Контрольная работа
Основные биохимические и физико-химические процессы, происходящие на различных этапах производства солода
Содержание
1.Основные процессы, происходящие на стадии замачивания ячменя
.Основные процессы, происходящие на стадии проращивания ячменя
.Основные процессы, происходящие на стадии сушки солода
Литература
.Основные процессы, происходящие на стадии замачивания ячменя
Замачивание зерна ячменя - первая стадия производства солода, во время которой необходимо увлажнить зерно водой до (44…48) % и при этом сохранить жизнеспособность зародыша.
Жизнедеятельность зародыша зерна заметно проявляется при влажности около 30%. Зерно ячменя начинает равномерно и быстро прорастать при влажности (38…40)%, однако, для обеспечения в прорастающем зерне высокой активности всех технологически значимых ферментов и достаточной степени растворения эндосперма при проращивании зерна нужна средневзвешенная влажность не менее 44%.
Вода в зерне распределяется неравномерно. К концу замачивания при средневзвешенной влажности 44 % влажность в зародыше составляет (68…75) %, в центральной части эндосперма - 38 %, вблизи щитка влажность эндосперма 47 %, в кончике эндосперма, наиболее удаленном от зародыша, влажность 39 %.
В первые часы замачивания вода поглощается зерном очень энергично. Затем скорость поглощения воды всё больше замедляется. Через 2 ч замачивания в зерне с исходной влажностью 13 % влажность достигает 29 %, через 6 ч - 33 %, через 18 ч - 37 %, через 24 ч - 39 %, через 48 ч - 42,5 %.
Каким образом вода поступает в зерно? Снаружи зерно почти полностью покрыто мякинной оболочкой, которая пропитана веществами, не пропускающими воду. Только в кончике зерна вблизи зародыша нет мякинной оболочки, а в плодовой и семенной оболочках, покрывающих кончик зерна, имеются канальцы-трахеиды, через которые вода поступает внутрь зерна путём диффузии за счёт разности концентраций воды внутри и снаружи зерна. Эти канальцы полупроницаемы. Пропуская воду, они задерживают содержащиеся в неё соли. Если вода жёсткая, то канальцы могут закупориться, процесс замачивания нарушится, поэтому в воде, идущей на замачивание, не должно содержаться много солей.
Из мякинной оболочки зерна в ходе замачивания постепенно экстрагируются водой вещества, препятствующие поступлению воды, и вещества-ингибиторы прорастания. Мякинная оболочка начинает поглощать воду и становится эластичной. Увлажняются алейроновый слой и периферическая часть эндосперма.
Чтобы удалить растворённые в замочной воде вещества, во время замачивания несколько раз меняют воду.
Зародыш быстро увлажняется водой уже в начале замачивания. Начинается его интенсивная жизнедеятельность. Чтобы зародыш сохранял жизнеспособность, необходимо обеспечить его достаточным количеством кислорода для аэробного дыхания, отвести выделяющийся во время дыхания диоксид углерода, использовать замочную воду такой температуры, чтобы жизнедеятельность зародыша была достаточно интенсивной, а жизнедеятельность посторонней микрофлоры была подавлена.
В воде, поступившей в зерно, растворяются питательные вещества, необходимые для питания зародыша (простые углеводы, аминокислоты, минеральные и органические соли). Сначала зародыш использует питательные вещества, находящиеся в зоне зародыша, а затем из эндосперма, начиная от зоны, прилегающей к щитку.
Коллоидные вещества эндосперма и алейронового слоя после поступления воды набухают, так как молекулы воды входят в пространственную структуру коллоидов.
Гумми-вещества поглощают 800 % воды, белки - 180 %, крахмал - 70 %, целлюлоза - 30 % по отношению к своей исходной массе, поэтому объём зерна к концу замачивания увеличивается на 45 %, что учитывают при расчёте объёма замочного чана.
Практика замачивания рекомендует температуру замочной воды в пределах (10…18) 0С. Предпочтительна температура воды (13…14) 0С, поскольку при этой температуре достаточно велика растворимость в воде кислорода воздуха.
С понижением температуры воды растворимость кислорода растёт, но замедляется жизнедеятельность зародыша и скорость увлажнения зерна.
С повышением температуры воды увлажнение зерна ускоряется, интенсифицируется жизнедеятельность зародыша, однако интенсифицируется жизнедеятельность посторонней микрофлоры, снижается растворимость кислорода. Микрофлора усваивает кислород, выделяет продукты метаболизма, многие из которых придают зерну посторонние цвет, вкус и запах.
При повышении температуры замочной воды требуется повышенный расход воздуха на аэрацию и повышенная мощность вентилятора для отсасывания диоксида углерода из межзернового пространства во время воздушных пауз при замачивании.
После того, как растворимые простые углеводы усвоены зародышем, начинается извлечение путём ферментативного гидролиза мальтозы и глюкозы из высокомолекулярного запасного вещества - крахмала, находящегося в клетках эндосперма в виде крахмальных зёрен.
Крахмальные зёрна заключены в белковую матрицу. Клетка эндосперма имеет оболочку, состоящую в основном из бета-глюкана, а также белков. Белки находятся в межклеточном пространстве эндосперма.
Чтобы обеспечить в зерне доступ амилолитическим ферментам к молекулам крахмала для осуществления каталитического гидролиза, необходима большая «подготовительная работа». Должны быть активированы или синтезированы заново ферменты, катализирующие гидролиз бета-глюкана, белков и крахмала.
В зерне начинают действовать фитогормоны - вещества, ответственные за «пуск» и регулирование процессов синтеза и активации ферментов. Секреция фитогормонов происходит в зародыше и щитке, но их воздействие проявляется и в других частях зерна, в частности, в алейроновом слое.
Фитогормоны зерна ячменя мало изучены, так как присутствуют в очень малых концентрациях (долях мкг).
Известные гормоны по своей химической природе являются пептидами, гликопротеидами или стероидами.
По характеру воздействия различают «пусковые» гормоны, которые инициируют тот или иной биохимический процесс, и гормоны - «исполнители», которые влияют на ход биохимических процессов, например, на адаптацию живого организма к меняющимся условиям окружающей среды.
Предполагают, что под действием гормонов меняется проницаемость клеточных мембран, что гормоны взаимодействуют с молекулами ферментов, что гормоны каким-то образом воздействуют на процесс передачи генетической информации от ДНК через РНК к рибосомам, где происходит синтез полипептидов - основы новых молекул ферментов.
При взаимодействии с молекулой фермента гормон, вероятно, действует на аллостерический центр фермента - структурный участок молекулы, чувствительный к присутствию веществ, которые не являются ни субстратом, ни продуктом катализируемой данным ферментом реакции. В результате может усилиться или уменьшиться активность фермента.
Иногда воздействие гормона осуществляется дистанционно, вероятно, путём электромагнитного сигнала или путём воздействия на биополе.
Для проявления действия фитогормонов необходимы оптимальная влажность, температура, достаточная продолжительность процесса замачивания.
Переувлажнение зерна нежелательно, так как может прекратиться жизнедеятельность зародыша.
2.Основные процессы, происходящие на стадии проращивания ячменя
Основные цели проращивания зерна ячменя - активация и синтез заново технологически значимых ферментов и растворение эндосперма под их действием с целью подготовки к переработке в процессе пивоварения.
Под активацией фермента подразумевается переход молекулы белка-фермента из связанного, неактивного состояния, при котором активный центр фермента заблокирован каким - либо веществом, например, пептидом, в активное состояние, при котором активный центр фермента свободен, и молекула фермента может играть роль катализатора.
Характерным примером является активация бета-амилазы во время проращивания ячменя. В зерне ячменя часть молекул бета-амилазы находится в активном состоянии, часть - в связанном с пептидом. При увеличении влажности зерна до 43% интенсифицируется активация молекул бета-амилазы. Под действием протеолитических ферментов пептид расщепляется, освобождая активный центр бета-амилазы. Этот процесс происходит в алейроновом слое зерна, откуда активные молекулы бета-амилазы диффундируют в водной среде в эндосперм и взаимодействуют с молекулами крахмала, катализируя его гидролиз до мальтозы и декстринов.
Активация бета-амилазы интенсивно происходит на (2…5) сутки солодоращения. В следующие дни активность бета-амилазы меняется незначительно.
Дальнейшее повышение влажности зерна не даёт существенного повышения активности бета-амилазы.
С повышением температуры проращивания в пределах (13…17)0С максимум активности бета-амилазы достигается при температуре 15 0С. «Падающий» режим проращивания с понижением температуры от 18 0С до 12 0С в ходе проращивания по сравнению с проращиванием при одинаковой температуре
0С способствует большему повышению активности бета-амилазы.
Повышение содержания диоксида углерода в воздухе солодовни до 20 % через трое суток проращивания способствует повышению активности бета-амилазы.
Чем выше содержание белка в ячмене, тем выше активность бета-амилазы в солоде.
Механизм действия бета-амилазы рассмотрен в предыдущей лекции.
Важную роль в жизнедеятельности зародыша играет глютатион - трипептид, состоящий из остатков трёх аминокислот - глутаминовой кислоты, глицина и цистеина.
Благодаря наличию свободной сульфгидрильной группы
SH, глютатион обладает сильными восстанавливающими свойствами. Две молекулы глютатиона, отдавая два атома водорода, соединяются друг с другом с помощью дисульфидной связи -S-S- и превращаются из восстановленной формы в окисленную. Эта реакция обратима.
В начале проращивания ячменя значительно увеличивается количество глютатиона, особенно в зародыше (в 5 раз за первые сутки проращивания). В эндосперме количество глютатиона возрастает в 2 раза.
Накопление глютатиона в зародыше способствует резкому повышению активности протеолитических ферментов при проращивании зерна. Протеолитические ферменты обеспечивают гидролиз белков с накоплением аминокислот - «строительного материала» для синтеза новых белков, в том числе белков-ферментов, а также гидролиз неактивных структурных белков и пептидов.
Амилолитический фермент альфа-амилаза не содержится в непроросшем зерне ячменя. Он синтезируется заново во время проращивания зерна. Максимальная активность альфа-амилазы наблюдается на (7…8) сутки проращивания.
Альфа-амилаза катализирует гидролиз альфа-1,4-связей в молекулах амилозы и амилопектина до декстринов. На начальных стадиях гидролиз идёт быстро и беспорядочно. Образуются декстрины с низкой молекулярной массой, соответствующей 6 остаткам молекул глюкозы, то есть одному витку молекулы амилозы, свёрнутой в спираль. Концевые альфа-1,4-связи не гидролизуются. Затем гидролиз идёт с меньшей скоростью.
Альфа-амилазу ячменного солода стабилизируют и активируют ионы кальция, поэтому на стадии затирания добавляют в затор соли кальция.
Альфа-амилаза ячменного солода проявляет активность при рН от 5 до 9. Оптимальная величина рН от 5,6 до 5,8.
Оптимальная температура действия альфа-амилазы ячменного солода (70…75) 0С.
Очищенная альфа-амилаза ячменного солода сохраняет свою активность до температуры 75 0С.
Неочищенная альфа-амилаза в заторе сохраняет свою активность до температуры 80 0С, так как её защищают от денатурации коллоиды затора, в первую очередь крахмал.
Процессы гидролиза в прорастающем зерне ячменя сопровождаются процессами синтеза новых веществ в зародыше и алейроновом слое.
Процессы гидролиза и синтеза должны быть сбалансированны и идти параллельно. Энергетически выгодным процессом, обеспечивающим энергией процессы синтеза, является аэробное дыхание. Полное превращение 1 моля глюкозы в диоксид углерода и воду сопровождается в присутствии кислорода выделением 2872 кДж энергии, а в отсутствие кислорода - 100 кДж энергии. Чтобы получить равное количество энергии при анаэробном дыхании потребуется на порядок больше молекул глюкозы, чем в аэробных условиях, что ведёт к большим потерям сухих веществ на дыхание зародыша. Кроме того, образующийся при анаэробном дыхании этиловый спирт в концентрации 0,1 % угнетает жизнедеятельность зародыша, а в концентрации 0,8 % полностью подавляет синтез новых веществ. Зародыш теряет жизнеспособность.
На стадиях замачивания и проращивания необходима аэрация, однако, чрезмерная аэрация нежелательна, так как за счёт интенсивного дыхания зародыша увеличиваются потери сухих веществ зерна сверх принятых норм.
Увеличение потерь на дыхание на 0,1 % вызывает потери
т экстрактивных веществ на 1000 т солода.
За время проращивания около (20…25) % от общего количества крахмала зерна ячменя гидролизуется до простых сахаров. От 9 до 11 % сахаров идут на дыхание зародыша,
(3…4) % на синтез новых веществ, в первую очередь корешков будущего растения (ростков) и листка, (8…12) % сахаров остаются в солоде, придавая ему сладковатый привкус.
При дыхании образуются в качестве промежуточных продуктов трикарбоновые кислоты: лимонная, щавелевоуксусная, янтарная и ряд других, а также эфиры, поэтому свежепроросший ячменный солод имеет более высокую кислотность, чем исходный ячмень, и специфический запах, напоминающий запах свежих огурцов.
В зародыше во время проращивания зерна идёт синтез сахарозы из избытка фруктозодифосфата - промежуточного продукта гликолиза. Из него образуется фруктоза, а из неё фруктозаны (левулёзаны) - полисахариды, состоящие из остатков молекул фруктозы. При превращениях фруктозодифосфата освобождаются высокоэнергетические фосфаты. Они присоединяются к молекуле аденозина с образованием аденозинмонофосфата (АМФ), затем - аденозиндифосфата (АДФ), а затем аденозинтрифосфата (АТФ). В последнем накапливается запас энергии фосфатов, используемый в реакциях, требующих затрат энергии.
Цитолитические ферменты ячменного солода катализируют гидролиз гумми-веществ и гемицеллюлозы, в том числе бета-глюкана, пентозанов. Накапливаются эти ферменты в процессе проращивания.
Гидролиз бета-глюкана катализируют эндо- и экзо-бета-глюканазы.
Действие эндо-1,3- и эндо-1,4-бета-глюканаз на молекулу бета-глюкана напоминает действие альфа-амилазы на молекулу крахмала. В результате гидролиза бета-1,3 и бета-1,4-связей в молекуле бета-глюкана образуются бета-декстрины небольшой молекулярной массы.
Эндо-бета-1,4-глюканаза имеет определённую активность в несоложёном зерне ячменя. Во время замачивания её активность понижается, затем растёт во время проращивания, достигая максимума на 5 сутки, после чего активность несколько снижается.
Чем выше активность альфа-амилазы в свежепроросшем солоде, тем выше активность эндо-бета-глюканаз.
Замачивание зерна с длительной воздушной паузой, присутствие достаточного количества кислорода и проращивание при постоянной температуре (13…15) 0С благоприятны для быстрого синтеза эндо-бета-глюканаз.
Неблагоприятно влияет на синтез эндо-бета-глюканаз проращивание зерна ячменя при температуре выше 17 0С, по «падающему режиму» с понижением температуры от 17 до 13 0С, повышенное содержание диоксида углерода в воздухе.
Экзо-бета-глюканаза катализирует гидролиз бета-глюкана и бета-декстринов до целлобиозы и ламинарибиозы (дисахаридов, состоящих из двух остатков молекул глюкозы, которые в целлобиозе соединены связями бета-1,4, а в ламинарибиозе - бета-1,3). Гидролиз идёт, начиная с нередуцирующего конца мелекулы бета-глюкана.