Ферменты микробиологического происхождения - улучшители фильтруемости сусла и пива Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

Ферменты микробиологического происхождения — улучшители фильтруемости сусла и пива

Р. Главарданов

«Новозаймс» (г. Вена, Австрия)

Самый значительный компонент ячменного зерна, как основной носитель экстракта — крахмал. Он находится в зернах всех злаковых культур в форме зернышек, характерных для данной культуры, и включен в структуру эндосперма зерна органическими полимерными связями. Эти структуры служат составляющими частями клеточных стенок в эндосперме.

Клеточные стенки эндосперма ячменя состоят из 75 % 1-3-, 1-4-Р-глюкана,

* Более точные показатели неизвестны

20 % арабоксиланов, около 5 % белков и кроме того, в незначительных количествах содержатся клетчатка, глюкано-манан и дубильные кислоты.

В качестве носителей прочности клеточных стенок выступают вышеупомянутые естественные полимеры, в состав которых в самом большом количестве входит Р-глюкан, который благодаря своим свойствам может вызывать значительные трудности, связанные с фильт-руемостью сусла и пива.

Таблица 2

По своей природе макромолекула ß-глюкана в водном растворе очень вязкая и склонна к гелеобразованию. Она построена из единиц ß-D-глюкозы, связанных ß-1,4-связями (около 74 %) и ß^-3-свя-зями (около 26 %), причем расположение связей линейное, но не однородное. В стенках эндоспермических клеток ячменя ß-глюканы, а также и пентозаны связаны с белками эфирными связями между карбоксильными группами белков и гидроксильнымы группами полисахаридов. В процессе солодоращения и затирания эти связи путем ферментного гидролиза разрушаются, таким образом освобождаются углеводы, и очень вязкий ß-глюкан (молекулярная масса около 2 000 000) становится растворимым. В дальнейшем его гидролиз ß-глюканазами идет через глюкановые гуммиобразные вещества до образования глюкановых декстринов и олигосахаридов; при этом молекулярная масса понижается, а также снижается вязкость раствора. Подобно гидролизу крахмала и здесь конечным продуктом реакции является глюкоза, которая получается через дисахариды ß-D-1,4-целлобиозу и ß-D-ламинарибио-зу. Содержание ß-глюкана в ячмене, солоде и сусле показано в табл. 1.

ß-Глюканазы ячменя, солода и ß-глюканазы микробиологического происхождения. В процессе солодоращения ферментный гидролиз ß-глюкана, т. е. клеточных стенок (цитолиз) [1, 2], протекает подобно изображению на рис. 1, и успешность этого гидролиза прямо пропорциональна продолжительности проращивания ячменя. Считают, что гидролизу ß-глюкана предшествует действие экзокарбоксипептидазы, ß-глю-кансоллюбилазы и других ферментов, принимающих участие в гидролизе ß-глю-кана (рис. 1).

При температуре затора, превышающей 55 °С, что является окончательной температурой активности эндо^-глю-каназы солода, ß-глюкан-соллюбилаза очень активна даже и при температуре до 75 °С, и под ее влиянием освобождаются добавочные количества высокомолекулярного ß-глюкана, влияющего непосредственно на вязкость затора и получение ß-глюкановых студней, ухудшающих фильтруемость сусла и пива (табл. 2).

Один из путей решения этой проблемы — производство хорошо растворенного, даже и перерастворенного солода и применение так называемой диаграммы затирания «Hoch-Kurz» (т.е. короткого затирания при высоких температурах).

Конечно, самый успешный вариант — применение добавки ß-глюканаз микробиологического происхождения. Непосредственным подтверждением этого служит многолетний положительный опыт

Фермент Температура инактивирования, °С

Эндо^-глюканаза 55

Экзо^-глюканаза <60

Арабинозидаза 60

Эндо-ксиланаза <60*

Экзо-ксиланаза <60*

Карбоксипептидаза =80*

Ксилоацетоэстераза =70*

Эстеразаферула кислоты =70*

Рис. 1. Ферментный гидролиз ß-глюкана

Таблица i

Показатель В среднем Минимум Максимум Коэффициент вариации,%

Ячмень, % на сухое вещество 3,00 1,95 3,67 13,9

Солод, % на сухое вещество 0,93 0,45 1,76 36,8

Сусло, мг/л Растворимые ß-глюканы в солоде, % на сухое вещество Доля растворимых ß-глюканов, % 339 0,30 31,74 107 0,09 20,91 869 0,70 48,39 46,5 46,5 20,49

.....""".........

' 1•2004

Показатель Контрольный солод (К) Вариант 1 (VI) Вариант 2 ^2)

Вязкость 8,6% э, мПа-с 1,57 1,73 Солод варианта 1

с комбинацией

Содержание Р-глюкана, мг/л 0,16 0,44 ферментов Церемикс

Разница экстракта ЕВС, % СВ 1,3 3,3 2x1 + Ультрафло

Препарат Зона рН | Температурная зона, °С

Новозайм 280 3,8-5,8 45...65

Целлюкласт 4,2-6,8 55...70

Церефло 5,8-8,5 30.70

Финизим 3,4-5,8 45.65

специалистов пивоварения во всем мире. Исследования кинетики гидролиза Р-глю-кана в процессе изотермического затирания на 50 и 72 °С, проведенные Г. Кабакт-чиевой-Янковой [3], также представляют своеобразное подтверждение этого факта (рис. 2, а и б). В данной работе применяли два типа солода, основная разница которых состояла в содержании Р-глю-кана и вязкости лабораторного сусла, а также в разнице экстракта тонкого и грубого помола солода, другими словами, в растворении эндосперма.

Обозначения на рис. 2 и 3 и характеристики солодов показаны в табл. 3.

Таблица 3

Таблица 4

Самым успешным оказался вариант 2, обеспечивающий хорошую филь-труемость сусла и пива. Он стал возможным благодаря развитию производства ферментов микробиологического происхождения в 60-х годах прошлого века [2]. Среди этих ферментов самое широкое распространение для расщепления клеточных стенок пивоваренного сырья(ци-толиза) получили такие препараты, как Церефло (Cereflo), Финизим (Fiпizym), Новозайм 280 (Novozyme 280) и Цел-люкласт (Celluclast). Характеристики данных ферментных препаратов приведены в табл. 4.

Эффективность действия ферментов, приведенных в табл. 4, на понижение вязкости 10%-ного сусла, приготовленного из засыпи — 20 % солода и 80 % ячменя, отражена на рис. 3.

Мультиактивные ферментные препараты. Опыты, полученные с применением вышеперечисленных ферментов, способствовали развитию мультиак-тивных ферментных комплексов, предназначенных для использования в процессе затирания с целью получения еще более успешного цитолиза. Мультиак-тивные ферментные препараты, такие, как Ультрафло Л (Ultraflo L), Ультрафло ХЛ (Ш^Ь XL) и Вискофло содержат несколько типов Р-глюканаз, пентозаназ, ксиланаз, арабинозидаз, цел-люлаз, т.е. ферментные активности, ответственные за цитолиз, в разных соотношениях. Преимущество мультиактив-ного ферментного препарата Ультрафло, и тем более Вискофло, в сравнении с бактериальной Р-глюканазой Церефло, особенно проявилось в случае добавления в солодовый затор, полученный из ячменя кормового качества, содержащий более чем 1000 мг/л Р-глюкана (рис. 4).

Дозировка ферментов, % в засыпи

Рис. 3. Влияние ферментных препаратов с в-глюканазной активностью на вязкость 10%-ного сусла (20 % солод и 80 % ячмень): 1 — Сеге[1о; 2 — Celluclast; 3 — И1п1гут; 4 — Иоуогут 280

1200 1000 800 600 400 200

сП м; 2,500 120

2,400 110

—2,300 100

—2,200 90

2,100 80

2,000 70

1,900 60

сП 13,20

13,00

12,80

12,60

12,40

12,20

11

12,00

100 125 150 75 100 125 200 300 иИгаАо I. Viscoflow Мб СегеЛо ■ Глюкан ■ Вязкость

100 125 150 75 100 125 200 300 11И:гаЛо I. Мб СегеАо

□ Фильтрат ■ °Р, Экстракт

Рис. 4. Влияние ферментных препаратов Ультрафло, Вискофло и бактериальной в-глюканазы Церефло на характеристики сусла (содержание в-глюкана, вязкость, скорость фильтрации и экстрактивность)

1•2004

ПИВО " НАПИТКИ

Общая характеристика данных препаратов — содержание теплостойкой Р-глюканазы, обладающей высокой активностью даже при 75 °С (т.е. по окончании действия Р-глюкан-соллюбила-зы), так что их дозировка не превышает 200 г на 1 т солода.

Подробные проверки этих мультиак-тивных ферментных препаратов в Техническом университете г. Мюнхена (ФРГ) [3] служат потверждением их высокой эффективности с целью понижения содержания Р-глюкана в сусле, а тем самым и в пиве. Это сопровождается понижением вязкости и мутности сусла и пива и увеличением выхода экстракта. Возможная денежная прибыль [3] от применения этих ферментных препаратов показана в табл. 5.

Решение проблемы пентозанов.

В первой части настоящей статьи говорится о том, что 20 % клеточных стенок ячменного эндосперма составляют арабоксиланы — пентозаны; известно, что их содержится больше в клеточных стенках наружных слоев клеток. Например, в стенках клеток алейронового слоя их количество составляет около 67 %. Они более растворимы в воде, чем Р-глюканы, а также образуют очень вязкие растворы, вызывая понижение фильтруемости сусла и пива. Построены они из цепей Р-1,4-ксилопиранозы, к которым побочными связями прикреплены Р-1-2-или Р-1-3-связями мономерная араби-ноза, ксилоза, арабинофуранские остатки, глюкуроновая кислота, ацетил (остаток уксусной кислоты).

В гидролизе арабиноксиланов принимает участие больше ферментов, таких, как эндо-1-4-а-ксиланаза, Р-ксилозидаза, Р-глюкуронидаза, а-арабонофуранозида-за, а также и ацетилксиланоэстераза.

По литературным сведениям, содержание арабоксиланов — пентозанов в ячмене находится в пределах от 4 до 10 % на сухое вещество. А. Микиска с сотрудниками [5] в своей работе исследовали 8 сортов Чешского ярового пивоваренного ячменя, выращенного в четырех районах, т.е. всего 32 образца, и установили среднее значение содержания пентозанов — 6,31 % (от 5,24 до 7,8 %). В солоде содержится в среднем 6,96 % пентозанов (5,62-8,31 %). Среднее содержание пентозанов в сусле, по данным исследователей, равнялось 388 мг/л, (216-628 мг/л), не показывая корреляционной зависимости с содержанием пентозанов в солоде (табл. 6).

Согласно заключениям авторов, содержание пентозанов в сусле находится в отрицательной корреляции с фриа-билиметрическим показателем и в положительной корреляции с разницей тонкого и грубого помола солода (ЭЬРи).

Таблица 5

Растворение солода Хорошее Среднее Недостаточное

Прибыль, долл. США/1000 гл 20-50 До 100 Свыше 100

Таблица 6

Показатель Содержание пентозанов Коэффициент вариации,%

среднее | мин. макс.

Ячмень, % на СВ 6,31 3,52 7,80 10,5

Солод, % на СВ 6,94 6,52 8,31 10,8

Сусло, мг/л 388 216 628 30,2

Растворимые пентозаны в солоде, % на СВ 0,34 0,19 0,55 29,80

Участие растворимых пентозанов, % 4,86 2,94 8,56 31,40

мг/л 360

300 240

1. 1 1

■ И......

сП мл 2,200 110-

2,140 1002,080 902,020 801,960 701,900 60 1,840 50.

сП 14,8

14,4

13,8

0 50 100 150 200 300 400 500 Контроль Ультрафло Церефло + Шерзайм

■ Глюкан Вязкость

0 50 100 150 200 300 400 500 Контроль Ультрафло Церефло + Шерзайм

□ Фильтрат °Plato, Экстракт

Рис. 5. Влияние ферментных препаратов Ультрафло и комбинации Церефло/ Шерзайм 85/15 на характеристики сусла, полученного из российского солода (содержание Р-глюкана, вязкость, скорость фильтрации и экстрактивность)

Они также заметили существование отрицательной пропорциональности содержаний Р-глюканов и пентозанов в сусле.

В производственной практике обнаружено, что в случае работы с чистыми Р-глюканазами, такими, как Церефло, при переработке плохо растворенного солода и тем более кормового ячменя в некоторых случаях не получается достаточного понижения вязкости соразмерно понижению содержания Р-глюка-на в сусле (см. рис. 4), что вероятно является следствием повышенного содержания пентозанов в сусле. В таких случаях решение проблемы заключается в применении коммерческого препарата ксиланазы — Шерзайм (БЬеаггуше 500Ь), имеющего оптимальное значение рН 4-6 и оптимальную температуру 45...65 °С. Проблемы, связанные с ксиланами, нетрудно устранить; на практике установлено, что успешным решением является использование комбинации 200 мл Церемикса 2ХЛ, 150 мл Ультрафло L и 50 мл Шерзайма на 1 т солода, а также комбинации Церефло/ Шерзайм в соотношении 85/15. Эффективность этой комбинации показана на рис. 5.

Можно сделать вывод, что для понижения содержания ß-глюкана достаточно одной дозировки Ультрафло из расчета 100 г/т солода; еще лучшие результаты получаются с добавлением 250 г на 1 т солода комбинации ферментов Церефло/Шерзайм 85/15 (200 г Церефло + 50 г Шерзайма). Сегодня эта проблема с успехом решается также путем добавления одного мультифермента Вискофло (Viscoflow MG) в дозировке до 200 г на 1 т солода недостаточного качества (что следует из данных рис. 5).

ЛИТЕРАТУРА

1. Kreisz S., Back W. Der EinfluH von ß-Glucan auf die Filtrierbarkeit von Bier//Der Weihenstephaner №4. 2002. 156-162.

2. Глаеарданое Р. Несоложеные зерновые злаки и микробные гидролазы в производстве сусла// Пиво и напитки. 1999. № 2. С. 26-31.

3. Kabaktchieva-Jankova G. Kinetische Untersuchungen über die biochemischen Prozesse beim Maischen. Личное сообщение.

4. OberdieckM., KreiszS. Influence of the Adjunction of Thermostable ß-glucanase in the Brewhouse Technische Universitat München.

5. MikyskaA. et al. Einfluss von Sorte und Anbaugebiet auf den Gehalt an Pentosanen und ß-Glucanen in Gerste, Malz und Wurze//Monatsschrift für Brauwissenschaft. 2002. 5/6. 88-95. ¿güT

.....ИПИ"".......

' 1•2004

60

0