Біологічні і хімічні сенсорні системи в процесі виробництва пива

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕМА: «БІОЛОГІЧНІ І ХІМІЧНІ СЕНСОРНІ СИСТЕМИ В ПРОЦЕСІ ВИРОБНИЦТВА ПИВА»

ВСТУП

Біотехнологія з кожним роком розвивається все більш і більш. Нова галузь біотехнології є біосенсорика. Головною метою якої є створення біосенсорів. Біосенсор - це прилад, що перетворює зміну фізико-хімічних властивостей біоматриці при взаємодії із аналізованою речовиною на електричний чи оптичний сигнал з амплітудою, яка залежить від концентрації даної речовини у розчині.

Функціонально біосенсори складаються з двох частин: біоселективної мембрани, на якій іммобілізовано біоматеріал, та перетворювача. Як іммобілізований матеріал використовують ферменти, нуклеїнові кислоти, антитіла, рецептори, органели та цілі мікроорганізми. Перетворювачі за принципом дії можуть бути потенціометричними, амперметричними, кондуктометричними, акустичними, оптичними та калориметричними. Тип перетворювача визначається особливостями реакції та перетворень на біоселективній мембрані, тому неможливо знайти один універсальний перетворювач на всі випадки аналізу.

В своїй роботі я розглянула біосенсорну систему на основі ферментів на стаді затирання зерна з водою у виробництві пива.

Ферменти - це органічні каталізатори біологічного походження, що прискорюють реакції взаємодії різних речовин, залишаючись при цьому без суттєвих змін. Усі ферменти поділяються на 6 класів оксиредуктази, трансферази, ліази, гідролази, ізомеразі, лігази ферменти складаються з довгих ланцюгів амінокислот, з'єднаних між собою пептидними зв'язками.

Мета роботі: дослідити сенсорні системи на стадії затирання при виробництві пива.

АНАЛІЗ СИСТЕМИ

У технологічних процесах різних виробництв специфічна дія ферментів дає змогу одержувати максимальну кількість продукції з мінімальним вмістом небажаних побічних речовин. Дія ферментів проявляється тільки на відповідній сировині. Найсприятливіші умови для дії ферментів - T=30-40⁰С і рН=7,0.

Пиво виготовлюють змішуванням подрібненого пророщеного ячмінного зерна та гарячої води у варильних апаратах. Процес називається затиранням, а одержана суміш - затором.

Зародок при пробудженні до життєдіяльності генерує гормони, які виконують ті ж функції, що і гіберелінова кислота та її солі. Таким чином при їх замочуванні й пророщуванні зернових культур концентруються гормоноподібні речовини, що містять гіберелінову кислоту. Ці речовини, кількість яких при проростанні зерна збільшується, забезпечують синтез таких ферментів, як амілаза, пептидаза та ендоглюканаза. Зазначені ферменти руйнують клітинні стінки ендосперму, що сприяє розчиненню солоду. Велике значення при цьому має дія пептидаз, які гідролізують білкові речовини, оболонки крохмальних зерен.

Для забезпечення достатнього обміну речовин у зерні необхідна вегетаційна волога, якої повинно бути не менше 45% (при цьому враховують особливості сорту ячменю).

При вологості зерна 30-35% починаються біохімічні процеси, властиві для його пророщування, тобто інтенсивне дихання й обмін речовин, що потребує відповідної кількості кисню.

Головна ціль солодорощення утворення ферментів. Ці ферменти необхідні для розщеплення речовин при затиранні. Важливу роль при пророщуванні зерна відіграє вода, вміст якої протягом усього періоду біотехнологічного процесу повинен залишатися на рівні 42-47%. Оптимальною температурою для нагромадження гідролітичних ферментів є 16-17 °С. Зниження її зумовлює збільшення тривалості періоду пророщування зерна, що відбивається на собівартості солоду.

Головні біохімічні процеси при затиранні - оцукрювання і протеоліз. Простим вилуговуванням з загальної кількості сухих речовин дробленого солоду витягується лише 15…18% екстрактивних речовин, в склад яких входять 7,5…10% цукрів, 1…1,5% пентозанів, в тому числі пентози (ксилоза, арабіноза), 2,5…4,0% низькомолекулярних продуктів розпаду білків, 0,3…0,5% пектину, до 0,4% дубильних и гірких речовин і майже всі неорганічні речовин.

Дія амілолітичних ферментів на крохмаль при затиранні. У дробленому солоді і несоложеній сировині міститься значна частина крохмалю, що не розчиняється у воді, який в процесі затирання піддається розщепленню амілолітичними ферментами.

Молекула крохмалю:

Молекула амілози уявляють собою довгий нерозгалужений ланцюг, в якій глюкозні залишки з'єднані (1-4)зв'язками.

Ланцюги мають різну довжину, тому молекулярна маса амілози коливається від декількох тисяч до 350000.

Молекула амілопектину сильно розгалужена. молекули мають (1-4) глікозидні зв'язки, а в точках розгалуження - (1-6) зв'язки. Загальне число глюкозних залишків в амілопектині більше, ніж в амілозі, тому його молекулярна маса досягає 6,5 млн. У воді амілоза і амілопектин утворюють гідративні міцели (електрично заряджені колоїдні частки), які при додаванні йоду інтенсивно забарвлюються в синій колір. У холодній воді крохмаль нерозчинний, а в гарячій воді при певних температурах (для ячмінного крохмалю 60-80° С, кукурудзяного 65-75° С, рисового 80-85° С) зв'язку між міцелами слабшають, зерна крохмалю набухають, збільшуючись в об'ємі в 60-100 разів, і утворюють колоїдний розчин. Відбувається так звана клейстеризація крохмалю, що полегшує доступ ферментам до молекул крохмалю при гідролізі. У загальному вигляді гідроліз крохмалю можна представити як ступінчасту реакцію:

Декстрин - збірна назва проміжних продуктів гідролізу крохмалю з різним числом глюкозних залишків. При повному розщеплюванні молекули крохмалю, що містить х глюкозних залишків, на місці розірваних зв'язків приєднається (х -1) молекул води і утворюється х молекул глюкози:

Величина х в цій реакції дуже велика.

Гідроліз крохмалю ферментами умовно ділять на три стадії: розрідження крохмального клейстеру, внаслідок чого зменшується його в'язкість; декстранізация крохмального клейстеру, тобто перетворення крохмалю на продукти розпаду, не створюючі з йодом синього кольору; оцукрення, тобто перетворення більшої частини крохмалю в цукор, переважно в мальтозу. Амілолітичні ферменти діють на молекулу крохмалю специфічно. Амілаза розриває в молекулі крохмалю лише (1-4) глікозидні зв'язки, переважно в середині ланцюгів амілози і амілопектину, утворюючи при цьому низькомолекулярний декстрин і трохи мальтози. Отже, амілаза надає декстринуючу дію на крохмаль.

-амілаза гідролізу лише (1-4) глікозидні зв'язки, послідовно відщеплюючи від нередукуючих кінців ланцюгів по два залишки глюкози, тобто мальтозу. У амілопектині фермент не може обійти точки галуження, тобто (1- 4) - зв'язки, і розщеплювання припиняється на останній (1-4) зв'язки. Тому продуктами гідролізу крохмалю -амілазою є в основному мальтоза (близько 54%) і високомолекулярний декстрин, гідролізовані пізніше -амілазою до низькомолекулярного декстрину. -амілаза надає оцукрюючу дію на крохмаль.

Активність ферментів залежить від температури, активної кислотності (рН) і концентрації сухих речовин в заторі. Від цих чинників залежить і співвідношення продуктів гідролізу (декстрину, мальтози). У заторі оптимальне значення рН для -амілази складає близько 5,7, а для -амілази 4,8. Температурний оптимум для -амілази приблизно 70°С, для -амілази - біля 63°С. Продукти гідролізу білка, деякі солі кальцію, клейстерізований крохмаль надають захисна дія на амілази, зменшуючи їх інактивацію при підвищених температурах.

Гідроліз крохмалю амілазами легко спостерігати по йодній реакції, оскільки крохмаль і продукти його гідролізу (декстрин) дають різний колір з йодом.

Нижче приведений ряд декстринів, що відрізняється числом глюкозних залишків в ланцюжку молекули (у дужках вказаний колір, що утворюється з йодним розчином):

Амілодекстрини (синій)

Еритродекстрини (красно-бурий)

Ахродекстрини (колір не утворюють)

Мальтодекстрни (колір не утворюють),

З крохмалю під дією амілаз в основному утворюється мальтоза. При гідролізі вона розщеплюється на дві молекули глюкози. Дисахарид мальтоза, так само як і моносахариди, відновлює фелінгову рідину, тобто володіє редукуючими властивостями.

При оцукренні крохмалю виявляється і інший дисахарид, що отримав назву ізомальтози.

При затиранні до гідролізу крохмалю пред'являють наступні вимоги: сусло не повинне містити амілодекстринів і еритродекстринів, які дають фарбування з йодом; окрім мальтози, в суслі повинна міститися певна кількість ахродекстринів і мальтодекстринів, які додають пиву повноту смаку, підвищують його в'язкість. Повноту оцукрення (оцукрення - добування з крохмалю розчинних продуктів розпаду, не створюючих з йодом синього кольору) контролюють йодною пробою.

Звичайно при нормально проведеному затиранні в результаті гідролізу крохмалю утворюється 70-80% «сирої» мальтози і 20-30% декстрину (ахро- і мальтодекстринів). До «сирої» мальтози відносять всі продукти гідролізу крохмалю, що володіють редукуючою здатністю і розраховані по мальтозі.

Дія протеолітичних ферментів на білки при затиранні. Молекула білка складається із залишків різних амінокислот, сполучених пептидними (-СО-NН-) зв'язками, довгі ланцюги яких за допомогою другорядних водневих і інших зв'язків певним чином розташовані в просторі, утворюючи своєрідні клубки.

Під дією температури (вище 60°С) або ферментів - другорядні зв'язки руйнуються і клубок розгортається, тобто відбувається денатурація білка і при подальшій дії ферментів на білок відбувається розрив ланцюга молекули білка (гідроліз) з утворенням проміжних продуктів - пептонів, поліпептидів і діпептидів (два залишки амінокислоти), які потім, розщеплюються до амінокислот:

Білок - Пептони - Поліпептиди - Діпептіди - -амінокислоти.

Для добування повноцінного пивного сусла розщеплювання білкових речовин солоду і несоложеного зернової сировини має таке ж важливе значення, як і гідроліз крохмалю. Частина білкових речовин (близько 20% від їх загальної маси) розщеплюється ще при солодорощенні, де на білок діють протеолітичні ферменти ендопептидаза (протеїназа) і екзопептидази (пептидаза), а при затиранні розкладання білкових речовин продовжується (розщеплюється близько 15% від їх маси)

Цей процес називають протеолізом. Продукти протеолиза при солодорощенні і затиранні різні: при солодорощенні утворюються переважно низькомолекулярні з'єднання, а в процесі затирання - високомолекулярні з'єднання. Пояснюється це тим, що при солодорощенні активніше діють екзопептидази, що дають низькомолекулярні з'єднання, оптимальний рН для них знаходиться в слаболужному середовищі, близькому до нейтральної точки. У заторі ж підтримується рН 5,5-5,8, тобто несприятлива для екзопептидаз середовище, крім того, вони чутливі до температури і з підвищенням її інактивуються. Тому в заторі переважно діє ендопептидаза, утворююча високомолекулярні з'єднання - пептони і поліпептиди. Оптимальні умови дії для ендопептидази: рН 4,6-5,0, температура 40-50°С. Продукти протеолізу, що становлять біля 7 з азотистих речовин затору, споживаються дріжджами при зброджуванні пивного сусла, додають пиву повноту смаку, піностійкість, сприяють скріпленню діоксиду вуглецю. Білкові речовини (близько 2/3 від їх маси), гідролізу, що не піддалися, виводяться з дробиною. Важливе значення при затиранні має перетворення фосфорних з'єднань, яке відбувається під дією ферменту фітази, як в процесі солодорощення, так і при затиранні під час білкової паузи (при 52°С).

При затиранні - протікають також і багаточисельні неферментативні процеси: екстракція розчинних речовин, утворення меланоїдів, коагуляції білків, частковий перехід в розчин гірких і поліфенольних речовин з оболонки солоду і ін. В результаті накопичення амінокислот, фосфорною і інших органічних, кислот в заторі змінюється активна і титруюча кислотність. Зазвичай рН затору підтримують близько 5,8. Для створення оптимальної кислотності на початку процесу його підкислюють до рН 5,2. Таким чином, змінюючи температуру, тривалість витримки затору при певних температурах, а також рН, можна регулювати ферментативні і неферментативні процеси і в результаті змінювати вихід, екстракту, отримувати необхідні співвідношення між окремими продуктами гідролізу крохмалю і білків. Найважливішими температурними паузами при затиранні є: 50-52°С - білкова пауза, оптимальна для протеаз; 60-65°С - оптимальна для -амілази і 70°С - оптимальна для -амілази. Температура 78°С являється граничною для оцукрення затору, вона близька до температури розпад -амілази, але при 78°С декстрин ще утворюється.

Вплив складу води. При затиранні всі ферментативні і неферментативні реакції протікають у водному середовищі, тому сольовий склад води істотно впливає на них. Наприклад, солі вугільної кислоти обумовлюють лужність середовища, негативно впливаючи на дію ферментів. А накопичуючись у ферментативному гідролізі білкових і інших речовин амінокислоти і кислі фосфати, навпаки, створюють кислу середу, благосприятлива для дії ферментів. Карбонати води, зв'язуючи фосфати солоду, знижують кислотність. Для нейтралізації карбонатів у воду додають гіпс (Са₅0₄2Н₂0) або молочну кислоту.

ВИСНОВКИ

ферментативний біосенсорний пиво солод

При виробництві пива на стадії затирання ми розглянули дві ферментативні біосенсорні системи. Реакцію оцукрення і протеоліз білків. Важливу роль відіграє вода. Гідромодуль процесу дорівнює 1:4. При оцукренні - амілаза гідролізує глікозидні зв'язки до мальтози (близько 54%) і високомолекулярний декстрин, який пізніше гідролізує - амілаза до низькомолекулярного декстрину. Перетворювачем виступає і - амілаза, приймачем - вода, сприятлива Т=63 і 70⁰С, рН=4.8 і 5.6.

При протеолізі ендопептидаза і екзопептидаза руйнують другорядні зв'язки і відбувається денатурація білка і при подальшій дії відбувається розрив ланцюга з утворенням проміжних продуктів - пептонів, поліпептидів і діпептидів, які потім розщеплюються до амінокислот. Перетворювачем виступає протеолітичні ферменти, приймачем - вода, сприятлива Т=40-50⁰С, рН=4.6 - 5.0.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Банникова Л.Л. Микробиологические основы производства пива / Банникова Л.Л. - М.: Агропромиздат, 1987. - 400 с.

2. Бредихин С.А. Технология производства пива / С.А. Бредихин, Ю.В. Космодемьянский, - М.: Колос, 2003. - 400 с.

3. Горбатова К.К. Биохимия пива и слабоалкогольных напитков. - М.: Легк. и пищ. пром., 1994. - 343 с.

Размещено на Allbest.ru