До чего расщепляется крахмал
Процесс осахаривания крахмала
Осахаривание крахмала во время затирания — это расщепление его на простыесоставляющие (сахара) под действием ферментов солода, воды и тепла. Какпроисходит этот процесс и какие есть альтернативные методы осахариваниякрахмала — в этой статье.
Процесс осахаривания крахмала
Крахмал — это сложный сахар, полисахарид. Он состоит из полимераамилозы и полисахарида амилопектина, которые и образуют крахмальныегранулы в зерне. Задача затирания и осахаривания крахмала — растворить иразрушить сложные и нерастворимые в воде молекулы крахмала до сбраживаемогодисахарида мальтозы или до простых сбраживаемых моносахаридов глюкозы. Послеосахаривания проба на йод должна быть отрицательной.
Процесс осахаривания крахмала в зернах пшеницыпроращиванием выполняют, чтобы сэкономить время и деньги и получить вкусный зерновойсамогон. Белый (пророщенный и сушеный) или зеленый (живой, не сушеный) солодиспользуют, как источник амилолитических ферментов. А ферменты появляютсякак раз при проращивании зерна и потреблении ростком части крахмала. Какработают эти ферменты?
Сначала происходит клейстеризация при 60 о С для ячменя. Дробленое зерно отдает водекрахмал, затор густеет.
Затем начинается разжижение и осахаривание. В игру вступаютамилолитические, появившиеся в результате проращивания ферменты для осахаривания крахмала.
Бета-амилаза действует при 60-65 о С. Эта крупная молекула способна»отрезать» от концов цепочки сахаров мальтозу, «разбивая» ее на глюкозу имальтотриозу. Разрывать цепочки, снижая вязкость, она не может. При 70 о С бета-амилазадеактивируется.
Зато фермент альфа-амилаза при 72-75 о С начинает разрывать длинные цепочкиполисахаридов амилозы и амилопектина, из которых и состоит крахмал.
При этом амилопектин разрушается до составляющих его мальтозы и изомальтозы,амилоза — до мальтозы.
Надо отметить, что в присутствии альфа-амилазы усиливается действиебета-амилазы, поскольку свободных концов цепочек сахара становится больше.
В результате работы амилолитических ферментов крахмальный растворстановится менее вязким.
Здесь действуют следующие закономерности:
Чем дольше длительностьзатирания и каждая из пауз, тем концентрированнее сусло, но тем болеезамедляется осахаривание.
Чем длиннее мальтознаяпауза при 62-63 о С, тем выше:
Жидкие заторы лучшевымывают крахмал, но в густых ферменты дольше деактивируются, работают исоздают больше сбраживаемых сахаров. Чем выше концентрация углеводов в заторе,тем меньше воздействует температура на активность амилазы.
Какой продукт получают осахариванием крахмала?
Продукт получаемый осахариванием крахмала — это сахара, глюкоза и мальтоза. Экстрактводорастворимой мальтозы и глюкозы, белков, минеральных веществ, которые смогутиспользовать для роста дрожжи. Или, попросту, — это «съедобное» сусло,питательная среда.
Под действием чего крахмал расщепляется доглюкозы?
Крахмал расщепляется под действием тепла, воды,амилолитических ферментов.
Как выполнить осахаривание крахмала лимоннойкислотой?
Собственно, это процесс гидролиза (разложения) при участии воды и сильнойразбавленной кислоты.
Лимонная кислота применяется, в основном, при осахаривании готовымикомплексными ферментами амилосубтилином и глюкаваморином. Добавляется дляподкисления, активизации работы ферментов и дезинфекции сусла в такомколичестве, чтобы довести pH до 5,5.
Процесс осахаривания серной кислотой состоит из следующих этапов:
Как выполнить осахаривание крахмала солодом?
Подробный ответ на вопрос «как осахаривать зеленым солодом» или «как осахаривать белым солодом» вы можете найти в разделе «Рецепты самогона».
Кстати, перегонять крахмальную брагу лучше всего на аппарате с отбором по пару, термометром, баком из нержавеющей стали.
Крахмал
Существуют три вида углеводов: клетчатка, глюкоза и крахмал. В то время как многие диеты для потери веса предлагают ограничить потребление крахмалов и других углеводов, исследователи все чаще говорят, что это не что иное, как миф. А при правильно продуманном питании даже крахмалистое мучное не осядет жиром на боках. Свое слово об этом веществе сказали и медики. Причем оно также неоднозначно. Так что такое крахмал, чем является наиболее популярный – картофельный крахмал, польза и вред которого служат темами научных дискуссий?
Биохимические свойства
Крахмал (формула – (С6Н10О5)n) – это белое гранулированное органическое вещество, которое вырабатывается всеми зелеными растениями.
Являет собой безвкусный порошок, нерастворимый в холодной воде, спирте и большинстве других растворителей. Эта субстанция принадлежит к группе полисахаридов. Наипростейшая форма крахмала – линейный полимер амилозы. Разветвленная форма представлена амилопектином. В реакции с водой образовывает клейстер. Гидролиз крахмала происходит при наличии кислот и повышения температуры, в результате образовывается глюкоза. Используя йод, легко проверить завершение реакции гидролиза (больше не будет появляться синий цвет).
В зеленых растениях крахмал производится от избытка глюкозы, полученной в результате фотосинтеза. Для растений это вещество служит источником энергии. Крахмал в форме гранул хранится в хлоропластах. В некоторых растениях наивысшая концентрация вещества содержится в корнях и клубнях, в других – в стеблях, семенах. Если возникает такая необходимость, это вещество может распадаться (под воздействием ферментов и воды), создавая глюкозу, которую растения используют в качестве подпитки. В человеческом организме, а также в телах животных молекула крахмала также распадается на сахара, а они также служат источником энергии.
Как работает в человеческом организме
Углеводы являются главным источником «топлива» для нашего организма. После того, как пищеварительная система преобразовала еду в глюкозу, тело использует ее для активации всех клеток и органов. Остатки хранятся в печени и мышцах. В качестве универсального источника «топлива» называют мучные продукты, содержащие крахмалы и клетчатку – углеводы, способствующие здоровому перевариванию пищи и контролирующие сахар в крови. Такие источники углеводов расщепляются медленнее, чем простые, надолго обеспечивают поставки энергии и чувство сытости между приемами пищи.
Функции в организме
Единственная роль крахмала в рационе человека – превращение в глюкозу для получения дополнительной энергии.
Этот процесс начинается уже в тот момент, когда крахмалистая пища попадает в ротовую полость. На этом этапе слюна окружает молекулы крахмала, воздействуя на них, так возникает продукт расщепления – мальтоза, более простой углевод. Затем новое вещество попадает в тонкую кишку, где оно проходит очередные трансформации и превращается в глюкозу. И только после этого организм поглощает глюкозу (стенками кишечника), вещество попадает в кровь и уже по сосудам передвигается по всему организму, снабжая каждую клетку энергией.
Меж тем организм не способен использовать за один «присест» сразу всю порцию глюкозы, полученной из крахмалов. Лишнее хранится в виде гликогена в тканях печени и мышц. И когда организм переживает упадок сил, гликоген приходит ему на помощь.
Резистентный крахмал
Большинство углеводов, потребляемых с пищей – это крахмалы. Они представляют собой цепи глюкозы, содержащиеся в злаках, картофеле и множестве другой пищи. Но далеко не все крахмалы, которые мы кушаем, организм способен переварить. Иногда небольшая часть крахмалистой еды проходит через пищеварительный тракт без изменений. Другими словами, это вещество устойчиво к перевариванию. Биологи называют этот тип крахмала резистентным. А в организме он функционирует как растворимая клетчатка. Как показывают многие исследования, именно этот вид весьма положительно сказывается на здоровье. В частности он улучшает чувствительность к инсулину, снижает уровень сахара в крови, уменьшает аппетит и это еще далеко не все преимущества устойчивых крахмалов для человека. Также резистентный крахмал помогает очищать организм от «плохого» холестерина и снижает уровень триглицеридов.
Виды резистентных крахмалов
Но не все резистентные крахмалы одинаковые. Существуют 4 типа этого вещества:
Однако важно заметить, что крахмалы разных типов могут встречаться в одной и той же пище. Например, по мере дозревания бананов резистентные крахмалы превращаются в обычные. Также на количество устойчивого вещества в пище влияет и способ ее приготовления.
Польза и вред для организма
В человеческом организме резистентный крахмал работает по принципу растворимого волокна. Он проходит через желудок и тонкую кишку в непереваренном виде, а в кишечнике служит пищей для полезных бактерий (кишечной флоры). Существует сотни видов бактерий, которые оказывают влияние на здоровье, без некоторых из них невозможно бы было функционирование организма. И резистентный крахмал питает эти микроорганизмы. В результате такого взаимодействия образуются разные типы полезных соединений – от газов до жирных кислот, одна из которых – бутират. Крахмал, таким образом, питает полезные бактерии и косвенно клетки толстой кишки за счет увеличения количества бутирата.
Кроме того, резистентное вещество обладает несколькими полезными свойствами для кишечника. Во-первых, снижает уровень рН, уменьшает воспаления, а также снижает риск развития рака толстой кишки. Из-за лечебного воздействия на толстую кишку крахмал может быть полезным при расстройствах пищеварения, в том числе воспалениях кишечника, болезни Крона, запорах, дивертикулезе и диарее. Также исследования показали, что устойчивый крахмал улучшает поглощение минералов. Защищает организм от токсичных веществ, предотвращая их всасывание кишечником.
Но так ли полезен резистентный крахмал, как говорят некоторые исследователи? Пока однозначного ответа на этот вопрос нет, так как научные опыты продолжаются. И не исключено, что вся гипотетическая чудодейственность резистентного крахмала может и не подтвердиться. Но то, что крахмал обязательно должен быть частью вашего рациона – это однозначно.
Влияние на сахар и метаболизм
Резистентный крахмал важен для здорового метаболизма. Как показали некоторые исследования, это вещество повышает чувствительность организма к инсулину, эффективно для снижения сахара после приемов пищи. Кроме того, обладает еще одной уникальной способностью. Если завтрак состоял из крахмалистой пищи, то это вещество предотвратит всплеск уровня сахара и после обеденной трапезы.
Влияние крахмалов на глюкозу и метаболизм инсулина не перестает удивлять исследователей. Опыт показал, что достаточно на протяжении 4 недель принимать по 15-30 г вещества, чтобы повысить чувствительность к инсулину на 33-50 процентов. Невосприимчивость к этому гормону возникает при сахарном диабете 2 типа, ожирении, кардиологических заболеваниях и болезни Альцгеймера. За счет повышения чувствительности к инсулину и снижения уровня сахара в крови можно избежать многих хронических болезней.
Меж тем, исследователи соглашаются, положительное влияние резистентных крахмалов на организм зависит от индивидуальных особенностей.
Крахмал для похудения
По сравнению с обычным крахмалом, резистентный содержит наполовину меньше килокалорий – 2 против 4 на грамм продукта. Так что пища, содержащая резистентный крахмал, может по праву считаться диетической, при этом поддерживать чувство сытости надолго.
Как получить резистентный крахмал
Некоторые продукты из традиционного для многих рациона являются источниками резистентного крахмала. Среди наиболее насыщенных – сырой, вареный, а затем охлажденный картофель, зеленые бананы.
Другой путь получения этого вещества – обычная картофельная мука, столовая ложка которой содержит примерно 8 г резистентного вещества и при этом почти не имеет углеводов, а значит, ее калорийность не страшна даже соблюдающим диету. Картофельный крахмал можно добавлять в готовую пищу, смешивать с напитками. Но не стоит превышать 50-граммовую порцию в сутки, так как возможен метеоризм и дискомфорт в желудке. Программа «крахмализации» может длиться около 2-4 недель.
Источниками резистентного крахмала могут послужить бананы, кукуруза, картофель, батат, перловка, овсянка, чечевица, коричневый рис.
Процесс перехода обычного крахмала в резистентный напрямую зависит от температурного воздействия. И что интересно, в горячих крахмальных блюдах содержится больше обычного вещества, в охлажденных – резистентного. Это значит, что если переживаете за свою фигуру, то можете не кушать картофельное пюре, но без угрызений совести налегать на картофельный салат.
И по этому поводу несколько интересных цифр. Охлажденный картофель содержит немного больше чем 3 % резистентного крахмала, а это уже в 4 раза меньше, нежели обычного. Чечевица на 75 % – это крахмал, а вот количество резистентного уже не превышает 25 %.
Плохие крахмалы
Это может показаться странным, но не все крахмалистые продукты могут служить источниками крахмалов для человека. В первую очередь это касается белой муки и риса быстрого приготовления. В результате механической обработки эти продукты теряют значительное количество питательных веществ, в том числе и крахмала. Диетологи советуют избегать продуктов такого типа, поскольку они не то, что не принесут пользы, а еще могут и стать причиной проблем со здоровьем. Также не стоит заглядываться на пирожные, печенья, кренделя и кукурузные хлопья – полезных крахмалов в этих продуктах вы точно не найдете.
Сколько надо?
Для того чтобы удовлетворить суточные потребности организма в крахмальном продукте, достаточно потреблять по 100 г цельного зерна. Это показатель для женщин. Мужчинам желательно увеличить порцию до 120-130 г. В целом углеводы должны составлять примерно 45-65 процентов от суточного рациона.
Для того чтобы получить достаточное количество вещества, примерно треть рациона должны быть продукты, содержащие это вещество. Меж тем, эти показатели могут изменяться, например во время болезней.
Медики говорят, что взрослые люди ежедневно нуждаются в 300-450 г крахмала. Но его употребление оправдано только накануне тяжелой физической нагрузки или перед тем, как частые приемы пищи будут невозможны. Меньшие порции также полезны – защищают стенки желудка от пищеварительной кислоты. А вот чрезмерное потребление этого вещества может послужить причиной запоров и образования каловых камней.
Крахмалистые продукты и клетчатка
Мучные изделия, для производства которых было использовано цельное зерно, а также картофель (особенно с кожурой) являются ценными источниками клетчатки. Также комбинация крахмала и пищевого волокна есть в некоторых фруктах, бобовых и зерновых культурах, в кожуре некоторых овощей. Все они благотворно влияют на пищеварение, а также помогают снизить концентрацию холестерина в крови.
Пищевые источники
Крахмалистые продукты являются основным источником углеводов и важны для поддержания здоровой диеты. Такие продукты как картофель, хлеб, рис, макаронные изделия, крупы, согласно советам диетологов, должны составлять немного больше чем треть от всей пищи. Большинство из них содержат в себе клетчатку, кальций, железо и многие витамины.
Продукты с высоким содержанием крахмала – это в первую очередь бобовые культуры (фасоль, чечевица), овощи (картофель, кабачки), орехи, злаки и мука из них.
Цельные продукты богатые крахмалом ко всему еще являются источниками клетчатки, витаминов и многих минералов.
Существует несколько источников, богатых крахмалом, которые можно ввести в свой ежедневный рацион. Крахмалистые овощи, такие как картофель, кукуруза, горох, кабачок, содержат довольно высокие запасы вещества. Также важными источниками являются хлеб из цельного зерна, темный рис, макаронные изделия. Порция мучной пищи способна обеспечить организм 15 граммами крахмала.
Характеристика популярных крахмалистых продуктов
Особенно полезный – из муки грубого помола и ржаной. В обоих вариантах есть витамины группы В, Е, клетчатка, а также широкий спектр полезных минералов. В белом хлебе также есть много питательных веществ, необходимых организму, но количество клетчатки в этом продукте значительно ниже.
Некоторые люди отказываются от хлебобулочных изделий, боясь набрать лишние килограммы. Меж тем, нельзя полностью вычеркивать из своего меню этот продукт, так как вместе с ним человек лишает себя многих полезных элементов.
Кстати, полезным является только свежий хлеб, который хранится при комнатной температуре.
Злаки
Цельнозерновые крупы – кладезь железа, клетчатки, протеинов, витаминов группы В. Среди наиболее полезных – крупы из овса, ячменя, ржи. Продукты из зерновых – превосходный вариант для приготовления питательного и полезного завтрака. Помимо этого, не стоит забывать о ячмене, кукурузе и других зерновых, которые также считаются важными для организма.
Рис и пища из него – отличный выбор среди крахмалистых вариантов. Этот злак обеспечит энергией и при этом практически не содержит жира.
Существуют разные сорта риса, и все они полезны для человека, так как содержат витамины, клетчатку и белок. Этот продукт можно употреблять как в виде горячих блюд, так и холодных закусок. Но дабы он был по-настоящему полезным, лучше повторно не подогревать приготовленное блюдо, а если понадобится, то между разогревами хранить в холодильнике, что убережет от размножения вредных бактерий. Но при любых обстоятельствах готовое рисовое блюдо нельзя хранить дольше 24 часов. А во время повторного разогревания на протяжении 2 минут держать в температуре около 70 градусов по Цельсию (можно над паром).
Макаронные изделия
Лучше отдавать предпочтение тесту, приготовленному из твердых сортов пшеницы и воды. Оно содержит железо и витамины В-группы. Еще более полезными являются макароны из цельнозерновой основы.
| Продукт | Крахмал (в процентах) |
|---|---|
| Рис | 78 |
| Спагетти | 75 |
| Кукурузные хлопья | 74 |
| Мука (пшеничная, ячменная) | 72 |
| Просо | 69 |
| Хлеб свежий | 66 |
| Кукуруза | 65 |
| Лапша | 65 |
| Гречка | 64 |
| Пшеница | 60 |
| Рожь | 54 |
| Чипсы картофельные | 53 |
| Горох | 45 |
| Ржаной хлеб | 45 |
| Слоеное тесто | 37 |
| Картофель фри | 35 |
| Сырая картошка | 15,4 |
| Вареный картофель | 14 |
Акриламид в крахмалистой пище
Акриламид – это химическое вещество, которое можно найти в некоторых видах мучных продуктов после жарки, запекания на гриле или разогревания при очень высоких температурах.
Некоторые исследования показали, что это вещество может быть опасным для человека. Поэтому диетологи выступают против поджаривания (и особенно подгорания) крахмалистых продуктов, таких как картофель, гренки, корнеплоды.
Акриламид практически не вырабатывается в процессе варки, пропаривания или запекания в микроволновке. И кстати, хранение картофеля при очень низких температурах увеличивает в его составе концентрацию сахара, что также способствует выделению большой порции акриламида во время готовки.
Сочетание с другими веществами и усвоение
Крахмалы в плане сочетания с другими питательными веществами весьма требовательны. Обычно они плохо взаимодействуют с другими продуктами и хорошо сочетаются только между собой. Для максимальной пользы крахмалистую пищу лучше комбинировать с сырыми овощами в виде салатов. И кстати, организм легче переварит сырой крахмал, нежели после термической обработки. А также это вещество быстрее распадется, если в организме достаточно витаминов В.
Использование в промышленности
В промышленности встречается крахмал рисовый, кукурузный, пшеничный, тапиоковый, но картофельный, пожалуй, наиболее популярный.
Его получают путем измельчения клубней и перемешивания мякоти с водой. Затем мякоть отделяют от жидкости и высушивают. Помимо этого, крахмал применяют в пивоварении, в кондитерских изделиях как загуститель. Также он способен увеличить прочность бумаги, используется для изготовления гофрированного картона, бумажных пакетов, коробок, прорезиненной бумаги. В текстильной промышленности – как проклейка, придающая прочность нитям.
Также в пищевой промышленности активно применяют амилопектиновый крахмал, полученный из восковидной кукурузы. Используется как загуститель в соусах, заправках, фруктово-молочных десертах. В отличие от картофельного аналога, это вещество прозрачное, не имеет привкуса, а его уникальные химические свойства допускают многократное замораживание и нагревание крахмалистого продукта.
Наличие в списке ингредиентов продукта Е1400, Е1412, Е1420 или Е1422 говорит, что при производстве этой пищи использовали модифицированный кукурузный крахмал. От других видов его отличает способность к набуханию и образованию клейстеризованных растворов. В пищевой промышленности применяется как средство против комкования, для создания необходимой текстуры соусов, кетчупов, йогуртов и молочных десертов. Также применяют в хлебобулочных изделиях.
Тапиоковый крахмал также являет собой ингредиент пищевой промышленности. Но в качестве сырья для него используют не привычные нам картофель или кукурузу, а плоды маниока. По своим способностям этот продукт напоминает картофельный. Применяется в качестве загустителя и средства против образования комков.
Крахмал принадлежит к числу продуктов, о пользе и вреде которых пока нет однозначного мнения. Меж тем, существует отличный совет, которым руководствовались люди в разные времена: всего должно быть в меру и тогда пища не будет во вред. Это касается и крахмалов.
Больше свежей и актуальной информации о здоровье на нашем канале в Telegram. Подписывайтесь: https://t.me/foodandhealthru
Преобразование крахмала
Преобразование крахмала
Сухие вещества в сусле на 90-92% состоят из углеводов (карбогидратов) [Briggs, 2004]. Белок же занимает всего 4-5%, остальное это витамины, минералы и рассеянные микроэлементы. Углеводы на 95% являются продуктом преобразования крахмала в заторном баке. Затирание — основной способ деградации крахмала в заторе. При этом из нерастворимого крахмала образуются сахара — топливо для дрожжей, необходимое для ферментации. Время, за которое происходит это преобразование, и условия определяют эффективность с которой потребляются ингредиенты сусла, степень сбраживаемости и качество сусла.
Во время затирания преобразованию крахмала предшествует его желатинизация. Этот процесс не является обязательным (хотя в процессе роста растения из зерна происходит точно такой же процесс), но преобразование крахмала ферментами (алфа-, бета-амилазой и предельной декстриназой) значительно ускоряется вымыванием амилозы и амилопектина из гранул крахмала.
Желатинизация
Образование крахмальных зерен начинается в определенных точках стромы пластиды, называемых образовательными центрами. Рост зерна происходит путем последовательного отложения слоев крахмала вокруг образовательного центра. Смежные слои в одном зерне могут иметь различный показатель преломления света, и тогда они видны под микроскопом – слоистые крахмальные зерна. Расположение слоев может быть концентрическим (пшеница) или эксцентрическим (картофель). Во время роста зерна слои чередуются, образовывая аморфную и кристаллическую последовательность.
Гранулы крахмала нерастворимы в холодной воде, впитывая в себя лишь её небольшой объем. Они формируют суспензию, быстро оседая без взбалтывания. С нагревом от 50 градусов гранулы поглощают больше воды, разбухая [Narziss, 2005]. На этом этапе объем поглощенной воды может быть больше размера зерна крахмала до тридцати раз. Поглощение воды происходит в аморфных слоях роста. В этот момент из гранулы крахмала начинает выщелачиваться амилоза, при этом кристаллические слои отрываются от гранулы, образуя желатиновые листы. При этом кристаллическая структура зерна крахмала теряется [Shetty, 2006]. Это и есть процесс желатинизцаии.
В то время как диапазон температур, при которых происходит желатинизация отдельных крахмальных зерен, весьма узок (
1C), желатинизация всего затора может происходить при большем разбросе температур. На рисунке 1 показаны диапазоны температур желатинизации разных крахмалосодержащих культур. Как видно из графика, при паузе осахаривания крахмала ячменя крахмал других растений далеко не всегда может желатинизироваться. Для осахаривания крахмала этих растений он должен быть полностью желатинизирован до паузы осахаривания. Так же проблемы могут возникнуть и с мелкими зернами крахмала. Они в отличии от крупных зерен требуют более высокой температуры. Этим свойством объясняются плюсы эффективности отварочного метода затирания.
Желатинизация требует достаточного объема свободной воды для набухания крахмала и разрыва водородных связей, поддерживающих кристаллическую структуру зерен. Если объем воды ограничен из-за высокой концентрации крахмала, набухание зерен уменьшается, и разрушение кристаллической структуры требует её расплавления [Donald, 2004]. Что требует повышения температуры желатинизации. Недостаток свободной воды может быть вызван наличием сахаров и других растворенных веществ. Например для кукурузного крахмала повышение содержания сахарозы в заторе на 25% повышает температуру желатинизации с 70 до 78С [Donald, 2004]. Это является одной из причин, по которой густой затор обладает меньшей эффективностью чем жидкий.
Во время желатинизации крахмала вязкость жидкой фракции дробины повышается. Это не так заметно в пивоварении как в готовке. В то же время ферменты (а частности α-амилаза) разрывают освободившиеся цепочки амилозы амилопектина. Этот процесс уменьшает вязкость затора и называется сжижением [Kunze, 2007]. Нагрев до 70-74C и последующая пауза уменьшает вероятность подгорания затора при отварочном методе.
Сильное увеличение вязкости зернового затора часто является серьёзной проблемой для пивовара. Особенно это заметно с варками риса, который очень сильно разбухает. Это ведет к подгоранию и остановке перемешивания сусла мешалками [Kunze, 2007]. По этой причине следует добавлять немного солода при температуре 75-80С (до того как вся α-амилаза будет денатурирована) для разжижения перед кипячением.
Температура желатинизации также зависит от условий роста зерновых и года урожая [Kunze, 2007]. Кесслер выяснил, что существует прямая зависимость температуры желатинизации от показателя солода «VZ 45C», которое является отношением экстракта, полученного при 45С и экстракта, получаемого при congress mash (особая процедура затирания при 70С). Этот параметр часто используется в спецификации солодов. На рисунке 2 представлена информация, полученная Кесслером. В соответствии с данными от компании Ваерманн, показатель VZ45 в их солодах достигает 35, что требует 65С для желатинизации. Эта температура не вызывает проблемы при одной паузе осахаривания, однако при мальтозной паузе, проводимой при 63С крахмал не сможет полностью желатинизироваться. В этом случае нужна дополнительная пауза на 65С для достижения требуемой сбраживаемости сусла.
Расщепление молекул крахмала ферментами
Преобразование крахмала в заторе по больше части ферментативный процесс, в котором принимают участие 4 типа ферментов. Наиболее известны α- и β-амилаза. Оба работают на α(1-4) гликозидных связях молекул крахмала и декстрина. Другой фермент — предельная декстриназа способна расщеплять α(1-6) гликозидные связи, формирующие узлы из нескольких цепочек амилопектина. И наконец — мальтаза, которая отщепляет молекулы глюкозы он нередуцированного конца дисахарида или полисахарида. Так как этот фермент быстро инактивируется при температурах выше 45 С, он обычно не играет важной роли.
α-амилаза — это фермент, способный расщеплять любую α(1-4) связь в крахмале или декстрине за исключением точек ветвления. Это расщепление гликолизидных связей называется гидролизом так как поглощает одну молекулы воды. Этот фермент отвечает за быстрое уменьшение вязкости затора и отсутствие «синей» йодной пробы после желатинизации крахмала. Этот процесс называется разжижением затора. В то время как α-амилаза хороша в расщеплении крахмала на декстрины, которые показывают коричневую йодную пробу вместо синей, она не слишком хороша для сбраживаемых сахаров. α-амилаза имеет особенность расщеплять более крупные молекулы.
β-амилаза подходит куда лучше для производства сбраживаемых сахаров. β-амилаза «откусывает» по 2 молекулы глюкозы с нередуцированного конца цепочки молекул одну за другой. Из-за принципа действия фермента в пивном сусле большая часть сахаров — это мальтоза. Действие фермента прекращается при приближении к связи α(1-6). После это требуется помощь α-амилазы или предельной декстриназы. Первая разорвет цепочку молекул и подготовит новый с нередуцированный конец, вторая разорвет связь α(1-6) и так же оставит новый с нередуцированный конец, с которым опять начнет работу β-амилаза. Это процесс называется осахариванием и обычно идет за разжижением затора. Если сусло должно быть хорошо сбраживаемым используют β-амилазу путем подходящей температуры затирания.
Для полного осахаривания недостаточно действия α- и β-амилазы. Причина тому связи α(1-6), которые составляют 6-7% в амилопектине. Тут нам и поможет предельная декстриназа. У этого фермента оптимальная температура 60-62,5 С (по другим данным 50-60 С), схожая с оптимумом для β-амилазы. Её нестабильность при 63-70 градусах является основной причиной большого числа предельных декстринов в сусле, которые не расщепляются α- и β-амилазой. Предельные декстрины придают пиву положительные свойства, поэтому их следует расщеплять только для получения хорошо сбраживаемого сусла.
| Тип Зерна | Солод (% сухих в-в) | Сусло (% сухих в-в) |
|---|---|---|
| Крахмал | 85,8 | 0 |
| Декстрины, Глюканы, Пентазаны | 2,5 | 22,2 |
| Фруктаны | 1,4 | ? |
| Мальтотетраоза | — | 6,1 |
| Мальтотриоза | 0,6 | 14,0 |
| Мальтоза | 1,0 | 41,1 |
| Сахароза | 5,1 | 5,5 |
| Глюкоза и Фруктоза | 2,4 | 8,9 |
| Всего | 98,8 | 97,8 |
Таблица 1. Сравнительное содержание карбогидратов в солоде и сусле
Оптимальный диапазон температур для мальтазы находится между 30 и 40 °С, она может отделять одну молекулу глюкозы от цепочки с нередуцированного конца. Этот фермент предпочитает простые молекулы с низкой полимеризацией, чаще выбирая для своей целью мальтозу [Kessler, 2006]. На деле мало интересна для затирания, так как требует замачивания ниже 40 °С. Если ставится цель поднять содержание глюкозы в сусле, то следует после осахаривания при 63-65 °С остудить сусло до 40 °С и провести пазу на 30-45 минут с добавлением дополнительной порции солода и свежего фермента. После чего следует повторно провести осахаривание. О таком затирании рассказал Маркус Германн из пивоваренной школы Ванштефан, оно способствует получению богатых эфирных пшеничных сортов пива [Hermann, 2005].
Сахараза и инвертаза также активны в заторе. Эти ферменты расщепляют сахарозу на фруктозу и глюкозу. В то же время сахарозы крайне мало в заторе, поэтому роль ферментов незначительна.
Потребление одной молекулы воды означает, что при производстве одного килограмма мальтозы (или эквивалентной смеси глюкозы, мальтозы и крупных сахаров/декстринов) крахмал потребляет 50 миллилитров воды. Типичный затор для получения 19 литров сусла употребит 150 миллилитров воды. Это 1% от всей воды, добавленной на затирание, он обычно опускается из расчетов.
Кунце описывает четыре различных этапа преобразования крахмала при затирании [Kunze, 2007]. При низких температурах крахмал не набухает и остается в воде в виде суспензии. После окончания перемешивания зерна крахмала быстро оседают на дно. При этом йодная проба не синеет, вязкость жидкой фазы низкая. Но даже при низкой температуре амилазы уже начали свою атаку на гранулы крахмала. С повышением температуры происходит желатинизация крахмала, освобождая молекулы амилозы и амилопектина. Эти крупные молекулы сгущают затор, его вязкость растет. Йодная проба черно-синяя на этом этапе. В этот момент амилазы (в особенности α-амилаза) и предельная декстриназа начинают быстро расщеплять молекулы амилозы и амилопектина на крупные декстрины, тем самым серьезно снижая вязкость затора. Этот процесс называется разжижением. Йодная проба становится менее синей и более красно-коричневой, что показывает общее уменьшение молекул крахмала. Декстрины становятся мельче, β-амилаза и предельная декстриназа начинают активнее работать, расщепляя их не ферментируемые сахара, в то время как α-амилаза оказывает предпочтение крупным молекулам. Этот процесс называется осахариванием, он завершается частой йодной пробой.
Влияние условий затирания
Такие условия затирания как температура, время, гидромодуль, pH и остальные влияют на сложное взаимодействие между ферментами и субстратами, качеством получаемого сусла. Контролируя эти условия, пивовар может серьезно влияет на состав сусла и вкус готового пива. Помимо качества сусла, изменяется и объем экстракта, получаемого из засыпи. Вот почему пивовар должен иметь хорошее представление о процессах, проходящих при затирании.
Ниже следует детальное описание условий, влияющих на разнообразные параметры затора.
Температура и время
Процесс затирания заключается в последовательности температурных пауз, выдерживаемых определенное время. В самом простом случае проводится только одна пауза. Такой способ затирания называется изотермическим или однопаузным. Температура и длительность выбирается таким образом, что только определенные ферменты работают над затором. Эффект от оптимальной температуры не является постоянным для ферментов, но в то же время зависит от длительности проводимой паузы. При низкой температуре ферменты работают медленней, в то же время сохраняя дольше свою жизнеспособность, расщепляя больше продукта.
В то время как при 55 °С ферменты могут переработать до 90% потенциального экстракта, температура желатинизации крахмала не достигается, поэтому для осахаривания выбирается более высокая температура. Таким образом ферменты используются наиболее эффективно.
| Фермент | Оптимальная температура, °С | Оптимальный pH (охлажденный образец) |
|---|---|---|
| Мальтаза | 30-40 | 6,0 |
| Сахараза, инвертаза | 50 | 5,5 |
| Предельная декстриназа | 60-62,5 | 5,1 |
| β-амилаза | 60-65 | 5.4-5.6 |
| α-амилаза | 72-75 | 5.6-5.8 |
Таблица 2. Оптимальные температура и pH по Нарциссу и Кунце
Температура затирания и его продолжительность напрямую влияют на сбраживаемость сусла. Сбраживаемость — это отношение между сбраживаемыми сахарами (глюкоза, мальтоза, мальтотриоза) и общим объемом экстракта. Так как большая часть экстракта углеводы, сбраживаемость напрямую связана с балансом между сбраживаемыми и несбраживаемыми продуктами расщепления крахмала. Этот баланс управляется интенсивностью работы β-амилазы и предельной декстриназы. Оба эти фермента более чувствительны к теплу, чем α-амилаза (Таблица 2), эта особенность и используется для управления их активностью, особенно при однопаузном затирании.
Чем дольше работает β-амилаза и предельная декстриназа, тем больше становится степень сбраживания сусла. При однопаузном затирании этот процесс управляется температурой. Чем выше температура, тем быстрее денатурируется β-амилаза, и меньше сбраживаемых сахаров производится. На низких температурах эти ферменты остаются активными и продолжают работу более медленно. Заметьте, что для получения нередуцированных концов цепочек молекул глюкозы требуется активность α-амилазы (особенно за точками ветвления молекул амилопектина). Хотя эта температура и не является оптимумом для работы α-амилазы, её активности достаточно. При многопаузном затирании сбраживаемость сусла контролируется длительностью мальтозной паузой при 60-64 С.
На Рисунке 5 показан процесс затирания трёх однопаузных заторов при трех разных температурах. Здесь наглядно видно, что при высокой температуре затор быстрее насыщается до максимума получаемого экстракта. Это результат того, что крахмал ограничен для преобразования, а ферментов в солоде более чем достаточно для его полного осахаривания из растворимого сырья. Только затирание при 60 С длится долго до насыщения. Это результат неполной желатинизации и меньшей активности ферментов при этой температуре. В то же время порог насыщения все равно был достигнут, так же как и в случае с другими температурами.
Выход экстракта зависит от температуры. Чем выше температура затирания, тем быстрее достигается максимум, после чего выход остается постоянным. Это результат быстрой денатурации β-амилазы и предельной декстриназы. Результат после 180 минут затирания при 65 С опережает затирание при 60 С, которое должно было дать больше сбраживаемых сахаров.
Показатель pH и вода для пивоварения
Показатель pH затора может существенно влиять на активность ферментов, так как помимо температуры напрямую влияет на их деятельность. Показателем pH можно так же управлять процессом затирания. Оптимальные диапазоны показателя pH можно увидеть в Таблице 3.
| Характеристика | pH при температуре затирания | pH охлажденного затора |
|---|---|---|
| Наименьшее время осахаривания | 5.3 | 5.7 |
| Наибольший выход экстракта | 5.2-5.4 | 5.55 — 5.75 |
| Наибольший выход экстракта с отваркой | 5.3-5.6 | 5.3-5.6 |
| Лучшая сбраживаемость | 5.1-5.3 | 5.4-5.6 |
| Максимальная активность α-амилазы | 5.3 | 5,7 |
| Максимальная активность β-амилазы | 5.1-5.3 | 5.4-5.6 |
| Максимальная активность фитазы | 5.2 | 5.5 |
Таблица 3. Оптимальный pH [Briggs, 2004]
Существует некая неточность измерения показателя pH, так как он зависит от температуры. Затор ведет себя как слабые кислоты, которые диссоциируют (становится больше ионов водорода) с ростом температуры. Известно, что показатель pH затора при 65 С на 0.35 pH ниже pH при 25 С и и выше на 0.4 при 75 С соответственно [Briggs, 2004]. Оптимальным pH для α-амилазы является 5.3 при комнатной температуре. Для затирания же считается оптимальным 5.7. Причина тут в том, что pH затора обычно измеряют при комнатной температуре. Измерение при температурах затирания возможно, однако большая часть оборудования предназначена для измерения охлажденных образцов.
Подходящий pH влияет не только на деятельность ферментов. Он влияет на характер как кипящего сусла, так и выкипевшего сула. Показатель pH при кипении может быть немногим выше значения при затирании, а выкипевшее сусло на 0.1-0.2 pH ниже, чем кипящее сусло.
α-амилаза стабилизируется наличием ионов кальция в заторе [Briggs, 2004]. Однако α-амилаза и так достаточно стабильна для преобразования всего крахмала при обычных температурах затирания. При затирании несоложеного сырья этот эффект может быть полезен, так как крахмала для желатиназации тут больше, а ферментов меньше. Стабильность β-амилазы не зависит от кальция, его концентрация не влияет на сбраживаемость сусла.
Гидромодуль
Гидромодуль может вносить большой вклад в скорость затирания. Очень густой затор с гидромодулем менее 2 тяжело мешать, выход экстракта мал, желатинизация и преобразование крахмала замедленно [Briggs, 2004].
Гидромодуль может быть самый различный. В традиционных английских варках затор может быть плотный (гидромодуль 2-2.5), в то время как в немецких варках затор пожиже (гидромодуль 3.5-5). Причина этому — использование различного оборудования. В традиционном английском пивоварении использовался инфузионный способ затирания с неподогреваемым фильтром-заторником, в то время как немецкие пивовары нагревали заторник, перемешивая затор. Далее затор перекачивался для отварки и в фильтр.
Амилазы стабильней в густом заторе (Риснуок 6). Это особенно актуально для чувствительной к повышенной температуре β-амилазы. Получается, что густой затор дает более сбраживаемое сусло чем жидкий при затирании на высоких температурах [Briggs, 2004]. В то время как густой затор сохраняет ферменты, он замедляет их активность из-за недостатка воды [Briggs, 2004]. Кроме того, желатинизация идет медленней и при более высокой температуре, в результате чего жидкий затор дает больше экстракта при стандартных температурах.
Рисунок 7 показывает данные экспериментов Виндиша, Кольбаха и Шильда. Здесь видно, как жидкий затор дает преобразовать больше экстракта из крахмала, а так же получить больше сбраживаемых сахаров. В то же время процент сбраживаемых сахаров остается постоянным при изменении гидромодуля. Здесь также есть информация по растворенному в сусле азоту. Как видно, жидкий затор имеет большую протеолитическую активность.
Сбраживаемость сусла так же немного зависит от гидромодуля, что соответствует исследованиям Нарцисса о том, что при использовании хорошо модифицированного солода сбраживаемость сусла слабо зависит от гидромодуля [Narziss, 2005]. В то же время в жидком заторе процесс преобразования крахмала идет лучше.
Помол
Помол так же играет большую роль в процессе. Особенно важна степень помола. Мелкий помол дает больше муки. Эндосперм лучше отделяется от оболочек. Так вода и ферменты лучше доставляются к крахмалу, что ведет к быстрой желатинизации и преобразованию. В результате имеем лучший выход экстракта и лучшую сбраживаемость. Пивовары стремятся делать настолько мелкий помол, сколько позволяет отфильтровать их система. Некоторые коммерческие пивоварни измельчают зерна в муку, но тогда для фильтрации используются специальные заторные фильтры.
С ростом выхода экстракта улучшение сбраживаемости не было обнаружено при мелком помоле.