2.1.1. Ферментативный гидролиз крахмала

Крахмал - основной биополимер зернопродуктов. Состоит из смеси двух полисахаридов - амилозы (20-30 %) и амилопектина (80-70 %). В амилозе остатки глюкозы соединяются в длинные цепи посредством α-1,4-глюкозидных связей. Амилопектин имеет более сложное строение: к основной цепи (20-30 глюкозных остатков, связь α-1,4) присоединяются боковые (15-18 глюкозных остатков, связь α-1,6).

При затирании создаются благоприятные условия для гидролиза крахмала, а именно: механическое разрушение структуры крахмальных зерен, повышенная температура, наличие избытка воды. Поэтому степень гидролиза увеличивается по сравнению со степенью гидролиза при солодоращении в 10-15 раз. При гидролизе крахмала различают 3 стадии: клейстеризацию, разжижение, осахаривание.

Клейстеризация происходит при нагревании суспензии крахмала в воде. Зерна крахмала увеличиваются в объеме в 60-100 раз. Разрывается оболочка зерен, и образуется вязкий гель-клейстер. Клейстеризованный крахмал легче подвергается действию амилаз, чем неклейстеризованный. Процесс клейстеризации протекает ступенчато в связи с различием в размерах отдельных крахмальных зерен. Крупные зерна клейстеризуются лучше, чем мелкие. Температура клейстеризации зависит от структуры зерна, от присутствия в растворе различных веществ. Например, щелочи ускоряют клейстеризацию. Клейстеризации способствует также наличие в растворе амилаз. Температура клейстеризации ячменного крахмала 75-80 ºС, рисового - 80-85 ºС, кукурузного - 65-75 ºС, пшеничного - 60-70 ºС, а солодового - 60 ºС.

Разжижение крахмального клейстера протекает под действием α-ами-лазы, которая разрывает длинные цепи крахмала на более короткие. Разжижение сопровождается резким снижением вязкости клейстера.

Осахаривание. Осахариванием называется процесс расщепления крахмала до сахаров и низкомолекулярных, не дающих окраски с йодом декстринов. Осахаривание осуществляется совместным действием солодовых амилаз, основными из которых являются α- и β-амилазы. Солодовые амилазы отличаются характером действия на компоненты крахмала и своими оптимальными условиями действия.

α-Амилаза - эндофермент. Действует на глубинные связи молекулы амилозы и амилопектина беспорядочно путем случайного выбора. Гидролизует амилозу до мальтозы и небольшого количества глюкозы и мальтотриозы, а амилопектин - до низкомолекулярных конечных декстринов и мальтозы.

Схема гидролиза крахмала α-амилазой:

к рахмал низкомолекулярные декстрины (много)

мальтоза (мало) + глюкоза, мальтотриоза (очень мало)

Оптимальные условия действия фермента в заторе: рН 5,7; температура 70-75 ºС.

β-Амилаза - экзофермент. Действует на крахмальную цепочку с нередуцирующего конца, отщепляя по молекуле мальтозы. Если количество глюкозных единиц в цепи амилозы четное, то она под воздействием β-амилазы полностью превращается в мальтозу, если нечетное, то наряду с мальтозой образуется и небольшое количество мальтотриозы. При действии β-амилазы на амилопектин образуется мальтоза и высокомолекулярные β-декстрины, которые в дальнейшем гидролизуются до низкомолекулярных α-амилазой.

Схема гидролиза крахмала β-амилазой:

к рахмал мальтоза (много) + высокомолекулярные

β-декстрины (много) + мальтотриоза (мало)

Оптимальные условия действия фермента в заторе: рН 5,4-5,6; температура 60-65 ºС.

Гидролиз крахмала происходит при совместном действии обеих амилаз. Под действием α-амилазы на глубинные связи крахмальной цепи образуется дополнительное количество нередуцирующих концов, что повышает продуктивность β-амилазы. Под действием β-амилазы образуются высокомолекулярные декстрины, которые легко расщепляются до низкомолекулярных α-амилазой.

Так как амилазы различаются температурными оптимумами, то и максимум своего действия проявляют на различных стадиях затирания. Во время выдержки затора при температуре 63 ºС (мальтозная пауза) действует в основном β-амилаза, и главным продуктом гидролиза является поэтому мальтоза. При паузе осахаривания - выдержка затора при 70 ºС - действует в основном α-амилаза с образованием большого количества декстринов.

При осахаривании идет постепенное уменьшение молекулы крахмала: сначала образуются амилодекстрины (м.м. 10-20 тыс., дают с йодом синее и фиолетовое окрашивание), затем - эритродекстрины (м.м. 6250-7000, дают с йодом красно-бурый цвет) и далее - ахродекстрины и мальтодекстрины (м.м. 3700 и менее, йодом не окрашиваются). В пивном сусле не должно быть амило- и эритродекстринов, но для создания полноты вкуса и пенистости должны присутствовать ахро- и мальтодекстрины.

На гидролиз крахмала под действием амилаз - амилолиз влияют следующие факторы: температура, рН среды, концентрация затора, присутствие в среде активаторов или ингибиторов амилолитических ферментов.

Температура затирания влияет как на скорость гидролиза, так и на соотношение образующихся продуктов. В начале затирания скорость ферментативного распада крахмала увеличивается с повышением температуры. Однако при высоких температурах наблюдается инактивация ферментов, что негативно отражается на скорости амилолиза.

Различие в температурных оптимумах α- и β-амилаз позволяет целенаправленно регулировать углеводный состав сусла. Если необходимо получить сусло, богатое декстринами, то осахаривание проводят при высоких температурах (70-72 ºС), если требуется повысить степень сбраживания сусла, то увеличивают продолжительность выдержки затора на мальтозной паузе (63-65 ºС).

Определенное влияние на амилолиз оказывает рН затора. Несмотря на некоторое отличие в оптимальных значениях активной кислотности у α- и β-амилаз, считают, что рН 5,4-5,6 может рассматриваться в качестве оптимального для обеих амилаз.

На степень гидролиза крахмала влияет и концентрация затора. В концентрированных заторах больше защитных коллоидов, однако отмечается затруднение осахаривания и снижение содержания в сусле сбраживаемых сахаров, что можно объяснить ингибированием амилаз продуктами гидролиза крахмала. В концентрированных заторах из-за высокой вязкости затрудняются также диффузионные процессы между субстратом и ферментами.

На активность амилолитических ферментов, а следовательно, и на амилолиз влияют ионы некоторых металлов. Так Са⁺⁺ способствует активации и стабилизации α-амилазы. Ионы тяжелых металлов снижают активность амилаз. Ухудшается осахаривание и при высоком содержании в заторе полифенольных веществ.

При правильном проведении процесса амилоза сусло имеет следующий углеводный состав (в % от общего количества):

• мальтоза 38-50;

• глюкоза 8-10;

• фруктоза 1-3;

• сахароза 2-6;

• мальтотриоза 11-19;

• мальтотетраоза 2-6;

• декстрины 14-22.

Общее количество углеводов в сусле составляет около 85 % экстракта.