ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ, БИОХИМИЧЕСКИЕ
И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ СОЛОДА




В основе солодоращения лежат сложные процессы:
- биологические - прорастание зародыша и, соответственно, синтез новых веществ и дыхание зерна;
- биохимические - гидролиз запасных веществ эндосперма;
- химические - взаимодействие полученных в результате гидролиза растворенных и образование ароматических и вкусовых веществ (например, меланоидинообразование);
- физические - продвижение растворенных запасных веществ от эндосперма к зародышу и обратно.

Под воздействием ферментов прорастающего зерна начинается расщепление всех высокомолекулярных соединений (в основном это углеводы и белки) и переход их в низкомолекулярные вещества, которые могут быть использованы для питания зародыша. Расщепление запасных веществ зерна сопровождается образованием новых клеток в зародыше. Таким образом, процесс проращивания ячменя характеризуется двумя противоположно направленными, но неразрывно связанными процессами: гидролизом запасных веществ эндосперма и синтезом новых веществ в прорастающем зародыше. Оба процесса изменяют химический состав ячменя.

Хранение ячменя
При хранении ячменя протекают следующие биохимические и биологические процессы: дыхание зерна (вследствие чего повышается его влажность); жизнедеятельность микроорганизмов (как результат - повышение температуры). Потери при хранении ячменя, связанные с биохимическими процессами, зависят от следующих параметров: влажности, температуры, степени очистки, крупности. В зависимости от времени года потери составляют от 0,3 до 1,3 % в месяц.

Замачивание
Извлечение экстрактивных веществ из ячменя при затирании зернопродуктов происходит под действием ферментов, активирующихся и синтезирующихся в процессе солодоращения. Во время солодоращения вещества зерна претерпевают морфологические, физико-химические, биохимические изменения, благодаря которым они становятся доступными для действия целого ряда ферментов.

Одним из результатов замачивания зерна ячменя является восстановление активности зародыша, вначале использующего для своей жизнедеятельности растворимые и усвояемые питательные вещества. Эти вещества уже есть в зерне. В щитке зерна активируются гидролитические ферменты, из щитка они диффундируют (проникают) в эндосперм, где начинают катализировать гидролиз части высокомолекулярных веществ и превращать их в растворимые соединения. Уже в первые 6-12 ч замачивания щиток становится активным в обмене веществ, но он еще не способен производить гидролитические ферменты. Повышению активности ферментов способствуют стимуляторы роста - гиббереллины, которые попадают из корневой системы в зародыш, а затем к алейроновому слою. Параллельно с увеличением влажности зерна возрастает активность амилаз, рибонуклеаз и фосфатаз.

Вегетационная (поглощенная при замачивании) вода растворяет в зерне вещества, обеспечивающие зародышу питание и соответственно переход ферментов в активное состояние. В зародыше активизируется обмен веществ, и зерно ячменя начинает прорастать, что сопровождается усилением потребности в О2, необходимом для дыхания.

При замачивании преследуют цели:
- удалить пыль, легкую зерновую и незерновую примеси, оставшиеся в ячмене при обработке его на зерноочистительных и сортировочных машинах;
- продезинфицировать зерно;
- повысить влажность ячменя для светлого солода до 42-45 %, когда происходит нормальный процесс проращивания.

Роль воды
Решающее значение для прорастания ячменя имеет влажность зерна. Вода в зерне выполняет функции:
- растворителя питательных веществ в зародыше и в субстратах, активизируя действие ферментов и продуктов их гидролиза;
- среды для действия гидролитических ферментов;
- транспортного средства в целях передачи питательных веществ эндосперма к зародышу и движения ферментов в эндосперме, а также исходных компонентов для образования ферментов.

Все функции воды проявляются только после выхода зерна из состояния покоя, в котором пребывает ячмень сразу же после уборки урожая. Этот период характеризуется низкой энергией прорастания, что связано с низкой активностью ферментов наличием в цветковой оболочке и алейроновом слое высокой концентрации ингибиторов роста (в основном это вещества фенольной природы) с низкой концентрацией стимуляторов роста (гибберелловой кислоты). Длительность периода покоя ячменя составляет от 2 до 4 недель и зависит от состояния зародыша и степени проницаемости плодовой оболочки. Она определяется:
- сортом ячменя (на 15 %);
- климатическими условиями возделывания (на 55 %);
- водочувствительностью.

Водочувствительные ячмени обладают пониженной жизнеспособностью. Это связано с феруловой кислотой, содержащейся в оболочках зерна, которая тормозит его прорастание. Активаторы роста не влияют на водочувствительность. По истечении периода дозревания зерно готово к проращиванию. Этот процесс начинается с замачивания, при этом имеет большое значение водопоглощение зерна. Водопоглощение зависит от следующих факторов:
- температуры воды: чем выше температура, тем меньше время замачивания;
- размера зерна: крупное зерно требует большего времени замачивания;
- способа замачивания: чем длиннее воздушные паузы, тем короче процесс замачивания;
- климатических условий:
при жаркой и сухой погоде поглощение воды замедляется; - содержания белка (только в том случае, если были отклонения при возделывании). Зерно перед замачиванием имеет влажность от 13 до 15 % и находится в состоянии вегетационного покоя. Оно содержит лишь связанную с полимерами зерна воду и в таких условиях не способно прорастать. Необходимая для прорастания свободная влага в зерне появляется в результате его замачивания или орошения.

Поглощение воды зерном происходит сначала более интенсивно, а затем этот процесс в значительной степени замедляется, причем водопоглощение отдельными частями зерна происходит неодинаково (см. табл.).

Таблица

Водопоглощение отдельных морфологических структур зерна
Морфологическая структура зерна Продолжительность замачивания, ч
2 4 6 24
Щиток 18,5 36,8 50,0 57,9
Зародыш 33,0 43,6 51,3 57,9
Плодово- семенная оболочка 11,4 15,6 26,8 36,4
Эндосперм 10,0 12,5 21,6 35,0
Цветковая облочка 40,5 43,1 44,9 47,1
Зерно в целом 21,6 25,9 28,6 38,4


Условия замачивания существенно влияют на процесс проращивания зерна, его длительность, потери и качество солода. При замачивании в процессе насыщения водой к зерну необходимо подводить в достаточном количестве кислород, поскольку при большем вбирании зерном кислорода интенсивнее происходит поглощение воды и обмен веществ. В свою очередь, чем интенсивнее идет обмен, тем больше зерно нуждается в кислороде.

Роль кислорода
Нормальный ход процесса дыхания зерна связан с непрерывным потреблением кислорода. При отсутствии кислорода в среде может наступить анаэробное разрушение запасных углеводов зерна (спиртовое брожение) с образованием спирта, углекислоты (формула 5.1) и побочных продуктов брожения, например, щавелевой, лимонной, молочной, янтарной, протеоновой кислот.

Продукты, которые образуются при анаэробном процессе (формула 5.2), крайне нежелательны, поэтому отсутствие кислорода на стадии замачивания и начальном этапе проращивания недопустимо:


(Формула 5.1)

С6Н1206 ->2С02 + 2С2Н5ОН + 2АТФ



(Формула 5.2)

С6Н1206 -> 6С02 + 6Н20 + 36АТФ



Около 20 % крахмала превращается в сахара, из них около 10 % приходится на дыхание. Остальные примерно 10 % остаются в солоде в виде сахара, придавая ему сладковатый вкус. Средством обеспечения нормального дыхания зерна при замачивании служит искусственная его аэрация. Максимальное количество углекислоты появляется уже через 2 ч после замачивания, поэтому очень важно продувать зерно воздухом в первые часы замачивания.
Таким образом, доступ кислорода при замачивании, обеспечивающий более эффективное в энергетическом отношении аэробное дыхание, предохраняет зерно ячменя от траты углеводов (что характерно для процесса брожения) и создает условия для сохранности экстрактивных веществ при солодоращении (см. формулы 5.1 и 5.2).

Проращивание зерна
В созревших зернах большая часть содержащихся ферментов адсорбирована протоплазменными структурами клеток и находится в неактивном состоянии. В процессе прорастания происходит активация уже имеющихся в зерне ферментов, а также увеличение количества этих ферментов.


При солодоращении происходят следующие процессы:
- биологические, связанные с прорастанием зародыша и синтезом новых веществ, а также дыханием зерна. Длина листа увеличивается до 2/3 - 3/4 длины зерна;
- биохимические, обеспечивающие гидролиз запасных веществ эндосперма;
- химические, представляющие собой взаимодействие полученных в результате гидролиза веществ, вследствие чего образуются вкусо-ароматические соединения;
- физические: передвижение растворенных запасных веществ от эндосперма к зародышу и обратно.

Главная задача при солодоращении заключается в накоплении ферментов и осуществлении цитолиза и протеолиза, при этом потери сухих веществ и ферментов должны быть минимальными.

Цитолиз - растворение клеточных стенок при гидролизе (3-глюканов и пентозанов, входящих в состав клеточных стенок. Схема растворения представлена на рис. 5.1. схема цитолитического растворения эндосперма ячменя некрахмалистые полисахариды (бета-глюкан) □ вещества белковой природы Ш крахмал

Схема цитолитического растворения клеточных стенок эндосперма

В этом процессе участвуют следующие ферменты: - Р-глюкансолюбилаза, которая высвобождает Р-глюкан, связанный с белком. Этот фермент имеет высокую активность в зерне ячменя; - эндо-Р-глюканазы, катализирующие расщепление гликозидных связей в Р-глюкане. Ячмень содержит мало этих ферментов. Припроращивании зерна эндо-в-глюканазы синтезируются в клетках алейронового слоя. Они проникают в эндосперм и разрушают (3-глюкан, входящий в клеточные стенки клеток эндосперма. Поскольку активность фермента резко уменьшается при сушке, его действие в основном ограничивается солодоращением; - экзо-|3-глюканазы, отщепляющие ди- и трисахариды с редуцирующих концов (3-глюкана. Эти ферменты вырабатываются, в основном, щитком в присутствии ионов кальция и гибберелловой кислоты.

В прорастающем зерне разрушение клеточной стенки начинается возле зародыша и далее распространяется от щитка. Следовательно, в начале проращивания Р-глюканаза выделяется эпителием щитка. Позднее она синтезируется под воздействием активируемой гибберелловой кислоты. Разрушение клеточных стенок наблюдается около алейронового слоя. Максимальная активность в-глюканаз достигается на пятый день проращивания. Все цитолитические ферменты могут действовать только в комплексе общих ферментативных реакций, протекающих при солодоращении, и ни один из них в отдельности, каким бы эффективным ни было его действие, не может достичь такого превращения некрахмалистых полисахаридов, которое происходит при проращивании зерна ячменя.


Разрушение целлюлозы и гуммивеществ идет тем быстрее, чем выше активность ферментов, гидролизующих другие некрахмалистые полисахариды. Ферментативный гидролиз некрахмалистых полисахаридов ячменя в процессе проращивания имеет огромное практическое значение. При этом гидролизе стенки клеток эндосперма растворяются и образовавшиеся в солоде амилазы и протеиназы при затирании сырья свободно проникают в их содержимое, гидролизуя крахмал и белок. Протеолиз - это процесс гидролиза белков, входящих в состав зерна, в частности в состав клеток эндосперма (рис 5.2). При солодоращении активность всех пептидаз в наибольшей степени возрастает в первые трое суток. При сушке солода и в процессе затирания их активность значительно снижается. Значение активности пептидаз в солоде находится на таком же низком уровне, как и в начале прорастания ячменя.

Протеолитические ферменты различаются не только по способности гидролизовать белковые и полипептидные субстраты, но также и по отношению к рН среды, кислороду, к активаторам, ингибиторам и ряду других признаков.
Состав белковых фракций ячменя при проращивании существенно меняется (табл. 5.2).
схема протеолитического растворения эндосперма ячменя действие протеолитических ферментов
некрахмалистые полисахариды (бета-глюкан)
вещества белковой природы
крахмал
Рис. 5.2. Растворение белка в крахмальных клетках эндосперма

Таблица 5.2

Сравнительный состав азотистых веществ ячменя и солода (%) через 5 суток после проращивания
Фракция азотистых веществ Ячмень Солод
Небелковый азот 7 32
Альбумин 5 9
Г лобулин 10 11
Проламин 37 17
Г лютелин 30 21


Количество азотистых веществ, претерпевающих превращения при солодоращении, может достигать 50 %, но поскольку это результат гидролитических процессов и синтеза (на что тратится около половины продуктов белкового распада), то в готовом солоде величина распада белков колеблется в пределах 38-42 % растворимых белков (число Кольбаха). Это важный технологический показатель в пивоварении, позволяющий судить о глубине превращений, происходящих при солодоращении, и о степени белкового растворения солода. Условия для проявления активности протеолитических ферментов солода в дальнейшем технологическом процессе создаются при затирании зернопродуктов. Важнейшей задачей солодоращения является активация и образование амилолитических ферментов.

Амилазы ячменя и солода состоят из двух ферментов: а- амилазы и в-амилазы, различающихся механизмом своего воздействия на крахмал. Проникновение а-амилазы внутрь клеток эндосперма облегчается действием цитолитических ферментов, которые разрушают стенки крахмалосодержащих клеток, оставляя проницаемый для других ферментов каркас. Значительная часть образовавшихся сахаров перемещается к зародышу и участвует в дыхательном метаболизме, сопровождающемся синтезом АТФ, и промежуточных продуктов, необходимых для построения новых клеток.

В прорастающем зерне 7 % а-амилазы находится в зародыше, 93 % - в эндосперме, а-Амилаза активируется только при проращивании ячменя. Накопление а-амилазы активно происходит до четвертого дня ращения зерна, а затем ее содержание медленно возрастает до своего максимума в конце проращивания. Активность ферментов зависит от влажности и содержания кислорода в воздухе. Активатором фермента являются ионы Са .

На рисунке показано точечное воздействие фермента на зерна крахмала и продолжающееся расщепление; при этом хорошо видно чашеобразное строение крахмальных зерен. (3-амилаза содержится в непроросшем ячмене в достаточном количестве, и по мере прорастания ячменя ее активность резко увеличивается. Максимальная активность |3-амилазы проявляется на 4-5-е сутки проращивания.



Процессы, происходящие при сушке солода
Основная цель сушки солода предусматривает следующее:
- снижение влажности при производстве светлого солода до 3,0-3,5 % для обеспечения его длительного хранения и транспортирования;
- подавление физиологических и ферментативных процессов;
- формирование сенсорных характеристик солода;
- придание хрупкости и ломкости солодовым росткам для их последующего удаления;
- сохранение комплекса синтезированных ферментов.

Свежепроросший солод перед сушкой содержит от 43 до 45 % влаги, высушенный же должен содержать от 3,0 до 3,5 % влаги. Благодаря такой низкой влажности все жизненные процессы в солоде сводятся к минимуму, о чем свидетельствует прекращение процесса проращивания ячменя. Сушку солода в зависимости от происходящих с зерном превращений делят на три основные фазы: физиологическую, ферментативную и химическую.

Физиологическая фаза
При физиологической фазе в зерне продолжается процесс солодоращения. В этот период активность ферментов значительно повышается, поскольку влажность и температура приближаются к оптимальным для их действия. Процесс изменения структуры, т. е. процесс растворения, продолжается.

Ферментативная фаза
В этой фазе сушки температура постепенно повышается до 70 °С, при этом влажность снижается до 10 %. Различные группы ферментов ведут себя при этом по-разному. Группа цитолитических ферментов при сушке почти полностью инактивируется, так как уже при 60 °С в течение 15 мин эти ферменты теряют свою активность. Активность протеолитических ферментов солода зависит от температуры сушки. В светлом солоде при нормальном режиме сушки активность пептидаз сохраняется достаточно хорошо. В начале сушки их активность повышается, затем постепенно снижается до исходного уровня. Амилолитические ферменты при сушке понижают свою активность. Так, (3-амилаза теряет свою активность в большей степени, чем а-амилаза, которая способна переносить более высокие температуры. Активность липаз солода при сушке, так же как и протеаз, возрастает. Фосфатаза уже через 4 ч сушки зерна теряет треть своей активности. Каталаза солода при сушке инактивирует на 90 %.

Химическая фаза
На третьей фазе сушки наблюдаются в основном химические процессы, приводящие к образованию в солоде специфических ароматических и вкусовых свойств и изменению цветовой окраски. Накопившиеся в солоде продукты ферментативного распада белков и углеводов взаимодействуют под влиянием высокой температуры сушки с образованием новых соединений - меланоидинов. В этой фазе часть ферментов полностью инактивируется, а та из них, что сохранила свою активность, не в состоянии ее проявлять за недостатком влаги и слишком высокой температуры среды. Образование темноокрашенных меланоидинов на химической фазе сушки происходит за счет окислительно-восстановительных реакций между редуцирующими сахарами и аминокислотами, ди-и трипептидами солода. Интенсивность окраски и аромата, а также различие в характере аромата меланоидинов зависит от аминокислоты и углевода, вступивших в реакцию.



ИНТЕНСИФИКАЦИЯ СОЛОДОРАЩЕНИЯ
При производстве солода наблюдаются значительные потери из-за расхода сухих веществ на развитие ростков, корешков и дыхание зародыша. Эти процессы взаимозависимы: подавление дыхания неизбежно вызывает торможение роста. Поэтому способы интенсификации производства солода связаны, прежде всего, с факторами, влияющими на эти процессы. При замачивании диффузия биологически активных веществ из ячменного зерна в воду практически заканчивается после 24 ч. Эти вещества можно использовать в качестве регуляторов роста зерна.

Применяя принцип перезамачивания ячменя, можно уменьшить потери на дыхание за счет ингибирования фенолами активности окислительно-восстановительных ферментов в зародыше. Этот способ позволяет сократить продолжительность солодоращения на одни сутки при одновременном улучшении качества солода. Добавляя в повторную замочную воду химические соединения, обладающие активирующим действием, в начальной стадии солодоращения можно наблюдать изменения в ходе процесса, приведенные в табл. 6.1. На прорастание зерна влияют различные физические факторы (табл. 6.2).

Таблица 6.1

Влияние активаторов роста на активность ферментов при замачивании
Технологическая операция Интенсификация процесса
Перезамачивание ячменя Ингибирование процессов дыхания и активации гидролитических процессов в зерне. Снижение количества антоцианогенов в готовом солоде и ускорение разрыхления солода
Применение молочной кислоты и диаммонийфосфата Интенсифицируется процесс солодоращения, снижаются потери на дыхание и образование ростков
Гибберелловая кислота и бромид калия Сокращение процесса солодоращения до четырех суток
Щелочные растворы концентрацией 0,1 % Повышается скорость проникновения воды в зерно, стимулируется выщелачивание из оболочек ячменя фенольных и горьких веществ, способных регулировать ростовые процессы, происходящие в замоченном зерне. Повышается коллоидная стойкость полученного пива, уменьшается количество анто-цианогенов и катехинов в солоде и пиве
Применение кварцевого преобразователя при частоте колебаний 800 кГц в течение 1-10 мин Увеличивает энергию прорастания в 2 раза Ультразвук Сокращает процесс солодоращения на 25 %
Электромагнитные поля с частотой 20-80 мГц Стимулируют рост зародыша и ускоряют ферментативные процессы
Обработка в электрическом поле при напряжении 12,8 кВ в течение 10 мин Интенсифицирует накопление ферментов
Обработка у-лучами Угнетает дыхание зерна, тормозит развитие микроорганизмов, контаминирующих зерно


При механическом воздействии на ячмень добиваются частичного удаления оболочки зерна и более быстрого проникновения влаги внутрь зерна. Это в 2 раза сокращает сроки замачивания ячменя, повышает активность амилолитических ферментов в готовом солоде. Обычно при солодоращении используют совместное действие различных факторов (табл. 6.3).

Таблица 6.3

Стимуляторы проращивания в технологии солодоращения
Фактор Влияние на параметр оптимизации
Применение гибберелловой кислоты (0,1-0,4 мг/кг ячменя) Ускорение прорастания. Стимулирует обмен веществ в зародыше, затем идет стимуляция ферментов эндосперма
Добавление: бромата калия или натрия; аммиака 0,02-0,5 %; формальдегида Балансирует нежелательные процессы, вызванные добавлением гибберелловой кислоты
Обработка ячменя молочной кислотой (добавление в замочную воду в количестве 1,5-2,0 г/кг) Снижается рН, что создает благоприятные условия для действия ферментов, в результате ускоряется растворение эндосперма зерна
Обработка ячменя диаммонийфосфатом из расчета 0,5-0,7 г/кг ячменя на 2-й день проращивания Повышение выхода солода (за счет ингибирования дыхания) без изменения амилолитической активности
Совместное применение молочной кислоты и диаммонийфосфата Опрыскивание на 2-й день ращения из расчета 0,8 кг/т (диаммонийфосфат) и 1,5 кг/т (молочная кислота) Увеличение ферментативной активности солода, повышение его выхода и экстрактивности за счет регулирования рН и буферности
Применение индолилуксусной кислоты. Расход 0,18-0,35 мг/кг ячменя. Вводят в замочную воду в конце замачивания Повышение энергии и способности прорастания, увеличение гемицеллюлазной активности
Применение комплекса ферментных препаратов (целлюлаза, пектиназа, гемицеллюлаза, а-амилаза, (3-амилаза, протеаза) Процесс проращивания сокращается на 24 и более часов, выход экстракта увеличивается на 1-3 %, потери сухих веществ снижаются на 2-5 %


Из всех перечисленных способов интенсификации процесса солодоращения наиболее эффективны способы с применением биологически активных веществ, в частности таких, как гибберелловая кислота (ГБ). Она накапливается естественным путем при развитии растения (табл. 6.4). Для ускорения проращивания ее можно внести при замачивании солода. Механизм ее действия показан на рис 6.1.

Таблица 6.4

Образование эндогенных гиббереллинов во время замачивания
Время замачивания, ч Сумма гиббереллинов в пересчете на ГБ кислоту, мкг/кг
0 Не обнаружены
24 46
48 50


 Flag Counter

В данный момент сайт просматривает 14  чел.  
Все наполнение сайта носит исключительно информационный характер и не является публичной офертой.
г. Владимир |filimonov.vladimir.ru | 2014 г.