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 º С, рисового - 80-85 º С, кукурузного - 65-75 º С, пшеничного - 60-70 º С, а солодового - 60 º С.

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:

 

крахмал низкомолекулярные декстрины (много)

 

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

 

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

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:

крахмал мальтоза (много) + высокомолекулярные

 

β -декстрины (много) + мальтотриоза (мало)

 

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

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 º С (мальтозная пауза) действует в основном β -амилаза, и главным продуктом гидролиза является поэтому мальтоза. При паузе осахаривания - выдержка затора при 70 º С - 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 º С), если требуется повысить степень сбраживания сусла, то увеличивают продолжительность выдержки затора на мальтозной паузе (63-65 º С).

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.

 

Гидролиз белковых веществ

Белки - биополимеры, состоящие из остатков аминокислот, соединенных пептидной связью.

Правильному распаду белковых веществ при затирании уделяют большое внимание. Продукты гидролиза белков влияют на органолептические свойства пива и его стойкость, а также необходимы дрожжам для питания.

Из общего количества белка, содержащегося в солоде, примерно 35 % переходит в сусло. Более половины этого количества уже находится в солоде в растворенном состоянии. При смешивании дробленого зерна с водой в раствор переходит водорастворимый ячменный альбумин-лейкозин. Растворяется и глобулин-эдестин, так как затор содержит достаточное количество солей. Переходят в раствор также полипептиды и аминокислоты, образовавшиеся в процессе солодоращения. Данные продукты не выделяются из раствора во время кипячения и называются «стойко растворимыми белками». Настоящие же белки во время кипячения коагулируют. Другая половина белковых веществ переходит в сусло под действием протеолитических ферментов - эндо- и экзопептидаз.

Эндопептидазы действуют на глубинные пептидные связи и расщепляют белки до пептонов, полипептидов, пептидов и небольшого количества аминокислот. Солодовые эндопептидазы подразделяются на кислые, нейтральные и щелочные. Наибольшей активностью обладают кислые эндопептидазы. Максимальную активность эта группа ферментов проявляет в заторе при рН 4, 6-5, 0 и температуре 50-60 º С. Гидролиз белка при затирании связан в большей мере с действием этой группы ферментов, поэтому при затирании образуются более сложные продукты гидролиза, чем при солодоращении.

Экзопептидазы подразделяются на амино-, ди- и карбоксипептидазы. Карбоксипептидаза действует на белковую молекулу с С-конца, а аминопептидаза - с N-конца. Дипептидаза гидролизует дипептиды. Оптимальные значения активной кислотности у ди- и аминопептидазы находятся в щелочной зоне при рН 7-8, поэтому данные ферменты практически не действуют при затирании. Эти ферменты также термолабильны. Максимум своей активности проявляют при температуре 40-50 º С. При нагревании затора до 55-60 º С в сусле остаются лишь следы активности ди- и аминопептидазы. Из экзопептидаз при затирании активно действует лишь кислая карбоксипептидаза, проявляя максимум своей активности при рН 5, 2 и температуре 50-55 º С. Карбоксипептидаза стабильна в заторе и даже при 80 º С сохраняет половину своей активности.

На гидролиз белковых веществ при затирании значительное влияние оказывают температура, рН, концентрация затора, продолжительность затирания, ионы металлов. Температура 50 º С является оптимальной для распада белков при затирании. Но затор оказывает защитное влияние на ферменты, поэтому и при температуре 60 º С идет еще активный гидролиз белков. Однако при высоких температурах получаются более сложные продукты распада белков.

Гидролиз белка активнее протекает в кислой среде, поэтому подкисление заторов интенсифицирует протеолиз.

Распад белка идет активнее в концентрированных заторах, что связано с уменьшением их рН.

Влияет на гидролиз белка и длительность затирания. С увеличением продолжительности процесса возрастает содержание в сусле общего количества белковых веществ, причем активно образуются низкомолекулярные продукты распада.

На протеолиз влияют присутствующие в заторе ионы солей. Так, Са⁺⁺, Мg⁺⁺ повышают активность эндопептидазы, а ионы хлоридов, сульфатов, натрия оказывают ингибирующее воздействие на фермент. Карбоксипептидазу активируют ионы хлоридов и сульфатов, а Mg⁺⁺ отрицательно влияет на фермент.

Наряду с растворением и гидролизом при затирании под действием высоких температур происходит также превращение растворимых белковых веществ в нерастворимые, которые осаждаются - коагулируют.

Процесс расщепления белка во время затирания должен быть проведен таким образом, чтобы в полученном сусле содержалось 75-100 мг на 100 см³ общего азота с распределением фракций по Лундину:

А - 12-15 %;

В - 12-15 %;

С - 60-75 %.

Для обеспечения нормальной жизнедеятельности дрожжей в 100 см³ сусла должно содержаться не менее 25 мг аминного азота (медный способ) или 20-22 мг (нингидриновый метод).

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: