Амилолитический гидролиз крахмала
В ходе гидролиза крахмала протекают следующие процессы: разжижение крахмального клейстера, образование и накопление декстринов (декстринизация) и образование и накопление мальтозы (осахаривание крахмала).
Процесс разжижения оклейстеризованного крахмала и образование большого количества декстринов обусловлены действием α-амилазы (отсюда и прежнее название декстриногенамилаза). Осахаривающая способность α-амилазы незначительна, и под ее действием может образоваться небольшое количество глюкозы.
Осахаривание крахмала в полном смысле этого слова, т. е. образование сахаров, обусловлено действием β-амилазы; она способна разжижать оклейстеризованный крахмал лишь в небольшой степени и вызывать весьма слабое образование декстринов. В свое время этой амилазе было присвоено название сахарогенамилазы.
Поэтому, чтобы достичь полного и быстрого разжижения крахмала, необходимо иметь в заторе ферментную систему (солод, ферментные препараты), обладающую большим содержанием α-амилазы.
В заторе, где присутствуют обе амилазы, процесс осахаривания начинается одновременно с разжижением. Осахаривание сначала идет быстро, но затем после накопления примерно 50% осахаренных продуктов крахмала скорость процесса значительно замедляется, т. е. существовавшая линейная зависимость между количеством накопленного сахара и концентрацией ферментов нарушается и дальнейшее осахаривание протекает вне этой зависимости (рис. 20).
Ни α-амилаза, ни β-амилаза не в состоянии полностью гидролизовать крахмал. При одновременном действии их величина гидролиза крахмала может достигать 95%.
α-амилаза катализирует процесс образования очень небольших количеств мальтозы и декстринов сравнительно небольшой молекулярной массы, при действии β-амилазы накапливается большое количество мальтозы и незначительное количество высокомолекулярных декстринов.
β-амилаза содержится только в растительных тканях, α-амилаза - в растительных и животных тканях. В растительных тканях α-амилаза обычно находится вместе с β-амилазой. В ячменном солоде содержатся обе амилазы.
Процесс осахаривания, так же как и любая химическая реакция, протекает скорее при более высокой температуре; предел температуры в данном случае определяется термостойкостью ферментов, участвующих в этом процессе.
При более высокой температуре образуется большее количество декстринов и меньшее сахаров, и наоборот. Так как оба эти процесса в своей основе зависят от каталитического действия ферментов, то естественно предположить, что β-амилаза, от действия которой зависит образование сахаров, при повышении температуры разрушается раньше, чем α-амилаза, с активностью которой связывается образование декстринов. α-Амилаза солода более устойчива к повышению температуры, чем β-амилаза. При нагревании раствора, содержащего α-амилазу, при 70° С в течение 15 мин активность этого фермента снижается незначительно; β-амилаза в этих условиях инактивируется полностью.
Вместе с тем α-амилаза обладает большей чувствительностью к кислотности среды, чем β-амилаза. Доведение величины pH среды до 3,3 даже при температуре 0° С ведет к почти полной инактивации α-амилазы; в этих же условиях β-амилаза в значительных размерах сохраняет свою активность.
При pH ниже 2,3 и выше 9,7 действие амилаз прекращается.
Оптимальные условия кислотности для действия β-амилазы лежат при более низком значении pH, чем для действия α-амилазы, и в значительной мере зависят от температуры.
Д. Н. Климовский считает, что оптимум pH для α-амилазы лежит около 6, а для β-амилазы - около 4,8 (рис. 21), причем эти значения pH меняются в зависимости от температуры:
| Температура, °C | |||||||
| Оптимум pH | |||||||
| для разжижения крахмала | - | 4,7 | 4,8 | 5,0 | 5,3 | 5,6 | - |
| для осахаривания крахмала | 4,5 | 4,6 | 4,8 | 4,9 | 5,1 | 5,6 | 5,9 |
Величины оптимума действия солодовых амилаз- по работам отдельных авторов в достаточной степени колеблются, что, по-видимому, следует связывать со степенью чистоты препаратов, с применением которых проводились исследования, характером субстрата, его концентрацией и т. п. Большое значение в этом отношении имеют температурные условия. Книн приводит для α-амилазы оптимум действия при pH 5 (при комнатной температуре), а для β-амилазы - около 4,5 (тоже при комнатной температуре). Де-Клерк считает оптимумом действия α-амилазы в заторе температуру 70° С и pH 5,8, а β-амилазы - температуру 60-65° С и pH 5,4. Такие же величины указываются и чешскими авторами. Леберле и Шустер для оптимума действия этих ферментов приводят следующие величины: для α-амилазы pH около 5,6 при температуре 60-65° С, а для β-амилазы pH около 4,6 при температуре 40-50° С.
Амилаза растворима в воде или в сильно разбавленных растворах солей; она делается более растворимой под влиянием пептизирующего действия разбавленных растворов солей или протеолитических ферментов типа папаина. α-Амилаза осаждается из растворов 25-30%-ными растворами сернокислого аммония; в разбавленных растворах этилового спирта она легко растворяется, а при повышении концентрации спирта до 60% осаждается.
Растворимость β-амилазы почти такая же, как и α-амилазы, но для полного осаждения ее требуется более высокая концентрация сернокислого аммония и спирта.
Разжижение. Процесс разжижения сводится, по-видимому, к разрушению крахмальных зерен до размера одной молекулы, что сопровождается уменьшением вязкости. Вязкость клейстера можно уменьшить путем энергичного размешивания его, т. е. механического разбавления набухших зерен крахмала. Принципиально разжижение при помощи ферментов имеет, по крайней мере, в начале процесса аналогичный характер, так как в этот момент нельзя обнаружить наличия ни декстринов, ни мальтозы. Дальнейшее действие ферментов, сопровождаемое сильным снижением вязкости, приводит к накоплению указанных продуктов. Получение в растворе некоторого, правда, ограниченного количества редуцирующих групп свидетельствует о дальнейшем процессе, в котором, очевидно, образуются сложные декстрины. Разжижение оклейстеризованного крахмала приписывается действию α-амилазы.
Осахаривание. Под техническим термином «осахаривание» в пивоварении подразумевается не процесс превращения крахмала в сахар, а прекращение изменения естественной окраски йодного раствора. Низкомолекулярные декстрины также обладают этим характерным для сахаров свойством, поэтому во время осахаривания происходит накопление как сахаров, так и декстринов.
Крахмал при обработке его раствором йода в йодистом калии дает характерную синюю окраску. При ферментативном расщеплении получаются менее сложные молекулы углеводов, что сопровождается изменением окраски йодного раствора, которая через пурпурную, красную и коричневую достигает окраски, соответствующей чистому раствору йода. Образующиеся декстрины являются углеводами меньшей сложности, чем крахмал, но имеют более низкую редуцирующую способность по сравнению с мальтозой. Параллельно с декстринами образуются всевозрастающие количества мальтозы, являющейся основным сахаром при ферментативном осахаривании крахмала. При наиболее благоприятных условиях действия амилаз в среднем 85% осахаривающей активности ячменного солода принадлежит β-амилазе и только 15% - α-амилазе.
По характеру действия на компоненты крахмала (амилозу и амилопектин) амилолитические ферменты существенно отличаются. β-Амилаза атакует цепи глюкозных единиц как в амилозе, так и амилопектине, начиная с нередуцирующих концов и постепенно отщепляя по две глюкозные единицы, образующие вместе молекулы мальтозы. В амилозе, не имеющей ответвлений, действие β-амилазы продолжается до полного распада цепи. Если молекула амилозы состоит из 500 глюкозных единиц, то фермент должен будет расщепить цепь на 250 молекул мальтозы, повторить одну и ту же операцию 249 раз.
В амилопектине действие β-амилазы начинается с нередуцирующих концов любой ветви, и при постепенном отщеплении по две глюкозные единицы прекращается у места разветвления. Если цепь, которая подвергается действию β-амилазы, состоит из четного числа глюкозных единиц, образуется только мальтоза, если число единиц нечетное, то последние три единицы остаются нерасщепленными в виде мальтотриозы.
Таким образом, под действием только одной β-амилазы вся амилоза и около половины амилопектина превращаются в мальтозу. Если в распаде крахмала участвовала бы только одна β-амилаза, то процесс осахаривания испытывал бы ряд трудностей: ограниченность мест приложения фермента, которая лимитируется числом концов цепей, и трудность подхода крупной молекулы β-амилазы к тесно расположенным ответвлениям в молекуле амилопектина. При одновременном действии α-амилазы эти трудности устраняются и объем и скорость действия β-амилазы повышаются.
α-Амилаза начинает свое действие не с периферийных пунктов молекулы амилопектина, а с внутренних частей молекулы, благодаря чему увеличивается количество мест приложения Β-амилазы.
Если при действии α-амилазы только около 0,5% связей являются в крахмале разорванными, клейстер становится прозрачным и почти полностью исчезает первоначальная вязкость. Когда разорваны 10-13% связей, исчезает изменение окраски йодного раствора и полученный продукт является декстринами различных типов: неразветвленные с большим или меньшим количеством глюкозных остатков и разветвленные.
Осахаривание крахмала при помощи β-амилазы протекает сравнительно медленно, так как в крахмале имеется только около 3% глюкозных единиц (нередуцирующих концов цепи), расположенных на периферии молекул. Если же этот процесс начинается с действия α-амилазы, то количество нередуцирующих концов цепи увеличивается; α-амилаза солода легко разрывает 15% мальтозных связей в крахмале, поэтому общее действие β-амилазы увеличивается во много раз.
Даже без участия β-амилазы α-амилаза способна легко разрушить как амилозу, так и амилодекстрин, превращая их в низкомолекулярные декстрины с цепями по длине меньше 10 глюкозных единиц в количестве, достигающем 20% от мальтозы. При этом образуется некоторое количество глюкозы и мальтотриозы, так как α-амилаза в противоположность β-амилазе, которая разрушает глюкозные цепи в определенном порядке, действует беспорядочно путем случайного выбора, причем может наблюдаться отрыв как агрегатов, состоящих из двух остатков глюкозы, так и агрегатов, состоящих из одного или трех остатков глюкозы (рис. 22).
Длительное воздействие α-амилазы на амилозу превращает ее полностью в мальтозу, мальтотриозу с небольшим количеством глюкозы. Дальнейшее разрушение мальтотриозы до мальтозы и глюкозы при участии α-амилазы солода возможно, но процесс этот протекает чрезвычайно медленно и большого значения в пивоварении иметь не может.
Интересно отметить, что мальтотриоза не разрушается β-амилазой. Этот сахар является конечным продуктом комбинированного действия α- и β-амилаз на крахмал во время затирания. β-Амилаза катализирует распад мальтотетраозы и других более высоких полиглюкозидов, образуя одну мальтозу, а мальтотриозу этот фермент не способен разрушать. Здесь проявляется высокая специфичность действия β-амилазы, которая требует для своего действия, по крайней мере, четырехглюкозидный полимер (две единицы мальтозы).
Как солодовая α-амилаза, так и α-амилазы другого происхождения обладают общим свойством случайных атак на почти все мальтозные связи, что в итоге ведет к накоплению продуктов распада крахмала - мальтозы, мальтотриозы и разветвленных декстринов.
Так как α-амилаза более термостабильна, чем β-амилаза, при применении настойного метода затирания при температуре 65,5° С около 1/3 активности α-амилазы остается в сусле после 2 ч. β-Амилаза в этих же условиях почти полностью разрушается. При более низкой температуре можно сохранить большую часть амилаз, но скорость превращения крахмала замедляется; например, при температуре 49° С процесс протекает в три раза медленнее, чем при 65,5° С. Кроме того, следует отметить, что при таких низких температурах клейстеризации крахмала не происходит.
Хроматографией на бумаге в сусле находят фруктозу, глюкозу, сахарозу, мальтозу, трисахариды, тетра,- пента-, гекса-, гейта, окта- и нонасахариды. Соотношения между фруктозой и глюкозой разные, но обычно содержание фруктозы в 4-8 раз меньше, чем глюкозы. Гиертсен нашел в 100 мл сусла от 0,15 до 0,27 г фруктозы и от 0,74 до 1,0 г глюкозы, Мак-Фарлан - 0,12 г (на 100 мл сусла) фруктозы и 1,03 г глюкозы.
Мальтоза является основным сахаром, содержащимся в сусле, и количество ее во много раз больше сахарозы; обычно в 20 раз. Это зависит от ряда технологических факторов и применяемого сырья.
Гопкинс при применении отварочного и настойного методов затирания установил, что в сусле содержатся следующие продукты распада крахмала:
· глюкоза (некоторое количество этого сахара имелось уже в солоде);
· мальтоза - главный продукт распада;
· мальтотриоза (продукт действия α-амилазы и частично β-амилазы при разрушении цепей с нечетным числом глюкозных остатков);
· мальтотетраоза, мальтопетраоза и, возможно, высшие линейные декстрины - как продукты действия α-амилазы, которые не подвергались дальнейшему действию амилаз;
· разветвленные декстрины, содержащие пять или более глюкозных остатков;
· следы изомальтозы и панозы, содержащие α-1,6-связи; пентозы, сахароза, фруктоза и другие сахара, перешедшие из солода.
В табл. 52 приведены результаты исследования содержания углеводов в сусле при различных методах затирания, полученные разными авторами (результаты взяты из работы Гопкинса).
Таблица 52
| Продукты распада крахмала | Состав сусла (в % на сухое вещество) при затирании методом | ||||||
| Конгрессным при температуре, °С | отварочным | Настойным при температуре, °C | |||||
| сусло | пиво | ||||||
| 60-66 | Опыт 1 | Опыт 2 | |||||
| Глюкоза+фруктоза | 9,9-8,8 | 0,2 | 8,8 | 8,4 | |||
| Сахароза | - | - | 49,1-51,9 | 0,7 | 4,2 | 4,3 | |
| Мальтоза | 0,6 | 42,9 | 39,6 | ||||
| Мальтотриоза | 11-11,6 | 1,5 | 15,0 | 13,9 | |||
| Мальтотетраоза | - | - | - | 2,4 | 2,7 | 4,6 | 5,7 |
| Высшие декстрины (разветвленные и неразветвленные) | около 23 | 1,1-0,9 (пента) | 0,7 | - | - | ||
| 1,7-1,4 (гекса) | 1,4 | 13,6 | 19,6 | ||||
| 1,5-1,3 (гента) | 1,3 | ||||||
| 1,4-12,6 (высшие) | 12,5 | ||||||
| Углеводы | |||||||
| сбраживаемые | 69,7 | 70,9 | 66,2 | ||||
| несбраживаемые | - | - | - | 21,3 | 18,2 | 25,3 |
Как видно из табл. 52, при отварочном методе затирания в заторе образуется больше мальтозы и меньше мальтотриозы, чем при настойном методе.
По И. Г. Лернеру, в сусле отечественных сортов пива содержится мальтозы от 59,0 до 62,9%, сахарозы от 5,0 до 5,4% и моносахаридов (глюкозы и фруктозы) от 3,2 до 5,2%.
В результате разжижающего и осахаривающего действия амилолитических и других ферментов солода в заторе происходит дополнительное накопление экстрактивных веществ.
Максимальное количество экстракта было получено при температуре 65-70° С, причем величины выходов экстракта при этой температуре очень близки. Дальнейшее повышение температуры оказывает отрицательное влияние на повышение экстрактивности, следовательно, повышение температуры благоприятно для активности амилаз лишь до определенного предела. На основании ряда экспериментальных работ А. И. Опарина это явление можно объяснить тем, что амилазы при нагревании адсорбируются белками, коагулированными при высокой температуре, вследствие потери ферментами их активности.
Если температура нагревания не слишком высока и структура фермента не разрушилась, то при обработке коагулированного белка с адсорбированными на нем амилазами растворами сахара или пептона часть этих ферментов переходит из нерастворимого соединения с белками в раствор и они вновь приобретают активность.
Таким образом, такие вещества, как сахара, декстрины, некоторые некоагулируемые белковые соединения, обладают защитным действием для ферментов, так как способны при повышенной температуре удерживать белки в растворе.
Как говорилось выше, оптимум температуры для действия амилолитических ферментов, по данным разных авторов, различный, поэтому твердых указаний на оптимальную температуру осахаривания затора не имеется; наиболее вероятной температурой осахаривания заторов можно считать температуру 72- 76° С. Это подтверждается приведенными ниже экспериментальными данными Кольбаха о времени осахаривания лабораторного солодового затора настойным методом:
| Температура осахаривания, °C | ||||||
| Время осахаривания, мин |
Концентрация веществ в среде оказывает влияние на действие ферментов; густые заторы осахариваются хуже, чем менее концентрированные: например, затор концентрацией 14% осахаривается скорее, чем концентрацией 22%.
| Содержание экстракта в сусле, % | ||||
| Продолжительность осахаривания, мин |
Накопление в заторе сахаров, в частности мальтозы, зависит от совместного действия α- и β-амилаз. Если создаются наиболее благоприятные температурные условия для действия β-амилазы, естественно ожидать большего накопления мальтозы, чем декстринов. Наиболее благоприятной температурой для образования мальтозы является температура в заторе 63° С. При температуре 70° С, т. е. оптимуме действия α-амилазы, хотя превращение крахмала продолжается, но при этом образуются продукты распада, которые не являются сахарами, поэтому йодная реакция показывает отсутствие неполных продуктов осахаривания; но, так как эти продукты являются декстринами, сбраживаемость сусла понижается. В табл. 53 показано соотношение сахаров и несахаров в сусле при длительной выдержке затора при разной температуре.
Таблица 53
| Температура, °C | Количество мальтозы (редуцирующих сахаров), % | Количество немальтозы, % | Отношение мальтозы к немальтозе |
| 62,5 | 78,64 | 21,36 | 1:0,27 |
| 65,0 | 70,28 | 29,72 | 1:0,42 |
| 70,0 | 69,72 | 31,28 | 1:0,45 |
| 75,0 | 59,93 | 40,07 | 1:0,65 |
Показательными являются опыты, проведенные Кольбахом. по определению влияния температуры затирания на выход экстракта и сбраживаемость полученного сусла. Работа проведена с солодом, который по лабораторному исследованию обладал экстрактивностью 80%, а полученное сусло давало величину конечной степени сбраживания 81% (табл. 54).
Таблица 54
| Температура затирания, °С | Выход экстракта в пересчете на сухое вещество, % | Конечная степень сбраживания сусла, % | ||
| продолжительность затирания, мин | ||||
| - | - |
Наиболее благоприятной температурой при затирании следует считать температуру несколько выше 60° С, но меньше 65° С. Большинство авторов такой температурой считают 63° С.
Это подтверждается опытами, проведенными с осахаривани- ем 100 г разжиженного крахмала при помощи солодовой вытяжки с соблюдением одинаковых условий, но при различной температуре. В опытах были получены следующие результаты:
| Температура, °С | 64-68 | 68-75 | |
| Количество мальтозы, г |
В начале процесса затирания накопление мальтозы, которая является основным фактором повышения сбраживаемости, происходит более энергично, чем в последующее время. Это подтверждается данными, приведенными в табл. 55.
Таблица 55
| Температура, °С | Образование мальтозы в заторе (в %) в течение | Увеличение содержания мальтозы, % | |
| 15 мин | 2 ч | ||
| 0,8 | 1,5 | ||
| 2,0 | 5,7 | ||
| 5,0 | 14,0 | ||
| 17,1 | 30,2 | ||
| 36,0 | 47,9 | ||
| 44,2 | 50,7 | ||
| 40,9 | 42,2 | ||
| 20,0 | - |
Неравномерное увеличение содержания мальтозы, по-видимому, вызвано начавшейся клейстеризацией крахмала, которая способствует его превращению.
Образование мальтозы в заторе непосредственно связано с повышением сбраживаемости сусла, и, конечно, температурные закономерности здесь такие же, как и в таблицах, приведенных выше. В табл. 56 показана зависимость степени сбраживания сусла от температурного режима.
Таблица 56
| Показатели | Температура затирания (осахаривания), °C | ||||
| 45-70 | 55-70 | 60-70 | 65-70 | ||
| Продолжительность осахаривания, мин | |||||
| Конечная степень сбраживания, % | 60,0 | 60,3 | 72,4 | 63,0 | 56,0 |
Существующая в заторе концентрация водородных ионов (pH 5,6-5,9) не является оптимальной для действия амилолитических ферментов; для совместного действия α- и β-амилаз требуется более низкая ее величина, поэтому зависимость, например, конечной степени сбраживания от pH хотя и имеется, но относительно небольшая. Например, при прочих равных условиях работы были получены следующие величины конечной степени сбраживания:
| pH | 6,22 | 5,81 | 5,43 |
| Конечная степень сбраживания, % | 78,1 | 78,5 | 79,9 |
Как указывалось выше (см. с. 194), оптимум действия α-амилазы находится при pH, приближающемся к 6, а β-амилазы - при pH 4,5-4,8; таким образом, для действия β-амилазы условия концентрации водородных ионов значительно отличаются от оптимальных.
Оптимум pH действия амилаз, по данным Виндиша и Кольбаха, изменяется с изменением температуры. Как видно из данных, приведенных в табл. 57, при повышении температуры он отклоняется в щелочную сторону.
Таблица 57
| Температура, °C | Изменение pH действия амилаз | |
| Разжижение крахмала (а-амилаза) | Осахаривание крахмала (β-амилаза) | |
| - | 4,4-4,6 | |
| 4,6-4,8 | 4,5-4,7 | |
| 4,7-4,9 | 4,6-4,9 | |
| 4,9-5,1 | 4,8-5,0 | |
| 5,2-5,4 | 5,0-5,2 | |
| 5,4-5,8 | 5,5-5,7 | |
| - | 5,8-6,0 |
Для наиболее интенсивного образования мальтозы при температуре 63° С требуется pH ниже 5,6, чего в обычных заторах не бывает, а при использовании высококарбонатных вод, когда pH затора достигает величины 5,9-6,1, создаются очень неблагоприятные условия для накапливания мальтозы.
Наиболее благоприятным условием для образования высоких выходов экстракта требуется pH 5,1, однако и этот pH для быстрого осахаривания затора является низким; нормальное время осахаривания (в течение 15 мин) в опыте Гопкинса и Краузе достигалось при pH 5,29.
Как указывалось выше, при сушке солода активность цитолитических ферментов резко уменьшается, однако еще некоторое количество их, особенно в светлых солодах, сохраняется и во время затирания оказывает свое положительное действие. Особенно желательно наличие ферментов цитолитического комплекса при переработке плохо растворенных солодов.
Так как оптимальная температура действия этих ферментов лежит при температуре 45° С и при pH около 5, то действие части ферментов, оставшихся после сушки, должно в какой-то мере проявиться, в особенности если затирание начинается с низких температур, а также при применении «предварительного настаивания».
С другой стороны, известно, что добавление в практике затирания высокоферментативного солода (диафарина), т. е. солода, высушенного при низкой температуре, сопровождается повышением экстракта заторов, сбраживаемости и понижением вязкости сусла. Несомненно, причиной этого является действие упомянутых выше ферментов.
Комплекс протеолитических и цитолитических ферментов благоприятствует распаду гемицеллюлоз и высвобождению крахмальных зерен, действие амилолитических ферментов на которые усиливается.
Автором в работе по переработке плохорастворимых солодов было показано, что добавление к затору 5-15% диафарина позволяет в тех случаях, когда солод не обеспечивает нормальной степени сбраживания, улучшить в известной мере процесс затирания.
При затирании этих солодов с добавлением диафарина были получены значительные сдвиги в благоприятную сторону в отношении конечной степени сбраживания, времени осахаривания и белкового распада; наблюдалось некоторое увеличение выхода экстракта и улучшение фильтрации.
Такие же результаты, несомненно, могут быть получены и с зеленым солодом, в котором комплекс протеолитических и цитолитических ферментов значительно сильнее. И. С. Орлинский применял зеленый солод для улучшения сбраживаемости сусла, полученного из неполноценного солода. Добавление зеленого солода в количестве 5% к затору после отбора первой отварки при температуре 52° С позволило повысить сбраживаемость сусла и добиться получения нормального молодого пива в течение 5-5,5 сут.
Несомненно, распад крахмала благодаря действию цитазы в качестве форфермента протекал нормально, и сусло не содержало избыточных количеств высокомолекулярных несбраживаемых углеводов. Улучшался и белковый состав.
Запах и вкус затора, которые он приобретал непосредственно после добавления зеленого солода, устранялся при кипячении отфильтрованного сусла с хмелем, поэтому постороннего вкуса в пиве не осталось.
Распад других полисахаридов
Вязкость сусла уменьшается с продолжительностью затирания. В сусле, приготовленном из хорошо растворенного солода, β-глюкана содержится мало или он полностью отсутствует. С наличием этого вещества связываются затруднения при фильтрации заторов, недостаточное образование бруха в сусле при кипячении и плохое осветление пива.
При затирании отмечается довольно значительное расщепление пентозанов, что, очевидно, без участия комплекса цитолитических ферментов происходить не может. Эти ферменты так же, как все другие, становятся в заторе менее чувствительными к повышенным температурам, чем в чистых растворах. При затирании 20-25% пентозанов солода переходят в растворимое состояние. При применении предварительного настаивания эта величина увеличивается еще на 10-20%: с 2,5 до 3% на каждые 100 г веществ солода.
Распад белковых веществ
Значение полного (правильного) распада белковых веществ во время затирания для получения пива нормального состава не меньшее, чем крахмала. При недостаточном распаде белков происходят резкое ухудшение органолептических свойств пива и понижение его стойкости. Кроме того, продукты распада белков необходимы дрожжам для питания.
Из общего количества белка, содержащегося в солоде, примерно 35% (28-40%) переходит в сусло; более половины этого количества находится в солоде в уже растворенном состоянии, переход остальной части (примерно 15%) происходит при каталитическом действии протеолитических ферментов.
При затирании из солода в раствор переходит значительная часть солей, таким образом в жидкости находится достаточное количество электролитов, необходимых для растворения таких белковых веществ, как глобулины (эдестин). Альбумин (лейкозин), конечно, тоже растворяется. Растворимыми являются и продукты распада белков, образовавшиеся при соложении, - полипептиды и аминокислоты, которые все вместе носят название в пивоварении «стойко растворимые белки». Эти продукты распада не выделяются из раствора во время кипячения. Наоборот, настоящие белки при кипячении их растворов коагулируют.
Фракция белковых веществ, в которую входят коагулируемый белок, стойко растворимый белок и настоящие растворимые белковые вещества и продукты белкового расщепления, получила название «растворимые белки».
В табл. 58 показаны количественные изменения растворимых фракций белков при соложении и затирании (по Кольбаху).
| Объект | Содержание азота белка, мг на 100 г солода | |
| общего растворимого | стойко растворимого | |
| Ячмень | ||
| Солод | ||
| Затор (из 100 г солода) | ||
| Растворимые фракции белков в процессе | ||
| соложения | ||
| затирания |
Из данных, приведенных в табл. 58, следует, что величины стойко растворимого белка, образовавшегося при соложении и затирании, почти равны; нарастание же общего растворимого белка при затирании резко снизилось вследствие коагуляции.
Та часть белковых веществ, которая не подвергалась превращениям при соложении и не подвергалась воздействию ферментов при затирании, переходит в дробину. Она составляет очень большую величину, и содержание белков в солодовой дробине равняется 23-27%, т. е. до 75% белка солода удаляется при фильтрации затора.
Стойко растворимыми белковыми веществами являются первые продукты распада: дипептиды, трипептиды и полипептиды, В число полипептидов входят протеозы и пептоны. Эти продукты распада белка имеют большое значение в образовании полноты вкуса, пены и в связывании углекислоты; при нагревании они не коагулируют, но обладают свойствами, присущими коллоидным системам.
В противоположность крахмалу, который во время затирания полностью преобразуется в продукты распада, белковые вещества расщепляются только на 1/3-1/5, но получаемые продукты разложения являются более сложными. Если во время соложения не было достигнуто нужной величины распада белковых веществ, то компенсировать ее при затирании не представляется возможным, так как характер продуктов распада, образующихся при соложении, отличается от продуктов распада, образующихся при затирании.
При затирании белковые вещества подвергаются частичному свертыванию в результате кипячения. Следует отметить одно очень важное для качества пива обстоятельство: из четырех фракций глобулина (эдестина) при повышении температуры до 70° С частично или полностью осаждаются только три фракции (α, γ и δ), в то время как β-глобулиновая фракция остается в растворе. Если в дальнейшем при кипячении осаждается полностью неудаленная часть первых трех упомянутых фракций, то β-глобулиновая фракция еще остается в растворе и является одним из источников помутнения пива.
Расщепление белковых веществ в заторе происходит ферментативным путем, причем, как утверждают ряд авторов (Люерс, Леберле), денатурированные белки обладают большей атакуемостью, чем неденатурированные. Денатурация белков в условиях пивоваренного производства осуществляется путем кипячения, которому часть затора подвергается при отварках.
Протеиназы солода гидролизуют все настоящие белки, т. е. не только лейкозин и эдестин, но и гордеин и глютелин, превращая их в некоагулирующие, но еще сложные продукты распада, как протеозы и сложные полипептиды. Дальнейший гидролиз указанных продуктов распада до аминокислот осуществляется пептидазами.
Однако протеиназы способны гидролизовать пептидные связи не только в белках, но и в различных полипептидах и даже дипептидах, что сопровождается накапливанием в субстрате некоторого количества аминокислот.
Пептидазы являются более термолабильными, чем протеиназы, и в большей степени разрушаются при сушке солода. Этим обусловлен значительно меньший распад белковых веществ во время затирания по сравнению с соложением.
В чистых растворах протеолитические ферменты разрушаются при сравнительно низкой температуре; в общем температурный режим, обычно применяемый в практике затирания, не является оптимальным для действия указанных ферментов. В известной мере это зависит от наличия в заторе экстрактивных веществ, переходящих в раствор. Они играют роль защитных коллоидов, задерживают разрушение ферментов, делая их менее чувствительными к температуре.
Температурным оптимумом разрушения белковых веществ при затирании является температура 45-50° С, однако, исходя из сказанного выше, и при температуре 60° С происходит еще довольно значительный распад белковых веществ, правда, продуктами распада в этом случае аминокислоты, уже не являются.
Гопкинс и Краузе, например, установили следующие изменения в составе белковых веществ при затирании солода при температуре 50 и 60° С в течение 2 ч (табл. 59).
Таблица 59
| Азот | Содержание N (в мг в пересчете на 100 г солода) при температуре, °С | |
| Формольно титруемый | ||
| Стойко растворимый | ||
| Осаждаемый MgSO4 |
Оптимум действия протеиназ в чистых растворах белков лежит в пределах pH 4,0-5,5; наиболее благоприятное значение имеет pH 4,5-5,0.
Действие пептидаз, обладающих оптимумом гидролиза при pH 7,0, а по данным, полученным некоторыми авторами, их действие наблюдается даже при более высоком значении pH, в заторе вследствие неблагоприятных условий почти не проявляется.
Практически указанный оптимум протеиназ при затирании никогда не достигается, так как осахаривание при pH ниже 5,3 уже замедляется.
Как видно из сказанного выше, на качество пива оказывают влияние те белковые вещества сусла, которые остаются в растворенном состоянии и после кипячения, поэтому для оценки белкового состава сусла количество общего белка не представляет интереса. Важны стойко растворимые белки, высшие продукты распада, высаливаемые сернокислым магнием, аминокислоты и, наконец, аминокислоты и низшие полипептиды, определяемые формольным титрованием. В табл. 60 приведены данные Кольбаха и Бузе о содержании указанных фракций в сусле в зависимости от изменений pH и температуры.
Таблица 60
| pH | Температура, °C | Содержание азота белка сусла (мг на 100 г сухого солода) | ||
| Стойко растворимого | Аминокислот | Осаждаемого MgSO4 | ||
| 6,5 | ||||
| 6,0 | ||||
| 5,5 | ||||
| 5,0 | ||||
По мере приближения концентрации водородных ионов к оптимальному действию протеиназ количество всех рассмотренных выше фракций белка повышается. Фракции стойко растворимого белка и белка, высали