1.1.1. Строение зерна ячменя

Спелое ячменное зерно представляет собой зерновку со сросшимися внешними оболочками и состоит из трех основных частей: зародыша (эмбриона), эндосперма (мучнистого тела) и оболочек (цветочной, плодовой и семенной).

1.1.1.1. Зародыш вместе со щитком и всасывающим эпителием - живая часть зерна ячменя, расположенная внизу со стороны спинки зерна. Он состоит из элементов будущих осевых органов, зародышевого корешка и листка. К зародышу плотно прилегает щиток, который отделяет эндосперм и обеспечивает подведение к растущему зародышу питательных веществ из эндосперма. На стороне, обращенной к эндосперму, расположен слой перпендикулярно расположенных тонкостенных клеток цилиндрической формы - всасывающий эпителий, крепко сросшийся с расположенными под ним тканями щитка и соприкасающийся с клетками примыкающего эндосперма, с которым эпителий не срастается.

1.1.1.2. Эндосперм состоит из двух слоев клеток, содержащих крахмал и жиры. Ядро эндосперма образуют крахмалосодержащие клетки, заключенные в оболочку из белковых и гумми-веществ.

Крахмалосодержащие клетки окружены тройным слоем прямоугольных толстостенных клеток, который называют алейроновым слоем. Эти клетки содержат белковые вещества и жиры. В непосредственной близости от зародыша этот слой состоит только из одного ряда клеток. Между крахмалосодержащими тканями эндосперма и зародышем расположен относительно толстый слой «пустых», сдавленных клеток, - слой растворенного эндосперма. Содержимое этих клеток уже было использовано зародышем на стадии, предшествующей созреванию.

Именно в эндосперме происходят все биологические и химические изменения зерна ячменя. В процессе развития зародыша резервные вещества эндосперма расщепляются, преобразуются и могут использоваться частично для дыхания зародыша, а частично - для строительства новых клеток. При солодоращении эндосперм по экономическим соображениям должен использоваться как можно меньше. Технологическое использование эндосперма в процессе брожения с помощью предварительно образованных ферментов начинается лишь после гибели зародыша.

1.1.1.3. Оболочка состоит из трех частей: цветочной, плодовой и семенной. Она защищает зерно во время роста стебля. Цветочная оболочка состоит из внутренней цветочной оболочки, расположенной на брюшной стороне зерна, и внешней цветковой оболочки на его спинной стороне. Под ней находится внешний оболочечный листок - плодовая оболочка (перикарпий), а под ней - внутренний оболочечный листок, семейная оболочка (теста). Обе оболочки состоят из нескольких слоев клеток и кажутся сросшимися друг с другом. Семенная оболочка полупроницаема: она пропускает воду и не пропускает высокомолекулярные соединения, которые задерживаются мембраной. Различные ионизированные соединения проникают внутрь зерна вместе с водой.

1.1.2. Химический состав зерна ячменя

Ячмень состоит на 80-88 % из сухих веществ и на 12-20 % из воды. Сухие вещества - это азотсодержащие соединения, соединения не содержащие азота, а также неорганические вещества (зола).

1.1.2.1. Крахмал. Основная доля органических соединений, не содержащих азот, приходится на углеводы и, в первую очередь, на крахмал, содержание которого составляет 60-65 % (в пересчете на CB). Он накапливается в зерне в процессе ассимиляции CO₂ и H₂O под действием солнечного излучения с помощью хлорофилла с участием кислорода.

Накопление крахмала в зерне служит для обеспечения зародыша при прорастании (в период первоначального развития) питательными веществами. Крахмал накапливается в виде крахмальных зерен, которые различаются по форме: крупные линзообразные и почти шарообразные мелкие зерна. Количество последних возрастает с увеличением содержания белка в ячмене, и в них содержится больше белка и амилозы, чем в крупных зернах.

Чистый крахмал строится из глюкозных остатков. Различают два различных по структуре углевода - амилозу и амилопектин, которые можно разделить и выделить в чистом виде. Доля амилозы (нормальной или н-амилозы) составляет 17-24 % общего содержания крахмала в ячмене. Амилоза (α-1,4-глюкан) обычно содержится внутри крахмальных зерен и состоит из длинных, неразветвленных, спирально закрученных цепочек, состоящих из 60-2000 глюкозных остатков, соединенных α-1,4-связыо. Молекулярная масса молекул различной длины колеблется от 10 000 до 500 000. Реакция амилозы с йодом дает синее окрашивание. Она образует в воде коллоидный раствор, но не образует клейстера. При ферментном расщеплении (например α- или β-амилазой) образуется дисахарид мальтоза.

Амилопектин (изо-амилоза) составляет 76-83 % крахмала. Он состоит также из глюкозных остатков, но наряду с глюкозными цепочками, где остатки глюкозы соединены через α-1,4-связи, имеет место и присоединение глюкозных остатков по связи α-1,6 с образованием ветвления. Между ветвлениями находится около 15 глюкозных остатков. Такая пространственно разветвленная структура обусловливает способность амилопектина к клейстеризации; молекулярная масса амилопектинов примерно в 10 раз больше молекулярной массы амилозы (1-6 млн) и соответствует 6-40 тыс. остатков глюкозы Амилопектин содержит около 0,23 % фосфата, присоединенного по эфирной связи. Предполагают, что именно фосфор отвечает за клейстеризацию. С йодом амилопектин дает окрашивание от фиолетового до бурого.

Крахмал не имеет вкуса и запаха, его плотность в безводном состоянии составляет 1,63 г/см3, а теплота сгорания - 17 130 кДж (4140 ккал)/кг. Оптическая плотность - +201-204°.

1.1.2.2. Полисахариды, не содержащие крахмал, составляют 10-14 %. Основное количество целлюлозы содержится в цветковой оболочке, в эндосперме ее практически нет. Подобно гемицеллюлозе, целлюлоза состоит из молекул глюкозы, соединенных друг с другом связями ß-1,4. Целлюлоза не имеет вкуса и запаха, трудно поддается воздействию всех реагентов, нерастворима в воде и обладает достаточной стойкостью к действию ферментов. Она не участвует в обмене веществ зерна и остается в цветочной оболочке, где дополнительно укрепляется лигнином. При солодоращении целлюлоза не изменяется и при фильтрации играет в цветочной оболочке роль фильтрующего слоя. Аналитически она определяется как клетчатка (3,5-7 % CB ячменя).

Гемицеллюлозы участвуют в формировании клеточных стенок и определяют их прочность. В зависимости от местонахождения (в эндосперме или в цветочной оболочке) различают два типа гемицеллюлоз: «цветочную», состоящую из небольшого количества ß-глюкана, уроновых кислот и значительного количества пентозанов, и «эндоспермовую», содержащую много ß-глюкана, мало пентозанов и вообще не содержащую уроновых кислот. Водорастворимый ß-глюкан состоит из остатков глюкозы, соединенных между собой по ß-1,4 (70 %) и ß-1,3 (30 %). При неполном гидролизе в гидролизате обнаруживаются дисахариды - целлобиоза и ламинарибиоза. Пентозаны состоят из молекул ксилозы, соединенных ß-1,4 связью, но имеются также боковые цепочки из ксилозы, арабинозы и глюкуроновой кислоты, соединенные по ß-1,3 и В-1,2-связям. У пентозана эндосперма молекулы арабинозы присоединены по ß-1,3 и В-1,2-связям.

Гемицеллюлозы связаны с белками эфирными связями и поэтому нерастворимы в воде. Их молекулярная масса может составлять до 40 • 10°. Гемицеллюлозы можно перевести в растворимую форму с помощью разбавленного раствора едкого натра или под действием ферментов. Содержание гемицеллюлоз и гумми-веществ зависит от условий произрастания ячменя.

Гумми-вещества представляют собой водорастворимые гемицеллюлозы, обладающие высокой вязкостью, и состоят из ß-глюкана и пентозана. В воде они дают коллоидные растворы. Молекулярная масса гумми-веществ около 400 000. Содержание водорастворимых гумми-веществ в ячмене может колебаться в значительных пределах, составляя около 2 % массы зерна.

Лигнин является своего рода «прослойкой», накапливающейся в клеточной стенке цветочной оболочки.

1.1.2.3. Низкомолекулярные углеводы в ячмене состоят из сахарозы (1-2 %), раффинозы (0,3-0,5 %) и по 0,1 % мальтозы, глюкозы и фруктозы.

1.1.2.4. Липиды (жиры) в ячмене содержатся в количестве 2,2-2,5 % по СВ. До 60 % липидов находятся в алейроновом слое, около 30 % в зародыше, и в незначительном количестве они встречаются в цветочной оболочке и эндосперме. Липиды ячменя состоят примерно на 70 % из нейтральных липидов - в основном из триацилглициридов, глюко- и фосфолипидов (соответственно 10 и 20%). В триглициридах могут этерифициро-ваться две или три различные жирные кислоты, в связи с чем число возможных комбинаций различных жирных кислот очень велико. Во время роста зародыша они расходуются частично на дыхание, а частично - на формирование клеток зародыша листка и корешка.

1.1.2.5. Органические соединения, содержащие фосфорную кислоту. Около половины фосфатов присутствует в ячмене в форме фитина (кальциево-магниевой соли инозитфосфорной кислоты), который состоит из циклического инозита и остатков фосфорных кислот. При гидролизе в процессе прорастания зерна фитин поставляет основную часть кислотных составляющих (в частности, первичные фосфаты), благодаря которым при солодоращении, а затем в сусле и пиве поддерживается определенное значение pH.

1.1.2.6. Полифенолы или дубильные вещества содержатся в цветочной оболочке и эндосперме. Они составляют всего 0,1-0,3 % CB, однако оказывают влияние на цвет и вкус пива, а также на его коллоидную стойкость (из-за дубильного действия и способности осаждать белки). К фенольным соединениям относятся простые фенольные кислоты и высокомолекулярные полифенолы, которые встречаются в свободной или связанной форме. Связанные формы глюкозидов включают антоцианогены, катехины и флавоны, которые в процессе окисления и полимеризации дают соединения с более высокой молекулярной массой. Антоцианогены обладают окрашивающим и осаждающим действием. Благодаря своей окислительной способности полифенолы являются редуцирующими соединениями. В группе полифенолов аналитическими методами можно выявить так называемые «танноиды» с молекулярной массой 600-3000 и 2-10 флавановыми кольцами, обладающие способностью не только осаждать белки, но и имеющие ярко выраженные редуцирующие свойства.

Содержание фенольных соединений зависит от сорта ячменя и от климатических условий. Ячмень, выращенный в районах с морским климатом, характеризуется высоким содержанием полифенолов и танноидов. При особом способе возделывания ячменя с использованием мутации генов, предложенном лабораторией Карлсберг (Carlsberg-Laboratorien), биосинтез катехина и процианидина (антоцианогена) в период выращивания ячменя приостанавливается. Такой ячмень по сравнению с обычным дает лишь 12 % содержания антоцианогенов в сусле и пиве и тем самым приводит к значительному улучшению его коллоидной стабильности.

1.1.2.7. Горькие вещества ячменя относятся к классу липоидов. Они обладают антисептическим действием и характеризуются горьковатым вкусом. Эти вещества, сосредоточенные главным образом в цветочной оболочке, легко растворяются в слабощелочной воде.

1.1.2.8. Белковые вещества ячменя как главная движущая сила биологических процессов имеют большое значение. Несмотря на то, что их содержание невелико, они оказывают значительное влияние на все процессы приготовления пива. В результате поэлементного анализа важнейших белков были получены следующие предельные значения: С - 50-52 %, H - 6,8-7,7 %, N - 15-18 % (в среднем 16 %), S - 0,5-2,0 % и P - 0-1 %. При общем содержании азота в белковых веществах около 16 % содержание азота, полученное по методу Кьельдаля, умножают на коэффициент 6,25, получая общее содержание «сырого» белка в ячмене.

Содержание белка (в пересчете на CB) в ячмене варьирует от 8 до 13,5 % (содержание общего азота - 1,30-2,15), составляя обычно от 9,0 до 11,5 % (содержание общего азота - 1,45-1,85 %). Бедный белками ячмень (содержание белков ниже 11,5 %) является прекрасным сырьем для приготовления светлого пильзеньского солода и пива. Если ячмень содержит слишком мало белка (содержание ниже 9 %), то уменьшается количество азотистых веществ, необходимых для пенообразования и полноты вкуса пива, и появляется хмелевой тон. Богатый белком ячмень (содержание более 11,5%) по сравнению с ячменем, бедным белком, хуже поддается переработке, снижает содержание крахмала в ячмене и в результате получается более темное пиво (иногда с более полным вкусом). Для темных сортов пива требуются ячмень, более богатый белком.

Содержание белка в ячмене зависит главным образом от состава почвы, севооборота, внесения удобрений и погодных условий. Особое значение имеет продолжительность вегетационного периода от посева до уборки урожая. Белок содержится в оболочке зерна, в зародыше и эндосперме.

Образовавшиеся в ячмене белковые вещества откладываются преимущественно:

• в алейроновом слое (в виде клейковины);

• под алейроновым слоем на внешней стороне эндосперма (в виде физиологического или резервного белка);

• в эндосперме (в виде гистологического или тканевого белка).

Клейковина алейронового слоя, находящаяся под плодовой и семенной оболочками, частично расходуется при проращивании, а оставшаяся часть вместе с запасами тканевого белка переходит в дробину.

Содержание резервного белка не постоянно, что обусловливает различный белковый состав ячменя. При солодоращении большая часть резервного белка расщепляется.

Тканевый белок как остаток протоплазмы откладывается преимущественно в мембранах клеток эндосперма и вместе с гемицеллюлозой и гумми-веществами входит в состав этих клеток, что в значительной степени затрудняет растворение.

Соединение двух аминокислот дает дипептид; при продолжении реакции образуется трипептид, тетрапептид и т. д. Пептид, содержащий до 10 аминокислот, называют олигопептидом, а соединения, состоящие из большего числа аминокислот, - полипептидами. Когда цепочка складывается примерно из 100 аминокислот, а молекулярная масса достигает 10 000, говорят о белках. Последовательность аминокислот в полипептидной цепочке называют первичной структурой. Вторичная структура является результатом образования в пептидных цепях водородных мостиков между водородом аминной и кислородом карбоксильной группы. При наличии водородных мостиков внутри полипептидной цепи образуются «геликальные» структуры. Например, у часто встречающегося α-геликса водородные мостики образуются между каждыми вторыми пептидными связями. В третичных структурах полипептидные спирали свертываются в длинные волокна или клубки, причем прочность структуре придают те же водородные мостики и, прежде всего, ковалентные связи типа дисульфидных мостиков.

Между вторичной и третичной структурами зачастую невозможно провести четкой границы, в связи с чем в настоящее время их объединяют понятием «цепочечная конформация». Простые белки строятся исключительно из складчатых полипептидных цепочек. Большинство белковых веществ, определенным образом переплетаясь или объединяя несколько субъединиц в одно образование, формируются в четвертичную структуру, не образуя ковалентных связей (типа дисульфидных мостиков).

В ячменном зерне имеются следующие белковые фракции: альбумины (высокомолекулярные белки, растворимые в чистой воде и слабых солевых растворах), глобулины (нерастворимые в чистой воде и экстрагируемые в слабых солевых растворах), проламины (нерастворимые в чистой воде и солевых растворах, но растворимые в 50-90 %-ном этиловом спирте и некоторых других разбавленных водой спиртах) и глютелины (нерастворимые в нейтральных растворителях и спирте, но растворимые в щелочах с существенным изменением структуры). Каждую из этих групп белковых веществ можно разделить с помощью электрофореза соответственно на 4-7 различных фракций. Их молекулярная масса составляет от 10 000 до нескольких миллионов. Если альбумины и глобулины содержатся в крахмалосодержащем эндосперме, то проламины и глютелины представляют собой резервные белки ячменя и могут накапливаться в субалейроновом слое и клеточных стенках. Наряду с белками в зерне ячменя присутствуют и протеиды (белковые вещества, содержащие азотистые соединения со средней или низкой молекулярной массой). В период созревания они или не полностью превращаются в настоящий белок, откладываясь в виде промежуточных его форм, или образуются при физиологических процессах растворения зерна как продукты расщепления высокомолекулярных белков.

Классификация белковых веществ и продуктов их расщепления производится по их различным химическим и физическим свойствам, по степени расщепления ферментами и по их физиологическим свойствам.

Из-за большой величины молекул белки в растворе проявляют физико-химические свойства коллоидов и не диффундируют через мембраны и стенки клеток. При поглощении или отдаче воды они проявляют способность или неспособность к набуханию. Аминокислоты и белки амфотерны, являясь электрически нейтральными в изоэлектрической точке. Изоэлектрические точки белков различны и определяются значением pH, свойственным данному виду белка. В процессе нагревания белковых растворов происходит денатурирование (или коагуляция) белковых веществ. Денатурирование соответствует переходу от высокоупорядоченного состояния белковых эмульсий к неупорядоченному с активным нарушением строго определенных вторичных и третичных структур белка, с частичным разрушением дисульфидных связей и водородных мостиков, а также потерей гидратацпонной воды, связанной полярно через гидрофильные группы. Первая фаза денатурирования наступает при нагревании, изменении pH (например, в изоэлектрической точке), воздействии горьких веществ, металлов, алкоголя, солей, сильных кислот и щелочей, при окислении, при действии адсорбционных сил и механических явлений. Вторая фаза, собственно коагуляция, представляет собой коллоидно-химический процесс. После достижения определенной концентрации денатурированные частички собираются в макромолекулярные частицы, которые сначала появляются как опалесцирующая муть, а затем выпадают в виде хлопьев, что приводит к образованию хлопьевидной взвеси («бруха»), осадка взвесей горячего сусла в конце его кипячения.

В процессе проращивания происходит расщепление высокомолекулярных белков протеолитическими ферментами до аминокислот. Расщепление белков при солодоращении продолжается также в процессе затирания.

1.1.2.9. Ферменты являются сложными органическими белковыми веществами и играют важную роль во всех жизненных процессах, в том числе жизнедеятельности клетки в процессе обмена веществ при проращивании ячменя. Они обладают способностью расщеплять высокомолекулярные соединения, но при этом сами не расходуются. Большинство ферментов состоит из протеиновой составляющей (апофермента) и небелкового компонента (простетической группы или кофермента). Апофермент определяет специфику субстрата, а простетическая группа или кофермент - тип реакции. Ферменты простой структуры (например, гидролазы) состоят только из белковых веществ. В них образуется реактивная область функциональных групп различных аминокислот, чтобы фермент смог нацелено воздействовать на совершенно конкретный субстрат. Эта область должна отличаться определенной пространственной структурой во всем ферментном комплексе; благодаря электронному обмену связь распадается на продукты деления, а неизменившийся фермент вновь вовлекается в реакцию. Действие ферментов в значительной степени зависит от условий окружающей среды (в первую очередь от температуры и реакции субстрата) и ускоряется активаторами, а замедляется ингибиторами реакции.

Ферменты способны действовать лишь в некотором интервале температур, причем каждый фермент характеризуется оптимальной для него температурой, обеспечивающей наиболее благоприятные условия протекания реакций. Если температура ниже или выше оптимальной, то действие фермента ослабляется. Для большинства ферментов оптимальная температура составляет 60-80 °C в зависимости от концентрации субстрата, степени разведения, кислотности, длительности воздействия, а также присутствия защитных коллоидов, ингибиторов и образованных продуктов расщепления. Каждый фермент характеризуется приемлемым для него значением pH, при котором его действие проявляется наиболее эффективно, но оно меняется с изменением температуры. На ход реакции влияют как концентрация ферментов, так и концентрация субстрата.

Ингибирующее действие на активность ферментов оказывают соли тяжелых металлов (меди, олова), окислители и вещества, изменяющие коллоиды. Это же действие, особенно при высоких температурах, оказывают высокие концентрации спирта, эфира и формальдегида, а также продукты распада, катализируемого определенными ферментами. Активаторы (кофакторы) могут активировать ферменты, присутствующие в неактивной, «блокированной» форме. Активаторами могут выступать определенные ионы, например K+, Na+, NH3+, Mg2+, Ca2+, Zn2+, Mn2+, Mo2+, Cu2+, Fe2+, Co2+, Cl , B3+. Для активации определенных гидролаз очень важны сульфгидрильные группы.

Ферменты могут быть растворимыми (например, лиоферменты, переходящие при затирании непосредственно в раствор) или нерастворимыми (в частности, десмоферменты, присоединенные к протоплазме клеток, которые после предварительного расщепления высвобождаются и становятся активными).

Количество активных ферментов, изначально присутствующих в зерне ячменя, невелико. Причиной их образования при проращивании является потребность зародыша в питательных веществах после расходования растворимых питательных веществ эндосперма. Существующие, но неактивные ферменты активируются (например, ß-амилаза и некоторые протеиназы - под действием сульфгидрильных групп), однако большинство ферментов образуется благодаря выделению гиббереллино подобной субстанции, индуцирующей развитие в алейроновом слое глюканаз, расщепляющих клетчатку, α-амилазы, эндопепсидазы и кислой фосфатазы. Кроме того, ферменты дыхательного комплекса играют большую роль в процессе обмена веществ.

Ферменты в зерне распределены неравномерно - наибольшая их часть в зерне в состоянии покоя содержится вблизи зародыша. Обнаружение и классификация ферментов возможны после их выделения в специфических субстратах.

Большая часть минеральных веществ ячменя состоит из фосфата калия (56 %) и кремниевой кислоты (в виде SiO₂, около 26 %). Они могут существовать в форме первичных, вторичных и третичных фосфатов и образовывать химическую буферную систему, причем основную роль в поддержании кислотности играют первичные и вторичные фосфаты. Неорганические компоненты необходимы для питания зародыша и дрожжей.

Влажность ячменя может варьировать от 12 до 20 %. Ячмень из районов с теплым климатом и незначительным количеством осадков характеризуется влажностью 12-14 %, а из районов с влажным - 16-18 % и даже более 20 %. Влажность ячменя зависит от погодных условий конкретного года, а также от способа уборки и обработки ячменя после сбора урожая. Высокая влажность экономически невыгодна, так как в этом случае в ячмене содержится меньше сухих веществ. Влажный ячмень нестоек при хранении, обладает низкой энергией прорастания, высокой водочувствительностью и медленно преодолевает состояние покоя при прорастании. Хранение неподсушенного ячменя сопряжено с большими трудностями, поскольку такое зерно склонно к самонагреванию и восприимчиво к распространению плесени, следствием чего является ухудшение запаха и всхожести. Влажный ячмень требует постоянного регулирования температуры и частого ворошения. Процесс проращивания солода из такого ячменя более труден и по сравнению с сухим ячменем связан с более высокими потерями.