Химия отрасли (теория и практика). Часть 2. Учебное пособие

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУВПО

«ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»

Е. В. ФЕДОРОВА, И. В. НОВИКОВА, Н. В. ЗУЕВА

ХИМИЯ ОТРАСЛИ (теория и практика)

Часть II

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

ВОРОНЕЖ

2010

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУВПО

«ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»

Е. В. ФЕДОРОВА, И. В. НОВИКОВА, Н. В. ЗУЕВА

ХИМИЯ ОТРАСЛИ (теория и практика)

Часть II

Утверждено редакционно-издательским советом академии

в качестве учебного пособия

ВОРОНЕЖ

2010

2

УДК 54 : 658.562

ББК Л 87 – 3 я 7

Ф33

Научный редактор профессор С. В. ВОСТРИКОВ

Р е ц е н з е н т ы:

кафедра биотехнологических процессов Воронежского межрегионального института переподготовки

кадров пищевой и перерабатывающей промышленности;

канд. техн. наук О. А. КОТИК (Воронежский государственный аграрный университет)

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Воронежской государственной технологической академии

Федорова, Е. В.

Ф33 Химия отрасли (теория и практика) [Текст] : учеб. пособие. в II ч. Ч. II: / Е. В. Федорова, И. В. Новикова, Н. В. Зуева; Воронеж. гос. технол. акад. – Воронеж : ВГТА, 2010. – 52 с.

ISBN 978 – 5 – 89448 – 743 - 4

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями ГОС ВПО подготовки инженеров по направлению 260200 – «Производство продуктов питания из растительного сырья» (специальность 260204 – «Технология бродильных производств и виноделие»). Оно предназначено для закрепления теоретических знаний дисциплин цикла СД. Приведена информация о свойствах и методиках анализа органолептических и физико-химических показателей сырья и продуктов бродильных производств.

Оригинал-макет данного издания является собственностью Воронежской государственной технологической академии, его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия академии запрещается.

3

ОТ АВТОРОВ

Учебное пособие по дисциплине «Химия отрасли» предусматривает применение студентами знаний, включающих изучение химического состава растительного сырья; алгоритма физи- ко-химических и биохимических процессов, происходящих при переработке сырья, полуфабрикатов и готовой продукции; оценку роли различных компонентов химического состава в формировании органолептических показателей, влияния этих компонентов на качество и стабильность полуфабрикатов и готовой продукции.

Издание предназначено для закрепления теоретических знаний при проведении основных анализов сырья, полуфабрикатов и готовой продукции; совершенствования и оптимизации действующих технологических процессов на базе системного подхода к анализу качества пищевых ингредиентов и продуктов.

4

АКТИВНОСТЬ α - И β -АМИЛАЗ СОЛОДА

Основным сырьем для пива является солод, который получают проращиванием пивоваренного ячменя или пшеницы в искусственных условиях при определенной температуре и влажности. Основная цель солодоращения – накопление максимального количества активных ферментов и растворение крахмала и других высокомолекулярных веществ. Ферментативный гидролиз сложных веществ зерна начинается при проращивании и завершается при затирании зернового сырья.

При искусственном проращивании ячменя в нём осуществляются те же биохимические процессы, что и при прорастании зерна в естественных условиях. Появление в зерне свободной влаги способствует улучшению проницаемости клеточных стенок, набуханию резервных веществ эндосперма и переходу их в состояние легкодоступное действию ферментов.

Вэтом состоянии в зерне начинается ферментативный гидролиз высокомолекулярных веществ, входящих в состав стенок клеток и запасных веществ эндосперма (гемицеллюлоз, крахмала, белков, пектиновых веществ, жира и т.д.), которые превращаясь в простейшие и растворимые соединения, приобретают способность к диффузии, что позволяет им в дальнейшем использоваться для питания зародыша.

На биосинтез ферментов и образование новых тканей в процессе проращивания расходуется энергия, которая высвобождается в процессе дыхания зерна, в ходе которого происходит окисление части углеводов и небольшого количества белков и жиров. В цитоплазме химическая энергия окисления трансформируется в другие формы и частично расходуется на обмен веществ, а остаток ее выделяется в виде теплоты в окружающую среду.

Всозревших семенах большая часть ферментов адсорбирована протоплазменными структурами клеток и находится в неактивном зимогенном состояние. В процессе прорастания наряду с переходом ферментов из зимогенного в свободное, активное состояние происходит и их новообразование.

5

через эпителий щитка в эндосперм, вызывая в нем изменения - растворение клеточных стенок и белков, благодаря чему крахмал становится доступным для действия амилаз.

Внастоящее время предложена новая теория, по которой зародыш лишь частично участвует в синтезе ферментов, в основном же он является продуцентом гормонов, биоактиваторов, подобных гиббереллинам, которые диффундируют в алейроновый слой зерна и активирует синтез ферментов. Таким образом, эндосперм зерна разрыхляется в основном ферментами, извлекаемыми из ткани алейронового слоя и в меньшей степени ферментами развивающегося зародыша.

Наиболее ценными для бродильных производств ферментами зерна являются α-амилаза и β-амилаза. α-Амилаза частично освобождается из зимогенного состояния в процессе солодоращения, а частично синтезируется вновь. В покоящихся зернах α-амилазная активность почти не обнаруживается; α-амилаза синтезируется в алейроновом слое зерна под действием фитогор-

монов, в основном гиббереллина. Для синтеза α-амилазы обязательно наличие ионов Са2+.

Активность β-амилазы зерна увеличивается из-за перехода молекулы из неактивной формы в активную. В неактивной форме молекула β-амилазы связана с полипептидом, под действием протеолитических ферментов зерна эта связь разрушается и β-амилаза начинает проявлять активность.

Всозревающих зернах ячменя и пшеницы присутствуют α-амилаза и β-амилаза, но в спелом зерне ячменя обнаруживаются следы лишь β-амилазы. В пророщенном зерне всех зерновых культур содержание β-амилазы не превышает ее количества, обнаруживаемого действием папаина на исходное зерно, т.е. β-амилаза накапливается в зерне в результате освобождения из зимогена. Считают, что α-амилаза накапливается частично таким же путем, а частично синтезируется вновь, как уже было сказано выше.

Взамоченном зерне амилолитические ферменты распределены неравномерно: приблизительно 70 % амилаз локализовано в нижней части эндосперма, в верхней части эндосперма находится около 25 %, в щитке - 4 %, в стебельке и корешках - 1 %.

7

Протеолитические ферменты активируются в алейроновом слое зерна и оттуда диффундируют в эндосперм. Они гидролизуют запасные белки зерна до пептидов и аминокислот, участвуют

вактивации ферментов, отщепляют полипептиды от молекул ферментов, благодаря чему неактивная форма ферментов превращается в активную форму. В зерне содержатся протеиназы типа папаина и пептидазы. Первые расщепляют непосредственно белки, образуя пептоны, полипептиды и аминокислоты, вторые действуют только на пептиды, гидролизуя их до аминокислот.

Активность ферментов в солоде и скорость их накопления при проращивании зависят от сорта и химического состава ячменя, способа проращивания, интенсивности аэрации и температуры процесса. При солодоращении активность амилолитических ферментов возрастает в 3…5 раз, протеолитических – примерно в 2,5 раза, фосфатаз – в 5…7 раз, а глюкозидазы в 2 раза. Во время проращивания в солоде увеличивается активность полифенолоксидазы, но в готовом солоде сохраняется только часть ее активности, окисляющей антоцианогены.

Таким образом, при проращивании в зерне осуществляется комплекс взаимосвязанных внешних и внутренних процессов, среди которых можно выделить:

-физиологические, в ходе которых осуществляется дыхание зерна, рост зародышевых корешков и рост листка зародыша;

-активацию и биосинтез ферментов в зерне;

-биотрансформацию веществ в зерне в результате каталитического действия ферментов.

Для применения солода в пивоварении свежепроросший солод сушат. Сушеный солод с присущим ему ароматом и биохимическим составом получают из свежепроросшего солода в специальных сушилках с соблюдением определенного темпера-

турного режима, при котором температура сушки постепенно повышается от 20…25 оС до 80…85 оС (для светлого солода) до 105 оС (для темного солода). При этом ростки солода подсыхают, становятся хрупкими, их удаляют из солода. При сушке влажность солода снижается до 3,3…3,5 % в светлом и до 1,5…2,0 % –

втемном солоде.

8

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 оС 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 оС, 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 достижения температуры 70 оС и влажности солода 10 %. Гидролитические процессы с участием амилолитических, протеолитических, цитолитических ферментов продолжаются до тех пор, пока температура не превысит оптимальное значение для их действия.

Химическая стадия сушки происходит при температуре выше 70 оС. Во время этой стадии ферменты либо инактивированы, либо из-за низкой влажности солода 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 белкаминосителями аминогрупп, получившие название карбониламинных или меланоидинообразования).

9

В химической стадии сушки по сравнению с ферментативной снижается активность ферментов. Так, активность β – амилазы в светлом солоде снижается до половины ее первоначальной активности, а темном – до 20 % от первоначальной; пептидаз, соответственно, - до 90 и 75 %; эндо - β - глюканазы, соответственно, – до 95 и 55 %, экзо - β - глюканазы до 40 и 25 %; липазы – до 65 и 55 %; фосфатазы – до 35 и 25 %.

Физико-химические показатели готового сухого солода после отлежки приведены в табл. 1.1, 1.2, 1.3.

Таблица 1.1

Физико-химические показатели светлого и темного ячменного солода

Объем солода больше объема ячменя на 16…23 %, так как при замачивании объем зерна увеличивается, а при солодоращении в нем образуются пустоты. Свежевысушенный солод имеет хрупкую структуру. При дроблении цветочные пленки и эндосперм сильно измельчаются, образуется много мелкой крупки и мало муки. Такое дробление солода приводит к затруднениям при осахаривании затора и фильтровании сусла. Поэтому свежевысушенный солод до поступления в производство выдерживают в солодохранилище не менее 30 сут.

10