Химический состав основных видов сырья пивоваренного производства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

Химический состав основных видов сырья пивоваренного производства

Содержание

1. Химический состав зерна ячменя

1.1 Углеводы зерна ячменя

1.2 Белки зерна ячменя

1.2.1 Белки-ферменты зерна ячменя

1.3 Липиды зерна ячменя

1.4 Полифенолы зерна ячменя

1.5 Минеральные вещества зерна ячменя

2. Химический состав шишек хмеля

Литература

1. Химический состав зерна ячменя

Основными видами сырья пивоваренного производства являются вода, ячменный солод, пшеничный солод и хмель.

В пивоваренном производстве ряда стран используют несоложеное сырье: ячмень, рис, кукурузу, гречиху.

Химический состав зерна ячменя значительно изменяется в зависимости от биологического сорта, от района, где выращено зерно, от климатических условий района выращивания и погоды года урожая, от состава почвы, от водного режима, от применяемой агротехники.

Содержание влаги в зерне ячменя может составлять от 8 до 20 %. Согласно ГОСТ 5060 содержание влаги в пивоваренном ячмене должно быть не ниже 10 % и не выше 15,5 %.

Если зерно ячменя имеет влажность ниже 10%, то в нем происходят необратимые процессы денатурации белков, в связи с чем теряют активность белки-ферменты и ослабляется прорастаемость, что отрицательно влияет в дальнейшем на солодоращение ячменя.

Если влажность зерна ячменя выше 15,5 % то оно плохо хранится, так как легко поражается микроорганизмами и приобретает посторонний цвет, вкус, запах, может стать токсичным из-за выделения токсинов микроорганизмами, может наступить очаговое самосогревание и необратимая порча зерна, долго сохраняется водочувствительность зерна. Оно может частично или полностью потерять всхожесть, что отрицательно отразится на солодоращении.

1.1 Углеводы зерна ячменя

Углеводы зерна ячменя представлены моно-, ди- и полисахаридами. Они являются источниками питательных веществ зародыша при прорастании зерна в природе и в производстве солода, а также важными структурными компонентами, обеспечивающими прочность стенок клеток оболочек зерна (целлюлоза), стенок клеток эндосперма зерна (бета в -глюкан), стенок клеток зародыша зерна, стенок клеток алейронового слоя зерна.

К технологически важным моносахаридам зерна ячменя относятся глюкоза и фруктоза (0,3…0,4% на АСВ), к дисахаридам - мальтоза и сахароза. Сахароза сосредоточена в зародыше и в алейроновом слое. В процессе прорастания зерна количество сахарозы возрастает. Глюкоза, фруктоза и мальтоза обнаружены в эндосперме зерна.

Основным полисахаридом зерна ячменя является крахмал (альфаб-глюкан). Он находится в зерне ячменя внутри клеток эндосперма в многочисленных крахмальных зернах

Крахмальные зерна ячменя имеют разные размеры и форму: крупные зерна - форму линзы и размер 25…30 мкм, мелкие зерна - форму шара и размеры 1…5 мкм. Крупные зёрна составляют 10 % от общего количества крахмальных зерен, мелкие зёрна - 90% от общего количества крахмальных зерен.

Основная часть мелких крахмальных зерен разрушается во время солодоращения за счет гидролиза крахмала.

Крахмальные зерна на 98 % состоят из крахмала. Оставшиеся 2 % приходятся на белки, липиды, некрахмалистые полисахариды и минеральные вещества.

Молекулы крахмала представлены двумя фракциями: амилозой и амилопектином.

Амилоза составляет в крупных крахмальных зернах 17…24 % от общего количества крахмала, а в мелких - 40 %.

Это полисахарид, состоящий из остатков молекул глюкозы, соединенных альфа-1,4 -связями. Молекула амилозы имеет форму спирали, каждый виток которой состоит из 6 остатков молекул глюкозы. Молекула амилозы может включать от 60 до 2000 остатков молекул глюкозы, поэтому молекулярная масса амилозы колеблется от 10000 до 500000 Дальтон. В теплой воде амилоза образует золь, который не клейстеризуется. С йодом амилоза дает синее окрашивание, сорбируя молекулы йода внутрь спиральной структуры.

На амилопектин приходится 76…83 % от общего количества крахмала в крупных крахмальных зернах и 60 % в мелких крахмальных зернах. Это полисахарид, состоящий из остатков молекул глюкозы, соединенных связями альфа-1,4 и альфа-1,6 (последние составляют 4…5% от общего количества связей альфа-1,4 и альфа-1,6). Связи альфа-1,6 находятся в точках разветвления молекулы амилопектина. Разветвления находятся через каждые 18…24 остатка молекул глюкозы. От разветвления отходит цепочка из 13…15 остатков молекул глюкозы. Молекула амилопектина может включать от 6000 до 40000 остатков молекул глюкозы, поэтому молекулярная масса амилопектина составляет от 1 млн до 1 млрд Дальтон. Молекула амилопектина имеет одну концевую редуцирующую группу. К ней прикреплены А-цепи из остатков молекул глюкозы. К А-цепям прикреплены в виде ветвей В-цепи. Пространственная структура молекулы амилопектина напоминает корни дерева. В горячей воде амилопектин растворяется с образованием коллоидного раствора (клейстера), чему способствует не только пространственная структура молекулы амилопектина, но и наличие в крахмальных зернах фосфата.

Крахмальные зерна имеют слоистую структуру. В каждом слое линейные молекулы амилозы и разветвлённые молекулы амилопектина связаны между собой водородными мостиками и строго ориентированы в пространстве. Отдельные молекулы амилозы или амилопектина пронизывают несколько слоёв, придавая устойчивость структуре крахмальных зёрен. Считается, что устойчивость структуры крахмальных зёрен усиливают минеральные вещества, белки, некрахмалистые полисахариды и липиды. Последние могут образовывать комплексные соединения с молекулами крахмала и препятствовать их гидролизу.

В воде крахмальные зерна поглощают влагу и набухают. Абсорбируется 25…30% воды к массе крахмальных зерен. Крахмальные зерна в начале набухания сохраняют свой внешний вид. Молекулы амилозы и часть молекул амилопектина с низкой степенью полимеризации растворяются и диффундируют в водную фазу. Набухание сопровождается ослаблением водородных связей между молекулами амилозы и амилопектина. По мере набухания на поверхности крахмального зерна сначала образуются радиальные трещины, затем крахмальное зерно распадается на несколько слоев, теряет свою структуру и наступает клейстеризация. Объем клейстера - студенистой, вязкой, опалесцирующей массы молочного цвета - почти в 100 раз превышает исходный объем крахмального зерна. На последней стадии клейстеризации структура крахмальных зерен полностью исчезает и образуется трёхмерная сетка, состоящая из молекул амилопектина. Ячейки этой сетки заполнены молекулами амилозы, образующими золь.

Чем медленнее повышается температура при затирании и чем интенсивнее кипятится отварка или несоложёная часть затора, тем полнее происходит клейстеризация крахмала. Для очищенных крахмальных зерен ячменя температура клейстеризации 70…800С. В присутствии амилолитических ферментов ячменя или солода температура клейстеризации крахмала ячменя и ячменного солода понижается примерно на 200 С. Одновременно амилолитические ферменты катализируют гидролиз молекул амилозы и амилопектина, поэтому картина изменений структуры крахмальных зерен несколько меняется.

Крупные крахмальные зерна клейстеризуются легче, чем мелкие, вероятно, из-за большего содержания минеральных веществ и белка в мелких крахмальных зернах.

Представителями некрахмалистых полисахаридов зерна ячменя являются гемицеллюлозы, гумми-вещества и целлюлоза.

Гемицеллюлозы и гумми-вещества зерна ячменя имеют примерно одинаковое строение молекул: на 80…90 % они состоят из бета-глюкана и продуктов его частичного гидролиза, на 10…20 % - из пентозанов. Полный гидролиз гемицеллюлоз в кислой среде дает в качестве продуктов гидролиза бета-глюкана в-глюкозу, а пентозанов - арабинозу и ксилозу.

Гемицеллюлозы нерастворимы в воде, но растворимы в разбавленных щелочных растворах.

Гумми-вещества растворимы в горячей воде и представляют собой среднемолекулярные продукты гидролиза гемицеллюлоз.

Гумми-вещества с молекулярной массой около 400 000 Дальтон имеют в растворе высокую вязкость, что положительно влияет на пенообразование, полноту, гармоничность вкуса пива.

Гемицеллюлозы обнаружены в составе стенок клеток эндосперма и в оболочках зерна ячменя. В «оболочечных» гемицеллюлозах присутствует много пентозанов и немного бета-глюкана и уроновых кислот, а в «эндосперменных» гемицеллюлозах присутствует много бета-глюкана, мало пентозанов и нет уроновых кислот.

Бета-глюкан - полисахарид с молекулярной массой около 2 млн Дальтон, состоящий из остатков молекул бета - Д- глюкозы, соединенных между собой связями бета-1,4 (70…74 % от общего количества связей) и бета-1,3 (26…30 % от общего количества связей). Последовательность расположения этих связей непостоянна.

Бета-глюкан в составе стенок клеток эндосперма занимает до 70 % и связан эфирными связями с белками (гидроксильная группа бета-глюкана с карбоксильной группой белка). В результате гидролиза этих связей во время солодоращения или во время затирания бета-глюкан становится растворимым и образует очень вязкий раствор, который затрудняет фильтрование затора. Особенно заметно проявляется отрицательное влияние бета-глюкана в заторе с большим количеством несоложеного ячменя. Во время солодоращения бета-глюкан гидролизуется глубже, чем при затирании, поэтому в заторе, приготовленном из 100 % солода, вязкость меньше, чем в заторе с добавкой несоложеного ячменя.

Целлюлоза - линейный полимер, состоящий из остатков молекул бета-Д-глюкозы, соединенных связями бета-1,4. Степень полимеризации в среднем равна 14 000 остатков молекул глюкозы. Конфигурация молекул глюкозы в виде «кресел» обусловливает «жесткую» структуру молекулы целлюлозы. Целлюлоза в основном находится в оболочках зерна ячменя, являясь основной составляющей стенок клеток оболочек. В зародыше целлюлоза обнаруживается в виде следов. В эндосперме нет целлюлозы.

Целлюлоза химически устойчива, нерастворима в воде, ее трудно гидролизовать даже кислотой в жёстком режиме. Целлюлоза прочно связана с лигнином и другими веществами оболочки зерна ячменя.

При прорастании зерна в природе, при солодоращении и приготовлении затора целлюлоза не претерпевает химических изменений. При фильтровании затора за счет присутствия оболочек зерна, содержащих прочную целлюлозу, создается рыхлый фильтрующий слой. После разделения сусла и дробины целлюлоза удаляется вместе с пивной дробиной.

1.2 Белки зерна ячменя

Молекулярная масса белков ячменя весьма разнообразна, отдельные белки имеют молекулярную массу несколько миллионов Дальтон.

В состав полипептидной цепочки молекулы белка входят остатки молекул 20 аминокислот и амидов (глицина, аланина, валина, лейцина, изолейцина, пролина, серина, треонина, фенилаланина, тирозина, триптофана, аспарагиновой кислоты, глутаминовой кислоты, лизина, аргинина, гистидина, цистеина, метионина, аспарагина и глутамина), связанных пептидными связями -СО-NH-.

Полипептидные цепочки могут соединяться между собой дисульфидными мостиками -S-S- и водородными связями -Н…Н-.

Остатки аминокислот расположены в каждой полипептидной цепочке в строго определенной последовательности.

Молекула белка имеет определенное трехмерное расположение в пространстве. Если это расположение меняется, то происходит денатурация белка, он лишается своих специфических свойств. Это особенно важно в отношении белков-ферментов, где важна не только общая конфигурация молекулы, но и ориентация химических групп активного центра белка-фермента.

В зерне ячменя имеются не только белки-ферменты, но и структурные белки. Последние обнаружены в оболочке, в эндосперме, в алейроновом слое. Структурные белки входят как в состав стенок клеток эндосперма, так и в состав внутриклеточной матрицы, в которую «вкраплены» крахмальные зерна.

Белки-ферменты находятся в алейроновом слое, в щитке и в зародыше зерна ячменя.

Белки-ферменты находятся в зерне ячменя в активной и в неактивной форме. Неактивная форма обусловлена связью молекулы белка-фермента с молекулой неактивного полипептида небольшой молекулярной массы. Активный центр белка-фермента не может участвовать в каталитической реакции, поскольку он «перекрыт» полипептидом. Для активации белка фермента требуется отделить молекулу полипептида от молекулы белка-фермента.

Современные исследователи классифицируют белки зерна ячменя по молекулярной массе, идентифицируют белки с помощью иммуноэлектрофореза.

В России до настоящего времени пивовары пользуются старыми классификациями белков.

По классификации Осборна белки делят на 4 группы.

1) Альбумины - белки, растворимые в чистой воде и в слабых солевых растворах. К альбуминам относятся многие белки-ферменты.

2) Глобулины - белки, нерастворимые в чистой воде и растворимые в разбавленных солевых растворах, в том числе в заторе и сусле. Различают альфа-, бета-, гамма-, и дельта-глобулины, из которых особую роль в пивоварении играет бета-глобулин, имеющий изоэлектрическую точку при рН 4,9, которая обычно не достигается в заторе, поэтому белок переходит в сусло и пиво и может быть причиной холодного помутнения в пиве, где достигается рН 4,9.

3) Проламины - белки, нерастворимые в чистой воде и солевых растворах, растворимые в 50…90 % растворах этилового спирта. Дельта- и эпсилон - проламины считаются виновниками обратимого и необратимого коллоидного помутнения пива.

4) Глютелины - белки, нерастворимые в растворах нейтральных солей и этилового спирта, но растворимые в щелочных растворах. Как правило, это структурные белки зерна ячменя, которые не переходят в сусло и пиво.

Среднее содержание альбуминов в зерне ячменя - 4 % от общего количества белка.

Среднее содержание глобулинов в зерне ячменя - 31 % от общего количества белка.

Среднее содержание проламинов в зерне ячменя - в процентах от общего количества белка -36, средняя молекулярная масса - 27500 Дальтон.

Среднее содержание глютелинов в зерне ячменя - 29 % в процентах от общего количества белка.

После экстрагирования водой из зерна ячменя растворимых азотистых веществ их разделяют по Лундину на фракции А, В и С в зависимости от растворимости, соответственно, в воде, в растворе щелочи, в водно-спиртовом растворе.

К фракции А относят высокомолекулярные азотистые вещества, к фракции В - среднемолекулярные азотистые вещества (пептоны и полипептиды), к фракции С - низкомолекулярные азотистые вещества (пептиды, аминокислоты и амиды).

Часть растворимых азотистых веществ, выпадающих в осадок при кипячении сусла с хмелем, называют в пивоварении коагулируемым азотом.

В пивоваренном ячмене хорошего качества содержание белка составляет 11,0…11,5%. Содержание белка менее 9% свидетельствует о малом потенциале активности ферментов и иногда о потере прорастаемости зерна ячменя, о потенциально плохой пене и недостаточной полноте вкуса пива. Содержание белка более 12% создает проблемы из-за пропорционального понижения экстрактивности ячменя, повышенной стекловидности эндосперма, ухудшения коллоидной стойкости пива.

В крупных зернах ячменя одного ботанического сорта содержится меньше белка, чем в зернах среднего и мелкого размера. После сортирования в зерне 1 сорта обнаружено 10,7 % белка, в зерне 2 сорта - 11,3 % белка, в зерне 3 сорта - 12,9 % белка.

В зернах ячменя с мучнистым эндоспермом содержание белка намного меньше, чем в зернах со стекловидным эндоспермом.

Кроме простых белков (протеинов) в зерне ячменя содержатся сложные белки (протеиды), имеющие в своем составе белковистую и небелковистую части:

а) фосфопротеиды, которые содержат белок и фосфат;

б) гликопротеиды, содержат белок и углевод;

в) липопротеиды, которые содержат белок и липоид;

г) хромопротеиды, которые содержат белок и пигмент;

д) нуклеопротеиды, которые содержат белок и нуклеотид. Нуклеотид состоит из остатков молекул пуриновых и пиримидиновых азотистых оснований, пентоз и фосфатов. Важнейшими нуклеотидами являются ДНК и РНК.

1.2.1 Белки-ферменты зерна ячменя

Самостоятельно ознакомьтесь с общими положениями, классификацией, структурой, механизмом действия ферментов, условиями их действия по конспектам лекций и учебнику по биохимии.

Рассмотрим ферменты, представляющие интерес для технологии солода и пива.

Из карбогидраз зерна ячменя наиболее важны ферменты, гидролизующие низшие углеводы (дисахариды), крахмал и гемицеллюлозу.

В покоящемся зерне ячменя обнаружена активная бета-амилаза (1,4 - альфа - D-глюкан-4-мальтогидролаза), катализирующая гидролиз альфа-1,4 связей молекулы амилозы с нередуцирующего конца с отщеплением молекул мальтозы. Если в молекуле амилозы четное число остатков молекул глюкозы, то такая молекула амилозы полностью гидролизуется до мальтозы, а если нечетное, то до мальтозы и одной молекулы мальтотриозы.

Молекула амилопектина гидролизуется с участием бета-амилазы с нередуцирующих концов боковых цепочек до мальтозы. Гидролиз боковых цепочек амилопектина до мальтозы прекращается за два-три остатка молекул глюкозы до места разветвления (альфа-1,6 связи).

В результате молекула амилопектина гидролизуется с участием бета-амилазы до мальтозы и конечных (предельных) декстринов, дающих красное окрашивание с раствором йода.

В зерне ячменя бета-амилаза находится как в активной (свободной), так и в неактивной (связанной) форме. Неактивная форма может быть превращена в активную под действием редуцирующих веществ с сульфгидрильными (-SH) группами или под действием протеолитических ферментов.

Оптимальный рН бета-амилазы в заторе 5,4…5,6, оптимальная температура в заторе 60…650С. Температура инактивации в заторе 700С. Бета-амилаза сохраняет активность в диапазоне рН от 4 до 8. Молекулярная масса молекулы бета-амилазы примерно 54 000 Дальтон. Обнаружен ряд изоферментов бета-амилазы. Все они принадлежат к альбуминам.

Бета-амилаза необратимо инактивируется ионами тяжелых металлов (Cu, Ag, Hg), галогенами (хлором, бромом), озоном. Инактивация наступает в результате окисления сульфгидрильных групп (-SH) в дисульфидные группы (-S-S-).

В зерне ячменя в связанном виде обнаружена альфа-глюкозидаза (мальтаза, альфа-D-глюкозидглюкогидролаза), катализирующая гидролиз мальтозы до двух молекул глюкозы. Оптимальный рН для действия альфа-глюкозидазы в заторе равен 6, оптимальная температура 35…400С. При температуре выше 400С альфа-глюкозидаза быстро теряет активность.

В зерне ячменя обнаружена незначительная активность сахаразы (инвертазы, бета-D-фруктофуранозид-фруктогидролазы), которая катализирует гидролиз сахарозы до глюкозы и фруктозы. Оптимальный рН для действия сахаразы 5,5, оптимальная температура 500С. Ионы меди, серебра и магния обратимо ингибируют сахаразу. Сахараза обнаружена в растворимой форме в зародыше, щитке и эндосперме, а в нерастворимой форме - в щитке и эндосперме.

Конечная (предельная) декстриназа в зерне ячменя изучена недостаточно. Она катализирует гидролиз альфа-1,6 связей в конечных (предельных) декстринах до глюкозы, мальтозы, мальтотриозы и прямолинейных олигосахаридов. Оптимальный рН в заторе 5,1, оптимальная температура в заторе 55…600С, температура инактивации более 650С.

Гидролиз бета-глюкана катализируют несколько ферментов: эндо-1,3- и эндо-1,4-бета-глюканазы до гумми-глюкана, а затем до глюканодекстрина с уменьшением вязкости затора. При более длительном гидролизе образуются глюкоза, дисахариды целлобиоза и ламинарибиоза, олигосахариды.

В зерне ячменя мала активность эндо-бета-глюканаз. Они имеют оптимальный рН 4,5…4,8, оптимальную температуру 40…450С, инактивация наступает при температуре выше 550С. Ионы кальция инактивируют бета-глюканазу, ионы железа двухвалентного, марганца двухвалентного и кобальта активируют ее.

В зерне ячменя содержится активная экзо-бета-глюканаза, катализирующая гидролиз бета-1,4 групп бета-глюкана с нередуцирующего конца с отщеплением целлобиозы и ламинарибиозы, а в случае наличия разветвлений - и глюкозы. Вязкость затора при этом снижается медленно. Оптимальный рН 4,5, оптимальная температура менее 400С Фермент экзо-бета-глюканаза полностью инактивируется при температуре выше 400С.

Высокую активность в зерне ячменя имеет фермент целлобиаза, катализирующий гидролиз дисахарида целлобиозы до двух молекул глюкозы. Оптимальный рН 4,5…5,0. Фермент быстро инактивируется даже при комнатной температуре.

В зерне ячменя содержится фермент ламинарибиаза, который катализирует гидролиз бета-1,3 связи в молекуле дисахарида ламинарибиозы до двух молекул глюкозы. Оптимальный рН 5,0, оптимальная температура 370С. При температуре более 550С фермент быстро инактивируется.

Активность целлюлазы и пентозаназ в зерне ячменя относительно невелика, их влияние на солодоращение и пивоварение незначительно.

Ферменты, катализирующие гидролиз белков, или протеолитические ферменты, разделяют на эндопептидазы (протеиназы) и экзопептидазы (пептидазы).

Особенности гидролиза белков с участием эндопептидаз заключаются в том, что пептидные связи гидролизуются внутри белковой глобулы с образованием полипептидов и пептидов различной молекулярной массы. Известно 50 разновидностей эндопептидаз, отличающихся друг от друга тем, что они катализируют гидролиз пептидной связи рядом с определенными аминокислотами в полипептидной цепочке.

Экзопептидазы катализируют гидролиз пептидных связей в молекулах белка, полипептидов, олигопептидов и дипептидов, начиная со свободных концов цепочек остатков аминокислот с образованием свободных аминокислот.

Экзопептидазы подразделяют по принципу субстратной специфичности на три группы: аминопептидазы, карбоксипептидазы и дипептидазы.

Аминопептидазы катализируют гидролиз пептидной связи концевого остатка аминокислоты, имеющего свободную аминогруппу (-NH2).

Карбоксипептидазы катализируют гидролиз пептидной связи концевого остатка аминокислоты, имеющего свободную карбоксильную группу (-СООН).

Дипептидазы катализируют гидролиз пептидных связей в молекулах дипептидов с образованием двух молекул аминокислот.

Более детальная классификация аминопептидаз и карбоксипептидаз основана на их специфичности в отношении концевых остатков определенных аминокислот. Например, лейцинаминопептидаза катализирует гидролитическое отщепление лейцина от конца аминокислотной цепочки, если лейцин имеет свободную аминогруппу, серинкарбоксипептидаза катализирует гидролитическое отщепление серина от конца аминокислотной цепочки, если серин имеет свободную карбоксильную группу и так далее, для каждой из 20 аминокислот.

Полагают, что дипептидазы не обладают подобной специфичностью и катализируют гидролиз пептидной связи в любых дипептидах независимо от того, из остатков каких аминокислот они состоят.

Многообразие протеолитических ферментов затрудняет их подробное изучение.

Из эндопептидаз ячменя и солода наиболее хорошо изучены кислые эндопептидазы, имеющие оптимальный рН в заторе 5,0…5,3. Они присутствуют в зерне ячменя, их активность возрастает при солодоращении в 5…6 раз за счет освобождения молекул ферментов, связанных и ингибиторами полипептидной природы. В качестве доказательства был выделен полипептид, состоящий из 69 остатков аминокислот, который ингибировал цистинэндопептидазу в алейроновом слое зерна ячменя.

Кислые эндопептидазы солода термостабильны, имеют достаточно высокую активность в условиях затирания в пивоварении. Они обнаружены среди альбуминов и глобулинов белка ячменя. Сухой ячменный солод имеет на 10…30% более высокую активность эндопептидаз, чем свежепроросший солод, поскольку они активируются во время сушки.

В непроросшем зерне ячменя обнаружены кислые карбоксипептидазы. Во время солодоращения их активность возрастает в 2…4 раза, оптимальный рН равен при затирании 4,8…5,6, оптимальная температура 50…550С, термостабильность сохраняется до 700С. Кислые карбоксипептидазы важны для пивоварения, так как проявляют активность в условиях затирания.

Дипептидазы имеют довольно высокую активность в зерне ячменя, обнаруживаются в основном в зоне зародыша. При солодоращении их активность возрастает в 2…3 раза и еще в 2 раза при подсушивании солода. К концу сушки солода активность дипептидаз резко снижается, но все же имеет более высокую величину, чем в свежепроросшем солоде.

Оптимальный рН дипептидаз 8,2 и относительно низкая термостабильность делают роль дипептидаз в пивоварении несущественной.

Протеолитические ферменты зерна ячменя активируются и синтезируются заново в алейроновом слое зерна.

Эстеразы - ферменты, катализирующие расщепление эфирных связей. Представителями эстераз являются липазы, кислые фосфатазы.

В зерне ячменя обнаружены липазы, катализирующие гидролитическое расщепление липида (триглицерида) с образованием сначала диглицерида и жирной кислоты, а при более длительном воздействии отщепляются второй и третий остатки жирных кислот. Липазы прочно связаны со структурным белком. Их действие ограничено поверхностью между капельками липидов и водной фазой. Липазы имею невысокую специфичность, действуют и на триглицерид, и на простой эфир. Оптимальная температура 35…400С, оптимальный рН около 6,8. Липаза активируется ионами кальция.

Кислые фосфатазы зерна ячменя катализируют гидролитическое расщепление эфиров фосфорной кислоты. Катализ неспецифичный, поэтому катализируется гидролиз различных эфиров фосфорной кислоты. Оптимальный рН 4,5…5,0, оптимальная температура около 530С.

1.3 Липиды зерна ячменя

В зерне ячменя обнаружено 2…3% липидов в пересчете на АСВ. 2/3 от общего количества липидов находится в алейроновом слое, 1/3 - в зародыше.

Липиды - это эфиры глицерина и жирных кислот. Их называют ацилглицеридами. Глицерин - трехатомный спирт. Он может присоединять один, два, три остатка молекул жирных кислот. Образуется от общего количества липидов зерна ячменя 0,5% моноглицеридов, 3% диглицеридов, около 95% триглицеридов.

В зерне ячменя находятся липидоподобные вещества (липоиды), такие, как фосфолипиды лецитин и кефалин. В этих соединениях глицерин этерифицирован двумя остатками жирных кислот и одним остатком фосфорной кислоты, которые связаны также с холином и этаноламином. Холин - регулятор липидного обмена, ростовое вещество. Лецитин и кефалин участвуют в обеспечении проницаемости клеточных стенок.

К липоидам относится фитостерин - высокомолекулярный циклический спирт, вероятно, выполняющий функцию фитогормона и образующий сложные комплексы с белками.

К липоидам относят горькие вещества ячменя, нерастворимые в чистой воде, но растворимые в воде, содержащей СаСО3. Они придают пиву вяжущий привкус и неприятную горечь. Положительная роль заключается в том, что некоторые горькие вещества ячменя (гордецин) обладают антисептическим действием. Если замачивать ячмень в слабощелочном растворе, то горькие вещества экстрагируются из оболочек зерна ячменя, что позволяет при смене замочной воды удалить их и получить солод, а из него пиво относительно светлое, с тонким нежным вкусом.

В мягкой воде из оболочек зерна ячменя экстрагируется меньше горьких веществ, чем в жесткой воде.

Во время солодоращения часть липидов расходуется на дыхание зародыша как запасное энергоемкое вещество.

Основная часть липидов в пивоварении переходит в дробину. Незначительная часть липидов остается в пивном сусле, что нежелательно, так как липиды являются поверхностно активными веществами - пеногасителями, а также легко окисляются кислородом воздуха. В результате окисления липидов ухудшается вкус пива, оно прогоркает, образуются перекиси жирных кислот.

1.4 Полифенолы зерна ячменя

Полифенолы зерна ячменя подразделяют на четыре группы:

1)дубильные вещества с молекулярной массой от 1000 до 5000 Д;

2)антоцианогены (преобладают в зерне ячменя среди полифенолов);

3)флавоноиды;

4) кислоты дубильных веществ.

Дубильные вещества легко растворяются в воде, образуя коллоидные растворы с сильным вяжущим вкусом.

Дубильные вещества подразделяют на конденсируемые и гидролизуемые.

Конденсируемые дубильные вещества - это в основном полимеры или сополимеры катехинов и лейкоантоцианов. Под влиянием растворов кислот они увеличивают свою молекулярную массу и образуют нерастворимые окрашенные аморфные соединения, вызывают коллоидное помутнение пива.

Гидролизуемые дубильные вещества при обработке разбавленными растворами кислот образуют более низкомолекулярные соединения.

Обе группы дубильных веществ содержат углеводный компонент, обычно глюкозу.

При ферментативном окислении дубильные вещества превращаются во флобафены красного и коричневого цвета, нерастворимые в холодной, но растворимые в горячей воде.

Катехин - 3,4,5,7-тетраоксифлавон - наиболее восстановленное вещество из флавоноидов. Катехин является производным флавонолов и антоцианов.

Лейкоантоциан - бесцветное, легко окисляемое, очень неустойчивое соединение. При обработке кислотами легко переходит в окрашенный антоцианидин.

К антоцианидинам относятся антоцианогены - интенсивно окрашенные соединения. Они отрицательно влияют на коллоидную стойкость, на стабильность вкуса и запаха, пену и цвет пива. Даже низкобелковистый ячмень может дать пиво с низкой коллоидной стойкостью из-за высокого содержания антоцианогенов.

В зависимости от того, какая функциональная группа (-Н; -ОН;- ОСН3) и в каком сочетании входит в состав молекулы антоцианидина, соединение приобретает ту или иную окраску Две группы -Н дают соединение желтовато-красного цвета; сочетание групп -ОН и -Н - фиолетово-красного цвета.

Антоцианидины могут менять окраску в зависимости от рН среды, то есть обладают индикаторными свойствами.

Антоцианидины и катехины могут взаимодействовать при кипячении с минеральными кислотами, образуя конденсированный катехин с адсорбированными на нем молекулами антоцианидина. Этот комплекс имеет красные цвет.

К флавоноидам относятся кверцитрин и рутин, обладающие Р-витаминной активностью. Рутин и аскорбиновая кислота участвуют в процессе дыхания зародыша в качестве окислительно-восстановительного комплекса.

Из кислот дубильных веществ в ячмене обнаружены в мякинной оболочке ванилиновая, сиреневая, феруловая, параоксибензойная и кумариновая кислоты. Некоторые из этих кислот являются ингибиторами прорастания зерна ячменя и частично экстрагируются из оболочки зерна при замачивании, поэтому замочную воду не всегда можно повторно использовать для замачивания зерна, чтобы не ухудшить проращивание зерна следующей партии. Обычно рекомендуют повторно использовать замочную воду с апреля по июль, когда в зерне содержится относительно мало ингибиторов прорастания.

Замечено, что чем меньше белков в зерне ячменя, тем больше в нем полифенолов. Солод из ячменя с избытком полифенолов дает сусло с интенсивным цветом и отрицательно влияет на вкус пива.

Полифенолы ячменя и солода в меньшей степени взаимодействуют с белками ячменя во время кипячения сусла, чем полифенолы хмеля. В результате образуется относительно немного нерастворимых белково-полифенольных комплексов, сусло хуже осветляется при кипячении без хмеля.

Полифенолы зерна ячменя разнообразны по химическому составу и свойствам, поэтому их трудно изучать и направленно регулировать содержание отдельных полифенолов в солоде, сусле и пиве, но это необходимо делать, например, применяя при фильтровании пива поливинилполипирролидон (ПВПП), специфический адсорбент полифенолов.

1.5 Минеральные вещества зерна ячменя

Количество минеральных веществ в зерне ячменя колеблется в пределах 2,5…3,5% на АСВ в зависимости от агротехники, особенностей климата и почвы.

Минеральные вещества влияют на проращивание зерна, на сбраживание дрожжами пивного сусла, на вкус пива. Ионы металлов могут выступать в роли коферментов, без которых ферменты неактивны, могут быть ингибиторами ферментов, причем ряд металлов играет и активирующую, и ингибирующую роль в зависимости от концентрации.

О влиянии отдельных катионов и анионов на вкус пива смотрите в конспектах лекций по технологии пива.

Минеральные вещества зерна ячменя имеют следующий состав (после озоления), в процентах от общего количества минеральных веществ: Р2О5 - 35,0…35,1; SiO2 - 25,91…26,0; K2O - 20,92…21,00; MgO - 8,00…8,83; CaO - 2,64…3,00; Na2O - 2,50…2,89; SO3 - 1,8…2,0; Fe2O3 - 1,19…1,50.

Из микроэлементов в зерне ячменя содержатся в количествах более 11 мг на 100 г СВ зерна цинк, хром, марганец, олово, свинец, никель, литий, алюминий, серебро, кобальт.

Почти 80 % минеральных веществ входят в состав органических соединений.

Фосфаты входят в состав фитина, фосфатидов, нуклеиновых кислот. Фосфаты создают буферность сусла и затора в диапазоне рН 5,67…4,27, в первую очередь фосфаты, входящие в состав фитина, состоящего из циклического шестиатомного спирта инозита и шести остатков фосфата. На долю фитина приходится около 0,9 % СВ зерна ячменя. В зерне ячменя фитин находится в виде солей кальция, магния и калия. Фосфат входит в состав АТФ, без которого невозможен энергетический обмен. АТФ - накопитель и передатчик энергии макроэргических связей.

Ионы кальция, магния и калия являются коферментами многих ферментов и играют важную роль при проращивании зерна и осахаривании крахмала.

Кремниевая кислота (силикат) обнаружена в оболочках зерна ячменя, в составе крахмальных зерен. Она укрепляет структуру оболочек и крахмальных зерен.

Несмотря на относительно небольшие концентрации других минеральных веществ, их роль в пивоварении и в технологии солода очень существенна. В частности, цинк играет большую роль в синтезе белков и размножении дрожжевых клеток в качестве кофермента алкогольдегидрогеназы. При дефиците цинка в сусле замедляется рост дрожжей, брожение и дображивание. В солоде содержится 3,0…3,5 мг цинка на 100 г СВ, особенно в оболочках и алейроновом слое. В сусло переходит 10…20% от этого количества. Когда концентрация цинка ниже 0,15…0,18 мг на дм3 сусла, возникают проблемы, названные выше. Подобран режим затирания, позволяющий не допустить значительного уменьшения содержания цинка в сусле. Иногда в сусло добавляют сернокислый цинк, поскольку не всегда удается сохранить цинк зерна ячменя, так как его связывают некоторые аминокислоты, полифенолы, фитин и другие вещества.

2. Химический состав шишек хмеля

В состав шишек хмеля входят ценные для пивоварения горькие кислоты, эфирные масла, дубильные (полифенольные) вещества.

Химический состав высушенных шишек хмеля в процентах:

Вода 10…14

Горькие кислоты и хмелевые смолы 16…26

Эфирные масла 0,2…1,7

Дубильные (полифенольные) вещества 2…5.

К второстепенным для пивоварения химическим веществам относятся:

Целлюлоза 12…16

Минеральные вещества 6..9,

а также азотистые вещества, углеводы, липиды, органические и неорганические кислоты, витамины, алкалоиды, фитогормоны, красящие вещества.

Химический состав хмелевых шишек зависит от сорта, условий выращивания, сроков уборки, послеуборочной обработки.

Горькие вещества хмелевых шишек находятся в зернышках лупулина. Они уникальны, не обнаружены в других растениях. Эти вещества многочисленны. Японские ученые выделили 90 различных горьких веществ хмеля.

Горькие вещества хмелевых шишек классифицируют по группам: горькие кислоты, мягкие смолы и твердые смолы. Все эти вещества экстрагируются метиловым спиртом и растворяются в диэтиловом эфире.

Альфа-горькие кислоты - это гумулон, когумулон, адгумулон, прегумулон и постгумулон.

Альфа-горькие кислоты - кристаллические оптически активные вещества с горьким вкусом, без запаха. Их растворимость в воде незначительна (420 мг/дм3). Растворимость в сусле зависит от рН: при рН 6 растворимость составляет 500 мг/дм3, а при рН 5,2 - 85 мг/дм3.

Продуктами изомеризации альфа-горьких кислот, образующимися при кипячении сусла с хмелем, растворимыми в сусле и потому особо ценными для пивоварения, являются изо-альфа-горькие кислоты - изогумулон, изокогумулон, изоадгумулон и их цис- и транс-изомеры. При изомеризации шестичленное кольцо альфа-кислоты превращается в пятичленное кольцо изо-альфа-кислоты.

В зависимости от ботанического сорта хмеля содержание в нем альфа-горьких кислот колеблется от 1 до 16%. Альфа-горькие кислоты обеспечивают 90% горечи сусла.

Бета-горькие кислоты - это лупулон, колупулон, адлупулон, прелупулон и постлупулон.

Бета-горькие кислоты - кристаллические оптически неактивные вещества, не обладающие горечью,их растворимость в воде и в сусле зависит от рН и температуры. При их окислении образуются вещества, имеющие приятную горечь. Наиболее изучены из этой группы веществ гулупоны.

Гулупоны - масло светло-желтого цвета с горьким вкусом. Горечь гулупонов резкая, но приятная, она составляет от 1/3 до 2/3 горечи изо-альфа-горьких кислот.

В процессе окисления около 80% от общего количества бета-горьких кислот превращаются в гулупоны, а остальные 20% - в другие производные.

Альфа- и бета-горькие кислоты хмелевых шишек обладают антибиотическими свойствами, причем у бета-горькой кислоты они сильнее, чем у альфа-горькой кислоты. Эти антибиотические свойства проявляются по отношению к грамм-положительным и грам-отрицательным бактериям, но не к дрожжам, что важно для пивоварения, так как при оптимальном содержании горьких кислот повышается биологическая стойкость пива, но не подавляется жизнедеятельность дрожжей при сбраживании ими пивного сусла.

Мягкие альфа- и бета-смолы - продукты окисления альфа- и бета-горьких кислот.

Твердые смолы - продукты окисления альфа- и бета-мягких смол.

По влиянию на горечь пива предложена следующая оценка «используемой горечи» в процентах:

Изо-альфа-горькие кислоты 100

Бета-горькие кислоты 33…66

Альфа-мягкие смолы 36

Бета-мягкие смолы 29

Дельта-твердые смолы 12

Гамма-твердые смолы 0.

Вельмер предложил для практической оценки величины горечи хмеля следующую формулу:

Величина горечи = Альфа-кислоты +1/9 (Бета-кислоты +

+ Мягкие смолы)

Салач и Дир считают, что более справедлива формула:

Величина горечи = Альфа-кислоты +1/3 (Бета-кислоты +

+Мягкие смолы).

Итак, из всего многообразия горьких веществ хмелевых шишек наиболее ценными для пивоварения являются альфа-горькие кислоты в изомеризованной форме. Помимо основного вклада в величину горечи пива, некоторые изомеры альфа-кислот обладают хорошей пенообразующей способностью (являются поверхностно активными веществами).

Эфирные масла хмелевых шишек обусловливают специфический аромат хмеля и охмеленного сусла. Несмотря на то, что при кипячении сусла с хмелем (80…90) % эфирных масел улетучиваются, они определяют аромат пива, особенно светлого.

Эфирные масла, как и горькие вещества, находятся в хмелевой шишке в зернышках лупулина.

Химический состав эфирных масел очень сложен и представлен многими классами органических соединений: 51 углеводородом, 62 эфирами, 37 спиртами, 31 кетоном, 10 альдегидами, 7 органическими кислотами, 6 сернистыми соединениями и 20 неидентифицированными веществами (всего 224 соединения). Главенствующая роль отдельных соединений эфирных масел для пивоварения не установлена. Содержание отдельных веществ в эфирном масле зависит от сорта хмеля.

Хмелевые эфирные масла легко окисляются, при этом резко меняется их запах, пиво приобретает неудовлетворительный запах ( иногда запах чеснока). Шишковой хмель следует хранить в темном помещении при температуре близкой к 00С в течение не более 1 года, чтобы сохранить эфирные масла в неокисленном состоянии. Кроме того, для предотвращения окисления эфирных масел применяют упаковку шишек хмеля или хмелепродуктов под вакуумом или в атмосфере азота в газонепроницаемую упаковку из фольги.

Считают, что в процессах биосинтеза эфирных масел и горьких веществ хмеля участвуют одни и те же вещества, в частности, уксусная кислота и изопрен.

Дубильные (полифенольные) вещества хмелевых шишек более разнообразны, чем в зерне ячменя. Они значительно лучше растворяются в воде, более реакционноспособны (легче окисляются и имеют большую восстановительную способность) и менее стабильны, имеют вяжущий вкус. Полифенольные вещества находятся в лепестках хмелевых шишек.

Полифенольные вещества хмелевых шишек обладают антибиотическими свойствами. Они защищают горькие кислоты хмеля от окисления.

Полифенольные вещества хмелевых шишек представлены антоцианогенами, лейкоантоцианами, катехинами, фенолкарбоновыми кислотами, флавонолгликозидами, кумаринами, кислотами дубильных веществ, галловой кислотой, прокатеховой кислотой.

В хмелевых шишках обнаружены галлотаннины - сложные эфиры галловой кислоты с глюкозой. К молекуле глюкозы может присоединиться до 5 молекул галловой кислоты.

Галлотаннины в очищенном виде предложено применять в пивоварении для удаления нестойких белков из пива.

Антоцианогены составляют около 80% общего количества полифенольных веществ шишек хмеля.

Полифенольные вещества хмеля несут отрицательный заряд, белковистые вещества ячменя и солода - положительный. При кипячении сусла с хмелем заряды нейтрализуются, образуются белково-полифенольные (белково-дубильные) комплексы в виде крупных хлопьев, которые легко осаждаются, осветляя сусло.

Лучшим считается хмель с содержанием полифенольных веществ не более 4,5%. Большее количество полифенолов придает пиву неприятную горечь. Избавиться от избытка полифенольных веществ можно, обрабатывая хмель в течение 2 мин кипящей водой.

Ранее считали, что полифенольные вещества шишек хмеля придают пиву грубый вкус, но выяснилось, что полифенольные вещества зерна ячменя более ответственны за грубый вкус пива.

Если хмель долго хранят в присутствии кислорода, то происходит окисление и конденсация полифенольных веществ, образуются красно-коричневые флобафены, которые при взаимодействии с белками образуют нерастворимые комплексы, а с солями железа - соединения черного цвета, вызывающие помутнение и ухудшающие вкус и цвет пива.

химический сырье пивоваренный производство

Литература

1. Le, Fevre Cours De Chymie. Курс Химии / Le Fevre, Nicolas; Ле Февр, Николай. - М.: Paris: Chez Jean-Noel Leloup, 2013. - 491 c.

2. Thurneisser Megale Chimia. Высшая Химия / Thurneisser, Leonhardt; Турнейзер, Леонард. - М.: Berlin, Nicolaum Bolsen, 2011. - 172 c.

3. Азимов, А. Краткая история химии / А. Азимов. - М.: СПб: Амфора, 2014. - 272 c.

4. Артеменко, А.И. Органическая химия. Теоретические основы. Углубленный курс / А.И. Артеменко. - М.: Машиностроение, 2010. - 384 c.

5. Ахметов, Н.С. Лабораторные и семинарские занятия по общей и неорганической химии / Н.С. Ахметов, М.К. Азимова, Л.И. Бадыгина. - М.: Наука, 2013. - 368 c.

6. Власов, Л. Занимательно о химии / Л. Власов, Д. Трифонов. - М.: Мир, 2010. - 256 c.

7. Глинка, Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов / Н.Л. Глинка. - М.: РГГУ, 2015. - 704 c.

8. Гоникберг, М.Г. Высокие и сверхвысокие давления в химии / М.Г. Гоникберг. - М.: Академии наук СССР, 2012. - 776 c.

9. Гудкова, А.С. 500 задач по химии: Пособие для учащихся / А.С. Гудкова, К.М. Ефремова, Н.Н. Магдесиева, и др.. - М.: СПб. [и др.] : Питер, 2015. - 159c.

10. Дикерсон, Р. Основные законы химии / Р. Дикерсон, Г. Грей, Дж. Хейт. - М.: РГГУ, 2015. - 603 c.

11. Задачи и упражнения по общей химии: Учебное пособие / ред. Н.В. Коровин. - М.: Высшая школа, 2015. - 255 c.

12. Зурабян, С.Э. Биоорганическая химия. Fundamentals of Bioorganic Chemistry. Textbook for Medical Students / С.Э. Зурабян, Zurabyan, S.E.. - М.: Наука, 2010. - 320 c.

13. Калаганов, Б.Ф. Задачи и упражнения по общей химии / Б.Ф. Калаганов, З.В. Плоткина. - М.: Машиностроение, 2012. - 122 c.

14. Маршелл, Э. Биофизическая химия / Э. Маршелл. - М.: СИНТЕГ, 2012. - 358 c.

15. Мейер История химии от древнейших времен до наших дней (Алхимия) / Мейер, Фон Эрнст. - М.: Машиностроение, 2011. - 530 c.

16. Моррисон, Р. Органическая химия / Р. Моррисон, Р. Бойд. - М.: Гостехиздат, 2012. - 565 c.

Размещено на Allbest.ru