Формирование красящих веществ в пивоваренном солоде Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

Формирование красящих веществ в пивоваренном солоде

С. В. Ермолаев, А. А. Кочеткова

Московский государственный университет пищевых производств

Один из основных источников образования красящих веществ в пивоваренном солоде — 5-гидроксиметил-2-фурфурол (ОМФ) — промежуточный продукт разложения сахара в кислой и слабокислой средах. Наиболее активно реакции образования красящих веществ протекают в карамельном солоде. Механизм их формирования в пивоваренном солоде изучен недостаточно, поэтому были проведены некоторые исследования в этом направлении. ОМФ получили в виде кристаллов светло-желтого цвета, которые обладали высокой гигроскопичностью и чувствительностью к дневному свету, плавились при 32 °С [1, 2]. Чтобы сохранить спектральную характеристику, кристаллы взвесили, растворили в мерной колбе и водный раствор хранили в холодильнике.

Для определения влияния температуры, кислорода воздуха и солнечного света на свойства ОМФ приготовили растворы концентрацией 3 мг/ дм3, которые выдерживали в различных условиях. Была установлена достаточная устойчивость молекул ОМФ в темноте с доступом воздуха (рис.1, поз. 1) и на свету в среде азота (поз. 2); быстрое разрушение — на свету с доступом кислорода воздуха (поз. 3). В процессе хранения при повышенных температурах (60 °С) визуальная цветность возрастала в 2 раза, а ОМФ разрушался менее чем за сутки (поз. 4). Концентрацию ОМФ определяли на спектрофотометре

СФ-46 при 282 нм и рН 5,4 по коэффициенту светопоглощения.

Устойчивость спектра свежеприготовленного раствора ОМФ на свету исследовали при рН 5,4 и температуре 22 °С (рис. 2, поз. 1). Спектр имел два четко выраженных максимума: больший при 282-285 нм и меньший при 225-230 нм. Отношение оптических плотностей этих максимумов в свежеприготовленном растворе составляло 6,2. Через 4 ч хранения раствора на свету (рис. 2, поз. 2) спектр почти не изменился. Но через 32 ч хранения (рис. 2, поз. 3) спектр изменился значительно: максимум с 282-285 нм переместился на позицию 250-255 нм, а второй максимум при 225-230 нм исчез полностью. Цветность раствора в видимой области спектра повысилась, что можно объяснить поликонденсацией молекул ОМФ и химическими превращениями.

Затем были проведены опыты с растворами глюкозы и фруктозы концентрацией по 0,5 моль/ дм3, которые нагревали 14 ч на кипящей водяной бане при разном начальном значении рН (табл. 1).

Из табл. 1 видно, что в опытах с глюкозой и фруктозой накопление ОМФ протекало с минимумом в интервале рН 3,5-4 (изокаталитическая зона), где они наиболее устойчивы. При других рН образование ОМФ из фруктозы протекало в несколько раз интенсивнее, чем из глюкозы: при рН 2 — в 2,5 раза, а при рН 6 — в 10 раз.

Кроме того, методом бумажной хроматографии было установлено, что в реакции инвертного сахара с щавелевой кислотой ОМФ формировался сначала за счет фруктозы, а после ее расходования в реакцию вступала глюкоза. Возможно этому предшествовала изомеризация глюкозы в фруктозу.

ОМФ малотоксичен, не обладает кумулятивным действием (кумуляция — накопление), но допустимая концентрация его в напитках не должна превышать 0,1 г/ дм3. Содержание его в светлом солоде обычно незначительное, но в темном солоде может быть высоким, достигая 150-230 мг на 100 г сушеного солода. Некоторая часть ОМФ формируется также при кипячении сусла и в первые 3 сут главного брожения. При дображивании ОМФ не образуется, в пиво переходит 7-14 % ОМФ, содержащегося в охмеленном и охлажденном сусле. В пшеничном пиве ОМФ очень мало (около 1 мг/ дм3), а в низкоалкогольных сортах пива верхового брожения повышается до 300 мг/дм3 [1].

ОМФ хотя и является промежуточным продуктом в длинной реакционной цепи при приготовлении пива, но легко определяется инструментально и поэтому может стать одним из важных показателей вкусовых качеств пива. В прежних анализах по определению ОМФ методом тиобарбитуровой кислоты (метод MсDougall [2]) имеются неточности из-за того, что кроме ОМФ определяются и другие соединения, сходные по строению с ОМФ (караме-лан и др.). Более надежный метод измерения концентрации ОМФ — спектральный в УФ-области [3].

На цветность солода влияет гибберел-ловая кислота, усиливая ее, а обработка солода серой в процессе сушки приводит к блокированию альдегидных групп и к подавлению цветности. Но большее влияние на меланоидинообразование как реакцию 2-го порядка оказывают повышение температуры сушки солода и концентрации реагирующих веществ.

сут.

Рис. 1. Устойчивость растворов ОМФ при 22 °С:

1 — в темноте; 2 — на свету в среде азота; 3 — на свету с доступом воздуха; 4 — на свету при 55 °С

ПИ

НАПИТКИ

6•2007

6

нм

Рис. 2. Спектры ОМФ:

1 — свежеприготовленного; 2 — через 4 ч хранения на свету; 3 — через 32 ч хранения на свету

Качественные показатели ячменного солода, высушенного при разных температурах, представлены в табл. 2. Ячмень сорта Суздалец для этого солода замачивали при 12,5...13 °С до влажности 45,3 %, проращивали 7 сут, подвяливали 24 ч при 40.45 °С, а затем подвергали 4,5 ч конвективной сушке при разных температурах (65, 75, 85, 95 и 105 °С).

Как видим, с повышением температуры сушки увеличивается концентрация ОМФ, а следовательно, цветность, аромат, другие качественные параметры солода. С повышением температуры от 85 до 105 °С цветность солода увеличивалась в 3,3 раза.

При сушке солода определяли также кинетику формирования а-аминного азота (рис. 3). В первые 4-5 ч содержание его в солоде повышалось и до 12 ч оставалось почти без изменения. Но затем а-аминный азот стал расходоваться в реакциях более активно, так как с испарением влаги резко повысились концентрация реагентов и скорость меланоидино-вой реакции, которая преобладала среди других реакций цветообразования.

CÛ 1 > 450

400

о 350

L> 300

"X 250

о 200

> т 150

100

s 50

5 о-.-.-.-.-.

0 5 10 15 20 25

Время, ч

Рис. 3. Изменение содержания

а-аминного азота в светлом солоде в процессе сушки при температуре 50...55 °С (12 ч); 80.82 С (8 ч)

Продукты меланоидиновой реакции, образующиеся в солоде, представляют собой растворимые, несбраживающие-ся вещества, обладающие интенсивной цветностью и восстанавливающими свойствами. Они повышают стойкость пены и физико-химическую стабильность пива. При наличии кислорода в пиве меланоидины могут окислять высшие спирты до альдегидов и придавать ему вкус старения [4].

Известно, что свежеубранный ячмень не способен к прорастанию и должен пройти стадию послеуборочного дозревания в течение 6-8 недель в сухом, темном и проветриваемом помещении. При этом активируются гиб-береллины, оказывающие стимулирующее действие на рост зерна и возвращающие его способность к прорастанию. Поэтому для ускорения проращивания ячмень часто орошают гибберелловой кислотой.

Таблица 1

Показатель Образование ОМФ после нагревания на кипящей водяной бане 14 ч при начальном рН, мг/дм3

2 3 3,5 4 5 6

В растворе глюкозы

ОМФ 48,2 11,0 7,5 9,0 10,1 12,4

рН 1,9 2,7 3,3 3,5 4,2 4,6

В растворе фруктозы

ОМФ 1200 140 0 0 80 120

рН 1,85 2,6 3,2 3,4 3,6 4,0

Таблица 2

Показатель Температура сушки солода, °С

65 75 85 95 105

Влажность сушеного солода, % 6,1 5,4 4,7 3,8 3,3

Экстрактивность, % 80,4 79,5 80,0 79,0 78,5

Продолжительность осахаривания, мин 5-10 5-10 10-15 10-15 15-20

рН 5,9 5,8 5,7 5,7 5,5

Диастатическая сила, ед. W-K 350 310 210 150 85

а-Аминный азот, мг/100 г СВ 180 160 150 115 100

Число Кольбаха 39 39 37,5 37,5 34

Редуцирующие вещества, г/дм3 36 40 38 38 34

Цветность, ед. ЕВС 3,8 4,0 5,7 11 19

Содержание ОМФ, мг/дм3 4 4 10 24 45

Повышенное содержание аминокислот в зерне может способствовать также развитию микрофлоры, в частности плесневого гриба Fusarium с мутагенным воздействием. Ячмень, пораженный таким грибом, не пригоден для приготовления солода. Грибы Aspergillus, Pénicillium выделяют метаболиты, вызывающие избыточное пенообразование [5].

После отлеживания при проращивании в зерне происходят протеолитиче-ское и цитолитическое расщепление компонентов, накопление активированных и вновь синтезированных ферментов, предназначающихся для расщепления крахмалистых, белковых и азотистых веществ. Например, под воздействием протеолитических ферментов солода расщепляются белки и увеличивается содержание аминного азота, который затем участвует в формировании ростков солода и красящих веществ.

Концентрация свободных аминокислот в солоде зависит от содержания СО2 в зерновой массе в первые 3-4 сут проращивания. Чем дольше цикл проращивания зерна, выше степень замачивания и концентрация СО2 в первые дни роста, тем больше в солоде растворяется белковых веществ. Но, учитывая негативное влияние высокой концентрации аминокислот, упомянутой выше, для проращивания предпочтительнее использовать ячмень с пониженным растворением белковых веществ. В настоящее время повышенным спросом пользуется солод с числом Кольбаха примерно 41 (концентрация аминного азота в сусле должна быть не выше 200 мг/ дм3) [4].

На качественные показатели пива существенно влияет и рН солодовой вытяжки, первого и охмеленного сусла. В пиве необходимо поддерживать рН > 4,2. Значения рН < 4,2 придают пиву «старый вкус». А в первые дни проращивания солода необходимо систематически удалять из зерна продукты его дыхания, называемые дериватами.

При проращивании ячменя в формировании компонентов солода активно участвуют почти все аминокислоты. Но активность их в меланоидиновой реакции изучена недостаточно. Поэтому была исследована активность различных аминокислот в образовании красящих веществ. Опыты проводили в фосфатно-цитратных буферных растворах (рН 5,6) при температуре 85 °С, в колбах с обратными холодильниками. Цветность измеряли на КФК-3 при 540 нм и одинаковом рН 5,6.

Результаты измерений представлены на рис. 4, на котором видно, как образование красящих веществ зависит от структуры молекул аминокислоты. Активность аминокислот была тем выше, чем больше в молекуле удалены друг от друга аминная и карбоксильная группы. На цветность положительно влияли удлинение цепочки молекул и наличие в ней двух аминных групп (рис. 4, поз. 1).

Серосодержащие аминокислоты — цистин и метионин — замедляют образование красящих веществ из-за наличия в молекуле серы. В цистине два атома серы, а в метионине — один, поэтому цистин активнее блокирует по-

6 • 2007

i -|

0,9 -

0,8 -

0,7 -

Д540

Рис. 4. Нарастание цветности в нагреваемых при 85 °С и рН 5,6 буферных растворах глюкозы с аминокислотами: 1 — аспарагином; 2 — у-аминомасляной кислотой; 3 — в-аланином; 4 — аспарагиновой кислотой; 5 — глюкозы без аминокислоты; 6 — а-аланином; 7 — метионином; 8 — цистином

Концентрация реагентов в растворе, моль/дм3 Оптическая плотность растворов (при 540 нм) после нагревания Увеличение концентрации реагентов, число раз Увеличение оптической плотности растворов, обусловленное только меланоидиновой реакцией, число раз

глюкозы аспарагина общая (глюкоза + аспарагин) раствор только глюкозы с вычетом раствора глюкозы

0,01 0,005 0,070 0,036 0,034 1 1

0,02 0,010 0,190 0,078 0,112 2 3,29

0,05 0,025 0,810 0,250 0,560 5 16,47

0,10 0,050 2,750 0,535 2,215 10 65,15

0,20 0,100 9,810 1,620 8,190 20 270,3

коричневение раствора. По-видимому, сера блокирует альдегидную группу сахара и препятствует вступлению ее в реакцию [5].

В процессе сушки солода (на начальной стадии), когда влажность зерна снижается до 20 %, а температура не более 40 °С, солод еще активно прорастает, продолжаются биохимические процессы и увеличивается содержание свободных аминокислот. Но при дальнейшем повышении температуры сушки до 60 °С (ферментативная фаза сушки) прорастание зерна приостанавливается, а действие протеолитических ферментов продолжается. В химической фазе сушки (температура выше 60 °С, влажность менее 10 %) содержание свободных аминокислот уменьшается, активность ферментов ингибируется и интенсивно образуются красящие и ароматические вещества. Эти вещества и формируют типичные цвет, аромат и окислительно-восстановительный потенциал солода. При нарушении баланса температуры и влажности кроме типичных красящих и ароматических веществ в солоде могут появляться компоненты «старого вкуса», обусловленные 2-ацетилфураном, 2-аце-тилметилфураном и др. [4].

Оптимальной температурой сушки светлого солода, по нашим и литератур-

где К — константа скорости реакции; С1 — концентрация сахара; С2 — концентрация аминокислоты.

Эти результаты подтверждаются результатами, приведенными в работе [6], где авторы при получении красящего солода исследовали образцы свежепророс-шего солода с разным содержанием редуцирующих веществ и аминного азота.

В процессах солодоращения, сушки солода, кипячения сусла протекают реакции гидролиза белка, разложения углеводов, амидов кислот с выделением аммиака:

I ^

H—C— C ^он

I JH + H2O

не—с 2

H2N

I ^

H—C— <°H

OH + f NH .

"O

Аспарагин

4O

Аспарагиновая кислота

Таблица 3

ным данным, можно принять температуру 80...82 °С.

При проращивании солода и кипячении сусла меняется концентрация реагирующих веществ (углеводов, амино-соединений), в результате изменяется и интенсивность реакций меланоидино-образования. В табл. 3 приведены результаты нагревания в течение 4 ч на кипящей водяной бане буферных растворов глюкозы и аспарагина при рН 5,5.

Из результатов, представленных в табл. 3, видно, что в растворах одной глюкозы цветность нарастала почти пропорционально концентрации сахара. Но в растворах с содержанием сахара 0,05 моль/ дм3 и аспарагина 0,025 моль/ дм3, сахара 0,10 и аспарагина 0,05, сахара 0,20 и аспарагина 0,10 моль / дм3 концентрация реагентов увеличивалась последовательно в 2 раза, а цветность только за счет меланоидиновой реакции (исключая параллельную реакцию с глюкозой) возрастала примерно в 4 раза. При повышении концентрации реагентов в 10 раз цветность увеличивается в 65 раз. Таким образом, если концентрация реагентов С увеличивается в п раз, то цветность растет почти в п2 раз, что соответствует скорости реакции 2-го порядка:

dx/dт = КС,С„,

При кипячении сусла часть аммиака улетучивается, а часть образует раствор, который обладает слабощелочной реакцией:

NH3 + Н20 ^ NH4+ + ОН- ^ N^0^

В результате таких превращений сусло может содержать одновременно молекулы NH3, ионы NH4+, ОН- и молекулы гидроксида аммония.

Аммиак усиливает реакции покорич-невения, продукты его взаимодействия имеют серо-коричневый цвет и запах горелой резины. Основной источник появления аммиака в продуктах — гидролиз амидов кислот. Поэтому высокобелкови-стое зерно с повышенным содержанием аминного азота менее пригодно для получения качественного солода.

ЛИТЕРАТУРА

1. Thalacker R., Birkenstock B. Uber das Vorkommen von 5-Hydroxymethylfurfural bei der Bierherstellung.//Braunwissenchaft. 1979. № 7. S.195—200.

2. Jader P. Zur Eignung des HML-Wertes als kriterium fur die Malzbereitung.//Brauindustrie. 1981. N5. S. 317-323.

3. Ермолаева Г. А., Устинников Б. А. Способ определения концентрации ОМФ в сахарном сиропе. А. с. 759957 (СССР) от 7.05.1980. — БИ — 1980. № 32.

4. Нарцис Л. Технология солодоращения/Пер. с нем; Под ред. Г. А. Ермолаевой, Е.Ф. Ша-ненко — СПб: Профессия, 2007.

5. Narziß L., Reicheneder E. Uber den Einflus der Schwefeldioxid und Sulfqtgehalte von Malzen auf die Schwefeldioxid und Sulfatgehalte in des Bier-en//Brauwissenschaft. 1984. № 2. S. 33-41.

6. Швец В. Н., Великая Е. И., Мальцев П. М. Влияние содержания белков в светлом ячменном солоде на накопление красящих веществ при его нагревании//Ферментная и спиртовая промышленность. 1968. № 3. С. 20-23. &

6•2007

1

2

3

4

5

6

7

8

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

H2C — C

8