Ферментативный гидролиз крахмала
Основным процессом при переработке крахмалсодержащего сырья в бродильных производствах является гидролиз крахмала амилолитическими ферментами солода и ферментных препаратов. Углеводная часть крахмала состоит из двух полисахаридов: амилозы и амилопектина.
Амилоза и амилопектин построены из остатков глюкозы С6Н10О5. Амилоза имеет молекулярную массу 3·105 – 1·106, молекулярная масса амилопектина достигает сотен миллионов. Схема строения молекулы амилозы представлена в виде длинной цепочки глюкозных остатков, связанных глюкозидными α-1,4-связями. В молекуле амилозы соединены несколько таких параллельно расположенных цепочек. В каждой из них глюкозные остатки расположены по спирали. Схема строения молекулы амилопектина представлена в виде разветвленной цепи, состоящей из большого числа глюкозных остатков (около 2500). Главная цепочка, к которой присоединяются боковые ветви, состоит из 25 – 30 глюкозных остатков. Каждая же отдельная боковая ветвь состоит из 15 – 18 остатков, а внутренние отрезки цепей (между ветвления) – из 8 – 9 таких остатков. Боковые цепочки, в свою очередь, связаны с соседними цепочками. В амилопектине остатки глюкозы в пределах одной цепочки связаны между собой, так же как в амилозе, α-1,4-связью. Но связь между отдельными цепочками в амилопектине осуществляется α-1,6-глюкозидными связями.
Ферментативный гидролиз крахмала проводится амилолитическими ферментами. Амилолитический комплекс солода (проросшего зерна) состоит из α- и β-амилазы и декстриназы (олиго-α-1,6-глюкозидазы). В ферментных препаратах присутствуют α-амилаза, олиго-α-1,6-глюкозидаза и глюкоамилаза. Каждый фермент имеет свои специфические особенности, которые обусловливают определенные качественные характеристики получаемых продуктов.
α-Амилаза – эндофермент, гидролизующий α-1,4-связи внутри молекулы амилозы и амилопектина. Механизм действия фермента многоцепочный, неупорядоченный; в результате образуются продукты неполного гидролиза крахмала – α-декстрины, поэтому α-амилазу называют декстринирующим ферментом. При длительном действии α-амилазы на амилозу фермент почти полностью превращают ее в мальтозу и небольшое количество глюкозы.
Действие α-милазы на амилопектин приводит к образованию мальтозы и низкомолекулярных декстринов с 5 – 8 глюкозными остатками. Такое поведение α-амилазы обусловлено тем, что фермент не действует на α-1,6-глюкозидные связи в местах разветвления макромолекул амилопектина.
β-Амилаза – экзофермент, гидролизующий α-1,4-связи с нередуцирующих концов молекул амилозы и амилопектина с образованием мальтозы. Она является сахарофицирующим ферментом, который не расщепляет α-1,6-связи.
При совместном действии α- и β-амилаз на крахмал 95 % превращается в мальтозу и 5 % - в низкомолекулярные предельные декстрины, содержащие α-1,6-глюкозидные связи.
В просяном и овсяном солодах содержится фермент декстриназа, разрывающий α-1,6-глюкозидную связь в амилопектине и предельных декстринах.
Глюкоамилазе – экзофермент, расщепляющий как α-1,4-, так и α-1,6-глюкозидные связи. Действуя с нередуцируемых концов молекул амилозы и амилопектина, глюкоамилаза отщепляет молекулу глюкозы в β-форме.
Основными факторами, влияющими на скорость ферментативных реакций, являются температура, рН, концентрация веществ в субстрате и ферментов. С повышением температуры ферментативный гидролиз крахмала ускоряется, однако по достижении определенной температуры происходит инактивация ферментов.
β-Амилаза ячменного солода имеет низкую термостойкость при нагревании до 70 °С, она разрушается; тепловая инактивация данного фермента при 70 °С почти полностью завершается за несколько минут.
α-Амилаза ячменного солода обладает более высокой термостойкостью и разрушается при температуре около 80 °С.
Оптимальная температура для β-амилазы в заторе 63 °С, а для α амилазы 70 °С. В оптимальных условиях одна молекула β-амилазы может гидролизовать 237000 связей в минуту.
Оптимальная температура действия глюкоамилазы микроскопических грибов и бактерий 55 – 60 °С. α-Амилаза ферментных препаратов бактериального происхождения обладает высокой термостойкостью. Ее оптимальная температура действия 85 – 95 °С.
Каждый фермент имеет оптимум рН, при котором он наиболее активен; при более высоких или более низких значениях рН активность фермента снижается. Максимальная активность α-амилазы проявляется при рН 5,7, а β-амилазы – при рН около 4,8. при рН 2,3 и 9,7 амилазы полностью инактивируются.
Оптимальная величина рН для α-амилазы микроскопических грибов составляет 4,5 – 5,0, для глюкоамилазы – 4,5 – 4,6, для бактериальной α-амилазы – 5,0 – 6,0.
Скорость ферментативной реакции с увеличением концентрации фермента увеличивается, но до известного предела. До образования 75 – 80 % теоретического количества мальтозы (79,1 – 84,4 г из100 г крахмала) реакция осахаривания протекает быстро, а затем резко замедляется: идет в 1000 раз медленнее, чем в начале расщепления.
С увеличением концентрации экстрактивных веществ в субстрате ферментативный гидролиз крахмала замедляется. Это объясняется тем, что с увеличением концентрации веществ увеличивается вязкость затора, вследствие чего затрудняется процесс диффузии между субстратом и ферментом.
Гидролиз крахмала контролируют обычно по окраске, которую дают промежуточные продукты гидролиза с йодом. Окрашивание происходит в результате расположения молекул йода внутри спиральных витков глюкозных остатков. Цвет образовавшихся соединений обусловлен длиной цепочки глюкозных остатков.
Крахмал с йодом дает синее окрашивание. Близкие к крахмалу самые крупные декстрины – амилодекстрины (молекулярная масса 10000 – 12000) окрашиваются йодом в фиолетово-синий цвет; более мелкие декстрины – эритродекстрины (молекулярная масса 4000 – 7000) – в красно-бурый; самые мелкие – ахродекстрины и мальтодекстрины (молекулярная масса 2900 – 3700) совершенно не окрашиваются.
Сырой неоклейстеризованный крахмал расщепляется под действием амилаз, но очень медленно. Атакуемость амилолитическими ферментами при их действии на клейстеризованный крахмал усиливается. Для ускорения процесса клейстеризации и растворения крахмала зернопродуктов целесообразно подвергать их предварительной тепловой обработке путем запаривания под давлением. При нагревании с водой крахмал переходит из твердого состояния в студнеобразное – он клейстеризуется. При этом происходит набухание крахмальных зерен (гранул) с последующим их разрывом и диспергированием.
С повышением температуры клейстер начинает разжижаться, а затем становится жидким.
Итак, в ходе гидролиза крахмала нужно различать три стадии: клейстеризацию, разжижение и осахаривание.
Требования к ферментативному гидролизу крахмала в бродильных производствах различны. Так, в спиртовом производстве стремятся получить максимально возможное количество сбраживаемых сахаров, так как декстрины непосредственно дрожжами не сбраживаются. В условиях спиртового производства осахаривание декстринов происходит на стадии брожения, когда уже большая часть мальтозы сброжена. Этот процесс имеет большое значение с точки зрения получения наибольшего выхода спирта из крахмала. Поэтому очень важно, чтобы осахаривающие ферменты сохранили свою активность до конца брожения.
В пивоваренном производстве гидролиз крахмала необходимо проводить так, чтобы в сусле кроме мальтозы присутствовало определенное количество ахро- и мальтодекстринов, обусловливающих полноту вкуса и вязкость пива. Для сортов светлого пива гидролиз крахмала ведут до тех пор, пока не образуется 80 – 85 % сбраживаемых сахаров и 15 – 20 % декстринов, не окрашиваемых йодом.