Скачать

Амилолитические препараты

Амилолитические препараты широко выпускаются в нашей стране и за рубежом. В основном это крупнотоннажное производство. Амилазы нахо­дят применение почти во всех областях, где перерабатывается крахмалсо-держащее сырье. Амилазы используют для осахаривания зернового и кар­тофельного крахмала. Самым большим потребителем амилолитических ферментов является спиртовая и пивоваренная промышленности, где в на­стоящее время солод (проращенное зерно) успешно заменяется амилолити­ческими ферментными препаратами.

Источники получения амилаз

Амилазы очень широко распространены в природе. Они синтезируются многими микроорганизмами (бактерии, грибы, актиномицеты, дрожжи), животными и растениями. До развития ферментной промышленности глав­ным промышленным источником получения амилаз в европейских странах было проросшее зерно (солод). Для медицинских целей амилазы получали из животного сырья. В настоящее время главным источником амилаз явля­ются микроорганизмы, особенно бактерии, грибы и реже дрожжи.

Механизм действия и свойства амилаз

Субстратами для действия амилаз являются крахмал, состоящий из амило­зы и амилопектина, продукты частичного гидролиза крахмала и гликоген.

Крахмал - растительный полисахарид с очень сложным строением. Это двухкомпонентное соединение, состоящее из 13-30% амилозы и 70-85% амилопектина. Оба компонента неоднородны, их молекулярная масса (М. м.) колеблется в широких пределах и зависит от природы крахмала. Амилоза - это неветвящийся полимер, в котором остатки глюкозы соеди­нены a-1, 4-гликозидной связью; степень полимеризации около 2000. В «аномальных» амилозах с одной-двумя a-1, 6-связями полимеризация мо­жет возрасти до 6000 (рис.1). Амило­за практически не об­ладает восстанавлива­ющей способностью, так как в каждой мо­лекуле амилозы име­ется только одна сво­бодная альдегидная группа.

Молекула амилозы представляет собой растянутую спираль, шаг которой составля­ет 10,6 А и в каждый виток входит 3 остатка глюкозы. Максималь-

Рис 1. Строение амилозы:

а — амилоза без аномальных отклонений; б - схема возмож­ных ветвлений амилозы; в — спираль амилозы в растворе с за­ключенными в ее полость молекулами йода.

Концевые звенья с

альдегидными группами 1 разветвление

- 2 разветвления 4 разветвления 8 развет

16 концевых звеньев

64 концевых

звена

Рис. 2.2. Амилопектин, схема дихо­томического деления амилопектина (по К. Мейеру):

а - в плоскости; б - в пространстве.

ная длина молекулы амилозы достигает 7000 А. В растворе спираль сжимается за счет увеличения витка, в котором уже участвует 6 остатков глю­козы. При вхождении молекул йода в спираль амилозы возни­кает характерный синий цвет. Строго говорить о величине молекулы амилозы нельзя, т. е. даже из одного образца крахмала извлекается амило­за, с величиной молекулы от 500 до 2000 остатков глюкозы. Амилопектин имеет большую молекулярную массу, чем ами­лоза, и более сложное строе­ние. Это ветвящийся полиса­харид. Предполагается, ами­лопектин ветвится дихотоми­чески, т. е. число концевых звеньев всегда на единицу больше числа звеньев, дающих ветвление, а сумма этих чисел дает общее число звеньев по всей цепи (см. рис. 2.2).

Механизм действия. К группе амилотических ферментов относятся a- и b-амилазы, глюкоамилаза, пуллуланаза, изоамилаза и некоторые другие ферменты. Амилазы бывают двух типов: эндо- и экзоамилазы. Четко выра­женной эндоамилазой является а-амилаза, способная к разрыву внутримо­лекулярных связей в высокополимерных цепях субстрата.

Глюкоамилаза и b-амилаза являются экзоамилазами, т. е. ферментами, атакующими субстрат с нередуцирующего конца.

При изучении механизма действия амилаз имеются определенные слож­ности, и прежде всего они заключаются в том, что субстрат - крахмал неод­нороден и имеет различные характеристики по степени полимеризации гли-козидной цепи и количеству ветвлений.

Реакции, катализируемые амилазами, имеют две стадии: короткую -предстационарную и длительную - стационарную. Во время первой стадии эндоамилаза быстро уменьшает молекулярную массу субстрата, образуя смесь линейных и разветвленных олигосахаридов. Второй этап реакции продолжается, пока продукты гидролиза не перестанут окрашиваться йо­дом; он протекает значительно медленнее и зависит от индивидуальных свойств фермента и его природы. Поэтому конечные продукты гидролиза а-амилазами могут быть различными. Первая стадия воздействия фермента на субстрат хотя и носит неупорядоченный характер, имеет для всех видов a-амилаз схожий механизм.

Существует две гипотезы о механизме действия экзоамилаз на субстрат. Первая гипотеза предполагает, что, воздействуя на субстрат по одноцепочечному или «молниеобразному» механизму, экзоамилаза образует фер­мент-субстратный комплекс с захватом нередуцирующего конца цепи.

Дальнейшее продвижение фер­мента по этой цепи происходит до полного ее гидролиза. По второй гипотезе (b- и глюко­амилаза действуют на субстрат путем механизма множественной атаки, т. е. фермент образует комплекс с молекулой субстрата, затем через несколько этапов этот комплекс распадается и фер­мент связывается с новой моле­кулой субстрата. Иными слова­ми, при множественной атаке происходит нечто среднее между неупорядоченным механизмом и одноцепочечной, «молниеобразной» атакой. Для полного гидро­лиза по этому механизму одна

молекула субстрата должна образовывать много раз фермент-субстратные комплексы. При этом возможен гидролиз нескольких связей в одном ката­литическом акте.

Механизм воздействия амилаз на субстрат может быть рассмотрен с не­скольких позиций:

1) вид разрываемой связи (a-1,4 или a-1,6);

2) тип воздействия на субстрат (эндо- или экзо-);

3) влияние на скорость гидро­лиза степени полимеризации субстрата;

4) возможность гидролиза олиго­сахаридов;

4) способность фермента к множественной атаке субстрата.

Наличие признаков амилаз, отраженных в 3 и 4 позициях, при действии на линейные субстраты может свидетельствовать о существовании у этих ферментов подцентровой структуры. Вероятно, активный центр амилазы может состоять из нескольких подцентров, каждый из которых может вступать в контакты с глюкозным остатком. Энергия взаимодействия (А;), выраженная в единицах свободной энергии (кДж/моль), определяет подцентровое сродство фермента к субстрату. Это сродство индивидуаль­но и может быть как положительным, так и отрицательным. Вероятность существования подцентровых структур амилаз помогает установить стро­ение активного центра амилаз, дает более четкое объяснение субстратной специфичности, но не дает объяснений механизма гидролиза разветвлен­ных субстратов.

a-Амилаза. а-Амилаза (а-1,4-глюкан-4-глюканогидролаза, КФ 3.2.1.1.) яв­ляется эндоамилазой, вызывающей гидролитическое расщепление a-1,4-гли-козидных связей внутри высокополимеризованного субстрата. Фермент на­зван a-амилазой потому, что он высвобождает глюкозу в a-мутамерной форме.

а-Амилаза - водорастворимый белок, обладающий свойствами глобулина и имеющий М. м. 45 000-60 000. Своего рода исключением является a-амилаза В. macerans, которая имеет М. м. 130 000. Есть указания, что некото­рые термостабильные a-амилазы имеют М. м. 14 000-15 000, но в их моле­кулах содержится в 2-3 раза больше атомов кальция.

Все а-амилазы относятся к металлоэнзимам, содержание в них Са колеб­лется от 1 до 30 г атом на 1 г моль фермента. Полное удаление кальция

приводит к инактивации фермента. Повторное введение кальция в среду мо­жет частично восстановить его активность. a-Амилаза В. subtilis с помощью иона цинка способна образовывать димерную форму, чего лишены другие a-амилазы. Все a-амилазы устойчивы к воздействию протеаз. Они богаты ти­розином и триптофаном. Глютаминовая и аспарагиновая кислоты составля­ют 25% массы белка. Наличие этих кислот в а-амилазе связывают с их оса-харивающей способностью. Так, разжижающие a-амилазы не имеют сульфгидрильных групп, а осахаривающие содержат один остаток цистеина. Сравнительно мало или совсем отсутствуют в а-амилазах содержащие серу аминокислоты. Некоторые a-амилазы грибного происхождения имеют уг­леводный фрагмент, в состав которого могут входить манноза, ксилоза, гексозоамин, но функции его не установлены.

В зависимости от вида микроорганизма свойства ос-амилаз могут сильно отличаться не только по механизму воздействия на субстрат и конечным продуктам, но и по оптимальным условиям для проявления максимальной активности.

Действуя на целое крахмальное зерно, a-амилаза атакует его, разрыхляя поверхность и образуя каналы и бороздки, т.е. как бы раскалывает зерно на части. Клейстеризованный крахмал гидролизуется ею с образованием на окрашиваемые йодом продукты - в основном состоящие из низкомоле­кулярных декстринов. Процесс гидролиза крахмала многостадийный. В результате воздействия a-амилазы на первых стадиях процесса в гидролизате накапливаются декстрины, затем появляются неокрашивающиеся йо­дом тетра- и тримальтоза, которые очень медленно гидролизуются a-амилазой до ди- и моносахаридов.

Все a-амилазы проявляют наименьшее сродство к гидролизу концевых связей в субстрате. Некоторые же а-амилазы, особенно грибного происхож­дения, на второй стадии процесса гидролизуют субстрат более глубоко с об­разованием небольшого количества мальтозы и глюкозы. Схему гидролиза под действием а-амилазы можно записать следующим образом:

а-Амилаза

Крахмал,----------------> а-Декстрины + Мальтоза + Глюкоза

гликоген (много) (мало) (мало)

-Амилаза. b-Амилаза (a-1,4-глюкан мальтогидролаза, КФ 3.2.1.2) - активный белок, обладающий свойст­вами альбумина. Каталити­ческий центр фермента со­держит сульфгидрильные и карбоксильные группы и имидозольный цикл остат­ков гистидина. b-Амилаза -экзофермент концевого дей­ствия, проявляющий срод­ство к предпоследней -1,4-связи с нередуцирующего конца линейного участка амилозы и амилопектина.

В отличие от a-амилазы b-амилаза практически не гидролизует нативный крахмал, тогда как клейстеризованный крахмал гидро­лизуется ею с образованием мальтозы b-конфигурации, поэтому данная амилаза по аналогии с a-амилазой на­зывается b-амилазой. Если гидролизу подвергается амилоза, то гидролиз идет полностью до мальтозы. Не­значительное количество декстринов может образовы­ваться при гидролизе «ано­мальных» амилоз, так как гидролиз b-амилазой идет только по линейной цепи до a-1,6-связей. Если субстратом для b-амилазы служит амилопектин, то гидролиз идет в значительно меньшей степени. b-Амилаза отщепляет фрагмент с не­редуцирующего конца участка от внешних линейных ветвей, имеющих по 20-26 глюкозных остатков, с образованием 10—12молекул мальтозы. Гид­ролиз приостанавливается на предпоследней a-1,4-связи, граничащей с a-1,6-связью. В гидролизате накапливается 54-58% мальтозы, остальное составляют высокомолекулярные декстрины, содержащие значи­тельное количество а-1,6-связей - так называемые b-декстрины. Действие b-амилазы на крахмал можно записать в виде следующей схемы:

b-Амилаза

Крахмал,----------------> Мальтоза + р-Декстрин

гликоген (54-58%) (42-46%)

b-Амилазы проявляют большую стабильность в отсутствие ионов Са²⁺. Молекулярная масса b-амилазы растений достаточно высока, она составля­ет от 50 000до 200 000. Фермент может состоять из одной или четырех

субъединиц до 50 000 каж­дая. Фермент содержит SH-группы и чувствителен к действию тяжелых метал­лов. Считается, что (b-ами-лаза обладает высокой спо­собностью к множествен­ной атаке субстрата. Для амилозы средней молеку­лярной массы в одном при­соединении фермента к суб­страту возможно отщепле­ние до четырех остатков мальтозы. При увеличении молекулярной массы суб­страта возможно и большее количество мест атаки.

Глюкоамилаза. Глюкоамилаза (а-1,4-глюкан глюкогидролаза, КФ 3.2.1.3.) широко распространена в природе. Она синтезируется многими ми­кроорганизмами и образуется в животных тканях, особенно в печени, почках, плаценте кишечника и т. д. Фермент в литературе известен под различ­ными названиями: амилоглюкозидаза, g-амилаза, лизосомальная a-глюкозидаза, кислая мальтаза, матулаза и экзо-1,4-a-глюкозидаза. Глюкоамилаза катализирует последовательное отщепление концевых остатков a-D-глюкозы с нередуцирующих концов субстрата. Это фермент с экзогенным механизмом воздействия на субстрат. Многие глюкоамилазы обладают способностью так же быстро, как и a-1,4-связь, гидролизовать a-1,6-глюкозидные связи. Но это происходит только в том случае, когда за a-1,6-связью следует a-1,4-связь, поэтому декстран ими не гидролизуется. От­личительной особенностью глюкоамилаз является способность в десятки раз быстрее гидролизовать высокополимеризованный субстрат, чем олиго-и дисахариды.

В литературе высказывается мнение, что ме­ханизм атаки субстрата глюкоамилазой может быть двух типов: либо одно-цепочечный, либо множественной атаки, и что активный центр имеет под-центровую структуру.

Почти все глюкоамилазы являются гликопротеидами, содержащими от 5 до 35% углеводов, которые состоят из олиго-, ди- и моносахаридов. Угле­водный компонент может быть целостным фрагментом или же разбитым на индивидуальные соединения, которые прикрепляются к белку через трео­нин и серин. Например, у глюкоамилазы A. niger их 20. Большинство из­вестных глюкоамилаз имеет оптимум рН при 4,5-5,2, реже - при 5,7-6,0, в основном для дрожжевых глюкоамилаз.

РН-стабильность микробных глюкоамилаз лежит в широком диапазоне -от 2,5 до 9. Термостабильность глюкоамилаз лежит в интервале от 30 до 45°С и редко повышается до 55-60°С. Глюкоамилазы различного происхо­ждения заметно отличаются по молекулярной массе, которая, по данным различных авторов, имеет значения от 48 000 до 210 000. Следует заме­тить, что далеко не все микробные глюкоамилазы способы полностью гид­ролизовать крахмал до глюкозы. Еще в 60-х годах И.Фукумото предложил все микробные глюкоамилазы разделить на два типа:

1) полностью гидро­лизующие крахмал до глюкозы и

2) гидролизующие крахмал до глюкозы на 80-85%.

В то время предполагалось, что степень гидролиза зависит только от свойств глюкоамилаз и их происхождения. Позже было показа­но, что при росте культуры параллельно накапливаются и другие амилоли­тические ферменты, обладающие не только гидролитическим, но и трансферазным действием. Это гликозилтрансфераза и a-амилаза. Даже в слу­чае, если система открытая и продукт гидролиза (глюкоза) постоянно уда­ляется из системы, процесс может дойти до полного гидроли­за крахмала до глюкозы. Если же система закрытая и концентрация суб­страта велика, то при достижении определенной концентрации глюкозы в реакционной среде в результате переноса глюкозильных остатков на глю­козу, ди- и олигосахариды начинают накапливаться изомальтоза, паноза, нигероза, изомальтотриоза и другие сахара, которые имеют горький вкус. В результате процесс не может дойти до полного превращения крахмала в глюкозу и возникает ошибочное представление, что глюкоамилаза не пол­ностью гидролизует крахмал. Сама же глюкоамилаза может проявлять не­большую трансферазную активность, но только при концентрации глюко­зы свыше 60-70%. Поэтому ранее принятое деление глюкоамилаз на два типа следует считать необоснованным.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ И РЕЖИМ ПОЛУЧЕНИЯ СПИРТА

Технология этилового спирта из крахмалистого сырья основана на ферментативном гидролизе зернового или картофельного крахма­ла и сбраживании образующихся сахаров дрожжевыми микроорга­низмами, т.е. является биохимической технологией.

Процесс получения спирта из зерно-картофельного сырья вклю­чает следующие стадии: очистка и подготовка сырья, водно-тепло­вая обработка его, осахаривание разваренной массы и охлаждение сусла, приготовление засевной культуры дрожжей, сбраживание сус­ла, перегонка бражки и ректификация спирта.

Производство спирта из крахмалистого сырья осуществляется по периодической, полунепрерывной и непрерывной схемам. По пе­риодической схеме с использованием разварников Генце получали этиловый спирт с конца XIX в. В настоящее время эта схема оста­лась только на некоторых спиртовых заводах малой мощности (до 800 дал). Полунепрерывная схема производства, основанная на ис­пользовании периодически действующих аппаратов, впервые была внедрена на заводах СССР в 1917—1950 гг. По этой схеме до сих пор работают около 15—20% спиртовых заводов страны.

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ ЭТИЛОВОГО СПИРТА ИЗ КРАХМАЛИСТОГО СЫРЬЯ

ОСАХАРИВАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ

Крахмал, растворенный при разваривании зерна и картофеля, гидролизуют (осахаривают) амилолитическими ферментами зер­нового солода или культур микроорганизмов, преимущественно микроскопических (плесневых) грибов и бактерий.

Амилолитические ферменты содержатся во многих высших растениях, но наиболее богато ими пророщенное в определен­ных условиях зерно растений семейства мятликовых (злаков), называемое солодом. Способность солода осахаривать крахмал известна с древнейших времен, и с тех пор солод используется при получении спирта. Также давно известно свойство микро­скопических грибов осахаривать крахмал. С их помощью восточ­ные народы приготовляли различные охмеляющие напитки.

Культуры микроскопических грибов или ферментные пре параты применяют в спиртовой промышленности большинства зарубежных стран, причем в основном в виде концентрирован­ных сиропообразных препаратов или сухого порошка, реже — в виде культуральной жидкости.

Культуры микроскопических грибов имеют ряд преимуществ по сравнению с солодом. Их выращивают на пшеничных отрубях или в составе питательной среды используют обычную кукуруз­ную муку, тогда как для приготовления солода расходуется 14...20 % кондиционного (96 % проростаемости) зерна в расчете на массу крахмала сырья.

При солодоращении теряется 16...18 % крахмала, часть крах­мала солода в процессе производства спирта остается неосаха­ренной и, следовательно, не сбраживается. Кроме того, с соло­дом вносятся в сусло посторонние микроорганизмы, вследствие чего в большей мере протекают и другие виды брожения, отри­цательно отражающиеся на выходе спирта. В случае применения смеси солодов из различных злаков с целью полного осахарива­ния крахмала работа солодовен усложняется.

Культуры микроскопических грибов содержат комплекс ами­лолитических ферментов, отличающихся от ферментов солода и позволяющих глубже и полнее гидролизовать крахмал. В микро­скопических грибах активнее целлюлозолитические ферменты, расщепляющие гемицеллюлозы до сахаров, часть которых сбра­живается дрожжами, при этом повышается выход спирта.

С помощью культур микроскопических грибов можно увели­чить концентрацию ферментов и таким образом сократить про­должительность осахаривания и последующего дображивания сусла в 2...3 раза.

Микроскопические грибы быстро размножаются, для выра­щивания поверхностной культуры достаточно около 1,5 сут, про­ращивание же зерна для получения солода длится 9... 10 сут. Глубинные культуры выращивают в стерильных условиях, что обеспечивает «чистоту» процесса спиртового брожения.

Действие солода и культур микроскопических грибов не огра­ничивается осахариванием крахмала, они еще способствуют на­коплению в сусле достаточного количества органического азота для питания дрожжей и частичному растворению клеточных сте­нок эндосперма сырья. В осуществлении этих процессов, а также в выращивании солода и микроскопических грибов участвуют многочисленные ферменты, поэтому необходимо знание их хи­мической природы, строения и механизма действия.

ПОЛУЧЕНИЕ СОЛОДА

Технология солода складывается из следующих основных про­цессов: замачивание и проращивание зерна; сушка солода и удаление ростков. На отечественных спиртовых заводах для оса­харивания используют сырцовый — несушеный солод (непра­вильно называемый «зеленым»). Этот солод не может долго хра­ниться, поэтому на каждом спиртовом заводе его готовят в коли­чествах, необходимых для текущей работы.

ЗАМАЧИВАНИЕ ЗЕРНА

Основная цель замачивания — увлажнить зерно; дополнитель­ная — отмыть от остатков пыли, удалить легкие зерновые и не­зерновые примеси и подавить микроорганизмы. Замачивание ведут с применением воздуха и воды, чередуя насыщение зерна водой и аэрацию.

Во время замачивания протекают физико-химические и биохимические процессы, приводящие к глубоким изменениям в зерне.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ЗАМАЧИВАНИИ ЗЕРНА

Зерно прорастает нормально при влажности 40...46 %. При меньшей влажности ростки быстро увядают, накапливается мало ферментов, эндосперм плохо и неравномерно растворяется. Переувлажненное зерно долго не начинает прорастать, а затем быстро трогается в рост с большим выделением теплоты. Зама­чивание обычно заканчивается по достижении влажности 38...40 %, но обильно орошают зерно водой во время проращи­вания.

Вода поступает в зерно через плодовую и семенную оболочки, обладающие полупроницаемостью, поэтому в процессе замачива­ния главную роль играют ультрафильтрация и осмодиффузия. Цветочная пленка (мякинная оболочка) в начале замачивания непроницаема, и вода впитывается по тонким капиллярам — трахеидам зародышевой части, не покрытой этой оболочкой. Сорбируясь крахмалом, белками и другими высокополимерами и растворяя минеральные вещества, через полупроницаемые стен­ки клеток зародыша и эндосперма вода проникает внутрь зерна.

Со временем вследствие вымывания инкрустирующих веществ становится проницаемой и мякинная оболочка.

В нормально замоченном зерне ячменная влага распределена неравномерно. Наибольшая влажность (около 47 %) в основа­нии — в зоне расположения зародыша; в самом зародыше влаж­ность еще выше (68...75 %). В середине зерна влажность 38 %, в кончике 39 %.

Скорость замачивания зависит от структуры, размера зерна и температуры. Пленчатое, высокобелковое и крупное зерно обыч­но увлажняются медленнее, чем голое, низкобелковое и мелкое, хотя нередки исключения из этого правила. Зерно, выращенное в сухом жарком климате, впитывает влагу хуже зерна, получен­ного во влажном умеренном теплом климате. С повышением температуры скорость замачивания возрастает

Зерно большинства культур замачивают при 18...20 °С (смеси зерна и воды). При более высокой температуре необходимы час­тая смена воды, энергичное аэрирование, тщательное подавление микрофлоры, что усложняет управление процессом. Исключение составляет просо, которое насыщается влагой труднее, поэтому температуру замачивания его поддерживают в пределах 25...30 °С.

В воде с высокой жесткостью (14... 15 мгэкв/л) и большой щелочностью замачивание замедляется. Такое же действие ока­зывают хлориды; сульфаты, наоборот, ускоряют замачивание.

Во время замачивания зерно набухает, увеличиваясь в объеме, например, на 40...45 % (ячмень). Из твердого и хрупкого оно становится мягким и эластичным.

БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ЗАМАЧИВАНИИ ЗЕРНА

В результате увеличения влажности зерна при замачивании резко усиливается жизнедеятельность и в первую очередь дыха­ние зерна, сопровождающееся потребностью в кислороде. Вместе с тем запас кислорода в воде очень быстро уменьшается, напри-

мер при замачивании ячменя на 60...80 мин он исчезает, поэтому обеспечение зерна кислородом затруднено. Проникновению кис­лорода в зерно через зародыш (в начале замачивания) препятст­вует щиток, а через оболочки впоследствии — большое количест­во воды в тканях. Диффузия кислорода в воде примерно в 10 000 раз медленнее, чем в газе; кроме того, растворимость его в воде в 40 раз меньше, чем диоксида углерода. Недостаток кислорода в процессе замачивания подтверждается и значением дыхательного коэффициента, который выше единицы (около 1,07), а через 8 ч от начала замачивания равен 1,38, т. е. наблюдается уже анаэ­робное дыхание.

При кислородном голодании образуется этиловый спирт, вредно влияющий на жизнеспособность зародыша. В таких условиях частично нарушается структура тканей и зерно легко переувлажняется. Во время последующего проращивания тре­буются длительная перестройка типа дыхания, сжигание спир­та и других метаболитов, на образование которых были затра­чены углеводы. Отсюда следует, что с самого начала замачива­ния должны быть созданы условия для нормального дыхания зерна.

При замачивании зерна одновременно с усилением дыха­ния происходит глубокая перестройка всего ферментного комплекса.

ПРОРАЩИВАНИЕ ЗЕРНА

Цель солодоращения — накопление ферментов, растворение межклеточных пластинок и стенок клеток эндосперма, что необ­ходимо для снабжения развивающегося зародыша питательными веществами и перехода ферментов в сусло.

Зерно проращивают в таких условиях, чтобы расход крахмала

на дыхание и образование новых вегетативных органов был ми­нимальным, при возможно меньшем обсеменении микроорга­низмами, особенно кислотообразующими.

МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ И ЦИТОЛИТИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЗЕРНА

При проращивании в зерне происходят процессы распада и синтеза. В эндосперме гидролизуются резервные вещества — крахмал, белки, а также пектиновые вещества, гемицеллюлозы, целлюлоза; образующиеся растворимые продукты поступают через щиток в зародыш. В результате процессов синтеза из заро­дыша вырастают стебелек и корешки.

БИОХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЗЕРНА

Ферменты синтезируются в вегетативных частях растения — листьях и стеблях — и уже из них мигрируют в созревающее зерно. По исследованиям А. Н. Баха и А. И. Опарина, актив­ность ферментов в зерне вначале увеличивается, в период молоч­ной спелости достигает максимума, в период восковой спелости снижается и, наконец, во вполне созревшем зерне еле проявля­ется. При проращивании зерна активность ферментов вновь уве­личивается, достигая даже значительно большей величины, чем в период молочной спелости.

Понижение активности амилаз при созревании зерна объяс­няется связыванием их с белками. В таком, зимогенном, состоя­нии амилазы нерастворимы и потому неактивны. Активность их восстанавливается после воздействия протеаз, освобождающих амилазы из зимогена.

В созревающем зерне ячменя, ржи, пшеницы и овса при­сутствуют a- и b-амилазы, но в зрелом зерне обнаруживаются лишь следы b-амилазы. Заметное содержание свободной a-амилазы найдено в зерне ржи и овса. В пророщенном зерне всех этих культур содержание р-амилазы не превышает таковое при действии папаина на исходное зерно, т. е. р-амилаза накапли­вается в солоде в результате освобождения из зимогена. По­лагают, что ос-амилаза накапливается таким же путем и час­тично синтезируется.

Динамика изменения ферментативной активности ячменя при его проращивании (по Г. И. Фертману и А. Н. Лазаревой) показана на рис. 3. Видно, что величины АС и ДС достигают максимального значения на 10-е сутки, по другим данным, у ржи — на 7...8-е сутки. Декстринолитическая способность возрастает v овса на 10... 12-е, у

проса — на 5...6-е сутки. Исходя из этого, устанавливают и продолжи­тельность солодоращения.

Рис. 3. График изменения фер­ментативной активности в про­растающем ячмене

В солоде амилолитические фер­менты распределены неравномерно: в ячменном приблизительно 70 % ами­лаз локализовано в нижней части эн­досперма, прилегающей к щитку, в верхней части их около 25, в щитке 4, в стебельке и корешках 1 %.

Цитолитические ферменты в процессе проращивания зерна также активируются, и активность их возрастает до определенного времени, у ячменя — до 5...7 сут. Наибольшей активности цитазы со­ответствует переход твердого состояния мучнистого тела в рыхлое, когда эндосперм легко может быть растерт между пальцами.

Главная роль в растворении клеточных стенок принадлежит гемицеллюлазам и пектиназам. Основной составной частью ге-мицеллюлоз ячменя является b-глюкан, гидролиз которого ката­лизируется эндо-b-глюканазой. Меньшая роль принадлежит ара-бинозидазе и ксиланазе.

В зерне злаков из протеиназ содержится фермент типа папаина, из пептидаз — аминопептидазы, карбоксипептидазы и дипептидазы.

В результате действия протеиназ из зимогена освобождаются амилазы, под действием пептидаз накапливаются аминокислоты, главным образом аспарагиновая и глутаминовая. Активность протеаз возрастает в процессе солодоращения соответственно увеличению активности амилаз

Протеиназы ячменя, как и папаин, в зависимости от природы гидролизуемого белка могут проявлять свою активность при рН 3,8; 6,3 и 8,6, в соответствии с чем их подразделяют на кислые, нейтральные и щелочные. При солодоращении наибольшую ка­талитическую активность проявляют кислые протеиназы, актива­торами которых служат сульфгидрильные соединения, содержа­щие группу —Н, цистин и восстановленный глютатион. В пер­вые сутки проращивания зерна количество глютатиона значительно увеличивается, причем в зародыше более энергично, чем в эндосперме. В последующие сутки накопление глютатиона в зародыше происходит медленнее, но все время в зародыше его больше, чем в эндосперме.

Активность кислой протеиназы в продолжение солодораще­ния возрастает приблизительно в 40 раз. Пептидазная активность проявляется также сильно, но позже протеиназной.

К концу проращивания в зерне накапливаются довольно ак­тивные липаза и фосфатаза (фитаза, нуклеотидаза). Активность фосфатазы тем выше, чем ниже температура солодоращения.

По данным А. Н. Баха и А. И. Опарина, в зерне активность фер­ментов дыхания — оксидазы, пероксидазы и каталазы — выше ак­тивности гидролитических ферментов. В результате проращивания повышается активность обеих групп ферментов, но соотношение их активности резко изменяется в обратную сторону и тем сильнее, чем ниже температура. Поэтому в процессе солодоращения накапливает­ся значительное количество гидролитических ферментов при срав­нительно небольших тратах крахмала на дыхание.

ИЗМЕНЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ЗЕРНА

Несмотря на то что солодоращение протекает при сравнитель­но низких температурах, сильно отличающихся от оптимальных для действия ферментов, за время проращивания зерна происхо­дят существенные изменения его химического состава.

Наибольшие преобразования претерпевает крахмал — основ­ной резервный углевод зерна. Приблизительно 20 % от всего его количества гидролизуется: из них 8...9 % расходуется на дыхание, 3...4 % на построение стебля и корней и 8... 10 % остается в виде сахара, придающего солоду сладкий вкус.

Свободные сахара состоят главным образом из сахарозы, ин-вертного сахара и мальтозы. При температуре проращивания 15...16 °С образуются преимущественно сахароза и продукты ее гидролиза, при температуре 20...23 °С — мальтоза.

В нерастворенных гранулах крахмала при рассмотрении под микроскопом хорошо видны канальцы и повреждения поверх­ности, что является результатом действия амилаз. Размер гранул несколько уменьшается, повышается содержание амилозы, внешние цепи амилопектина укорачиваются. Температура клейс-теризации возрастает приблизительно на 4 С, а вязкость клейс­тера, наоборот, понижается.

Количество целлюлозы в зерне и солоде почти одинаково. Это объясняется тем, что наряду с растворением клеточных сте­нок эндосперма примерно такое же количество клетчатки обра­зуется в новых вегетативных органах. Количество пентозанов в солоде на 2...3 % больше, чем в исходном зерне. Большая часть пентозанов растворима в воде и состоит не только из высокомо­лекулярных продуктов гидролиза, но и из моносахаридов (ксило­зы, арабинозы).

Белковые вещества также претерпевают значительные изменения. Присуществующих способах производства спирта азотистое питание для дрожжей накапливается в основном процессе солодоращения. Некоторое количество растворимого азота образуется и при осахари­вании разваренной массы, но оно относительно невелико.

Изменения состава белковых веществ ячменя и солода харак­теризуют данные, приведенные в табл. 1. Наиболее сильному гидролизу подвергается гордеин, несколько меньшему — глюте­лин; количество альбумина и глобулина почти не изменяется. Одновременно в 4...5 раз увеличивается содержание аминокис­лот. Об их составе некоторое представление может дать анализ ячменя и пивоваренного солода.

Содержание общего азота в зерне и солоде, %

Общее содержание азота на протяжении всего периода соло-доращения остается практически таким же, содержание аминно­го азота резко возрастает на 6...8-е сутки, а затем темпы роста замедляются. Белки исходного ячменя гидролизуются примерно на 55 %, из которых около 23 % сосредоточивается в проростках в виде качественно иных белков.

В процессе солодоращения содержание жиров уменьшается на 10...30 %. От фосфорорганических соединений отщепляются фосфаты. Образуются продукты неполного окисления углево­дов — лимонная, щавелевая, молочная и другие органические кислоты, которые вместе с аминокислотами повышают общую кислотность, например с 1,5...2,5 мл 1 н. раствора NaOH на 100 г ячменя до 4,4...7,5 мл на 100 г солода. Однако значения рН в вытяжках из ячменя и солода вследствие буферных свойств мало различаются, но буферная емкость вытяжки из солода на 20...40 % больше.

При солодоращении освобождается инозит и возрастает со­держание других витаминов — тиамина и рибофлавина, имею­щих важное значение для жизнедеятельности и бродильной энергии дрожжей. Образуются эфиры и другие соединения, при­дающие солоду специфический запах: свежих огурцов — ячмен­ному, стручков акации, медовый или яблочный — просяному и т. д.

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА СОЛОДОРАЩЕНИЯ

Для интенсификации солодоращения с сокращением срока проращивания и повышением ферментативной активности в спиртовой промышленности применяют биостимуляторы — гиб-берелловую кислоту и комплексный ферментный препарат МЭК-1.

Гибберелловую кислоту используют в виде водного раствора при поливе зеленого солода в процессе выращивания, а также при замачивании зерна перед солодоращением. При поливе рас­ход гибберелловой кислоты (в пересчете на чистое ее количест­во) — 600 мг/т (ячмень, рожь и овес) и 400 мг/т (просо). Если

эту кислоту добавляют на стадии замачивания зерна, то расход ее увеличивается и составляет 660...800 мг/т.

При использовании гибберелловой кислоты продолжитель­ность выращивания ячменного и овсяного солода 8...9 сут. Фер­ментативная активность зеленого солода, обработанного гиббе­релловой кислотой, повышается не менее чем на 15 % по срав­нению с необработанным солодом.

Для интенсификации солодоращения нормального зерна, а также при получении солода из нестандартного зерна в целях повышения прорастаемости и увеличения ферментативной ак­тивности в качестве биостимулятора кроме гибберелловой кисло­ты применяют комплексный ферментный препарат МЭК-1. Под его действием интенсифицируются процессы растворения муч­нистой части зерна, образования амилолитических ферментов при проращивании, в результате чего продолжительность солодо­ращения сокращается с 10...12 до 6...7 сут.

В комплексный ферментный препарат МЭК-1 входят Амило­субтилин Г1Ох и Амилоразин П1Ох.

Препарат МЭК-1 (мультиэнзимная композиция, тип I) пред­ставляет собой порошок светло-бежевого цвета влажностью 12...13 %. Амилолитическая активность препарата (АС) 2650 ед/г, протеолитическая (ПС) — 30 ед/г. Расход МЭК-1 составляет 50 г стандартного препарата на 1 т солодового зерна при замачива­нии. Препарат применяют в виде рабочего водного раствора (50... 100 г препарата растворяют в 10 л воды). Рабочий раствор используют не только для замачивания, но и для полива при проращивании из расчета 200 л на I т солодового ячменя.