Процессы, происходящие при замачивании, проращивании и сушке ячменя
Введение
Наука биохимия представляет собой нечто значительно более широкое, чем приложение химии к биологическим проблемам. Это скорее попытка выявить и, в конечном счете, воспроизвести те значительно более топкие и регулируемые химические процессы, которые происходят в живых организмах. Биохимия выросла из изучения процесса брожения, и датой утверждения ее как самостоятельной отрасли науки можно, несколько произвольно, считать открытие, сделанное Э. Бухнером (1860 - 1917) в 1897 году почти случайно, когда он обнаружил, что размятые дрожжи могли вызывать брожение в сахаре, несмотря на отсутствие живых клеток. Этот факт показал, что причиной брожения является мертвое химическое вещество, то, что было названо энзимом (en Zyrne) в дрожжах, и что большинство других химических реакций, происходящих в живой материи, вызывается подобными же веществами.
Однако потребовалось, чуть ли не сорок лет для того, чтобы люди начали хотя бы только понимать природу энзимов и механизм их действия. В великой полемике XIX века - в полемике между Пастером и фон Либихом о природе брожения - оба ученых и были правы, и ошибались. Либих, в конце концов, имел основания утверждать, что брожение вызывается химическим веществом. С другой стороны, эти вещества не представляли собой лабораторных химикалий, а могли быть произведены только живыми организмами, и в этом был прав Пастер, утверждавший, что жизнь играет в брожении существенно важную роль. Правда, неживые дрожжи, подобно диастазу солода, были известны человеку и использовались им уже на заре истории. Значение открытия Бухнера состояло в том, что оно доказывало давно подозревавшийся факт, что реакции внутри клетки, часто приписывавшиеся действию таинственных жизненных сил, вызываются внутриклеточными ферментами, или энзимами.
Биохимию от более классической органической химии, которая сама происходит из изучения продуктов жизни, в корне отличает то, что она имеет дело с химическими процессами, происходящими внутри и вокруг клеток живых организмов с помощью энзимов.
Актуальность работы. Производство пивоваренного солода - сложный технологический процесс, включающий в себя: хранение и сортировку пивоваренного ячменя; замачивание, солодоращение и сушку свежепроросшего солода; обработку и хранение солода.
Солодоращение - проращивание различных сортов зерновых культур в специально создаваемых и регулируемых условиях с целью накопления и активации в них гидролитических ферментов, способных осахаривать крахмал. С целью снижения потерь на дыхание и ростовые процессы солодоращение ведут при слабом освещении, пониженной температуре и высокой влажности.
В процессе солодоращения зерну необходимо находиться в богатой кислородом окружающей среде. Однако стремление использовать кислород при хранении, замачивании и солодоращении зерна способствует активации окислительных процессов, приводящих к потере питательных веществ на дыхание и рост. В пивоварении роль кислорода огромна, но его присутствие на некоторых стадиях технологического процесса, как установлено многими учеными и практиками, недопустимо. Помимо молекулярного кислорода роль окислителя в солоде и пиве могут выполнять активные формы кислорода. Благодаря своей высокой реакционной способности они снижают пищевую ценность продукта, а также негативно влияют на показатели качества и стойкость напитка. Стойкость пива существенно зависит от содержания низкомолекулярных антиоксидантов, основным поставщиком которых, является пивоваренный солод. Антиоксиданты - соединения, защищающие от свободно-радикального окисления, широко используются в пищевой промышленности и биотехнологии. Структурные и функциональные нарушения, вызванные различными причинами, как правило, усиливают активацию кислорода, что в свою очередь ведет к новым нарушениям, усугубляя первоначально нанесенный ущерб.
Повышение эффективности производства солода - одна из важнейших задач пищевой биотехнологии. Поэтому исследования, направленные на изучение биохимических процессов при получении высококачественного солода с минимальными потерями сухого вещества и высокой ферментативной активностью, являются весьма важными. Ясное представление об этих свойствах и взаимосвязях зерновой массы с технологическим режимом хранения и солодоращения позволят избежать потерь и снижения качества готовой продукции.
Цель курсовой работы: изучение процессов, происходящих при замачивании, проращивании и сушке солода.
Замачивание
Замачивание ячменя является очень важным этапом соложения, так как условия его проведения оказывают влияние на процесс проращивания, его длительность, на снижение величины потерь при соложении и наконец, на качество получаемого готового солода. Этот технологический процесс является первой стадией процесса соложения. Стадия замачивания, помимо снабжения зерна водой, должна сопровождаться подводом к зерну достаточного количества кислорода. Чем больше зерно поглощает воды, тем интенсивнее протекают процессы обмена веществ и тем большей становится потребность в кислороде. Поэтому внутри зерна должен поддерживаться минимальный уровень кислорода, который соответствует динамическому равновесию между низшим пределом потребления его зародышем и поступлением кислорода из внешней среды. В противном случае зерно начинает расходовать свои запасные вещества (углеводы) для покрытия необходимой ему энергии, причем при недостатке кислорода вместо воды и углекислого газа образуются сложные метаболиты обмена веществ зерна, такие, как спирт и ряд промежуточных продуктов - альдегиды, кислоты и эфиры, которые наносят вред проращиваемому зерну.
В основу разработки методов замочки ячменя должны быть положены следующие требования:
достижение необходимой влажности зерна;
поддержание оптимальной температуры;
подача кислорода и удаление углекислого газа и других веществ, тормозящих процесс ращения зерна.
Значение АТФ в энергетике биохимических реакций
Все биохимические реакции в живых клетках подчиняются основным законам термодинамики. Первый закон - закон сохранения энергии. Энергия может превращаться из одного вида в другой, но общее количество энергии остается постоянным. Второй закон термодинамики предусматривает существование двух форм энергии - свободной и рассеиваемой. Первая форма полезной энергии используется в протекающих реакциях, т. е. производит работу, вторая рассеивается в виде теплоты и не может быть использована в данной реакции.
Обмен веществ в живом организме неразрывно связан с обменом и превращением энергии. Сначала высокомолекулярные вещества гидролитически распадаются на низкомолекулярные. Количество освобождающейся при этом энергии незначительно. Затем в процессах окисления углеводов, жирных кислот и аминокислот происходит выделение значительных количеств энергии. Из большого количества продуктов гидролиза основное энергетическое значение имеют три: ацетил-коэнзим А, а-кетоглутаровая кислота и щавелевоуксусная кислота, которые подвергаются окислению в конечной стадии через цикл лимонной кислоты (так называемый цикл Кребса), где освобождается примерно 2/3 энергии. Около 30- 40% химической энергии превращается в теплоту, а более 60% ее используется для синтеза богатых энергией макроэргических соединений.
Наиболее важным показателем энергетического эффекта служит величина свободной энергии, т. е. энергии, производящей определенную работу. Изменение свободной энергии выражают в килокалориях на моль, и она представляет собой разницу между количеством свободной энергии в начале реакции и количеством ее в момент достижения равновесия.
В клетках живых организмов содержится много различных соединений, содержащих эфиры фосфорной кислоты. У одной группы этих соединений величина свободной энергии гидролиза не превышает 12,6 кДж/моль (3 ккал/моль). Сюда можно отнести глицерофосфат, 3 -фосфоглицериновую кислоту, глюкозо-6-фосфат, фруктозо-6-фосфат и др. Однако имеются соединения, при гидролизе которых выделяется значительно большие количества свободной энергии - 40- 50 кДж/моль (10 - 12 ккал/моль). Эти соединения принято называть макроэргическими и обозначать их знаком. Из них наиболее важной, играющей центральную роль в процессах обмена веществ живых организмов, является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). АТФ является связующим звеном между двумя противоположными процессами ассимиляции и диссимиляции веществ. В первом процессе используются и перерабатываются продукты, поступающие в организм из внешней среды. Процессы диссимиляции связаны с распадом продуктов на более простые соединения, выделяемые в окружающую среду в качестве конечных продуктов жизнедеятельности. Все реакции в биологических системах протекают при участии ферментов за счет энергии, освобождаемой при распаде молекул углеводов, белков, жиров и других веществ, в то время как при проведении обычных химических реакций основная часть энергии выделяется или поглощается в виде тепловой энергии и эти реакции, как правило, протекают при высоких температурах. Наоборот, все биохимические реакции протекают при невысокой температуре, причем энергия, затрачиваемая в этом случае, поставляется или накапливается обычно в виде указанных макроэргических фосфатных связей.
Роль кислорода и углекислого газа при замачивании ячменя
В естественных условиях проращивания зерна в почве наряду с пропитыванием ячменя водой обеспечивается и доступ кислорода; он создает нормальные условия дыхания и предотвращает накопление продуктов, образующихся в случае замены аэробного процесса на анаэробный. Одним из промежуточных продуктов обмена веществ в клетках и тканях организма, образующихся при аэробном распаде углеводов и жиров (глицерина и жирных кислот), а также ряда аминокислот, является уксусная кислота, которая находится в виде ацетильного производного кофермента А и по мере своего образования немедленно подвергается дальнейшим превращениям.
В течение всей жизни организма происходит множество химических реакций, являющихся основой всех процессов ассимиляции и диссимиляции, теснейшим образом связанных один с другим. Первые из них (процессы ассимиляции) требуют непрерывного притока энергии и получают ее у одновременно протекающих процессов диссимиляции, т. е. окисления различных неорганических веществ. Другими словами, энергия, освобождающаяся при одной биохимической реакции, потребляется при параллельном протекании другой биохимической реакции. Как химически, так и энергетически эти процессы являются неразрывно связанными. Самым важным источником энергии у живых организмов является процесс дыхания, при котором происходит распад углеводов, образовавшихся путем фотосинтеза из углекислого газа и воды и обладающих большим запасом потенциальной энергии.
При полном завершении процесса окисления выделяется 2862 кДж (686 ккал) на 1 грамм-молекулу гексозы. За счет каждого объема поглощенного кислорода должен образоваться один объем углекислого газа. Когда к процессу нормального аэробного дыхания присоединяется процесс анаэробного дыхания, сопровождаемого выделением углекислого газа без потребления кислорода из воздуха, дыхательный коэффициент будет больше единицы; в этом случае процесс распада сахара течет по другому пути, заменяясь интрамолекулярным дыханием, являющимся, по существу, анаэробным процессом спиртового брожения. Если при полном превращении гексозы в воду и углекислый газ выделяется 2872 кДж (686 ккал), то при спиртовом брожении выделение тепла ограничивается 100 кДж (24 ккал); 2772 кДж (662 ккал) остаются в двух молекулах спирта. Способность поглощать кислород и выделять углекислый газ присуща не только живым организмам в целом, но и отдельным тканям и даже клеткам, поэтому в настоящее время говорят о тканевом, или клеточном, дыхании, которое, по существу, является биологическим окислением органических веществ.
В.И. Палладин в созданной им теории дыхания воде придавал большое значение, указывая, что кислород воды участвует в окислении органических веществ.
Таким образом, химизм клеточного дыхания обусловлен окислительно-восстановительными процессами. По современным представлениям под окислением следует понимать все химические реакции, при которых происходит отдача электронов. Прием и передача водорода и электронов в первом звене осуществляется коферментами, которые являются активной группой ряда ферментов двухкомпонентных систем, принадлежащих к анаэробным дегидрогеназам. Коферментом ряда анаэробных дегидрогеназ является дифосфопиридиннуклеотид (Д П Н); Международная комиссия по номенклатуре ферментов предложила называть его НАД (никотинамидоадениндинуклеотид), который обладает высокой реактивной способностью. Анаэробные дегидрогеназы, например, отнимают водород от фосфоглицеринового альдегида. Альдегид окисляется в кислоту, причем НАД восстанавливается в Н А Д -Н 2, который в соединении с белком обладает сильными восстанавливающими свойствами; например, она может передавать свой водород ацетальдегиду - промежуточному продукту спиртового брожения или анаэробного дыхания растений. Ацетальдегид при этом восстанавливается в этиловый спирт. При анаэробном дыхании дегидрогеназа отнимает водород от окисленного субстрата или от восстановленной формы дегидрогеназы и передает его кислороду воздуха. В состав этих дегидрогеназ входит в качестве активной группы рибофлавин, поэтому им дано название флавиновых ферментов; указанная активная группа легко подвергается как окислению, так и восстановлению; флавин окрашен в желтый цвет, восстановленная форма флавина (лейкофлавин) бесцветна. К аэробным дегидрогеназам относится желтый дыхательный фермент, участвующий в окислении ряда соединений при обмене веществ организма, в частности гексозомонофосфата, при этом перенос водорода происходит за счет действия анаэробной дегидрогеназы, коферментом которой является трифосфопиридиннуклеотид, состоящий из двух остатков пентоз, трех молекул фосфорной кислоты, молекулы амида никотиновой кислоты (НАДФ). Отнимая водород от окисляемого им субстрата, НАДФ.превращается в Н А Д Ф -Н 2. По современной терминологии дыхательному ферменту присвоено название дегидрогеназы восстановленного НАДФ. Дегидрогеназы могут передавать водород непосредственно кислороду воздуха, а также и полифенолоксидазной или цитохромной системам. Цитохромная система состоит из цитохромов и фермента цитохромоксидазы. Цитохромы представляют собой группу катализаторов, являющихся сложными белками, относящимися к классу хромопротеидов, простетическая группа которых является гемом, близким по своему строению и свойствам к простетической группе каталазы и пероксидазы. Гем представляет собой соединение, молекула которого содержит 4 замещенных пиррольных кольца и атом двухвалентного железа. Пиррольные кольца связаны одно с другим при помощи метановых групп (-СН=) и получаемый скелет молекулы гема представляет собой порфин. Порфин, в молекулу которого введены 2 винильные группы (-СН=СН2), 4 метальные группы (СН3-) и 2 остатка пропионовой кислоты (-СН2-СН2-СООН), представляет собой протопорфирин. Протопорфирин, связанный с двухвалентным железом, представляет собой гем. Близким к гему является хлорофилл (зеленый пигмент хлоропластов растений); в состав его вместо железа входит магний; кроме того, в молекуле хлорофилла содержатся остатки ненасыщенного одноатомного спирта фитола (С20Н39ОН) и метилового спирта. Окисление и восстановление цитохрома обусловлено изменением валентности железа в его простетической группе; в окисленном состоянии железо является трехвалентным, но, присоединяя электроны, оно восстанавливается в двухвалентное. Однако изменение валентности не сопровождается присоединением или отщеплением протонов (ионов водорода). Цитохромы являются переносчиками только электронов. Цитохром отнимает от водорода электрон, чем превращает атом водорода в ион водорода (Н+). Отнятый же электрон переносится к трехвалентному железу окисленного цитохрома, который превращается в восстановленный цитохром, а железо при этом становится двухвалентным. Цитохромная система, передающая электроны кислорода воздуха, состоит из нескольких звеньев, обычно трех цитохромов, передающих электроны один другому, и цитохромоксидазы, передающей электроны, полученные от третьего звена системы, непосредственно кислороду. Каждый атом кислорода может принять два электрона, причем приобретает способность присоединять два иона водорода, в результате чего образуется молекула воды, которая является одним из конечных продуктов окисления органических веществ.
Указанные выше процессы окисления органических веществ являются наиболее важными в дыхании клеток живого организма. Однако при окислении многих субстратов дыхания путь прохождения протонов и электронов значительно сокращается и сводится к непосредственному переносу водородных электронов на кислород без промежуточных передатчиков. Такой путь окисления органических веществ катализируется аэробными дегидрогеназами, иначе называемыми оксидазами. Конечным продуктом окисления в данном случае является не вода, а перекись водорода. Перекись водорода, образующаяся при действии оксидаз, обладает ядовитыми свойствами и в живых организмах должна немедленно после образования разрушаться, иначе жизнедеятельность клеток может быть нарушена и даже подавлена полностью. Под действием каталазы перекись водорода разлагается на воду и кислород. Каталаза является сложным белком и принадлежит к группе хромопротеидов; простетическая часть ее идентична окисленному гему и содержит в своей молекуле железо (0,09%). Она обладает очень сильной активностью: 1 молекула каталазы способна разложить в течение 1 с более 50000 молекул перекиси водорода, что очень важно в связи с большой токсичностью последней. Другой путь обезвреживания перекиси водорода катализируется действием пероксидазы. Этот фермент, вступая в комплексное соединение с перекисью водорода, активирует ее, чем способствует соединению ее с водородом, который отщепляется от окисляемого субстрата. По своему химическому строению пероксидаза близка к каталазе - это хромопротеид, простетическая группа которого содержит железо. В основном этот фермент находится в клетках и тканях растений. К этой же группе аэробных дегидрогеназ следует отнести фенолоксидазу Палладина и аскорбинатоксидазу, которая в растениях превращает аскорбиновую кислоту в дегидроаскорбиновую. И фенолоксидаза и аскорбинатоксидаза являются ферментами, в состав которых входит белок, содержащий медь.
Как видно из сказанного, отщепленный от субстрата при дыхании водород всегда окисляется в воду. Наряду с образованием воды полное окисление углеводов в процессе дыхания характеризуется образованием углекислого газа, который здесь также является конечным продуктом всех реакций. В большинстве этих реакций непосредственное участие принимают моносахариды, в основном глюкоза. Остальные гексозы (фруктоза, галактоза) в клетках легко превращаются в глюкозу. Полисахариды же являются запасным материалом, который по мере использования моносахаридов обеспечивает их доставку, что осуществляется в организмах путем их фосфоролиза под действием фосфорилазы, которая относится к группе глюкозилтрансфераз. Это превращение аналогично гидролизу, но роль воды играет фосфорная кислота. В качестве поставщика фосфорной кислоты служит АТФ, который сам превращается в АДФ.
Пировиноградная кислота является первым звеном последующего ряда реакций аэробного окисления, приводящего к полному окислению углеводов до углекислого газа и воды. Последовательное превращение пировиноградной кислоты, получившее название цикла трикарбоновых и дикарбоновых кислот, катализируется сложной системой ферментов и приводит в результате аэробного окисления к полному расщеплению этой кислоты на углекислый газ и воду.
Щавелевоуксусная кислота регенерируется и вновь вступает в реакцию конденсации с ацетил-коферментом А. Весь цикл превращения уксусной кислоты, образующейся в результате окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты, возобновляется.
К этому следует добавить, что в процессе анаэробного расщепления из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пировиноградной кислоты и при окислении каждой молекулы фосфоглицеринового альдегида в фосфоглицериновую кислоту отнимаются два атома водорода, которые окисляются кислородом воздуха с образованием воды.
Реакции превращения глюкозы, сопровождаются межмолекулярными и внутримолекулярными перемещениями атомов водорода и фосфатных групп, т. е. гидрированием и дегидрированием, фосфорилированием и дефосфорилированием. Эти сопряженные процессы обусловлены переносом больших количеств энергии, так как сопровождаются разрывом фосфатных макроэргических связей.
В процессе окисления органических веществ электроны, отщепляясь по два, переносятся на кислород не непосредственно, а через ряд промежуточных этапов, причем на каждом этапе освобождается некоторое количество энергии. Таких этапов переноса электронов к кислороду три. Освобождаемая при этом энергия используется для фосфорилирования АДФ с образованием АТФ. При использовании одного атома кислорода в реакции аэробного окисления фосфорилируются три молекулы АДФ. При окислении одной молекулы глюкозы (180 г) необходимо 12 грамм-атомов кислорода, что сопровождается фосфорилированием 12*3 = 36 молекул АДФ с образованием 36 молекул АТФ, т. е. образуются 36 эквивалентов макроэргических фосфатных связей. В каждом эквиваленте макроэргической фосфатной связи заключается от 33 500 до 42 000 Дж (8000- 10 000 кал), в среднем 37750 Дж, а 36 эквивалентов имеют запас энергии, выражаемый в 1359 кДж (324 ккал). В молекуле глюкозы содержатся 180-16,75=3015 кДж (720 ккал), из них 1359 кДж (324 ккал) расходуются на образование макроэргических фосфатных связей. Эта энергия остается сосредоточенной в клетке и преобразуется в другие виды энергии, которые используются на различные синтетические процессы. Оставшаяся значительная часть энергии рассеивается в виде тепла, что, например, наблюдается при соложении ячменя, когда проращиваемое зерно нагревается и для поддержания нормального режима солодоращения требуется его охлаждение.
Энергичное дыхание зерна начинается уже при повышении влажности на 2 % по сравнению с критической; при дальнейшем повышении влажности потребление кислорода усиливается. Вместе с тем запас кислорода в воде очень быстро истощается и естественный аэробный процесс замещается анаэробным со всеми неприятными последствиями для зерна (накоплением спиртов, кислот и эфиров).
Диффузия кислорода в прорастающем зерне затрудняется из-за большого количества воды в тканях. Диффузия кислорода через газ в 10000 раз быстрее, чем через воду. Кроме того, растворимость углекислого газа в воде в 41 раз больше, чем кислорода. Следовательно, вода, содержащаяся в межклеточных пространствах, больше удерживает углекислый газ, чем кислород.
Урион и Шапон показали, что ткани, примыкающие к зародышу ячменя, представляют собой барьер для проникновения кислорода. Только после того как развивающийся росток преодолевает указанный барьер, появляется возможность для доступа кислорода. В самый начальный момент замочки ячменя наблюдается анаэробный тип дыхания с накоплением некоторых количеств спирта. Даже при очень низких концентрациях, всего несколько тысячных долей процента, спирт оказывает ясно выраженное тормозящее действие на рост организма. 0,1%-ный раствор алкоголя значительно угнетает морфологическое развитие зерна, а 0,8%-ный раствор почти полностью подавляет рост.
Углекислый газ, накапливающийся как при аэробном, так и при анаэробном дыхании, оказывает отрицательное влияние на жизненные процессы зерна; особенное значение это имеет в начальной стадии замочки. Углекислый газ заполняет межзерновые пространства в нижней части замочного чана частично в виде газа, а частично в виде угольной кислоты, обусловливая более кислую реакцию этих слоев воды по сравнению со слоями в средней и верхней частях чана. По данным Кауэрта, кислотность может достигать pH 3,5.
ячмень соложение замачивание проращивание
Влияние солевого состава воды на замачиваемое зерно
При замачивании ячменя часть находящихся в воде ионов в той или другой степени проникает внутрь зерна и оказывает влияние на жизнедеятельность зародыша. Особенно сильное отрицательное влияние на скорость процесса замачивания, что подтвердили Г.И. Фертман и Л.М. Коркина, оказывают хлориды, а наиболее быстро протекает этот процесс в воде, содержащей сульфат калия. В воде с высокой жесткостью (например, 14-15 мг-экв/л) и высокой щелочностью замочка замедляется. Горькие вещества оболочки типа смол обладают неприятным запахом и вкусом и легче извлекаются карбонатной водой, чем мягкой. Это следует учитывать также при выщелачивании пивной дробины при фильтрации заторов.
Считается, что некоторые вещества ячменной оболочки с одной стороны, оказывают вредное действие на дрожжи, в частности тестин - дубильное вещество, дающее с веществами хмеля тестолюпин, адсорбируется на поверхности дрожжевых клеток и может вести к дегенерации дрожжей. С другой стороны, в оболочке ячменя содержатся антибиотические вещества, которые экстрагируются при замочке и переходят в замочную воду. Путем сложной обработки этой воды
И.С. Ежов выделил из нее антибиотик гордецин, имеющий широкий антимикробный спектр действия. Гордецин подавляет развитие ряда микроорганизмов (микрококки, дрожжи, плесени, сарцины и даже патогенные бактерии). Он обладает малой токсичностью, что позволяет применять его в пищевой промышленности и даже в медицине. И.С. Ежов установил его элементарную формулу (С25Н39О7), молекулярную массу (465,33), физические и химические свойства.
Количество дубильных и горьких веществ по сравнению с общим количеством извлекаемых органических веществ незначительно; щелочная вода выщелачивает горькие и дубильные вещества сильнее, чем нейтральная; интенсивность выщелачивания нарастает с повышением крепости щелочного раствора: известь - сода - едкий натр.
При добавке к бикарбонатной воде гипса количество выщелачиваемых дубильных веществ уменьшается примерно на 1/3, добавка гипса к известковой воде не влияет на выщелачивание ни дубильных, ни горьких веществ.
Соли воды могут входить в реакцию с веществами оболочки. Это относится главным образом к кальциевым солям, меньше к едкому натру и соде и еще меньше к бикарбонатным солям. Соли кальция с дубильными веществами образуют нерастворимые соединения, а с горькими веществами - легкорастворимые соединения, которые могут быть извлечены из оболочки во время замачивания. В то время как щелочная обработка известью разрыхляет мякинную оболочку, благодаря чему красящие и другие вещества могут переходить из солода в лабораторное сусло более энергично, чем без обработки ячменя при замочке, обработка гипсом делает красящие вещества нерастворимыми и они не могут окрашивать сусло.
Проращивание ячменя
Процессы, близкие к проращиванию, происходят в любом зерне в начале образования из него растения. Начинают развиваться зачаточные органы зародыша - зародышевый листок и зародышевые корешки.
Во время замочки зерно получает необходимое количество воды, что способствует развитию основных биологических процессов - обмену веществ с его диссимиляцией и ассимиляцией.
В зародыше и близлежащей к нему области зерна находится сравнительно небольшой запас веществ (сахаров, аминокислот и полипептидов, а также минеральных соединений и пр.), которые могут быть растворены в поступившей воде и обеспечить на первое время питание зародыша. Но для протекания дальнейших процессов питания и роста зерна требуется постоянное пополнение этого запаса, т. е. подвод новых количеств низкомолекулярных соединений. Вода усиливает гидратацию, способствуя этим процессам гидролиза высокомолекулярных соединений, осуществляемым в основном ферментами. Первые признаки жизни проявляются в щитке и сопровождаются накоплениями в нем гормоноподобных веществ, диффундирующих в алейроновый слой для образования там ферментов.
Материалом для образования ферментов служат те аминокислоты, которые выделяет эндогенно гибберелловая кислота. В щитке ячменя, как и других злаков, уже имеется небольшое количество гормоноподобных веществ, содержащих гибберелловую кислоту, дальнейший синтез которых при проращивании зерна приводит к накоплению их в значительных количествах. Из щитка эти вещества во время ращения зерна диффундируют в прилегающие клетки алейронового слоя и дают толчок к синтезу ряда гидролизующих ферментов (α-амилазы, протеолитических ферментов, эндо-β-глюконазы), которые разрушают стенки клеток эндосперма. Особое значение имеет действие протеаз, так как они проявляют гидролитическое действие на белковые вещества, которыми покрыты крахмальные зерна, и гемицеллюлозные структуры.
Пальмер считает, что превращение твердого ячменя в рыхлый солод зависит прежде всего от разрушающего действия протеаз. Еще в 1960 г. Поллок указывал на вещество, которое было выделено из замочной воды и зеленого солода путем адсорбции активированным углем и элюирования ацетоном. Оно и оказывало на прорастаемость ячменя, находящегося еще в состоянии послеуборочного дозревания, такое же действие, как гибберелловая кислота.
Йомо (по работе Бриггса) показал, что при совместном культивировании изолированных зародыша и эндосперма (с его алейроновым слоем) амилазная активность их выше, чем в том случае, когда эти изолированные части ячменного зерна культивируются отдельно. Таким образом, эндосперм вместе с алейроновым слоем являются местом накопления ферментов, а зародыш продуцирует вещество, которое способствует выделению α-амилазы. Это вещество, названное растительным гормоном AFX, действует подобно гибберелловой кислоте и имеет кислотный характер. С другой стороны, если ячменное зерно, у которого отделен зародыш, обрабатывать гибберелловой кислотой, оно выделяет ряд ферментов и подвергается полному растворению. Анна Мак Леод считает, что главную роль в указанном процессе играет именно алейроновый слой. Подвергаясь действию гибберелловой кислоты, он ускоряет продуцирование ферментов. Установлено, что удаление из незамеченного ячменного зерна алейронового слоя не позволяет этому зерну, помещенному в нормальные условия замочки, продуцировать ферменты (в том числе и эндо-β-глюканазу), действующие на растворение стенок клеток эндосперма. Если же на обработанное указанным образом зерно действовать гибберелловой кислотой, то способность растворения стенок клеток эндосперма восстанавливается. Вещество, которое выделяется зародышем и действует на слой алейроновых клеток, Мак-Леод назвала зародышевым фактором (Embryo factor). Отсюда можно сделать вывод, что, с одной стороны, алейроновый слой является источником образования новых ферментов, а с другой - и местом приложения действия гибереллина. Установлено, что 1 кг ячменя содержит 2-3 γ веществ типа гиббереллина А2.
Для проявления активности гиббереллинов и синтезированных ими ферментов необходимы определенные условия внешней среды, основными из которых являются влажность, определенная температура и соответствующая концентрация водородных ионов. Однако создавшиеся в зерне условия не являются благоприятными для всех ферментов; только сравнительно небольшая часть их при проращивании находится в оптимальных или близких к ним условиях активности. К этому следует добавить, что зародышу для его существования требуется кислород, наличие которого для действия ферментов необходимо.
Установлено, что медленное холодное проращивание зерна наиболее желательно для приготовления солода хорошей растворимости, с большой ферментативной активностью. Критической температурой является температура, при которой накопление цитолитических, амилолитических, протеолитических и других ферментов происходит наиболее благоприятно. Для ячменя нормальных кондиций такой температурой является 17 °С, превышение этой температуры хотя и вызывает усиление роста стебелька и ростков, но сопровождается ослаблением наращивания ферментативной активности и худшим растворением эндосперма.
Фактор времени тоже имеет значение в превращении веществ зерна; чем продолжительнее действие ферментов, тем больше образуется гидролизованных веществ.
Важным обстоятельством для нормального процесса солодоращения является сохранение в зерне необходимой влажности (42-43%). Вода в зерне выполняет роль дисперсионной среды, в которой не только происходит действие ферментов, но и накапливаются и соответствующим образом распределяются продукты ферментативного гидролиза.
Добавочное опрыскивание подсушенного зерна в роще не компенсирует полностью недостатка влаги внутри зерна; для проникновения ее в зерно требуется время, а колебания влажности вызывают колебания в нормальном действии ферментов.
Ферменты, участвующие в процессе солодоращения. Распад углеводов катализируется гидролитическими ферментами, называемыми карбогидразами. Действие этих ферментов заключается в разрыве эфирных, связей -С-О-С-, которые служат для соединения двух молекул более простых сахаридов. Путем присоединения молекулы воды происходит распад более сложных сахаридов на более простые, например дисахарид мальтоза распадается на две молекулы моносахарида глюкозы.
В процессе солодоращения из карбогидраз особое значение имеют три группы ферментов: цитолитические ферменты, разлагающие гемицеллюлозу и другие некрахмалистые полисахариды, амилолитические, расщепляющие крахмал, и протеолитические.
В образовании гидролитических ферментов основная роль принадлежит ростовым веществам - гибберелловой кислоте. После гидратации алейронового слоя эта кислота начинает проявлять свою активность и синтезировать α-амилазу и протеазу. Протеаза нужна для высвобождения (β-амилазы из связанного состояния.
Цитолитическая группа ферментов. В процессе растворения зерна, т. е. перехода твердого состояния мучнистого тела в рыхлое, когда эндосперм легко может быть растерт между пальцами, значительную роль играют цитолитические ферментные системы. В пивоварении широкое распространение получил термин «цитаза», под которым подразумевается комплекс ферментов, участвующих в процессе разрыхления структуры зерна, которому присвоено название цитолиза. Этот комплекс ферментов состоит из гемицеллюлазы, целлюлазы, глюконазы, ксиланазы, пектиназы и т. п. Объектом воздействия этих ферментов являются вещества стенок клеток эндосперма - гемицеллюлоза и пентозаны (ксилан, арабан, арабаноксилан), а также гумми-вещества.
Установлено, что активность целлюлазы постепенно возрастает вплоть до 7-го дня ращения ячменя, а активность гемицеллюлазы наиболее сильно увеличивается между 5-м и 7-м днями ращения.
В результате действия гемицеллюлазы стенки клеток эндосперма растворяются и делаются проницаемыми для ферментов. Гексозы и пентозы, получаемые в результате ферментативного гидролиза, расходуется на построение новых тканей.
Люерс изучал действие цитолитических ферментов и установил, что оптимальными для них являются температура 45 °С и pH 5,0. Активность цитолитического комплекса в процессе солодоращения значительно увеличивается.
Наиболее благоприятное действие этот комплекс может оказать при затирании солода при низких температурах, если сохранить его активность при сушке.
Дальнейшие работы, проведенные Присом по изучению процесса цитолиза, показали, что имеются две группы ферментов, атакующих гемицеллюлозу и растворимые гумми-вещества.
Одна группа катализирует расщепление глюкозидных связей внутри большой молекулы вещества. Она получила название эндополиглюкозидазы (эндо-β-глюканаза). Другая.группа отщепляет концевые остатки сахаров. Ей присвоено название экзополиглюкозидазы (экзо-β-глюканазы). Эндополиглюкозидазы оказывают цитокластическое действие и дают в результате высокомолекулярные продукты распада, а экзополиглюкозидазы обладают цитолитическим действием и ведут при гидролизе к накоплению сахаров и полиоз с увеличенным количеством редуцирующих групп. Первые резко уменьшают величину молекул и быстро понижают вязкость растворов. Во время солодоращения происходит значительное увеличение активности эндо-β-глюканазы, что для процессов пивоварения в целом имеет большое значение.
В своих работах Прис уделяет много внимания β-глюкану, являющемуся главной составной частью гемицеллюлоз ячменя. β-Глюкан выделен в чистом виде путем осаждения его из раствора 20%-ным раствором сернокислого аммония.
Установлено, что расщепление β-глюкана осуществляется специальным ферментом эндо-β-глюканазой, которая состоит из трех фракций: A1, А2, А3, обладающих различным оптимумом pH и различным отношением к температуре: например, A1 теряет половину своей активности при нагревании этой фракции при температуре 40 °С в течение 0,7 ч, а фракция А3 при той же температуре - в течение 5,2 ч. Оптимум pH первой фракции 4,75, а второй 4,55.
Эндо-β-глюканаза действует на р-1,3-и р-1,4-связи β-глюкана, причем превалирует разрыв р-1,3-связей.
Дальнейшее действие на олигосахариды, получаемые в результате указанного распада, осуществляется олигосахаразой.
Таким образом, во время солодоращения распад β-глюкана протекает по схеме: β-глюкан → β-глюкановые декстрины (с пониженной вязкостью) → различные олигосахариды, включая целлобиозу; дальнейший ферментативный распад целлобиозы может дать глюкозу.
Меньшую группу представляют пентозаны (арабаноксиланы), в превращениях которых, по Прису, принимают участие четыре фермента. Арабанозидаза освобождает боковые цепи высокомолекулярного арабаноксилана, причем образуются олигосахаридные продукты.
Эндоксиланаза расщепляет длинные цепи арабаноксилана с минимальным образованием редуцирующих групп; получаются продукты типа декстринов, имеющие боковые цепи, препятствующие атакам арабанозидазы; отщепление этих цепей осуществляется экзоксиланазой. Наконец, имеется фермент, который расщепляет получающиеся олигосахариды до ксилана; он носит название ксилобиазы (или ксило-олигосахаразы).
Во время соложения эндоактивность становится несравнимо сильнее, чем экзоактивность, и высушенный солод практически лишен экзоферментов.
Фракционирование ячменных и солодовых гумми-веществ путем осаждения сернокислым аммонием показало, что фракции, содержащие глюкозаны, исчезают во время соложения.
Амилолитические ферменты. Амилазы действуют на высокомолекулярные полисахариды-крахмал и гликоген. В растительных амилазах различают α- и β-амилазы, которые могут встречаться в растительных объектах вместе или отдельно.
Механизм их действия различен; β-амилаза в результате своего действия превращает всю молекулу амилозы в мальтозу, а молекулу амилопектина-только на 54%, причем оставшаяся часть молекулы дальше гидролизуется а-амилазой до неокрашивающихся йодом декстринов; часть этих декстринов делается теперь доступной осахариванию β-амилазой. Таким образом, процесс осахаривания крахмала является результатом совместного действия обеих амилаз.
Ряд амилаз получен в кристаллическом виде, в частности солодовая амилаза, и точно установлена их химическая природа. Амилазы встречаются во всех растительных объектах - высших растениях, плесневых грибах и бактериях.
В солодовой амилазе различают три основные функции: разжижающая, декстринирующая и осахаривающая; из них разжижение крахмального клейстера зависит исключительно от действия α-амилазы, которую можно рассматривать как эндоамилазу, так как она может расщеплять глюкозидные связи в середине полисахаридных цепей. Осахаривание зависит в большой степени от действия β-амилазы, которая является экзоамилазой, действующей на нередуцирующие концы цепи полисахаридов, последовательно отщепляя остатки мальтозы. Однако небольшая роль в этом процессе должна быть отведена и α-амилазе. Образование же декстринов зависит как от действия α-амилазы, так и β-амилазы.
Основным технологическим этапом, где полностью проявляется действие как α-, так и β-амилаз, является затирание. Во время солодоращения происходит главным образом возрастание активности этих ферментов.
Наличие α-амилазной активности в покоящемся ячменном зерне можно обнаружить после длительного периода хранения зерна и то только в очень небольших количествах.
При нормальных условиях солодоращения накопление α-амилазы довольно резко повышается до 4-го дня ращения зерна, а затем содержание α-амилазы увеличивается равномернее
β-амилаза во все время ращения увеличивается довольно равномерно, без резких скачков.
Действие α-амилазы в основном сводится к некоторой обработке крахмальных зерен эндосперма и подготовке их к более легкому осахариванию в дальнейшем технологическом процессе. Микроскопическое исследование крахмальных зерен после солодоращения показывает, что они становятся изъеденными вследствие обработки их α-амилазой.
В готовом солоде, по Бриггсу, 7% всего количества α-амилазы находится в зародыше, остальные 93% - в эндосперме.
Изобарт установил, что амилолитические ферменты чувствительны к снижению кислорода в среде, особенно α-амилаза.
Величина амилолитической активности зависит от размера зерен ячменя и содержания в них белка. Небольшие зерна с высоким содержанием белка дают солод с более высокой диастатической силой. Многие авторы связывают амилолитическую активность солода с содержанием белка в ячмене.
Протеолитические ферменты. В ячмене существуют две группы протеолитических ферментов: протеиназы и пептидазы. Каждая группа, по-видимому, состоит из большого числа отдельных ферментов.
Они наряду с цитолитическими ферментами принимают участие в разрушении стенок клеток эндосперма.
Из протеиназ, действующих в растительных организмах, наиболее изученным является папаин, найденный в млечном соке дынного дерева. Характерной особенностью папаина, как и многих других растительных протеиназ, является активирование его синильной кислотой и соединениями, содержащими сульфгидрильную группу (-SH); среди них особенное значение имеет глютатион. Благодаря такому активированию неактивная окисленная форма папаина превращается в восстановленную форму, которая делается активной. В связи с этим считается, что в папаине существует равновесная система, состоящая из восстановленной и окисленной форм.
Папаин получен в кристаллическом виде. Молекулярная масса его равна 27 000.
Активность протеиназ при проращивании зерна резко повышается, это обусловлено накоплением в зародыше значительного количества глютатиона.
Глютатион, открытый английским биохимиком Гопкинсом в 1921 г., представляет собой трипептид, состоящий из остатков трех аминокислот: гликокола, цистеина и глютаминовой кислоты.
Глютатион благодаря наличию сульфгидрильной группы -SH обладает сильными восстанавливающими свойствами. Подобно цистеину две молекулы глютатиона, отдавая два атома водорода, соединяются одна с другой при помощи дисульфидной связи (-S-S-), при этом восстановленная форма глютатиона превращается в окисленную, состоящую из двух молекул. Эта реакция обратима, и глютатион причисляется к веществам окислительно-восстановительного характера.
Все живые клетки содержат глютатион. В начале проращивания ячменя значительно увеличивается количество глютатиона, причем более энергично в зародыше, чем в эндосперме. Например, за одни сутки в зародыше было отмечено увеличение количества глютатиона в пять раз, а в эндосперме только в два раза. В последующие дни проращивания зерна этот процесс в зародыше протекал не так энергично, но все-таки в итоге в зародыше содержалось больше глютатиона, чем в эндосперме.
В ячменном зерне содержатся протеиназы, максимальная активность которых, по Г. П. Карпиленко, проявляется при pH 3,8; 6,3 и 8,6; отсюда и деление протеиназ на кислые, нейтральные и щелочные.
Наибольшей активностью обладают кислые протеиназы ячменя, которые активируются цистеином по такой же схеме, как папаин глютатионом. Температурный оптимум (уже в солоде при его затирании) лежит при 60°С (54-72° С), но действует он и при солодоращении, причем, как показал Карпиленко, активность кислой протеиназы повышается в 15,5 раза во время прорастания в течение 3 суток.
Специфичность этой протеиназы низкая: белки переходят из нерастворимого состояния в растворимое и гидролизуются до аминокислот и низкомолекулярных пептидов.
Пептидазы делятся на три группы: аминопептидазы, карбоксипептидазы и дипептидазы.
Ферменты первых групп действуют на концевые аминные и карбоксильные связи в белках и пептидах. Ферменты третьей группы разлагают дипептиды. Все пептидазы обладают большой специфичностью.
Особенностью карбоксипептидазы является способность отщеплять остатки не только кислых и нейтральных аминокислот, но и основных, а также остатки пролина.
Большую роль в работе протеолитических ферментов играют естественные ингибиторы белковой природы, которые образуют с ферментами стойкие соединения и лишают их каталитической активности. В процессе солодоращения, по-видимому, происходит снижение активности ингибиторов.
При проращивании ячменя уже в замоченном ячмене можно отметить повышение протеиназной активности. Она предшествует проявлению амилолитической активности. Амилолитическая активность при замочке уменьшается и затем при проращивании ячменя постепенно нарастает до определенного максимума, за которым следует постепенная убыль. Максимальная активность протеолитических ферментов, как протеиназ, так и пептидаз, с некоторыми колебаниями выявляется на 5-е сутки проращивания ячменя. Пептидазная активность выявляется позже протеиназной.
Бишоп показал, что накопление продуктов распада белков (среди которых фракция аминокислот и пептидов является наиболее важной) происходит в первой фазе (4-5 дней) главным образом за счет гордеина, количество которого заметно уменьшается. Глютелиновая фракция участвует в этом процессе в меньшей степени. Изменения количества альбумина и глобулина по сравнению с фракциями белка, указанными выше, небольшие.
Аминокислоты, образовавшиеся при гидролитическом расщеплении белков, подвергаются под каталитическим действием амидаз в растительном организме дальнейшей диссимиляции, важнейшим этапом которой является дезаминирование; образуются кетокислоты и аммиак. Эта реакция является очень важной в процессе превращения азотсодержащих веществ в безазотистые соединения; благодаря дезаминированию осуществляется переход белковых веществ в углеводы и жиры.
Образующийся аммиак в высоких концентрациях является ядом для живых клеток и тканей растений, поэтому он должен быть удален или обезврежен; растения чрезвычайно быстро связывают его. В одних случаях, когда растение обладает большим содержанием углеводов, аммиак потребляется на образование других органических азотистых соединений путем прямого аминирования кетокислот, образовавшихся из углеводов. В других случаях, когда в растениях содержится большое количество органических кислот (яблочной, щавелевой и др.) аммиак может связываться с этими кислотами.
Чаще всего токсическое действие аммиака обезвреживается путем связывания его с аспарагиновой и глютаминовой кислотами. При этом образуются амиды - аспарагин и глютамин, которые являются безвредными для растения.
Аспарагин и глютамин имеют большое значение как материал для образования дикарбоновых кислот, необходимых для осуществления реакции переаминирования, имеющей важное значение для синтеза и превращения аминокислот в растительном организме и заключающейся в межмолекулярном переносе аминогруппы с аминокислоты на кетокислоту под действием ферментов - аминотрансфераз. Эта реакция переаминирования, открытая советскими биохимиками А.Е. Браунштейном и М.Г. Крицман, играет большую роль в процессе азотистого обмена клеток.
Высокое содержание аспарагиновой и глютаминовой кислот в составе белков растительных клеток свидетельствует об исключительно важном значении этих аминокислот; существенную роль эти аминокислоты играют при проращивании зерна.
Амины, образующиеся в результате декарбоксилирования, могут подвергаться дальнейшим преобразованиям, в частности окислению и метилированию. В первом случае отщепляется аммиак и образуется соответствующий альдегид. Некоторые альдегиды используются на получение алкалоидов - физиологически очень активных веществ. Но алкалоиды могут образовываться и путем метилирования аминов под каталитическим действием ферментов, называемых метилтрансферазами. Таким образом например, образуется содержащийся в ячменных ростках алкалоид горденин. Образование горденина происходит через тирамин, получающийся из тирозина при его декарбоксилировании.
Все злаки, а также солод этих злаков, хмель, виноград и пр. содержат холин, входящий в состав некоторых фосфатидов, в частности лецитина. При гидролизе лецитина образуется холин, он может образовываться также и путем метилирования из серина через полученный из него амин.
Широко распространенные в растительном мире, в частности в ячмене, и солоде, бетаины образуются путем метилирования не аминов, являющихся продуктами ассимиляции аминокислот, а непосредственно из самих аминокислот, например, гликокола.
Фосфатазы. Фосфатазы принадлежат к группе эстераз. Имеется несколько фосфорных эстераз, которые катализируют разложение эфиров фосфорной кислоты только с органическими соединениями с освобождением неорганического фосфора. Наиболее важной фосфатазой в солоде является фитаза, которая гидролизует фитин до неорганических фосфатов. Этот фермент сначала отщепляет от фитина инозитфосфорную кислоту, а затем расщепляет эту последнюю на инозит- и свободную фосфорную кислоту.
К фосфатазам следует отнести и нуклеотидазу, которая отщепляет в нуклеиновых кислотах фосфорную кислоту от углевода.
Оптимум действия фосфатаз лежит при разных значениях pH; часть из них действует в щелочной среде, но для большинства фосфатаз оптимумом является pH в пределах 5-6; оптимум действия фитазы при температуре 48 °С лежит при pH 5,2.
Во время солодоращения активность всех фосфатаз значительно повышается, что имеет свое выражение в изменении состава фосфорсодержащих соединений.
Фосфатазная активность (по Крауссу) накапливается тем сильнее, чем ниже температура, при которой ведется процесс солодоращения.
Изменение состава веществ при соложении
Процесс проращивания ячменя протекает при сравнительно низкой температуре, достаточно далеко отстоящей от оптимального действия многих ферментов, поэтому проявление их активности хотя и наблюдается, но все ферментативные процессы происходят замедленно и достигаемый при этом распад веществ ячменя часто относительно небольшой. Так, например, крахмал претерпевает только слабый гидролиз (распад в пределах 5%).
Исключение составляют белковые вещества, которые подвергаются значительному распаду (до 2 0 %), превышающему распад при затирании солода, что обусловлено более низкими температурами действия протеолитических ферментов, чем амилолитических, для которых высокие температуры затирания солода являются более благоприятными.
Распад углеводов. Группа веществ, объединяемых под названием «углеводы», имеет особое значение при соложении; они являются субстратом для дыхания и источником энергии для синтеза ферментов, часть углеводов играет отрицательную роль в процессе растворения эндосперма зерна.
Крахмал. Трата указанного выше количества крахмала связана с формированием зачатков новых вегетативных частей будущего растения, в частности с образованием корешков, которые удаляются после сушки солода, и дыханием.солодовая амилоза имеет меньшую плотность, чем амилоза ячменного крахмала, и высокую степень активности β-амилолиза, в то время как у исходного крахмала степень активности β-амилолиза очень слабая. Отмечены различия и в амилопектине; внутренние цепи обоих амилопектинов одинаковые, но внешние цепи у солодового амилопектина короче, причем солодовый амилопектин частично распадается под действием β-амилазы.
Как упоминалось выше, в ячменном зерне часть сахаров уже находится в свободном состоянии. При солодоращении гидролизу подвергается сравнительно небольшая часть крахмала с образованием мальтозы. Мальтоза в свою очередь подвергается действию мальтазы, в результате чего образуется глюкоза, которая расходуется в процессе дыхания с образованием необходимой для жизненных процессов энергии, а также - на синтетические процессы в зародыше, в нем начинают образовываться зародышевый листок и корешки. Имеющийся запас сахаров (сахароза, рафиноза, глюкодифруктоза) используются в начале процесса солодоращения, и этот запас восполняется в последующие дни путем гидролиза крахмала.
Количество сахарозы сначала снижается, а в последующие дни солодоращения увеличивается и к концу процесса накапливается в солоде в довольно значительных количествах. Запасы же рафинозы и глюкодифруктозы истощаются, и в готовом солоде эти сахара уже не обнаруживаются. С конца замочки начинает накапливаться в прорастающем зерне мальтоза, количество которой в начале ращения повышается, достигает на шестой день максимума, а затем понижается. С этого же периода отмечается образование мальтотриозы. Постепенно повышается содержание фруктозы и глюкозы.
Наиболее заметно повышается содержание сахарозы, которая является источником энергии растущего организма. Исчезновение рафинозы в первый период солодоращения в основном обусловлено потреблением ее при замочке начинающим пробуждаться к жизни зародышем; она является типичным запасным сахаром.
И.Я. Веселов и В.А. Зенченко, которые исследовали изменение сахаров при солодоращении ячменя сорта Нахичеванданы, установили, что суммарное количество сахаров увеличивается от 0,117 до 1,133%; содержание непосредственно восстанавливающих сахаров повышалось от 0,013 до 0,32%, а количество мальтозоподобных сахаров - от 0,018 до 0,707%- Вместе с тем изменяется соотношение между отдельными группами сахаров.
Если в зерне ячменя преобладала сахароза, на втором месте была рафиноза, а мальтоза занимала третье место, то в солоде рафиноза совсем исчезла, а сахароза и сахара, близкие к мальтозе, по количеству обменялись местами; содержание мальтозоподобных сахаров составляло 63%, а сахарозы - 36%.
К сожалению, авторы не указывают температуры, при которой производилось солодоращение, влияние которой на превращение сахаров в этом процессе значительное. Имеются указания (Тоуфель и др.), что при нормальной температуре солодоращения (15-16°С) в зерне накапливается больше сахарозы, а при повышенной температуре (21-24°С), наоборот, - мальтозы.
Сахара между зародышем и эндоспермой распределяются неравномерно. Общее количество сахаров с момента замочки в зародыше снизилось к концу ращения от 28 до 18%, а в эндосперме за тот же период повысилось от 32 до 82%. При этом процентное содержание сахарозы в зародыше повысилось от 19 до 47%.
Распад некрахмалистых полисахаридов. Еще ОСулливан установил, что при проращивании количество найденного в ячмене амилана значительно уменьшается или даже совсем исчезает. Он установил, что при гидролизе амилан дает глюкозу, арабинозу и ксилозу. С наличием амилана связывалось представление о вязкости растворов, в частности и сусла.
Количество гумми-веществ при солодоращении постепенно снижается, что обусловлено понижением вязкости. Шустер и Нарцисс считают, что это понижение происходит за счет расщепления β-глюкана; количество пентозанов при этом не изменяется.
С точки зрения улучшения фильтрации затора использование в качестве несоложеного материала ячменя сорта Унион является наименее приемлемым.
В солодах плохо растворимых было найдено гуммиобразное вещество, которое в дальнейшем вызывало явление остановки брожения вследствие осаждения дрожжей, а из плохоразрыхляемых японских ячменей Кудо осаждением метиловым и этиловым спиртом выделил гумми-вещество, которое оказывало тормозящее действие на брожение. Как показал хроматографический анализ, гидролизат содержал глюкозу, ксилозу и арабинозу.
Распад азотистых веществ. Общее количество белка в солоде находится в близком соотношении с общим содержанием белка в ячмене. Примерно 10% белковых веществ переходит во время солодоращения в ростки, и так как количество образовавшихся ростков около 5%, а содержание азотистых веществ в них около 24%, то количество общего белка в солоде и ячмене примерно балансируется.
В результате действия протеолитических ферментов в ячменном зерне накапливаются азотистые вещества, необходимые для создания характерных свойств пива и для питания дрожжей.
Так как при солодоращении количество альбумина и глобулина почти не меняется, то накапливание низкомолекулярных фракций азотистых соединений может происходить за счет гордеина и глютелина, что и выражается в понижении количества первого с 37 до 17%, а второго с 30 до 21% одновременно соотношение между этими двумя фракциями белка с 1,23 понизилось до 0,81.
При солодоращении в ячменном зерне протекают два процесса- гидролиз и синтез, и, следовательно, данные, получаемые в результате анализа, характеризуют суммарный итог этих двух процессов. Вновь образующиеся ростки, которых получается 5-6 %, и зародышевый листок, составляющий около 8 % от массы зерна, содержат вещества, полученные в результате гидролиза и последующего синтеза. Из азотистых веществ ячменя около 30% подверглись указанным процессам. Все это свидетельствует о том, что азотистый состав отдельных составных частей солода должен быть различным.
Отношение гордеина к глютелину в эндосперме равняется 0,5 (22% к 44%), а у зародышевого листка 0,07 (2,75% к 37,8%).
Все приведенные величины показывают, что характер азотистых веществ, синтезированных в процессе новообразования тканей зерна, отличается от тех запасных веществ, которые подвергались гидролитическому распаду.
Большое значение для пивоварения имеет распад глобулина. Фракция α-глобулина подвергается сравнительно небольшому
гидролизу, фракция δ-глобулина при солодоращении полностью исчезает, и заметно уменьшается фракция, которая сосредоточена в зародыше, что говорит о большой восприимчивости ее к гидролизу, β-фракция остается в неизмененном виде.
Прекращение гидролиза азотистых веществ, определяемое по изменению количества низкомолекулярных фракций во всем зерне, является только кажущимся, так как с этого момента скорость синтеза белков из аминокислот, затрачиваемых на образование новых тканей, балансируется со скоростью гидролиза.
М. Котрла-Гапалова различает в процессе распада белков при солодоращении три фазы:
первая продолжается около 100, ч, включая замочку, и почти не сопровождается распадом;
вторая продолжается тоже около 100 ч (от 3 до 6 суток солодоращения) и сопровождается сильным распадом гордеина и глютелина, причем накапливается большое количество аминокислот;
третья начинается с 7-го дня солодоращения, причем устанавливается равновесие между протеолизом и синтезом.
П. Я. Заринь с соавторами, работая с двухрядным пивоваренным ячменем сорта Мая и применяя метод хроматографии на бумаге и автоматический анализатор аминокислот, установил другие величины: большее количество аминокислот (18) и величин отдельных аминокислот, отличающихся от приведенных у Сандегрена. Например, он обнаружил значительные количества метионина и триптофана (1,66 и 3,86 мг/100 г) в ячмене.
В солоде резко повысилось содержание пролина и треонина, что отчасти и совпадает с данными Сандегрена.
В своей работе Заринь отмечает, что уже в самом начале замочки значительно возрастает содержание отдельных аминокислот, особенно глютаминовой и аспарагиновой, и треонина. Так же, как Сандегрен, он указывает на резкое повышение в солоде треонина и пролина.
Как следует из сказанного, количество азотистых веществ, претерпевающих превращение во время солодоращения, очень большое и может достигать 50%; но так как параллельно с гидролитическими процессами протекают и процессы синтетические, на что тратится около половины продуктов белкового распада, то в готовом солоде величина распада характеризуется содержанием 35-41% растворимых белков (показатель Кольбаха).
Распад белков у трудноразрыхляемых высокобелковистых ячменей протекает более полно при холодном солодоращении.
Н.В. Леонович при соложении трудноразрыхляемого Ташкентского ячменя, содержащего около 15% белка, при двух режимах - теплом (начальная температура 21-22°С и максимальная 25°С) и холодном (соответственно 10- 11 и 15°С) получила данные о распаде белков, значительно различающиеся, причем более благоприятные при применении холодного режима.
Высокомолекулярная фракция претерпевает более глубокий распад при холодном ведении процесса, в результате чего величина фракций (низкомолекулярные азотистые соединения) значительно повышается; увеличивается и количество аминного азота.
Распад соединений, содержащих фосфор. Во время солодоращения происходят значительные изменения в составе фосфорсодержащих соединений.
Общее количество соединений фосфора несколько понижается, что связано с протекающими в зерне синтетическими процессами, но количество растворимых соединений (как неорганических фосфорсодержащих, так и органических) увеличивается больше чем в два раза.
При теплом режиме солодоращения деятельность всех фосфатаз ослабевает, что влечет за собой меньшее освобождение фосфорных соединений и, несомненно, понижение буферности.
Следует отметить, что титруемая кислотность при солодоращении повышается достаточно сильно, величина же pH вытяжек из ячменя и солода мало отличается одна от другой.
Это повышение титруемой кислотности обязано накоплению органических, слабодиссоциирующих кислот, образующихся за счет окисления углеводов, а также дезаминирования аминокислот. Эти кислоты вместе с освободившимися кислыми соединениями фосфорной кислоты (первичными фосфатами) вызывают повышение титруемой кислотности, но они же участвуют в создании буферности, которая удерживает концентрацию водородных ионов в определенных границах. При солодоращении буферность значительно повышается; если величину буферности вытяжки из ячменя принять равной 100, то буферность вытяжки из солода будет равняться 120- 140.
Превращение липидов. При соложении часть жира расходуется; есть указание на потери в 12-30%. Английские авторы (Мак-Леод, Биоль и Уайт), используя хроматографический анализ, показали колебания в потерях жира от 4 до 40%. Повидимому, степень метаболизма зависит от природы ячменя и от условий соложения.
Поскольку жиры участвуют в процессе дыхания, при проращивании состав жира претерпевает изменения.
Особенно резкое изменение в количестве жиров наблюдается в последние дни солодоращения: на второй день было установлено содержание жира 3,167%, на четвертый - 2,835, а на девятый - 1,583%.
Превращения полифенольных соединений. Превращение дубильных веществ во время солодоращения, несомненно, происходит: солодовые дубильные вещества легче могут быть переведены в раствор, чем ячменные. Это подтверждается работами Шустера и Рааба, которые определяли содержание дубильных веществ в водных вытяжках из ячменя шести сортов и из солода, полученного из этих же ячменей. Они установили, что содержание дубильных веществ в ячменных вытяжках колебалось от 143.5 до 180,0 мг/л, а в вытяжках из солода - от 223,5 до 273.5 мг/л. Для сравнения эти авторы определили содержание дубильных веществ в лабораторном сусле, изготовленном из тех же солодов, и установили, что примерно 54% этих веществ могли перейти в водную вытяжку из ячменя и около 80% - солода, т. е. растворимость их значительно повышается при солодоращении. Это явление может быть связано с разрыхлением структуры веществ солода, что, несомненно, способствовало более полному извлечению дубильных веществ, а также с действием ферментов (таназ), гидролизующих крупные молекулы этих веществ.
Особый интерес представляет для пивоварения поведение антоцианогенов. Антоцианогены в оболочке ячменя не содержатся, а сосредоточены в основном в алейроновом слое и в сравнительно небольшом количестве в эндосперме, поэтому при замочке содержание их не меняется. Не меняется их количество и при соложении, что было подтверждено работами Поллока и др. В солоде, с которого удалена оболочка, содержание антоцианогенов составляет 96% общего количества в ячмене. Однако, если солодить ячмень, лишенный оболочки, то количество этих веществ уменьшается примерно на 80%. Оболочка, регулируя доступ кислорода в зерно, обеспечивает его потребность для всех ферментативных явлений, кроме превращения антоцианогенов; в случае же устранения препятствий для проникновения больших количеств кислорода путем удаления оболочки активируется и та ферментативная система, которая катализирует превращение антоцианогенов.
Если после двух дней ращения зерна ячменя раздавить и оставить их в таком виде для дальнейшего ращения, то получается такой же эффект, как и в случае соложения ячменя с удаленной оболочкой; доступ кислорода способствует ферментативным преобразованиям антоцианогенов, и количество их в течение ближайших суток достигает уровня, имеющегося в проращиваемом ячмене со снятой оболочкой.
Сушка солода
Сушка не на все ферменты оказывает одинаковое влияние. В зависимости от лабильности часть ферментов при повышении температуры гибнет, а часть только ослабевает. Группа цитолитических ферментов значительно инактивируется уже при температуре 60 °С в течение непродолжительного срока. Амилаза понижает свою активность, причем при сушке по режиму для светлых солодов в меньшей степени, чем для темных, β-амилаза теряет активность в большей степени, чем α-амилаза, которая способна переносить более высокие температуры.
Активность протеолитических ферментов при нормальной сушке светлых солодов сохраняется достаточно хорошо. В начале сушки отмечается некоторое повышение активности, которая затем постепенно понижается и в готовом солоде остается близкой к исходной.
Конечно, в темном солоде ферменты подвергаются действию очень высоких температур, и даже активность протеолитических ферментов значительно понижается и ослабевает.
Естественным является некоторое увеличение ферментативной активности в большинстве случаев во время нахождения солода на верхней решетке и очень значительное инактивирование ферментов в процессе отсушки темного солода.
По данным Н.В. Леонович и Э.В. Терешиной, амилолитическая активность при нормальном выполнении режима сушки снижается по общей осахаривающей способности на 32% (с 14,9 до 10,1 единиц Климовского), а по декстринирующей - на 16% (с 13,4 до 11,2).
Цитолитическая активность при сушке даже светлых солодов резко падает (в 4 раза), несмотря на то, что в солоде, находящемся на верхней решетке, отмечается некоторое ее повышение.
В начале сушки в солоде продолжаются еще процессы гидролиза, но они зависят от влажности зерна и температуры сушки. Так, например, распад крахмала при влажности 43% является наиболее эффективным при температуре 25 °С, а при влажности 24% - при температуре 50 °С.
Имеются наблюдения (Люерса), что во время сушки солода происходит некоторое уменьшение количества крахмала и инвертного сахара за счет образования сахарозы, количество которой у светлых солодов повысилось (от 3,94- 4,30% до 4,22- 4,84%), в то время как количество инвертного сахара уменьшилось (от 2,25-2,94% до 2,21-2,62%). Содержание крахмала в это же время понизилось в пределах от 55,2-55,5% до 54,6- 54,7%. Д ля темных солодов были получены следующие величины: понижение инвертного сахара от 2,77 до 2,15% и увеличение сахарозы от 4,64 до 5,40%.
Общее содержание белковых веществ уменьшается незначительно, но качественный состав их меняется. Количество коагулируемого азота уменьшилось в светлом солоде от 0,138-0,144% до 0,111-0,134%, а в темном солоде - от 0,108 до 0,068%, что, по-видимому, обусловлено действием высоких температур. Вместе с тем количество стойко растворимого азота увеличивается; например, в опыте, проведенном в течение 8 ч сушки при влажности солода 44% и температуре 60 °С, было достигнуто увеличение от 18,7 до 34,8%, т.е. на 16,1%, в то время как за весь период 8-дневного солодоращения при температуре 14-20° С содержание стойко растворимого азота повышалось от 8,5 до 18,7%, т.е. только на 10,2 %.
Количество формольно титруемого азота уменьшается во всех случаях сушки, причем наиболее значительно при сушке темного солода. Уменьшение величины этого азота по отношению к общему растворимому азоту при сушке светлого солода было в одном случае от 23,7 до 22,0% и в другом - от 17,1 до 15,3%, в то время как в темном солоде содержание формольно титруемого азота понизилось от 14,5 до 11,6%. Уменьшение содержания формольно титруемого азота, т. е. азота аминокислот, вполне закономерно, так как (как это будет показано дальше) оно происходит за счет взаимодействия аминокислот с сахарами при образовании меланоидинов.
Очень важной биохимической реакцией, протекающей во время сушки солода и ответственной за образование аромата и цветности, является взаимодействие продуктов распада белков с сахарами, в результате которого происходит образование новых продуктов, названных Майаром меланоидинами. Эта реакция имеет широкое распространение в природе и в промышленности, поэтому вопросами меланоидинообразования занимаются уже в течение многих лет.
В 1908 г. Линг высказал предположение, что образование окраски солодов во время сушки обусловлено взаимодействием продуктов распада углеводов и белков, а в 1912 г. Майар описал реакцию меланоидинообразования. Уже в том же году Литнер (известный в то время научный работник пивоваренной промышленности) правильно оценил значение этой реакции для производства солода и пива.
В настоящее время можно считать, что образование темно-окрашенных меланоидинов происходит за счет окислительновосстановительных реакций между редуцирующими сахарами и белковыми веществами и зависит от количества свободных аминных групп в продуктах распада белков.
Аминогруппа аминокислоты при высокой температуре вступает во взаимодействие с карбонильной группой сахара при наличии некоторого количества воды, причем образуется продукт, имеющий коллоидный характер. Цвет этого продукта от светло-коричневого до темно-коричневого, запах (аромат) специфический. Водный раствор продукта обладает вязкостью и тем более сильной, чем полнее прошла реакция между образующими его соединениями и чем интенсивнее его окраска. Наиболее сильное окрашивание характерно для продукта с наибольшей вязкостью.
Полнота протекания реакции аминокислоты с сахаром зависит от температуры и продолжительности нагревания: убыль сахара в 3-4% достигается при температуре 130 °С за 20 мин, а при температуре 150 °С за 2,5 мин.
По вопросу образования меланоидинов при сушке солода, при хлебопечении в настоящее время накопилась обширная литература, и исследования, проводимые В. J1. Кретовичем, являются основополагающими работами по сушке пивоваренного солода. Годжа рассматривает три основные стадии меланоидинообразования: начальная (без изменения цвета и поглощения ультрафиолетового света), промежуточная (без изменения цвета или слабое пожелтение, но сильная степень адсорбции длинных волн ультрафиолетовой части света) и конечная (с интенсивной окраской получаемых продуктов).
В первой стадии происходят сахаро-аминная конденсация и изомеризация Амадори.
При нагревании и длительном хранении в полученном N-глюкозиде происходит изомеризация - внутримолекулярная перегруппировка Амадори, сопровождаемая-образованием 1-амино-1-дезокси-2 -кетозы, которая является реакционноспособным веществом и при дальнейшем нагревании служит исходным продуктом для образования темноокрашенных азотсодержащих меланоидинов.
Во второй стадии происходит в основном дегидратация указанного весьма реакционноспособного соединения (благодаря наличию группы С-0), которая может идти разными путями, взависимости от условий среды и температуры.
При дальнейшем нагревании продукт перегруппировки Амадори может превращаться в фурфурол, если исходным сахаром были пептоза или оксиметилфурфурол в случае участия в реакции гексозы. Наличие фурфурола и оксиметилфурфурола доказано разными методами исследования: химическими, хроматографическими и спектрофотометрическими.
В нейтральной среде при невысоких температурах основными промежуточными продуктами являются не фурфурол или оксифурфурол, а другие соединения из аминодезоксикетозы. Некоторые авторы считают, что 1-амино-1-дезокси-2-кетоза при дегидратации с потерей двух молекул воды и разрывом кольца образует шестиуглеродные редуктоны.
Общим свойством редуктонов является сильно выраженная редуцирующая способность, обязанная наличию эндиольной группы. Эта группа связана с альдегидным или кислотным радикалом.
Наличие эндиольной и карбонильной групп придает подобным соединениям особенную чувствительность к реакциям окисления и восстановления.
Примером шестиуглеродного редуктона является дегидроаскорбиновая кислота.
Редуктоны в дигидроформе участвуют в создании коричневого цвета продуктов.
Некоторые продукты распада сахаров, в частности сахарного компонента - соединения 1-амино-1-дезокси-2-кетоза, обладают приятным вкусом и ароматом. Среди них следует отметить пировиноградный и другие альдегиды, метилглиоксаль, ацетоин, диацетил. С другой стороны, и продукты распада белков в процессе меланоидинообразования играют большую роль. Продукты распада, получаемые на предыдущих стадиях, реагируя с аминокислотами, дают ряд альдегидов. Следует отметить, что происходят реакции фурфурола и оксиметилфурфурола с аминокислотами, реакции переаминирования редуктонов с аминокислотами и др.
Образовавшиеся альдегиды играют основную роль в создании вкусовых и ароматических свойств.
В последней стадии реакции побурения и реакции образования ароматических и вкусовых веществ промежуточные продукты полимеризуются, наряду с этим происходит альдольная конденсация, когда из двух молекул альдегида получается новое соединение- альдоль.
В результате полимеризации получается ряд сложных компонентов ненасыщенных гетероциклических азотистых соединений типа пиррола, имидазола, пиридина и пиразола.
Эти соединения имеют коричневую окраску различной интенсивности. Они вместе с непрореагировавшими альдегидами, обладающими определенным запахом и вкусом, обусловливают органолептические свойства пищевых продуктов, подвергшихся воздействию повышенных температур.
Процесс меланоидинообразования состоит из двух стадий. В первой стадии происходит взаимодействие сахаров с аминокислотами, сопровождающееся образованием ряда соединений, содержащих карбонильные группы. Во второй стадии эти соединения реагируют с аминокислотами, причем получаются меланоидины темного цвета.
Если в реакцию аминокислот с сахарами включить вещества, связывающие альдегиды, то образование цвета и аромата, присущих меланоидинам, резко ослабляется. Кретович и Токарева для этого применили димедон, который является специфическим реактивом на альдегиды (две молекулы димедона конденсируются с молекулой альдегида.
Считается, что меланоидинообразование протекает интенсивнее в щелочной среде. А.Г. Забродский и В.А. Витковская подтверждают это, однако указывают, что реакция может протекать и в кислой среде, причем большого влияния на интенсивность в этом случае pH не оказывает.
По способности к меланоидинообразованию моносахариды располагаются в следующий ряд: пентозы - ксилоза и арабиноза, гексозы - манноза, галактоза, фруктоза и глюкоза. Дисахарид мальтоза характеризуется меньшей способностью к меланоидинообразованию, чем моносахариды. Сахара по способности к меланоидинообразованию значительно уступают альдегидам.
Одновременно с влиянием сахаров на интенсивность окраски и на характер аромата оказывают влияние отдельные аминокислоты. Они по силе меланоидинообразования располагаются в следующем порядке: гликокол, аланин, фенилаланин, валин, лейцин, метионин, аспарагиновая кислота, глютаминовая кислота, цистин, тирозин. Вообще, с увеличением молекулярной массы аминокислоты образование комплексных соединений с сахарами затрудняется.
Следует отметить, что гликокол энергично реагирует с сахарами, давая меланоидины, обладающие сильной окраской, но сравнительно слабым ароматом пива. Лейцин наряду со сравнительно сильной окраской, обусловливает появление интенсивного хлебного аромата. Среди меланоидинов, в образовании которых принимают участие другие аминокислоты, имеются продукты с тонким ароматом, напоминающим аромат розы.
Аспарагиновая и глютаминовая кислоты дают запах, напоминающий аромат миндаля. Характерный аромат темных сортов пива приписывается наличию меланоидинов, в образовании которых принимают участие валин и лейцин.
Продукты, образующиеся в результате взаимодействия сахаров с аммиаком, обладают сильной окраской, однако вкус их неприятный - пригорелого хлеба и даже горький.
Состав меланоидинов сложный и полностью еще не изучен, однако некоторые характерные свойства их известны.
М.И. Княгиничев и П.М. Плотникова установили в составе меланоидинов 54-60% углерода, 4,9-5,2% водорода, 3,5-5,3% азота и 31,3-35,1 % кислорода и, кроме того, наличие спиртовых, карбонильных, карбоксильных и фенольных групп.
Растворы меланоидинов обладают кислой реакцией, что зависит от освободившейся карбоксильной группы аминокислоты. Меланоидины обладают ярко выраженными восстановительными свойствами, благодаря чему в сусле создается определенный окислительно-восстановительный потенциал.
Меланоидины являются лиофильными коллоидами и защищают нестойкие коллоиды, находящиеся в пиве, предотвращая их выпадение и образование в пиве мути и выделение осадков. Они являются антиоксидантами и предохраняют нестабильные белковые вещества от окисления. Благодаря своим коллоидным свойствам меланоидины в растворе дают прочные поверхностные пленки и являются хорошими пенообразующими продуктами. Добавление их к пиву повышает его пену. Например, пиво оцениваемое по пене величиной 33,5, после добавления меланоидинов достигло оценки 41,5. Как известно, темное пиво всегда имеет более стойкую (богатую) пену, чем светлое.
При сушке солода для накопления красящих и ароматических веществ большое значение имеет содержание влаги. Если солод подвергся сильному обезвоживанию на верхней решетке, то количество продуктов распада белков в нем недостаточное для интенсивного протекания реакции меланоидинообразования. При влажности 6-8% светлый солод не приобретает аромата (и цветности), характерного для темного солода, который переходит с верхней решетки на нижнюю с влажностью 20-25%.
Заключение
Изучение биохимических превращений, которые происходят в зерне во время его созревания, прорастания, хранения и переработки позволяет путем регулирования внешних условий повысить технологические достоинства и пищевую ценность зерна. Зерно, как и всякий живой организм, чутко реагирует на внешнюю среду, поэтому воздействовать на зерно нужно с учетом его физиологии.
Список использованной литературы
1. Булгаков Н.И. Биохимия солода и пива. М.: Пищевая промышленность, 1996. - 488 с.
. Кунце В. Технология солода и пива. СПб.: изд. профессия, 2001. - 912 с.
. Мальцев П.М. Технология солода и пива. М.: Пищевая промышленность, 1964. - 857 с.
. Николаев А.Я. Биохимия. / М., «Высшая школа», 1989.
. Биохимия / Жеребцов Н.А., Артюхов В.Г., Попова Т.Н. Изд.: ДеЛи, 2002.
. Ленинджер А. Основы биохимии. - В 3-х т. - М., «Мир», 1985.
. Болдырев А.А. Биологические мембраны и транспорт ионов. - М., 1985.