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.
Obrázok so súhlasom Digimist;
zdroj obrázku: Flickr
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 Experimentaw1, 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
Obrázok so súhlasom def110;
zdroj obrázku: Flickr
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.
Obrázok so súhlasom def110;
zdroj obrázku: Flickr
- Během aktivitě 1 studenti mohou určit obsah cukru v hroznové šťávě s využitím refraktometrie. Aktivita 1a (viz dole) nabízí alternativu založenou na měření hustoty.
- 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.
- 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 zdew2:
Obrázok so súhlasom JB
London; zdroj obrázku: Flickr
- 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 stáhnoutw2.
Stanovení obsahu cukru
Obrázok so súhlasom
Maksud_kr / iStockphoto
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.
Obrázek 1: Refraktometr a
stupnice. Kliknutím na
obrázok ho zväčšite
Obrázok so súhlasom
Experimenta
Pomůcky
- Refraktometr
- 20% roztok sacharózy (hm. %)
- Hroznová šťáva (džus)
- Papírové utěrky
- Pipeta
Postup
- Odpipetujte 2 kapky sacharózového roztoku na skleněný povrch refraktometru a zavřete víčko.
- Po přečtení údajů dalekohledem zaneste data do tabulky 1.
- Vyčistěte skleněný povrch papírovou utěrkou, navlhčenou destilovanou vodou a pak osušte.
- Měření opakujte s hroznovou šťávou.
- 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
- Jak přesný byl váš výsledek ve srovnání s očekávanou hodnotou?
- Jak reprodukovatelná byla vaše měření? Srovnejte je s ostatními skupinami.
- Pokud jste zpracovávali i aktivitu 1, byly vaše výsledky pro tyto dvě metody srovnatelné (hustota versus refraktometrie)?
- 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.
Obrázek 2: Používání
vínoměru. Kliknutím na
obrázok ho zväčšite
Obrázok so súhlasom
Experimenta
Pomůcky
- Kávové filtry
- Nálevka
- Kádinky
- Mošt
- Víno
- Vínoměr
- Pipeta
- Papírové utěrky
- Destilovaná voda
Postup
- Pro odstranění zbývajících kvasinek přefiltrujte 20 ml moštu přes kávový filtr.
- Malé množství filtrátu nalijte do nálevky vínoměru (obrázek 2B) a počkejte, dokud se kapilára nenaplní. Zbytek filtrátu si uschovejte do aktivity 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.
- 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
- V aktivitě 1 jste měřili obsah cukru v hroznové šťávě. Podle množství dostupného cukru v hroznové šťávě, očekávali jste vyšší obsah alkoholu ve víně?
- Kdyby kvašení probíhalo delší dobu, očekávali byste zvýšení obsahu alkoholu?
Jak kyselé je vaše víno?
Obrázek se svolením Edward
Stevens; zdroj: Wikimedia
Commons
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
Obrázek 3: Uspořádání
pokusu při titraci. Klikněte
na obrázek pro zvětšení
Obrázok so súhlasom
Experimenta
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):
- Naplňte byretu roztokem NaOH. Zapište počáteční objem do tabulky 3.
- Odměřte 10 ml svého roztoku a nalijte ho do 250 ml kádinky. Přidejte 100 ml destilované vody.
- Zapněte magnetickou míchačku a vložte pH elektrodu do kádinky tak, aby špička byla ponořená, ale nedotýkala se stěn, dna ani míchadla. .
- 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?
- 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) |
|
|
Sudy se zrajícím vínem,
skladované ve sklepě
Obrázok so súhlasom tomek
pl; zdroj obrázku: Flickr
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.
- Je celková kyselost v limitu pro vinnou produkci?
- Obsahovala výchozí hroznová šťáva dostatek cukru pro produkci očekávaného obsahu alkoholu?
- 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.
Web References
Resources
- Základní průvodce běžnými experimenty ve vinné analýze:
- Pro aktuální přehled témat, která jsou relevantní k tématu domácí výroby vína, jděte na: Fruchtweinkeller website (v němčině) and the Fruchtwein website (také v němčině) pozn.
Author(s)
Thomas Wendt získal PhD ve strukturální biologii v Evropské Molekulární Biologické Laboratoři (the European Molecular Biology Laboratory (EMBL)) v Heidelbergu, Německo v roce 1998. Během svého postdoktorandského výzkumu v USA a poté zpátky v Německu se zaměřil na proteinovou biochemii a molekulární biologické metody. Poté, co vedl mnoho studentů, se Thomas rozhodl koncentrovat na podporu mladým lidem, kteří zvažují vědeckou kariéru. Od roku 2009 je vzdělávacím ředitelem výukové laboratoře Experimenta.
License