Välkommen till femte delen av serien Terroir & vinets kemi. Vi har tittat på jord och klimat, på syror och pH, på fenolerna och på aromämnena. Nu kommer vi till själva hjärtat i vinets tillblivelse: den process som gör söt druvsaft till vin. Jäsningen.
Det är här jästen tar över, och där druvans socker omvandlas till alkohol, koldioxid och en lång rad biprodukter som formar vinets kropp, munkänsla och arom. För den nyfikne är det också här kemin blir konkret: vi kan följa den enzymatiska vägen från en glukosmolekyl hela vägen till etanol, och vi kan förstå varför temperatur och näring avgör om jäsningen förlöper rent eller stannar av.
Vad du lär dig
- Hur druvsocker omvandlas till alkohol via jästens ämnesomsättning
- Vilken roll jästen spelar, och hur dess näringsbehov styr förloppet
- Vilka biprodukter jäsningen bildar, och vad de betyder för vinet
- Varför temperatur och kväve är avgörande, och vad som händer när jäsningen stannar av
Från druvsocker till alkohol
Utgångspunkten är druvans socker. Glukos och fruktos är de två dominerande hexossockren i druvan och utgör omkring 15-25 % av bäret. Det är dem jästen använder som substrat för att producera etanol. Mogna druvor ligger typiskt på 20-24 °Brix, och det jäsbara sockret i must ligger normalt i området 120-250 g/L.
Saccharomyces-jästerna utnyttjar monosackarider som glukos, fruktos, mannos och galaktos som kolkälla, och de flesta vinjäststammar kan också omsätta disackarider som sackaros, maltos och melibios. Pentoser utnyttjas däremot inte under vinframställning. I praktiken är Saccharomyces cerevisiae specialiserad på hexoserna, och det är därför glukos och fruktos som bär hela lasset.
Teoretiskt ger en mol glukos två mol etanol och två mol koldioxid. Den faktiska mängden frigjord CO2 är dock något mindre än den teoretiska, eftersom en del CO2 används i anaeroba karboxyleringsreaktioner under förloppet. Det är en god påminnelse om att en jäsning aldrig är ett rent räknestycke, utan en levande ämnesomsättning med många sidovägar.
Jästens ämnesomsättning
För att sockret ska kunna bli till alkohol måste det först in i jästcellen. Sockertransporten sker både genom passiv transport (enkel och faciliterad diffusion) och genom aktiva transportmekanismer. Inne i cellen är glykolysen den centrala nedbrytningsvägen för glukos och fruktos.
Glykolysen steg för steg
Glykolysen är en kedja av enzymstyrda steg. Hexokinas fosforylerar glukos vid 6-hydroxylpositionen och kräver både ATP och Mg2+. Fosfoglukoisomeras omvandlar glukos-6-fosfat till fruktos-6-fosfat (även med Mg2+ som krav). Fosfofruktokinas är det viktiga regleringsenzymet, som finjusteras av allosteriska effektorer som AMP, ADP och fruktos-2,6-bisfosfat, och som hämmas av bland annat PEP, ATP och citrat. Aldolas spjälkar därefter fruktos-1,6-bisfosfat i glyceraldehyd-3-fosfat och dihydroxiacetonfosfat, och glyceraldehyd-3-fosfat-dehydrogenas, som kräver en cysteinyl-SH-grupp i sitt aktiva säte, driver processen vidare.
Resultatet av glykolysen är pyruvat, och nettoutbytet är två ATP och två NADH per glukosmolekyl. ATP är jästens energivaluta, medan NADH måste recirkuleras för att processen ska kunna fortsätta.
Från pyruvat till etanol
Själva den alkoholiska jäsningen omvandlar pyruvat till etanol och koldioxid i två enzymatiska steg: pyruvat dekarboxylas och alkohol dehydrogenas. Det avgörande är att NAD+ regenereras i detta sista steg. Utan den regenereringen skulle glykolysen stanna av, eftersom det inte fanns NAD+ tillgängligt för att oxidera ny glukos. Det är alltså inte bara etanol som är poängen för jästen, utan också den fortsatta möjligheten att dra energi ur sockret.
Jästens förmåga att tåla den etanol den själv producerar hänger samman med membranets fluiditet, som i sin tur påverkas av fettsyreresterna i membranets fosfolipider. Det är en del av förklaringen till varför vissa jäststammar kan arbeta längre och högre upp i alkohol än andra.
Biprodukter och arom
Jäsning är aldrig bara etanol. En rad biprodukter bildas under förloppet, och de bidrar märkbart till vinets karaktär.
Glycerol är den viktigaste biprodukten och samtidigt den mest utbredda föreningen efter vatten och etanol i torrt vin, omkring 10 g/L i rödvin och 7 g/L i vitvin. Glycerol bildas från dihydroxiacetonfosfat via enzymet dihydroxiacetonfosfat reduktas och bidrar till en mjukare munkänsla. Låg temperatur, hög vinsyra och SO2 gynnar bildningen av glycerol. De klassiska jäsningsstudierna (Neubergs andra och tredje jäsning) visar just hur glycerolbildningen kan ökas när acetaldehyd binds av sulfit och därigenom inte kan fungera som väteacceptor för NADH, eller när dihydroxiaceton tar över den rollen under alkaliska förhållanden.
Högre alkoholer (fuselalkoholer) med mer än två kolatomer omfattar bland andra n-propanol, isobutylalkohol, 2-metylbutanol, isoamylalkohol och 2-fenyletanol. De bildas genom deaminering och dekarboxylering av aminosyror, och bildningen beror på jästarten. Aminosyror som isoleucin, leucin och valin förbrukas snabbt inom de första 18-38 timmarna efter jäsningens start, medan bildningen av högre alkoholer fortsätter genom hela förloppet. Upp till omkring 400 mg/L förbättrar de högre alkoholerna vinets arom, medan nivåer däröver drar ner kvaliteten.
Bärnstenssyra (succinic acid) är den primära karboxylsyra som jästen bildar, i koncentrationer upp till 2,0 g/L, och aminosyror samt glutamat ökar produktionen. Metanol stammar däremot inte från jästen själv, utan från pektinesterasets verkan på pektin i musten. Ju högre pektininnehåll, desto mer metanol, och nivån påverkas också av jäsningsorganismen, råvaran och temperaturen.
Temperatur, näring och kontroll
Jäsningen förlöper i tre faser: en lagfas (där musten mättas med CO2), en exponentiell fas (snabb CO2-produktion fram till den maximala jästpopulationen) och en stationär fas (avtagande aktivitet, men bevarad livskraft). Etanolproduktionen börjar typiskt strax innan den exponentiella tillväxten upphör.
Temperaturens roll
Temperatur är ett av de starkaste reglagen vinmakaren har. Lägre jäsningstemperatur reducerar både tillväxt och etanolproduktionens hastighet, men ger till gengäld högre slutlig cellmassa och högre slutlig etanolkoncentration jämfört med varmare jäsning. Utbytet faller när temperaturen stiger. Samtidigt är värmeutvecklingen under jäsning direkt knuten till omvandlingen av socker och är den kritiska parametern när man dimensionerar kylning. Det är därför temperaturstyrning inte bara är ett stilistiskt beslut, utan också en fråga om att hålla processen säker.
Etanolens utbyteskoefficient ligger normalt på 91-94 % av det teoretiska stökiometriska värdet (0,510) under normala enologiska förhållanden. Det berättar för oss hur effektivt sockret faktiskt blir till alkohol, och hur mycket som går till biomassa och underhåll.
Kväve och näring
Kväve är den mest kritiska näringen. Kvävebegränsning sänker glukostransportörernas aktivitet och sänker därmed den samlade glykolytiska hastigheten. Ammoniakaliskt kväve verkar dessutom som allosterisk effektor på både fosfofruktokinas och pyruvatkinas. Jästen behöver kväve för proteinsyntes, och en mark med kvävefattig frukt kan ge en för liten jästpopulation för att fullfölja jäsningen.
Etanol själv verkar som en icke-kompetitiv hämmare av jästtillväxten: den påverkar den maximala tillväxthastigheten, men inte jästens affinitet till substratet. Jästens livskraft faller nästan linjärt med stigande etanolkoncentration. Optimal jäsning sker typiskt vid 18-25 °C, vid pH 3-4, med tillräcklig näring, inledande syre och frånvaro av toxiska ämnen.
När jäsningen stannar av
En stoppad jäsning (stuck fermentation) uppstår när processen avstannar innan allt tillgängligt socker har omvandlats till alkohol och CO2. Det lämnar restsocker, och det är problematiskt: restsocker skapar biologisk instabilitet som möjliggör bakterietillväxt, ökad flyktig syra, möjlig omstart av jäsning efter tappning, bottensats och bubbelbildning på flaska.
Den primära orsaken är näringsbegränsning, särskilt kvävebrist, som bromsar jästens utveckling och ämnesomsättning. Andra faktorer omfattar jonobalanser, substrathämning, etanoltoxicitet, pesticidrester, pH-förändringar och temperatursvängningar. Även jäststammarnas egna självhämmande och korshämmande effekter spelar in, liksom L-ornitin bildat av mjölksyrabakterier kan hämma aminosyratransporten i jästen och därmed fördröja jäsningen. För torrjäst faller livskraften dessutom vid felaktig förvaring, hög SO2 eller musttemperaturer under 15 °C eller över 30 °C.
Kort sagt
- Glukos och fruktos omvandlas via glykolys till pyruvat och vidare till etanol och CO2, medan NAD+ regenereras för att hålla processen i gång.
- Jästen måste ta upp sockret, och dess ämnesomsättning styrs av enzymer som hexokinas, fosfofruktokinas och alkohol dehydrogenas.
- Glycerol är den viktigaste biprodukten, medan högre alkoholer, bärnstenssyra och metanol bidrar olika till kvalitet och karaktär.
- Temperatur och kväve är de starkaste reglagen: lägre temperatur ger högre slutlig alkohol och cellmassa, medan kvävebrist är huvudorsaken till stoppade jäsningar.
Vanliga frågor
Varför är kväve så avgörande för en ren jäsning?
Jästen använder kväve för proteinsyntes, och ammoniakaliskt kväve verkar direkt som regulator av centrala glykolytiska enzymer. Saknas kväve faller glukostransportörernas aktivitet och därmed jäsningshastigheten, och populationen kan bli för liten för att nå i mål. Det är därför kvävebrist är den vanligaste orsaken till stoppade och tröga jäsningar.
Vad betyder jäsningstemperaturen för det färdiga vinet?
Lägre temperatur sänker hastigheten, men ger högre slutlig cellmassa och högre slutlig etanolkoncentration, och gynnar samtidigt bildningen av glycerol. Varmare jäsning går snabbare, men ger lägre utbyte och utvecklar mer värme som måste styras med kylning.
Redo för nästa steg?
När den alkoholiska jäsningen är över är vinet långt ifrån färdigt. För många viner börjar nu en annan mikrobiologisk förvandling, där bakterier formar syra och arom på nytt. Det ser vi närmare på i nästa del, Malolaktisk jäsning och mikrobiologi, där vi följer omvandlingen av äppelsyra till mjölksyra och dyker ner i de mikroorganismer som lever sida vid sida med jästen.
Har du lust att smaka skillnaden mellan en sval, långsam jäsning och en varmare stil, så låt nyfikenheten guida dig runt i sortimentet. Och kom ihåg att den bästa kombinationen alltid är det vin du tycker om, till den mat du tycker om.