Настоятельно рекомендую прочитать предыдущую статью, т.к. я буду делать ссылки на механизмы и соединения, описанные в ней.

Почему образуются примеси?

Примеси в браге - это летучие и нелетучие органические соединения, которые дрожжи синтезируют прямо в ходе метаболизма или которые образуются в результате ферментативной и химической трансформации компонентов сырья. Они определяют запах, вкус и "чистоту" последующего дистиллята, они определяют то, что вы получите после выдержки и насколько сильно будет вам плохо на утро. Часть из них технически позже будет попадать в фракцию «головы» (более летучие) или «хвосты» (менее летучие). В общем, штука важная и нужная и контроль над их образованием начинается (да и вообще возможен) как раз на стадии ферментации сусла.

Дрожжи по своей природе не делают только этанол. Это живые клетки с метаболизмом, которые получают энергию через гликолиз (образование пирувата) и далее расходуют пируват и интермедиаты на разные пути, которые решают задачи клетки: получение аденозинтрифосфата (АТФ) для роста, регенерацию восстановительных эквивалентов (НАД+ / НАДН), синтез молекул и компенсацию осмотического давления. А этанол лишь побочный продукт этой жизнедеятельности и целевой для нас.

Побочные продукты возникают либо как отходы регенерации (например, ацетальдегид), либо как побочные ветви обмена (путь Эрлиха и образование высших спиртов), либо как результат стресс-адаптаций (синтез глицерина при осмотическом шоке), либо как следствие активности посторонних ферментов сырья (пектинметилэстераза - метанол из пектинов).

А сейчас будет пафосненько: контролировать профиль примесей значит управлять потоками углерода и электронов в клетке - снижать или перенаправлять те ветви метаболизма, которые дают неприятные ароматические компоненты. Так что, если кто-то обвинит вас в том, что вы "всего-то дрожжи в сахарную жижу засыпали", можете смело козырять этой фразой:)

Топ примесей в браге

Ацетальдегид

Ацетальдегид образуется в процессе декарбоксилирования пирувата пируватдекарбоксилазой с образованием ацетальдегида и диоксида углерода. Это, по сути, предпоследний из шагов брожения (дальше только восстановление ацетальдегида до спирта). В нормальных условиях ацетальдегид быстро восстанавливается алкогольдегидрогеназой до этанола при окислении НАДН в НАД+.

Главный источник ацетальдегида - это "интермедиат" между гликолизом и образованием этанола. Ацетальдегид накапливается, если восстановительная способность клетки ограничена или если активность алкогольдегидрогеназы снижается.

Факторы, увеличивающие концентрацию

• Дефицит цинка (Zn2+) - кофактор алкогольдегидрогеназы; при Zn < 0.1–0.2 мг/л повышается риск накопления ацетальдегида. Рекомендуемая целевая концентрация Zn в сусле 0.3–0.5 мг/л; при очевидном дефиците добавить сульфат цинка так, чтобы довести до 0.3–0.5 мг/л.
• Дефицит тиамина (витамин B1, тиамин/ТПП) – ограничивает активность пируватдекарбоксилазы; рекомендовать до 100–300 мкг/л тиамина для сахарного сусла.
• Низкая жизнеспособность и низкая начальная концентрация клеток - замедление метаболизма и накопление интермедиатов. Рекомендация для более профессионального уровня - целиться в 0,75–1,5 млн клеток/мл/°Вх (градус Брикс)
• Резкие температурные шоки и поздняя аэрация.

Как снизить

• Целевая концентрация YAN (доступный для дрожжей азот) в браге начинается с минимум 150–200 мг/л для большинства сусел; при этом во фруктовой или чисто сахарной браге стремиться к 200–300 мг/л. виду бедности этих компонентов свободным для аппетита дрожжей азотом.
• При Zn ниже 0.2 мг/л: добавка ZnSO4·7H2O в расчетной дозе, чтобы повысить Zn до 0.3–0.5 мг/л (обычно порядка 0.5–2 мг ZnSO4·7H2O на литр в зависимости от формы соли и исходной концентрации — рассчитывать по содержанию элементарного цинка; точную дозу рассчитывать по массе элементарного цинка).
• Тиамин: 100–300 мкг/л при недостатке витаминов (сахарные браги и бедные фруктовые).

Сернистые соединения и сероводород

Сероводород образуется в ходе ассимиляции серы: сульфат восстанавливается в сульфит/сульфид на пути синтеза серосодержащих аминокислот (цистеин, метионин). Если клетке не хватает аминокислот или кофакторов для окончания синтеза (дефицит азота, витаминов типа пантотеновой кислоты), излишний восстановленный серный эквивалент выходит в свободный H2S.
H2S имеет крайне низкий порог восприятия и при взаимодействии с другими метаболитами образует меркаптаны - брага начинает вонять в самом плохом смысле этого слова.

Факторы, стимулирующие образование

• Низкий YAN (особенно аммоний и свободные аминокислоты) - дефицит белкового субстрата для связывания серы. Рекомендации по YAN см. выше.
• Дефицит пантотеновой кислоты (витамин B5) и других коферментов.
• Сильный осмотический стресс и повреждение клеток.
• Старые или повторно используемые дрожжи с дефицитом магния и других микроэлементов.

Как снизить H2S

• YAN: поддерживать минимум 150–200 мг/л. Примерные расчеты такие 100 мг/л DAP (диаммонийфосфата) дает примерно +20 мг/л к YAN; следовательно, чтобы поднять YAN на 100 мг/л, требуется ~500 мг/л DAP. Добавлять лучше по шагам: 100–300 мг/л DAP при первоначальном внесении дрожжей + повторная доза 100–200 мг/л в начале активной фазы (при падении 2–3 °Brix).
• Пантотеновая кислота: если есть признаки H2S, добавлять комплексные питательные смеси, содержащие пантотенат; ориентир по витаминам: 100–300 мкг/л для тиамина и 100–300 мкг/л для пантотената.
• Цинк и магний: целевой диапазон 0.3–0.5 мг/л для цинка и 50–150 мг/л для магния снижает H2S через повышение активности ферментов и улучшение метаболизма.
• Профилактика: использовать свежую, жизнеспособную культуру и не оставлять длительных пауз между разбраживанием и внесением дрожжей в сусло; поддерживать температуру в оптимуме штамма.
• Контроль концентрации сахаров, чтобы не вогнать дрожжи в осмотический шок. Предельной адекватной концентрацией для большинства дрожжей является порог в 20-22% растворенных веществ.

Высшие спирты

Главный путь синтеза высших спиртов у сахаромицетов - путь эрлиха: аминокислота при помощи ферментов превращается (трансаминируется) в альфа-кетокислоту а после декарбоксилируетсяв альдегид, который восстанавливается подобно ацетальдегиду в соответствующий спирт. Также часть высших спиртов образуется анаболически при перераспределении углерода и через побочные ветви метаболизма, т.е. просто так, потому что клетка живет.

От высших спиртов нельзя избавиться никаким образом, т.к. путь Эрлиха запускается практически одномоментно с гликолизом. Однако, можно регулировать количество тех или иных аминокислот, что позволяет менять профиль высших спиртов, накапливая нужные и сокращая вредные.

Факторы увеличения

• Высокая температура ферментации. Пожалуй, самый влияющий фактор из всех. В целом увеличение температуры ускоряет рост и метаболизм и повышает образование всего. И рекомендация здесь простая: держать температуру на нижней границе диапазона штамма для снижения выхода гадостей (если только не запланировано иного).
• Стресс дрожжей: низкая жизнеспособность, осмотический шок, нехватка кислорода в начале, дефицит микронутриентов.
• Избыток или дисбаланс свободных аминокислот (специфические аминокислоты дают свои спирты, например лейцин как раз генерирует тот самый вредный изоамиловый спирт).
• Низкий порог внесения дрожжей (сиречь, мало дрожжевых клеток на первых этапах) приводит к более выраженному фазовому росту и может повысить концентрацию ВС.

Меры по снижению

• Температура: для снижения концентрации ВС держать температуру ферментации на 2–4 °C ниже привычного оптимума штамма. Конкретные значения подбирайте по штамму.
• Внесение дрожжей: 0,75–1,0 млн клеток/мл/°Вх для стандартных условий; при холодном старте или высокой плотности сусла увеличивать до 1,5–2,0 млн клеток/мл/°Вх. Это сокращает фазу адаптации и снижает стресс, уменьшая поток через путь Эрлиха.
• YAN: поддерживать в целевом диапазоне 150–300 мг/л; избегать резких однократных больших добавок свободных аминокислот без контроля. Если добавляете азотную подпитку, делать пошаговое внесение.

Сложные эфиры

В клетке дрожжей существует ферментная система алкогольацетилтрансфераз (Atf1, Atf2 и др.), которая соединяет спирт (например, этанол или высший спирт) с активированной уксусной кислотой — ацетил-КоА (ацетил коэнзим А).

Точно так же из изоамилового спирта и ацетил-КоА образуется изоамил ацетат с ароматом банана, а из фенилэтанола — фенилэтил ацетат с цветочными нотами. Для самих дрожжей это способ регулировать уровень ацетил-КоА и коферментов, особенно когда скорость роста высокая и поток углерода через гликолиз превышает потребность в энергии. И этот способ утилизации оной - прекрасно насыщает брагу всевозможными высшими эфирами. Ниже в таблице можно посмотреть, какой эфир как примерно пахнет в алкоголе.

Факторы увеличения

• Высокая скорость роста и высокая температура в активной фазе - часто увеличивают образование эфиров.
• Генетика штамма - некоторые штаммы имеют высокую активность ATF и дают сильную фруктовую эфирность.
• Бактериальные контаминации (Acetobacter) — приводят к образованию этил ацетата в больших количествах (запах растворителя).
• Нехватка кислорода в начале брожения — липидный синтез тормозится, избыток ацетил-КоА уходит в эфиры.

Как управлять

• Поддерживать температуру ближе к нижней границе диапазона штамма.
• Растворенный кислород перед внесением дрожжей 8–12 мг/л (для сусла до 12 °Вх) или 10–15 мг/л для более плотного сусла.
• Не аэрировать после старта - это уменьшает риск бактериальной активности и избытка этил ацетата (исключение - сильно плотные сусла, вроде меломели)
• Ну и очевидный совет - следите за чистотой емкостей и того, что вы вносите/пихаете в сусло.

Диацетил и ацетоин

В синтезе аминокислот валина и лейцина промежуточным продуктом является альфа-ацетолактат. Часть его выходит за пределы клетки и во внешней среде самопроизвольно окисляется кислородом до диацетила. Именно он придает запах топленого масла.

Если дрожжи остаются активными, они втягивают диацетил обратно и восстанавливают его до менее ароматичных соединений — ацетоина и 2,3-бутандиола.

Факторы увеличения

• Раннее охлаждение или резкое падение жизнеспособности дрожжей.
• Низкий уровень доступного азота (YAN меньше 150 мг/л).
• Слишком высокая скорость роста в начале - много альфа-ацетолакта, который успевает окислиться.

Как управлять

• После основного сбраживания поднять температуру на 2–4 °С на 24–48 ч, чтобы дрожжи восстановили диацетил.
• Поддерживать YAN в диапазоне 150–200 мг N/л.
• При желании дополнительно вносят фермент альфа-ацетолактатдекарбоксилазу, который сразу превращает ацетолактат в ацетоин.

Метанол

Ну вот мы и добрались до него... злейшего и страшнейшего врага всея винокуров!
Метанол в браге главным образом образуется при гидролитическом или ферментативном удалении метильных групп от пектинов - полисахаридов клеточных стенок фруктов особым ферментом - ПМЭ. Пектинметилэстераза (ПМЭ) присутствует в тканях многих фруктов и в микробных ферментных препаратах. Если мезга долго контактирует с жидкостью при температурах и pH, благоприятных для активности ПМЭ, часть пектиновых метильных групп отщепляется - и образуется метанол ещё до или в первые часы ферментации.

Факторы, повышающие образование

• Длительная мацерация мезги (часы или дни) - особенно при температуре >25–30 °C.
• Использование пектинолитических препаратов без контроля дозы и времени. Практическая рекомендация минимизировать дозы и сокращать время экспозиции.
• Сырье с высокой долей кожуры и семян (яблоки, груши, сливы) — семена и жесткие ткани часто богаты пектином.
• Высокий уровень кальция и нейтральный pH, которые сохраняют активность ПМЭ.

Как уменьшить

• Быстрая сепарация сока: для фруктов с высоким содержанием пектина (яблоки, груши, айва) отделять сок в первые часы.
• Термообработка мезги: пастеризация при 80–85 °C 20–30 минут разрушает ПМЭ.
• Ограничение коммерческих пектинолитических ферментов: доза не более 0.02–0.03 г/л, выдержка не более 2 часов при <25 °C.
• Оптимальный pH: подкисление до 3.2–3.4 лимонной или винной кислотой снижает активность ПМЭ.

И вот тут я напишу дисклеймер:

Не нужно бояться метанола. Даже при всем своем самом плохом исходе, у вас никогда не получится более 1-1,5% метанола в браге и летит он прекрасно вместе с головами. Но даже чтобы такие проценты получить вам нужно неило так постараться - это на самом деле сложно.

Так что простая рекомендация - просто забейте.Есть ли что-то еще?
Конечно, есть и довольно много.

В число примесей в браге входят и жирные кислоты, которые при прогоркании могут давать отвратительные вкусы в спирте, и летучие кислоты, типа уксусной, которую за милый мой образуют уксуснокислые бактерии прям из глюкозы на месте, и не летучая молочная кислота от лактобактерий, фенолы, стеролы, и глицерин, как ответ на стресс и высокую плотность и много чего еще.

Примесей не нужно бояться, они создают ваш напиток, т.к. просто чистый этанол с водой на редкость невкусная штука. А вот управлять ими - очень полезно. В совокупности с корректной перегонкой и выдержкой это и позволяет получать великолепные и благородные творения.

Общие рекомендации

Многие дефекты образуются на ранних этапах и при нормальной, жизнеспособной дрожжевой популяции часть из них будет восстановлена/редуцирована в ходе дальнейшей работы (ацетальдегид в этанол; диацетил в ацетоин и 2,3-бутандиол и пр). Поэтому лучше не гнать процесс к раннему завершению работы дрожжей - обеспечьте их возможность добить продукты обмена дрожжам самостоятельно.

Любые ускорения за счет наращивания катастрофической массы дрожжей, избыточных подкормок, внесение сложных сахаров, которые дрожжи не умеют употреблять сразу (например сахарозы вместо глюкозы) или повышение кинетики за счет температуры приводят к накоплению нежелательных продуктов и могу испортить даже самое хорошее сырье.

Итого, можно собрать в кучу все рекомендации в виде такого списка:

1. Следите за усваиваемым азотом (или аналитически, или логически, исходя из сырья)
2. Следите за уровнем ко-факторов, таких как магний и цинк - их не хватает почти всегда и почти во всех брагах
3. Следите за уровнем витаминов, особенно группы В - также как и кофакторов, их не хватает почти всегда, особенно В1, В2, В4 и В9
4. Температура - капец как важна. Исходите из своей тактики и желаемого конечного результата: хочется больше эфиров - берите ближе к верхней границе допустимого диапазона, хотите чище профиль - к нижней границе.
5. Осмолярность не шутки и жадность убивает продукт хуже заражения. Следите за плотностью сусла и не превышайте допустимого для штамма порога.
6. Контаминация - русская рулетка для браги. Вы мб получите что-то крутое, а может быть много литров дерьма. И да, это из-за вас чаще всего и происходит. Не нужно лезть в брагу, стоит мыть сырье и емкости, обеззараживать их и в целом соблюдать правила микробиологической гигиены.
7. Брожение не любит спешки. Оставьте брагу в покое и, поверьте, вы получите невероятно хороший продукт после (при условии невероятно хорошего сырья в начале, конечно же).

Вот и все базовые элементы и принципы брожения. Дальше - нюансы, которых не счесть и которые открываются с опытом:)