Химические процессы при затирании

Крахмал

Под действием обеих амилаз солодовый крахмал при затирании гидролизуется до мальтозы и декстринов по следующим ос новным реакциям:

Конечный результат этих реакций на практике зависит от условий осахаривания.

При осахаривании изменяется, с одной стороны, соотношение концентраций обеих амилаз в зависимости от исходного сырья, а с другой - их активность, на которую оказывает влияние температурный интервал и pH. Важным фактором является различная стойкость обоих ферментов к высоким температурам; β-амилаза более чувствительна и инактивируется быстрее, чем α-амилаза. 140

Отношение декстринов к мальтозе в охмеленном сусле важно как с технической, так и с экономической точек зрения по следующим причинам. Мальтозы из сухого вещества крахмала образуется на 5,5 мае. % больше, т. е. на количество воды, связанной при гидролизе, в то время как при образовании декстринов масса не увеличивается. Высокое содержание декстринов снижает выход экстракта.

Большое количество декстринов затрудняет фильтрацию и выщелачивание дробины, в которой задерживается больше экстракта. Это происходит в результате того, что декстрины являются гидрофильными коллоидами с высокой вязкостью.

Декстрины в условиях пивоваренного брожения большей частью не сбраживаются (под действием трансглюкозидазы только небольшая часть их переходит в сбраживающиеся), по-этому конечная степень сбраживания сусла, богатого декстринами, низкая. Образованию декстринов способствуют высокие температуры осахаривания (свыше 70°С), которые ограничивают действие осахаривающей β-амилазы в пользу декстринирующей α-амилазы.

Практически весь крахмал, содержащийся в сырье, должен осахариться. Кроме того, осахаренный затор не должен содержать декстрины, дающие цветную реакцию с йодом. Это требование обусловлено, с одной стороны, тем, что неполное осахаривание может снизить выход экстракта и тем самым отрицательно повлиять на вкус пива, а с другой - чувствительность плохо осахаренного пива к так называемым сарциновым (т. е. педиококковым) инфекциям снижает его биологическую стойкость.

Расщепление крахмала на продукты, которые не дают с йодным раствором цветной реакции, называется осахариванием крахмала. Оно протекает в три стадии: клейстеризация, разжижение и собственно осахаривание.

Клейстеризация крахмала. Она происходит при нагреве суспензии крахмала в воде. Зерна крахмала при медленном нагревании набухают и при определенной температуре из амилопектина образуется вязкий гель, называемый крахмальным клейстером.

Технологическое значение имеет прежде всего температура клейстеризации солодового крахмала, который является субстратом для действия амилаз при затирании. По Гейнтцу [4], температура клейстеризации солодового крахмала колеблется в зависимости от климатических условий, при которых происходит рост и созревание пивоваренного ячменя. Солодовый крахмал из ячменей, выращенных в холодных областях, начинает клейстеризоваться при 50-52°С, в умеренно теплых областях - при 52-530С и в теплых - при 54-57°С.

Для остальных видов крахмала Ле Корвазье [4] приводит следующие температуры клейстеризации (в °С).

Температура клейстеризации не является постоянной. Она колеблется и у крахмала одного происхождения в зависимости от структуры зерна, образуемого сферокристаллами, состоящими из множества мицелл, и далее в зависимости от некоторых физических и физико-химических факторов. Чем медленнее нагревается суспензия крахмала, тем лучше набухают зерна и клейстеризация происходит при более низкой температуре. На поглощение воды влияет также плотность зернового слоя и степень конденсации крахмального вещества. Влияние размера зерна иное: мелкие зерна, по Нейману, клейстеризовать хуже, чем крупные [3].

Присутствие электролитов (ионов) влияет на температуру клейстеризации и действует или положительно, или отрицательно. Низкие концентрации кислот затрудняют клейстеризацию, высокие - ее ускоряют. Здесь уже сказывается химическое влияние Н-ионов. Щелочи, как правило, способствуют клейстеризации.

Разжижение крахмала (крахмального клейстера). Разжижение крахмального клейстера при осахаривании является результатом ферментативной реакции. Согласно старым представлениям, разжижение клейстера обусловливает гидролиз сложного фосфорного эфира амилопектина, катализированного амилофосфатазой. Когда было обнаружено, что солодовая амилофосфатаза не гидролизует амилопектин зернопродуктов, а только картофельные амилопектины, то утвердилось мнение, что разжижение крахмального клейстера при осахаривании связано с декстринирующим действием α-амилазы солода. Поэтому данный эффект считается одной из функций α-амилазы.

В присутствии довольно большого количества разжижающего фермента крахмальный клейстер в заторах разжижается при оптимальной температуре с большой скоростью. И наоборот, разжижение неклейстеризованного крахмала требует продолжительного воздействия ферментов, так что маловероятно, чтобы этот процесс полностью проходил при осахаривании.

Оптимальная температура разжижения крахмального клейстера в заторах 65-70° при оптимальном pH 4,6. Фермент инактивируется при 80°С.

При переработке крахмалистых заменителей солода в соответствующий затор перед клейстеризацией добавляется небольшое количество разжижающего фермента в виде солодовой дробины. За границей разжижение крахмала из заменителей облегчается путем добавки амилазы другого происхождения, например бактериальной α-амилазы.

Собственно осахаривание. Расщепление крахмала до мальтозы и декстринов, катализируемое солодовыми амилазами, называют осахариванием.

Затор может осахариваться только после разжижения крахмального клейстера.

В практике заторы осахариваются после медленного нагревания до температуры осахаривания с выдержкой, начатой при этой температуре.

Технологически важными температурами (температурные интервалы) являются следующие:

60-65°С - низшая температура осахаривания, которой поддерживается действие осахаривающей β-амилазы (образуется больше мальтозы, однако затор полностью не осахаривается);

70-75°С - высшая температура осахаривания, которой поддерживается действие декстринирующей α-амилазы (образуется больше декстринов);

78°С - максимальная температура осахаривания, при которой активной является только декстринирующая α-амилаза.

Заторы всегда осахариваются постепенно в связи с тем, что большая молекула крахмала постепенно распадается на меньшие.

Процесс осахаривания и степень достигнутого осахаривания контролируют реакцией по йодному раствору. Это очень чувствительная цветная реакция, ее дает водный раствор йода в йодистом калии с крахмалом и некоторыми декстринами.

Крахмал (нативный, растворимый и крахмальный клейстер) окрашиваются йодом в темно-синий цвет. При осахаривании молекулы крахмала постепенно уменьшаются. Сначала образуются продукты, окрашивающиеся йодом в синий и фиолетовый цвет, они называются амилодекстринами. Потом образуются эритродекстрины, которые окрашиваются йодом в фиолетово-бурый и красно-бурый цвет. Как только затор перестанет давать цветную реакцию (желтый цвет йодного раствора не изменяется), это значит, что появились ахродекстрины - расщепление достигло ахроической точки и затор считается осахаренным.

Согласно конвенции, "осахаривание" считается удовлетворительным, если капля затора и капля 0,02 н. раствора йода в йодистом калии (2,5 г J₂ и 5 г KJ на 1л воды) дают на пластинке чистое желтое пятно.

При конвенционных анализах солода определяется "длительность осахаривания", т. е. время от достижения температуры 70°С в заторе вплоть до полного расщепления крахмала на йодонормальные продукты. Учитывая то, что на практике чисто желтая окраска обычно недосягаема, определение временного момента конца осахаривания в значительной степени зависит от субъективной оценки. Для устранения этого недостатка Зилберайзен рекомендовал две модификации конвенционного метода.

Метод 1

Приготавливают гипсовые пластинки из 135 г гипса и 100 мл воды. Пластинки толщиной 2-3 мм нужно высушивать на воздухе или в сушилке. Непосредственно перед достижением температуры 70°С пластинки насыщают 0,04 н. раствором йода (5 г J₂ и 10 г KJ на 1 л воды) и легким помахиванием высушивают (к началу испытания они должны иметь сухую поверхность). Из затора с помощью стеклянного стержня переносят на пластинки по одной капле затора через 1, 2 и 3 мин. Если в течение 30 с после нанесения капли на внешней стороне ее появится синее кольцо, то затор еще не осахарился, если не появится, значит - осахарился.

Поскольку йодный раствор с пластинки испаряется, рекомендуется для солодов, осахаривающихся очень медленно (более 20 мин), через 15 мин пропитать йодом следующую пластинку и работать с ней.

Метод 2

В этом методе капля затора с йодом сначала восстанавливается, а потом окисляется. Еще неосахаренные заторы дают чистосинюю окраску, довольно устойчивую.

Каплю затора наносят на гипсовую пластинку и с помощью стеклянного стержня добавляют каплю 0,02 н. раствора йода (2 г J₂ и 6 г KJ на 1 л воды). На пятно тотчас наносят каплю 0,01 н. раствора тиосульфата натрия (2,5 г N₂S₂O₃•5H₂O в 1 л воды), после чего синяя окраска исчезает. При следующем добавлении капли перекиси водорода (30%) на пятно у неосахарившихся заторов в течение 30 с образуется чисто-синяя окраска, у осахаренных - никогда. Пятно у них бывает только светло-желтой окраски, очень резко отличающееся от синей окраски пятна неосахаренного затора.

С помощью обоих методов можно определять конец осахаривания с точностью до 1-2 мин. Для точного определения длительности осахаривания рекомендуется реакцию на йод повторить с двухминутными интервалами и работать первым, более простым методом.

Однако распространенное определение реакции на йод как реакции осахаривания не совсем точно и подвергалось критике в литературе, поскольку был объяснен механизм действия обеих амилаз.

α-Амилаза расщепляет молекулу крахмала до декстринов, которые не дают с йодом цветной реакции (ахродекстрины), а мальтоза образуется медленно. β-Амилаза гидролизует крахмал до мальтозы и декстринов, дающих с йодом фиолетовую реакцию, а те в свою очередь расщепляются α-амилазой до ахродекстринов. При осахаривании крахмала цветная реакция на йод исчезает главным образом при действии α-амилазы, так что реакция на йод является собственно показателем активности этой амилазы. Следовательно, установившийся термин "осахаривание" означает стадию ферментативного расщепления крахмала, при которой исчезает цветная реакция с йодом, что свидетельствует о наличии наряду с мальтозой только ахродекстринов.

Правильный выбор температуры осахаривания и полнота осахаривания заметно влияют на качество продукции. До недавних пор считали, что несбраживающиеся декстрины придают светлому пиву полноту вкуса. Это мнение в последнее время пересмотрено (Де Клерк) на основе точно проведенных сравнительных испытаний пива с высоким содержанием декстринов, которое при дегустационных испытаниях было определено как более пустое, чем пиво с высоким содержанием спирта. Тем самым было вновь подтверждено положительное влияние спирта на вкус пива. Его содержание зависит от соотношения декстринов к мальтозе в исходном охмеленном сусле.

Белки (азотистые вещества)

Расщепление белков, катализируемое солодовыми протеазами, при затирании происходит не полностью, расщепляется только ограниченное количество (от ¹/₃ до ²/₅). Более важным, чем количество белков, перешедших в раствор, является соотношение отдельных фракций, которое должно удовлетворять условиям, наиболее благоприятным для качества пива.

При температурах, применяемых при затирании, и при обычном pH заторов действует главным образом протеиназа. Поэтому образуются преимущественно высокомолекулярные продукты расщепления белков, которые протеиназа при благоприятных условиях частично расщепляет на среднемолекулярные. Характерным является тот факт, что из нерастворимых белков солода, т. е. из остатков эдестина, гордеина и глютелина во время затирания в среднем образуется больше стойкорастворимых фракций, чем при солодоращении. Общая доля растворимых белков, образующихся при солодоращении и затирании, соответствует приблизительно соотношению 1:1. Однако между ними имеется существенное качественное различие главным образом в том, что растворимые фракции, образовавшиеся при солодоращени, содержат около 40% формольного азота, а фракции, образовавшиеся при затирании, содержат его только 20%. Поэтому недостаточное растворение белков при солодоращении нельзя компенсировать их более интенсивным расщеплением при затирании.

При переработке недостаточно растворенного солода издавна применяют пептонизирующую (белковую) паузу при температуре от 45 до 55°С. Известно, что тем самым устраняют или уменьшают различные технологические трудности, особенно при фильтрации и брожении. При переработке перерастворенного солода, наоборот, эту выдержку при температуре пептонизации по возможности исключают, чтобы обеспечить пеностойкость и сохранить полный вкус пива. Вместе с тем эти сведения являются эмпирическими и до сих пор не были объяснены однозначно. И хотя сегодня влияние расщепления белков считается положительным, объяснить его можно только с теоретической точки зрения. Необходимо также учитывать, что в интервале температур от 45 до 55°С находятся оптимальные температуры для действия ряда других ферментов. Например, при этих температурах происходит ферментативный гидролиз пентозанов, ксиланов (Люерс), амилана (Пиратский), смолистых веществ и органических сложных эфиров фосфорной кислоты. В этой связи особенно важную роль играет гидролиз амилана, который как слизистое, высокомолекулярное, коллоидное вещество очень затрудняет фильтрацию. В недостаточно растворенных солодах остается много амилана в первоначальной форме, который расщепляется только при осахаривании. Следовательно, не исключено, что положительное воздействие паузы в интервале от 45 до 55°С обусловлено расщеплением коллоидных веществ небелкового характера.

Наряду с белками, перешедшими в раствор под действием ферментов, другая их часть растворяется при высоких температурах под влиянием присутствующих солей. И наоборот, растворенные белки частично осаждаются в результате кипячения заторов и реакции белков с дубильными веществами оболочек солода. Эти процессы осаждения очень важны с технологической точки зрения.

Растворы белков имеют типичные свойства гидрофильных коллоидов. Они очень чувствительны ко всем физико-химическим воздействиям, при которых изменяется их коллоидное равновесие и существенно изменяются свойства. Нативные белки, растворимые в воде, при кипячении превращаются в нерастворимые и осаждаются (коагулируют). Этот процесс протекает в две стадии. Сначала происходит денатурация белков, т. е. химическое изменение, вызванное внутренней перегруппировкой в молекуле, при которой молекулы переходят из состояния гидратированного (лиофильного) в дегидратированное (лиофобное). На следующей стадии происходят коллоидно-химические изменения денатурированного белка, результатом которых является осаждение (коагуляция) дегидратированных мицелл. Первичные частицы соединяются с вторичными, образуется грубая суспензия, которая выпадает из раствора.

Процесс расщепления белков при затирании невозможно контролировать непосредственно. С помощью аналитического анализа может быть определен стойкорастворимый азот в готовом охмеленном сусле, который выражается в процентах к азоту в солоде (Кольбах), так как содержание стойкорастворимого азота зависит не только от условий затирания, но также от 146 содержания его в солоде. Число Кольбаха можно определить также при лабораторном осахаривании. Сравнительным критерием интенсивности производственного затирания является сравнение данных, полученных при производственном и лабораторном затирании, при условии, что выход белков при лабораторном затирании принимается за 100.

Кислотность

Кислотность оказывает на ферментативные реакции при осахаривании косвенное влияние, которое вытекает из зависимости активности ферментов от кислотности среды.

Естественную кислотность пивоваренных заторов создают фосфорнокислые соли калия и аминокислоты солода. Непосредственно после затирания солода затор имеет pH от 5,7 до 5,8. Если производственная вода имеет карбонатную жесткость, то pH может повыситься до 6,0 и более. При затирании pH снижается в среднем на 0,3-0,5, с одной стороны, в результате отщепления фосфорной кислоты от фитина, амилопектина и нуклеиновых кислот, и с другой - за счет образующихся полипептидов и аминокислот из белков. Кроме того, кислотность заторов может возрасти в результате действия молочных бактерий.

Зона оптимального pH большинства ферментов солода в производственных заторах смещена несколько дальше к кислой области. Она не только различна у разных ферментов, но зависит также от состава среды и от температуры.

На практике валено поддерживать pH затора как можно ближе к значению естественной кислотности перерабатываемого солода. Тем самым обеспечивают не только нормальное течение ферментативных реакций при затирании, но также более благоприятное прохождение процессов осаждения и брожения; кроме того, это улучшает вкусовые качества пива.

Остальные процессы

С технологической точки зрения при затирании важными являются минеральные вещества, попадающие в технологический процесс вместе с производственной водой и солодом. Даже, присутствуя в незначительном количестве, они существенно влияют на pH заторов и сусла.

Фосфорнокислые соли калия (гидрофосфат и дигидрофосфат) в пивоваренном процессе играют роль буферных растворов. Органические фосфаты растворимы в воде в незначительной степени, однако при затирании они расщепляются в результате реакции, катализируемой фитазой, на инозит и фосфорную кислоту. Неорганические и органические фосфаты при затирании большей частью осаждаются ионами кальция и магния, содержащимися в воде и солоде. Оставшиеся неорганические фосфаты используются в процессах фосфорилирования, которыми начинается спиртовое брожение. Инозит считается важным веществом роста дрожжей [7]. При работе с производственной водой с высокой постоянной жесткостью и при искусственном гипсовании карбонатных вод возникает опасность, что излишнее осаждение фосфатов может вызвать трудности при брожении.

Пентозаны растворяются при обычных процессах довольно незначительно. Больше их переходит в раствор при холодном экстрагировании.

Дубильные вещества из оболочек способствуют подкрашиванию сусла тем, что окисляются в красно-бурый флобафен. Они отрицательно влияют на вкус пива, так же как горькие вещества из оболочек, которые мало растворимы и тем не менее могут придать пиву неприятный привкус.

Подкрашивание происходит при кипячении заторов в результате окисления и частично карамелизации. По Юсту [8], подкрашивание не связано с ферментативными процессами.

Пектиновые вещества и гемицеллюлозы переходят в раствор только при кипячении.