiker is het enzym invertase nodig, maar ook oplossen in water maakt glucose en fructose van elkaar los.

Zetmeel (cellulose) en dergelijke, bestaan uit ketens (polymeren) van glucose en/of fructose. Dit zijn poly-sachariden.
Glucose, fructose, sacharose, cellulose vormen samen de groep van koolhydraten.

In formulevorm kun je glucose en fructose beide opschrijven als C6H12O6.

Nog wat wetenswaardigheden:

  • Fructose smaakt 2,5 x zo zoet als glucose.
  • Fructose smaakt 1,7 x zo zoet als sacharose.
  • Druiven bestaan voor ongeveer 18% uit koolhydraten (3% celwandmateriaal en 15% suikers); de suikers bestaan voor ongeveer 50% uit glucose en 50% uit fructose.

Omzetting door gist

Gist bestaat (ook elders op onze website beschreven) uit ééncellige schimmels, die in staat zijn om glucose en fructose te gebruiken voor hun voortplanting en hun stofwisseling. Voor beide is zuurstof nodig. In gistende wijn is al snel bijna geen zuurstof meer aanwezig, en de omstandigheden worden dan anaeroob.
Onder anaerobe omstandigheden vindt in de gistcel de volgende omzetting plaats:

Suiker → alcohol  + koolzuurgas + warmte, of in formulevorm:

C6H12O6 → 2 CH3CH2OH + 2 CO2 + xATP

Ofwel: Bij de fermentatie ontstaan uit 1 molecuul glucose of fructose (bevat 6 C-atomen):

  • 2 moleculen alcohol (ethanol, dat per molecuul 2 C-atomen bevat)
  • 2 moleculen koolzuurgas (CO2 ), dat ontsnapt uit de vloeistof
  • en een aantal moleculen ATP (AdenosineTriPhosphaat, een energierijke fosfaatverbinding), waardoor de gistende massa wordt opgewarmd.

De omzettingen in de gistcel vinden niet zomaar plaats, daarvoor zijn enzymen nodig: Eiwitten die samenvoeging of losmaken van stoffen bevorderen zonder daarbij zelf verbruikt of aangetast te worden; en dat dus telkens opnieuw kunnen doen.

De meeste soorten gist (Saccharomyces Cerevisiae var. Cerevisiae) "verteren" glucose eerder dan fructose. Alleen bij Bayanusgisten (Saccharomyces Cerevisiae var. Bayanus) is dat andersom. Glucose verdwijnt dus eerder uit gistende most dan fructose. Valt de gisting stil, dan kan deze daarom vooral door Bayanusgisten weer op gang gebracht worden.

Als wijn na de gisting is aangezoet met kristalsuiker, is dat altijd aan te tonen: er zit dan ongeveer evenveel glucose in als fructose.

Omstandigheden die van invloed zijn

Diverse omstandigheden beïnvloeden de alcoholische gisting. We bespreken hier in het kort de belangrijkste. Behalve de hoeveelheid beschikbare vergistbare suikers zijn nog de volgende omstandigheden van belang.

Temperatuur

Omdat voor de omzetting van suikers in de gistcel enzymen nodig zijn, is er voor de alcoholische gisting een optimale temperatuur. Daaronder en daarboven werkt het enzym (veel) minder goed. En enzymen zijn eiwitten, die boven 50o C uiteenvallen (denaturatie). Dus niet alleen is er een optimum, maar ook een gevaarlijke bovengrens.

Voor de werking van gistcellen, en dus voor de alcoholische gisting, betekent dit dat de gisting binnen bepaalde temperatuurgrenzen moet verlopen. Te koud is niet goed, te warm ook niet. Per gistsoort verschilt het optimum. Er zijn een paar gistsoorten die rond 10o C hun werk doen, de meeste doen da tussen 25 en 30o C. 
Grote fermentatietanks bevaten daarom altijd een systeem om te koelen of (eventueel tijdelijk) op te warmen.

Een gisting kan dus stagneren, niet alleen bij gebrek aan suikers of voedingstoffen, maar ook doordat de temperatuur te hoog is geweest. 

Zuurgraad

Evenals voor de temperatuur, heeft elk enzym ook een optimum voor de pH. Enzymen in de maag kunnen een pH aan van slechts 2, sommige darmenzymen kunnen tegen een pH hoger dan 7. Voor de meeste wijngisten geldt een optimum tussen pH = 3,5 en pH = 5,5. De marges voor deze enzymen zijn dus nogal ruim.

Voedingstoestand

Gistcellen moeten kunnen stofwisselen, en dat gaat het best als zij met zeer velen zijn. De mogelijkheden van gistcellen om zich te kunnen vermenigvuldigen zijn onder meer afhankelijk van de hoeveelheid beschikbare stikstof. Niet het gas, maar het stikstof in de voedingsstoffen, net als bij plantenvoeding. Deze stikstof is nodig bij de opbouw van celwanden. Bij te weinig voeding stagneert de alcoholische gisting en erger nog: het zwavel (S) dat bij de celwandbouw gebruikt wordt, blijft over en vormt H2S, de bekende geur van rotte eieren.

Even technisch worden: celwanden bestaan voor een belangrijk deel uit eiwitten. Eiwitten bestaan uit aminozuren. Twee benodigde aminozuren zijn cysteïne en methionine. Geen stikstof, dan niet deze twee aminozuren, en wel vrij zwavel tot gevolg.
De stikstofbehoefte van gistcellen verschilt, dus ook de mate waarin gevaar bestaat op vorming van H2S. 

Naast stikstof hebben gistcellen voor hun groei ook nog sporenelementen nodig, bepaalde vitaminen en vetzuren. Als gistcellen vóór hun toevoeging worden gerehydrateerd in een papje van water met Go-Ferm (zie start alcoholische gisting), zuigen zij zich met het water ook vol met deze voedingsstoffen (let op: daar mag op dan geen stikstofvoeding bij zitten, want dat is op dit moment nog giftig voor de gistcellen).

Alcoholgehalte

Gistcellen maken alcohol en vergiftigen daarmee zichzelf. De alcoholtolerantie verschilt per gistras, maar boven de 16% overleven er toch maar weinige.

Koolzuurgas, suiker en zware metalen

Gistcellen maken naast ethanol ook koolzuurgas aan en kunnen daar maar slecht tegen. Anders dan alcohol, heeft CO2 een veel grotere neiging om te ontsnappen aan de gistende massa.

Suiker wordt gebruikt als grondstof (subtstraat), maar meer is niet altijd beter. Als de gistcellen omringd worden door vloeistof met een zeer hoog suikergehalte, heeft water in de gistcellen de neiging om door de celwand heen naar buiten te gaan (osmotische werking). Gistcellen kunnen zo zelfs afsterven.
Onder andere daarom is het zo moeilijk om de gisting van Eiswein of van Trockenbeerenauslesen op gang te brengen.
Per gistsoort verschilt de gevoeligheid voor hoge suikerwaarden en de meeste wijnmakers zullen van dit verschijnsel geen last hebben bij het maken van gewone wijn.

Zware metalen kunnen giftig zijn voor alle organismen, ook voor gistcellen.

Sulfietgehalte

De stofwisseling van gistcellen (net als van bacteriën en meercellige gisten zoals schimmels) wordt afgeremd door sulfiet. Hoge doses kunnen zelfs dodelijk zijn. De ene gistsoort is er gevoeliger voor dan de andere. Van champagnegisten is bijvoorbeeld bekend, dat zij vrij hoge doses kunnen verdragen, tot 50 mg vrij SO2 per liter. Let op: 1 gram KDS bevat ongeveer 0,55 gram sulfiet. De meeste wilde gisten zijn gevoeliger voor SO2 dan cultuurgisten.

Wie dus KDS gebruikt om voortijdige oxidatie tegen te gaan, en om ongewenste gisten te doden, moet rekening houden met de overlevingskansen van de gist die de ethanol moet gaan maken.

Nevenproducten van de alcoholische gisting

De afbraak van suiker houdt niet op bij de vorming van ethanol. Het natuurlijke eindstadium is azijnzuur en ethylacetaat (velpongeur). Ook worden tussenproducten gevormd, die niet allemaal worden omgezet of afgebroken: aceetaldehyde (ook wel ethanal, met de bekende geur van overrijpe appeltjes) bijvoorbeeld.

Aceetaldehyde is een bekend tussenproduct bij de vorming van ethanol. En bij de afbraak van ethanol door oxidatie, komt de trein weer langs dit tussenstation, op weg naar azijn en ethylacetaat.
Aceetaldehyde is ook de belangrijkste stof, die bij alcoholconsumptie duizeligheid, misselijkheid en braken veroorzaakt.

Tijdens de gisting worden door de gistcellen ook geringe hoeveelheden sulfiet gevormd (tot naar schatting 10 mg/L).

Tot slot

De omzetting van suiker in alcohol is in de natuur bepaald niet één van de ingewikkeldste. Maar de wijnmaker heeft de niet eenvoudige taak om daarvoor de juiste omstandigheden te scheppen. Au fond is wijnmaken niet meer dan het gecontroleerd in gang zetten van de rotting van druiven, en niet vergeten daarbij tijdig bij te sturen en op de rem te trappen.

Werkgroep vinificatie – ©Siem Zwaard, 19 augustus 2014