Экзо-бета-глюканаза может катализировать гидролиз целлобиозы до двух молекул глюкозы.
Завершается гидролиз бета-глюкана до глюкозы действием на целлобиозу фермента целлобиазы, а на ламинарибиозу фермента ламинарибиазы.
Об изменении активности ферментов экзо-бета-глюканазы, целлобиазы и ламинарибиазы в процессе проращивания зерна ячменя известно немного.
Активность пентозаназ - ферментов, катализирующих гидролиз пентозанов, при проращивании зерна увеличивается примерно в (2…3) раза. В результате гидролиза пентозанов образуются пентозы, необходимые для синтеза пентозанов будущего растения.
В солоде сохраняется 80 % от исходного количества пентозанов, то есть их гидролиз во время проращивания незначителен.
В качестве примера приведём гидролиз арабоксилана - некрахмалистого полисахарида (пентозана), состоящего из остатков молекул ксилозы и арабинозы, причём цепочку образуют остатки молекул ксилозы, а молекулы арабинозы поодиночке присоединены к этой цепочке.
Под действием фермента арабинозидазы происходит гидролитическое отщепление от цепочки отдельных молекул арабинозы.
Под действием фермента эндоксиланазы происходит гидролиз внутренних участков цепочки остатков молекул ксилана до арабоксиланодекстринов.
На арабоксиланодекстрины действуют арабинозидаза и эндоксиланаза, катализируя гидролиз до арабиноза и низкомолекулярныхксиланодекстринов.
На ксиланодекстрины действует фермент экзоксиланаза, катализируя их гидролиз до дисахарида ксилобиозы.
Под действием фермента ксилобиазыксилобиозагидролизуется до ксилозы.
Под действием цитолитических ферментов постепенно разрушается структура стенок клеток эндосперма, открывается доступ внутрь этих клеток протеолитическим и амилолитическим ферментам.
О свойствах протеолитических ферментов ячменя и ячменного солода сообщалось в предыдущей лекции.
При проращивании зерна на белки вначале действуют эндопептидазы. Образуются полипептиды и пептоны. Затем экзопептидазы катализируют гидролиз полипептидов и пептонов до аминокислот.
Во время проращивания зерна ячменя не менее 55 % азотистых веществ от общего количества гидролизуется до аминокислот, из них (25…30) % идёт на синтез новых белков, остальная часть аминокислот находится в свободном состоянии.
При проращивании зерна возрастает содержание водо- и солерастворимых белков. Соответственно снижается содержание щёлоче- и спирторастворимых белков.
Если гидролиз белков пройдёт при проращивании в недостаточной степени, то солод будет трудно перерабатывать в производстве пива: затруднится фильтрование затора и пива из-за высокой вязкости, обусловленной негидролизованными белками и бета-глюканом, сбраживание сусла дрожжами из-за дефицита аминокислот, понизится коллоидная стойкость пива, в значительной степени связанная с присутствием белков.
Если гидролиз белков пройдёт при проращивании слишком глубоко, то пиво будет иметь плохуюпеностойкость, так как этот показатель зависит от присутствия растворимых белков, образуется повышенное количество высших спиртов, так как их биосинтез связан с наличием определённых аминокислот.
В светлом ячменном солоде нормального азотистого состава количество растворимого азота составляет (29…35) % общего азота; количество коагулируемого азота составляет (7…9) % общего азота.
В тёмном ячменном солоде нормального азотистого состава количество растворимого азота составляет (24…30) % общего азота; количество коагулируемого азота составляет (4…7) % общего азота.
Важным показателем качества солода служит формольное число, то есть количество азота, определяемого формольным титрованием по Сёренсену, в мг на 100 гСВ солода. Солод, содержащий свыше 230 мг формольного азота, считается перерастворённым, (200…230) мг - очень хорошо растворённым, менее 180 мг - плохо растворённым.
По Лундину идеальным соотношением продуктов гидролиза белков в пивном сусле, в процентах от общего азота, является:
фракция А (водо- и солерастворимые белки)25
фракция В (пептоны и высокомолекулярные
пептиды)15
фракция С (низкомолекулярные пептиды,
аминокислоты и амиды)60.
Наиболее интенсивный гидролиз белковистых веществ наблюдается на 5 сутки проращивания, что совпадает с максимумом накопления активности пептидаз.
Наиболее благоприятная температура для гидролиза белков при проращивании (13…16) 0С.
Степень растворения эндосперма солода определяют следующими методами:
с помощью фриабилиметра;
по разности экстрактивности в грубом и тонком помоле;
по числу Кольбаха;
измерением вязкости сусла;
окрашиванием продольного среза зерна.
Число Кольбаха может находиться в очень широких пределах, но обычно оно составляет от 38 до 42 %.
Чем ниже число Кольбаха, тем хуже растворён эндосперм солода. В связи с этим можно ожидать, что могут возникнуть проблемы с переводом молекул крахмала в раствор, что негидролизованный бета-глюкан вызовет трудности при фильтровании затора.
С другой стороны, очень высокая степень растворения белка приводит к появлению в солоде большого количества низкомолекулярных продуктов гидролиза белка, например, аминокислот. Во время сушки солода они будут активно участвовать в карбонил-аминной реакции, что нежелательно, особенно для светлого солода.
Во время проращивания зерна ячменя содержание липидов уменьшается примерно на 0,2 % за счёт гидролиза липидов в щитке зерна с участием липаз до глицерина и свободных жирных кислот. Глицерин и свободные жирные кислоты служат источниками энергии для зародыша.
Липиды алейронового слоя не подвергаются гидролизу во время проращивания и вместе с другими нерастворёнными компонентами алейронового слоя переходят в дробину во время затирания и фильтрования затора.
Липиды не нужны в пиве, так как, будучи поверхностно активными веществами (ПАВ), они разрушают пивную пену, а, окисляясь, портят вкус пива.
.Основные процессы, происходящие на стадии сушки солода
Во избежание дальнейших превращений в зерне в результате жизнедеятельности зародыша прерывают процесс проращивания с помощью сушки.
Свежепроросший ячменный солод подвяливают и сушат нагретым воздухом, чтобы обеспечить его физическую и химическую сохранность в течение продолжительного времени (в том числе сохранность активности ферментов в светлом ячменном солоде), а также чтобы придать солоду специфические вкус, цвет и аромат, что особенно важно для тёмного солода, и чтобы удалить ростки, которые после сушки становятся хрупкими и легко отделяются.
Свежепроросший солод имеет влажность (44…48) %. При сушке влажность светлого солода снижают до (3,3…3,5) %, тёмного солода - до (1,5…2,0) %. За рубежом практикуют понижение влажности солода до 5 % и ниже.
Испарение воды до влажности солода 10 % происходит легко и быстро, а затем резко замедляется, так как после удаления свободной влаги с трудом начинает удаляться влага, связанная гидрофильными коллоидами солода.
В зависимости от процессов, происходящих в солоде во время сушки, условно подразделяют её на три стадии: физиологическую, ферментативную и химическую.
Во время физиологической стадии сушки в солоде продолжаются процессы, свойственные проращиванию зерна, но для проявления активности многих ферментов температура приближается к оптимальной.
До влажности солода 20 % и температуры 40 0С продолжается рост листка и корешков будущего растения. Зародыш продолжает дышать, расходуя экстрактивные вещества, однако, простые углеводы превращаются в этиловый спирт и альдегиды, вступающие в разнообразные химические реакции с другими веществами.
Температура не должна подниматься выше (40…50) 0С, пока влажность солода не снизится до (10…12) %, так как при более высокой температуре и влажности велика опасность необратимой инактивации ферментов солода, а влажный крахмал при высокой температуре клейстеризуется, а затем образует стекловидный коллоидный раствор в сухом солоде. Стекловидный солод непригоден для пивоварения.
На ферментативной стадии сушки продолжается «растворение» структуры эндосперма вследствие гидролитических процессов с участием ферментов. В солоде возрастает количество низших сахаров и декстринов, растворимых азотистых веществ, в том числе аминокислот, причём процессы гидролиза преобладают над процессами синтеза, и продукты гидролиза накапливаются в солоде.
Ферментативная стадия происходит до температуры 70 0С и влажности солода 10 %. солод сушка ячмень замачивание пивоварение
Гидролитические процессы с участием амилолитических, протеолитических, цитолитических ферментов продолжаются до тех пор, пока температура не превысит оптимальной для их действия.
Цитолитические ферменты - самые неустойчивые. При температуре 60 0С в течение 15 мин они теряют свою активность, а до достижения этой температуры катализируют гидролиз, в основном, бета-глюкана.
Амилолитическиеферменты во время сушки несколько снижают свою активность, причём бета-амилаза больше, чем альфа-амилаза, так как альфа-амилаза более термостабильна, особенно в присутствии молекул крахмала, исполняющего роль защитного коллоида.
Количество крахмала за время сушки снижается примерно на 1 % за счёт гидролиза во время ферментативной стадии сушки.
Активность протеолитических ферментов в начале сушки повышается, а затем снижается. В сухом светлом солоде активность эндопептидаз всегда выше, чем в свежепроросшем солоде. Для нескольких экзопептидаз выявлена подобная зависимость в светлом солоде, но активность ряда других экзопептидаз понижается. Они инактивируются при температуре 40 0С при высокой влажности солода.
Во время сушки общее количество белков меняется незначительно. Количество коагулируемого азота в светлом солоде снижается на 0,1 %, а в тёмном солоде - на 0,04 %. Количество растворимого азота возрастает во время сушки на 16 %. Уменьшается содержание аминного азота за счёт того, что аминокислоты вступают в карбонил-аминную реакцию (меланоидинообразование), особенно во время сушки тёмного солода.
Активность липаз во время сушки солода возрастает, фосфатаз - понижается.
Каталаза почти полностью инактивируется.
Активность пероксидазы снижается до 40 % от активности в свежепроросшем солоде.
Активность полифенолоксидазы снижается до 70% от активности в свежепроросшем солоде.
Чем быстрее повышается температура во время ферментативной стадии, тем меньше изменяют свои свойства молекулы ферментов, так как при низкой влажности повышается устойчивость молекул к неблагоприятным внешним воздействиям, в том числе к высокой температуре. Это факт особенно важно учитывать во время сушки светлого солода, чтобы обеспечить после сушки высокую активность ферментов.
Химическая стадия сушки происходит при температуре выше 70 0С.
Во время этой стадии ферменты либо инактивированы, либо из-за низкой влажности не могут проявлять свою активность, поэтому происходят в основном химические реакции, в частности, сложные окислительно-восстановительные реакции между редуцирующими сахарами-носителями карбонильных групп и аминокислотами, аминами, пептидами и белками-носителями аминогрупп, получившие название карбонил-аминных, или сахаро-аминных, или реакций меланоидинообразования. Редуцирующие сахара + Аминокислоты
) Начальная стадия реакции, происходящая при нагревании,
(цвет продуктов отсутствует, идёт окисление, восстановление, изомеризация), образуются 1-амино-1-дезокси-2-кетозы в енольной форме
) Промежуточная стадия реакции, происходящая при нагревании (наблюдается слабое пожелтение продуктов реакции, идёт дегидратация,распад), образуются глюкозаны, редуктоны, альдегиды ( в том числе фурфурол, оксиметилфурфурол)
) Конечная стадия реакции, происходящая при нагревании с участием аминокислот (образуются интенсивно окрашенные продукты реакции полимеризации - меланоидины.
В.Л.Кретович предложил более простую схему реакций меланоидинообразования:
Редуцирующие сахара + Аминокислоты → Меланоидины
↓↓
Окислительно-восстановительное взаимодействие↑
↓+ Аминокислоты
Фурфурол, оксиметилфурфурол, уксусный альдегид, изовалериановый альдегид, метилглиоксаль и другие продукты.
Реакции идут и последовательно, и параллельно, с накоплением множества продуктов реакций, имеющих очень разные свойства. Они могут иметь и не иметь цвет, запах, вкус.
По активности участия в реакциях меланоидинообразования редуцирующие сахара располагаются в такой последовательности: наиболее активны пентозы, менее активны гексозы, ещё менее - дисахариды.
Альдегиды гораздо более активны в реакциях меланоидинообразования, чем редуцирующие сахара.
Аминокислоты по активности участия в реакциях меланоидинообразования располагаются в порядке убывания активности так: глицин, аланин, фенилаланин, валин, лейцин, метионин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, цистеин, тирозин. Чем выше молекулярная масса аминокислоты, тем менее активно она участвует в реакциях меланоидинообразования.
Аромат продуктов реакций меланоидинообразования зависит от того, какая аминокислота участвовала в реакции: глицин даёт продукты со слабым запахом пивного колера, лейцин - с сильным ароматом хлеба, аспарагиновая и глутаминовая кислоты - с запахом миндаля. Характерный слабый аромат розы придают тёмному пиву меланоидины, образовавшиеся при реакции с валином.
Коричневый цвет придают солоду не только продукты реакции меланоидинообразования, но и карамели, образующиеся из простых сахаров, а также окисленные полифенолы.
Кроме придания солоду, суслу и пиву специфических вкуса, цвета и аромата, продукты реакции меланоидинообразования защищают нестойкие коллоиды от выпадения в осадок, являются антиоксидантами, поверхностно активными веществами (ПАВ), способствующими пенообразованию. Некоторые продукты, обладающие зарядом, противоположным заряду дрожжевой клетки, обволакивают поверхность клетки, нарушая обмен веществ.
Для дифференцированного анализа продуктов карбонил-аминной реакции нужны сложные аналитические методы. Чтобы получить представление о глубине реакций, которые идут тем интенсивнее, чем выше температура и больше продолжительность сушки, определяют показатель тиобарбитуровой кислоты (ПТК). Он позволяет оценить совокупность продуктов карбонил-аминной реакции. Чем выше ПТК, тем больше была термическая нагрузка на солод, сусло или пиво. Величина ПТК в солоде не должна быть меньше 14.
Литература
Мейер История химии от древнейших времен до наших дней (Алхимия) / Мейер, Фон Эрнст. - М.: Машиностроение, 2011. - 530 c.
Моррисон, Р. Органическая химия / Р. Моррисон, Р. Бойд. - М.: Гостехиздат, 2012. - 565 c.
Нейман, И.М. Канцерогены и пищевые продукты / И.М. Нейман. - М.: ИЛ, 2015. - 152 c.
Оллис, У.Д. Общая органическая химия / ред. Д. Бартон, У.Д. Оллис. - М.: Наука, 2011. - 437 c.
Перекалин, В.В. Органическая химия / В.В. Перекалин, С.А. Зонис. - М.: Машиностроение, 2015. - 686 c.
Полинг, Л. Общая химия / Л. Полинг. - М.: Огни, 2013. - 584 c.
Реми, Г. Курс неорганической химии / Г. Реми. - М.: СИНТЕГ, 2014. - 920 c.
Рудзитис;, Фельдман Домашняя работа по химии 8. К учебнику Химия Рудзитис, Фельдман / Фельдман Рудзитис;. - М.: СПб. [и др.] : Питер, 2014. - 128 c.
Рюмин, В.В. Занимательная Химия / В.В. Рюмин. - М.: Гостехиздат, 2012. - 176 c.
Суворов, А.В. Общая химия / А.В. Суворов, А.Б. Никольский. - М.: СПб: Химия, 2011. - 624 c.
Ферсман, А.Е. Занимательная геохимия. Химия земли / А.Е. Ферсман. - М.: Высшая школа, 2014. - 488 c.
Фролов, Ю.Г. Курс коллоидной химии / Ю.Г. Фролов. - М.: СИНТЕГ, 2014. - 400 c.
Хомченко, И.Г. Общая химия / И.Г. Хомченко. - М.: ИЛ, 2013. - 464 c.
Хони, Б. Искусственный интеллект: применение в химии / ред. Т. Пирс, Б. Хони. - М.: ИЛ, 2012. - 430 c.