Ферментативные превращения составных веществ
В процессе затирания осуществляется ферментативный гидролиз крахмала, белков солода и несоложеных материалов в сбраживаемые и несбраживаемые сахара и аминокислоты, поскольку в процессе брожения дрожжи способны утилизировать в качестве питательных веществ только простые сахара и аминокислоты. Однако, с другой стороны, полный гидролиз нежелателен, так как декстрины, пептиды и пептоны обеспечивают пиву специфический вкус и консистенцию. В связи с этим затирание осуществляют по определенным режимам в целях получения сусла требуемого состава – содержащем смесь питательных веществ для дрожжей и вкусовых веществ в удовлетворительном соотношении.
При затирании солода некоторые его вещества превращаются в низкомолекулярные соединения – липиды и полифенолы, которые влияют на качество сусла и пива. Следует учитывать, что с увеличением продолжительности затирания содержание в сусле экстрагируемых из солода липидов и полифенолов возрастает.
Солод является не только основным сырьем для получения экстрактивных веществ, но и источником ферментов (амило-, протео-, цитолитических и др.), благодаря которым при затирании осуществляются биохимические процессы, среди которых можно выделить три основные реакции:
– ферментативный гидролиз крахмала и полисахаридов;
– ферментативный гидролиз гумми-веществ, таких как β-глюканы и пентозаны;
– ферментативный гидролиз белков и полипептидов.
Расщепление крахмала при затирании осуществляется в три стадии, последовательно переходящих одна в другую, при этом последовательность их неизменна:
1) клейстеризация крахмала;
2) разжижение крахмала;
3) осахаривание.
В теплом водном растворе в молекулах крахмала в большом количестве накапливается вода. Из-за этого происходит увеличение объема, приводящее к набуханию и последующему разрыву первоначально твердых зерен крахмала. Образуется вязко-текучий раствор, вязкость которого зависит от объема поглощенной воды и различается для разных видов зерновых. Под клейстеризацией понимают набухание и разрыв оболочки зерен крахмала в теплом водном растворе. Освободившиеся молекулы крахмала в этом вязком растворе лучше подвергаются действию амилаз, чем неклейстиризованный крахмал.
Поэтому очень быстро уменьшается вязкость клейстеризованного затора. β-амилаза способна расщеплять длинные цепочки лишь от нередуцированных концов, так что самостоятельное расщепление этим ферментом длилось бы сутками.
Под разжижением понимают снижение вязкости клейстеризованного крахмала α-амилазой.
α-Амилаза разрывает цепочки амилазы и амилопектина главным образом на декстрины с 7–12 глюкозными остатками. От концевых групп образовавшихся цепочек β-амилаза отщепляет двойные группы (мальтозу). Этот процесс неизбежно продолжается дольше, чем разделение более длинных цепочек α-амилазой.
Из-за разной длины цепочек кроме мальтозы образуются и другие сахара, например, глюкоза и мальтотриоза.
Во всех случаях расщепление веществ останавливается на 2–3 глюкозных остатках перед 1,6-связями амилопектина, так как эти 1,6-связи не могут быть расщеплены ни α-, ни β-амилазой. Эти предельные декстрины всегда содержатся в нормальном сусле.
α-Амилаза действует оптимально при 72–75 °С и быстро разрушается при 80 ºС. Оптимальное значение величины рН составляет 5,6–5,8.
β-Амилаза отделяет от нередуцированных концов цепочек мальтозу, при этом образуются также глюкоза и мальтотриоза. Она действует оптимально при 60–65 °С и очень чувствительна к более высоким температурам; уже при 70 °С она быстро инактивируется. Оптимальное значение рН составляет 5,4–5,5.
В солоде, правда, содержится фермент (предельная декстриназа), который способен растворять кроме 1,4-связей также и 1,6-связи, но при оптимальной для этого фермента температуре в 50–60 °С он едва ли имеет значение для процесса получения осахаренного затора. При 70 °С обнаруживается лишь слабая активность предельной декстриназы.
Расщепление крахмала следует контролировать, так как остаток нерасщепленного крахмала и более крупные декстрины вызывают в пиве клейстерные помутнения.
Известно, что стенки клеток ячменного зерна состоят из прочного переплетения белковых веществ, целлюлозы и гемицеллюлозы, пронизанного цепочками β-глюкана. Высокомолекулярный β-глюкан при определенных условиях склонен к гелеобразованию, а значит, к повышению вязкости пива и с ним – к затрудненному фильтрованию. Поэтому следует рассмотреть β-глюкан несколько подробнее.
Также известно, что в ходе солодоращения высокомолекулярный β-глюкан большей частью расщепляется. Для этого требуется переработка сортов ячменя с низким содержанием β-глюкана; солод с высоким содержанием эндо-β-глюканазы (минимум 120 единиц эндо-β-глюканазы/кг солода); хорошее растворение содержимого зерна (выше 80 % рыхлых зерен по фриабиллиметру).
В отличие от закрученных молекул α-глюкана молекулы β-глюкана не ветвятся и вытянуты. Многие из этих молекул связаны водородными мостиками, то есть они ассоциированы. В этом виде они растворимы. Многие из этих ассоциатов связаны друг с другом в поперечном направлении и частично – белком в стенках клетки; особенно это характерно для еще не полностью растворенных частей зерна в солоде, например, кончиков зерна. Это состояние характерно также для начала затирания.
Во время клейстеризации структура зерен крахмала разрушается, и частично связанные в поперечном направлении ассоциаты освобождаются. Эндо-β-глюканаза может расщепить эти ассоциаты на β-глюкан, причем оптимальная для эндо-β-глюканазы температура составляет 45–50 °С. Благодаря удлиненной паузе при этой температуре, хорошо растворенному солоду и высокой активности эндо-β-глюкана- зы, большая часть β-глюкана переводится в растворенную форму, в связи с чем опасность гелеобразования уменьшается.
Как только температура повышается, термочувствительная эндо-β-глюканаза инактивируется и прекращает свое действие. Здесь действует термостабильная (до 70 °С) β-глюкан-солюбилаза, высвобождая высокомолекулярные соединения β-глюкана из белка и нерастворенных кончиков зерен, но не расщепляя их дальше. Так как эндо-β-глюканаза при этой температуре давно инактивировалась, всегда следует считаться с тем, что в плохо растворенном, бедном ферментами солоде содержатся высокомолекулярные соединения β-глюкана, но не следует отождествлять эти соединения с гелем β-глюкана.
Проблема проявляется лишь после того, как произошло частичное разрушение водородных мостиков внутри ассоциатов при температуре выше 70–80 °С, т. е.при кипячении и охлаждении сусла. При этом образуется термоактивированный β-глюкан, который при охлаждении может повести себя по-разному.
Существенными контрольными признаками, по которым можно предположительно выявить низкие значения высокомолекулярного β-глюкана, являются показания фриабиллиметра и вязкость лабораторного сусла.
Вязкость сусла контролируют как параметр, указывающий на содержание β-глюкана и на ожидаемые затруднения при фильтровании затора и пива.
Все высокомолекулярные белки за небольшим исключением выпадают в осадок самое позднее при кипячении сусла, и поэтому в пиво попадают только продукты расщепления белков, которые, однако, безусловно необходимы для размножения дрожжей и быстрого сбраживания.
Ферментативное расщепление белковых веществ должно рассматриваться дифференцированно, так как при 45–50 ºС образуются преимущественно низкомолекулярные продукты расщепления, особенно пептиды и аминокислоты, а при 60–70 ºС образуются преимущественно высокомолекулярные продукты расщепления, которые считаются обеспечивающими пеностойкость.
Аминокислоты очень важны для питания дрожжей. Которые потребляют не менее 10–14 мг аминного азота на 100 мл сусла.
Чем лучше растворен солод, тем больше свободного аминного азота (FAN) образуется при температурах 45–50 ºС.
Из хорошо растворенного солода всегда получают сусло, содержащее достаточное количество свободного аминного азота для жизнедеятельности дрожжей на стадии брожения.
При солодоращении часть содержащихся в солоде липидов расщепляется липазами на жирные кислоты. При затирании этот процесс продолжается под действием липоксигеназ, которые расщепляют насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты на глицерин и жирные оксикислоты. Жирные оксикислоты представляют собой окисленные продукты расщепления жирных кислот, являясь предшественниками «карбонилов старения».
Даже незначительное количество попавших в пиво жирных оксикислот, может негативно сказаться на стойкости его вкуса. Ненасыщенные жирные кислоты достаточно быстро окисляются по упрощенной схеме, изображенной на рисунке 15.
При дроблении находящаяся в листках зародыша липоксигеназа быстро активизируется и может при обычных низких температурах начала затирания и высоких значениях рН заторной воды в сравнительно короткое время расщепить ненасыщенные жирные кислоты и тем самым автоматически подготовить продукты окисления, которые позднее приводят к образованию «карбонилов старения». Поэтому для того, чтобы начиная с процесса дробления солода избежать осуществления процессов окисления и нежелательных превращений существуют следующие возможности: удаление кислорода путем его замены инертным газом (СО2 или N2); проведение начала затирания при высоких температурах от 60 °С и выше; снижение величины рН в начале затирания до 5,1–5,2.
При затирании растворяются и другие липиды, а именно, насыщенные жирные кислоты, составляющие значительную часть жиров, содержащихся в зернах крахмала (амилопластах) в количестве 5–7 %. Мутное сусло, полученное в результате недостатков при фильтровании затора, плохое отделение взвесей сусла – все это приводит к переносу в сусло повышенного количества свободных жирных кислот, которые могут приводить к проблемам при фильтровании пива.
Разумеется, жирные кислоты образуются и при брожении. Во время дображивания дрожжи выделяют много жирных кислот с цепочками средней длины, а последние могут отрицательно влиять на пенообразование.