1

Тема: Ферменты солода и другие ферментные препараты для осахаривания

Ферменты солода
Несмотря на то, что солод издревле применялся как материал для осахаривания крахмала, природа его действия долгое время не была достаточно изучена. Только в XIX ст. многие исследователи начали глубоко и всесторонне изучать природу осахаривающего действия солода. В 1814 г. впервые в Российской Академии наук было установлено, что вытяжки из проросшего ячменя способны осахаривать крахмал. Из вытяжек солода было осаждено вещество, осахаривавшее крахмал и названное диастазом.
Исследователи и практики спиртового производства установили, что солод обладает разжижающей и осахаривающей способностью, причем эти два свойства претерпевают различные изменения под действием температуры и кислот. Высокая температура больше всего отрицательно действует на осахаривающую способность солода, а кислотность - на разжижающую. Было также замечено различие в действии диастаза, полученного из непроросшего ячменя и проросшего, т. е. солода. Это навело на мысль, что диастаз не представляет собой единого фермента, а является смесью двух компонентов. Еще было выяснено, что температурный оптимум действия диастаза ячменя равен 45-50°, а диастаза солода 50-55°. Ячменный диастаз при действии на крахмал не вызывает значительных разрушений его зерен. Осахаривание протекает медленно. Этот диастаз назван диастазом перемещения или транслокационным. Диастаз же, полученный из солода, более глубоко разрушает крахмальные зерна, как бы «разъедая» их, образуя в них каналы. Солодовый диастаз был назван диастазом выделения или секреционным. Позднейшими исследованиями было установлено, что один из компонентов диастаза при осахаривании крахмала образует β-мальтозу, в связи с чем этот фермент был назван β-амилазой. Второй же компонент дает α-мальтозу и поэтому назван α-амилазой.
В солоде, полученном при проращивании зерна, содержатся оба вида амилазы. В процессе солодоращения в солоде увеличивается содержание β-амилазы в свободном состоянии. Динамика накопления α-амилазы еще достаточно не изучена.
В последние годы отечественные ученые достигли значительных успехов в деле изучения ферментов солода и природы их действия на крахмальную молекулу. Установлено, что действие α-амилазы выражается в разрушении молекул амилозы и амилопектина на отдельные высокомолекулярные части, называемые декстринами. При этом α-амилаза обладает способностью разрывать связи в молекулах крахмала в любом месте. В результате действия α-амилазы образуется мало редуцирующих веществ и наблюдается разжижение крахмального клейстера.

β-амилаза способна полностью осахаривать амилозу и получаемые из нее декстрины; амилопектин же осахаривается ею на мальтозу и декстрины в соотношении 54 и 46%. β-амилаза разрывает связи только в ответвлениях молекулы амилопектина и прекращает свое действие, дойдя до точек разветвления.
Таким образом, осахаривание крахмала в производстве происходит в результате совместного действия α- и β-амилазы. Однако даже при совместном их действии крахмал до конца не расщепляется, а образуется остаток, недоступный для этих ферментов.
Д.Н. Климовский и В.И. Родзевич, занимаясь изучением этого остатка, нашли, что при расщеплении амилопектина остаются фосфодекстрины, которых α- и β-амилаза неспособны осахаривать. По их данным, количество указанных декстринов равно 5-8% от веса крахмала.
Чтобы могло произойти осахаривание фосфодекстринов, требуется предварительно освободить их от фосфорной кислоты, с которой они связаны. Д.Н. Климовский и В.И. Родзевич установили, что для полного осахаривания крахмала, кроме α- и β-амилазы, необходим еще третий фермент - декстринофосфатаза, названный сокращенно декстриназой, который способен разрывать эту связь. Для определения активности ферментов солода предложен метод, сущность которого заключается в расчленении ферментативной способности солода на амилолитическую способность, выражающую активность α- и β-амилазы, и на декстринолитическую, выражающую активность декстринофосфатазы. Амилолитическая способность (АС) измеряется количеством граммов крахмала, расщепленного в неокрашиваемые иодом декстрины одним граммом солода в течение одного часа при 30°. Декстринолитическая способность (ДС) измеряется количеством миллиграммов фосфодекстринов, осахариваемых в мальтозу одним граммом солода в течение одного часа при 30°. По данным Д.Н. Климовского и В.И. Родзевич, АС и ДС зеленого солода различного происхождения составляют (табл. 6):
Из табл. 6 видно, что для более полного осахаривания крахмала сырья целесообразно применять смеси солодов - ячменного, просяного и овсяного, что в производстве давно практикуется.
В последнее время в Украине начали широко применять в качестве солодового материала чумизу. Чумизный солод обладает высокой декстринолитической активностью.
По данным З.А. Раева, ДС чумизного солода выражается в 92-98 условных единицах. Применение этого солода в смеси с ячменным обеспечивает более глубокое выбраживание декстринов.

При изучении и выборе оптимального режима осахаривания крахмалистого сырья необходимо руководствоваться зависимостью активности ферментов солода от разных факторов - температуры, кислотности, рН и др. Многие исследователи изучали влияние этих факторов на процесс осахаривания и на активность ферментов солода. Ниже вкратце изложены основные сведения, имеющиеся по данному вопросу.
Влияние температуры. Оптимальная температура для действия амилолитических ферментов солода определяется следующими закономерностями. С повышением температуры ускоряется процесс осахаривания, однако при высокой температуре происходит инактивация ферментов. Температурный оптимум зависит, кроме того, от рН, состава среды и пр. Оптимальной температурой считается та, при которой реакция осахаривания крахмала идет наиболее быстро при наибольшем сохранении активности ферментов. Температурный оптимум для амилаз разного происхождения неодинаков. По данным польского ученого Хржонца, для диастаза разных видов солода при рН среды, равном 4,9, наблюдаются следующие оптимальные температуры (в градусах):
Ячменная амилаза - 49-55
Овсяная - 51-53
Просяная - 58-59

При более высоких температурах начинается инактивация амилазы. По данным упомянутого исследователя, водные солодовые вытяжки теряют 50% своей активности от нагревания в течение часа при следующих температурах (в градусах):

Ячменная амилаза - 61-62
Овсяная - 65-66
Просяная - 65-66

Опытами З.К. Ашкинузи установлено влияние температуры на амилазу солодового молока. При температуре 55° в течение 60 мин. терялось 12% осахаривающей способности амилазы, а при 60° - 55%. С уменьшением продолжительности воздействия температуры до 30 мин. эта потеря снижалась всего на 7%. Следовательно, температура в значительно большей степени действует на амилазу, чем продолжительность выдерживания.
Академик А.И. Опарин установил, что причиной инактивации амилазы при нагревании солодовых вытяжек является коагуляция белков, которые при этом частично или полностью адсорбируют фермент из раствора. Если же среда, в которой находится амилаза, содержит сахар или пептон, то они препятствуют коагуляции белков при высокой температуре и этим самым защищают амилазу от инактивации. Опытными данными академика А.И. Опарина и С.М. Манской доказано, что с увеличением концентрации сахара уменьшается коагуляция белков. Благодаря этому при нагревании лучше сохраняется активность амилазы. Этим объясняется защитное действие углеводов в отношении амилазы. Поскольку разваренная масса и сладкий затор содержат крахмал, декстрины и сахары, то здесь высокая температура менее опасна для амилазы, чем в водных растворах.

Влияние кислотности. Кислотность среды имеет столь же большое влияние на амилазу, как и температура. По исследованиям многих авторов, оптимальная зона рН для действия амилазы находится в пределах 4,7-5,1. При изучении влияния рН отдельно для α- и β-амилазы установлено, что для первой оптимум равен примерно 6,0, а для второй - 4,8. Инактивирующее действие рН усиливается с повышением температуры. При рН ниже 2,3 и выше 9,7 амилаза полностью прекращает свое действие. По исследованиям А.И. Опарина и Кирсанова, инактивация амилазы под действием кислотности может быть предупреждена добавлением в среду пептона. Но это относится только к зоне рН 3,5-6,2. За пределами этого интервала добавление пептона не может защитить амилазу от кислотного инактивирования.
Естественная кислотность сладких заторов из разных видов сырья колеблется от 0,15 до 0,3°, что в среднем соответствует рН = 5,2-5,6. Такая кислотность благоприятна для разжижающего действия амилазы, для которой при 65° оптимум рН составляет 5,4-5,8. Оптимальной же зоной рН для осахаривания, как упомянуто выше, является 4,7-5,1, а для сохранения активности амилазы - 5,9-6,0.
Оптимальные условия осахаривания. При выборе режима осахаривания в производственных условиях надо руководствоваться не только температурой, но и продолжительностью ее действия, а также способом задачи солодового молока. В Киевском филиале ВНИИСП'а изучались разные режимы осахаривания применительно к условиям полунепрерывной технологической схемы.
Проверялись одноступенчатый и двухступенчатый методы осахаривания. По первому методу солодовое молоко полностью задавалось в разваренную массу в один прием и осахаривание происходило в течение 45-50 мин. при температурах 56-60°.
По второму методу солодовое молоко задавалось в два приема и осахаривание происходило в две ступени. В первой ступени к разваренной массе добавлялось 10% от всего предназначенного количества солодового молока и поддерживалась температура 68-70° в течение 10 мин. Во второй ступени задавалось остальное количество солода и осахаривание происходило при температуре 59-60° в течение 10 и 2 мин. В табл. 7, составленной на основании работ З.К. Ашкинузи и З.А. Раева, приведены показатели осахаривания и брожения, по которым можно иметь представление о преимуществе того или другого метода. Данные приведены в процентах к показателям контрольных заторов, которые осахаривались при температуре 55-56° в течение 20 мин., а затем при температуре 60° в течение 10 мин.

Полученные результаты показали, что в сладких заторах, осахаренных по двухступенчатому методу, лучше сохранилась активность амилолитических ферментов солода. По этому же методу получен и больший выход спирта. Однако степень осахаривания крахмала и соотношение мальтозы и декстринов были худшими, чем в контроле. Следовательно, обычное представление о связи между М : Д и выходом спирта не применимо в условиях двухступенчатого осахаривания, где продолжительность этого процесса сокращена в 5-6 раз по сравнению с периодической схемой. Поэтому основным показателем для оценки качества затора должна считаться его осахаривающая способность.
Чтобы выяснить влияние сокращения времени осахаривания на микрофлору сладких заторов, была проверена степень их стерильности способом самоброжения по нарастанию кислотности после 48 часов брожения. Осахаривание велось неантисептированным и антисептированным солодовым молоком. Полученные данные приведены в табл. 8.

Степень стерильности, в первую очередь, обусловливается температурой, что видно из сравнения трех режимов одноступенчатого метода осахаривания, где при одинаковой продолжительности процесса изменялась только температура. Влияние времени на стерильность затора видно из сравнения режимов двухступенчатого метода.
При антисептировании солодового молока, которое обязательно при любом режиме осахаривания, двухминутная продолжительность осахаривания не отражается на кислотности зрелой бражки, что и наблюдается на практике.
Приведенные данные свидетельствуют о том, что главным фактором, определяющим результат брожения, является не количество мальтозы, образовавшейся в заторе, а его диастатическая и декстринолитическая способности. При переходе от одноступенчатого метода осахаривания к двухступенчатому декстринолитическая способность увеличивается значительнее, чем диастатическая способность. Это свидетельствует о том, что увеличение продолжительности осахаривания более резко сказывается на ухудшении декстринолитической способности затора.
В свете исследований Д.Н. Климовского и В.И. Родзевич о роли декстриназы в осахаривании конечных декстринов становится понятным, почему от сокращения срока осахаривания при температуре 59-60°, при двухступенчатом методе, улучшаются результаты брожения.
Сокращение продолжительности осахаривания во второй ступени обеспечивает лучшие условия сохранения активности ферментов.

Практический пример Температурные паузы на примере односолодового затора для виски

Ферментные препараты в промышленном производстве спирта

  • Дистицим БА - мезофильная бактериальная а-амилаза для разжижения оклейстериэованного крахмала оптимум действия: рН 5,8-7.0: 60-70 °С.

  • Дистицим Фунгал Альфа - высокоактивная меэофильная грибная амилаза для разжижения оклейстеризованного крахмала Оптимум действия: рН 5,0-5,5; 54-56 °С.

  • Дистицим БА-Т - термостабильная бактериальная а-амилаза для разжижения оклейстериэованного крахмала оптимум действия: рН 6,0-7.0; 85-90 °С.

  • Дистицим БА-Т Специал - термостабильная бактериальная a- амилаза для разжижения оклейстеризованного крахмала оптимум действия: рН 5,5 - 6,0, 85-95 oС.

  • Декстрамил ВХ - термостабильная кислотоустойчивая бактериальная а-амилаза для разжижения оклейстеризованного крахмала оптимум действия рН 5,0-5,5; 85-100 "С

  • Глюкомил - специальный препарат, включающий высокоактивную глюкоамилазу и кислотоустойчивую а-амилазу. действующий в широком диапазоне температур и рН, для осахаривания крахмала в зерновом сырье. По составу и действию не имеет аналогов среди ферментных препаратов, используемых в спиртовой промышленности: Оптимум действия: рН 3,5-5,5; 56-60 °С

  • Дистицим АГ - высокоактивная грибная глюкоамилаза для глубокого осахаривания крахмала оптимум действия: рН 3,5-5,5; 56-58 °С

  • Глюкомальт ТС - термостабильный комплексный ферментный препарат для разжижения и осахаривания крахмала и гидролиза протеинов Оптимум действия: рН 5,0-5,5; 54-56 °С.

  • Дистицим П7 - нейтральная бактериальная протеаэа для разрушения белковых веществ оптимум действия: рН 6,0-8,0; 45-55 °С

  • Дистицим Бета-Г - термостабильная грибная B-глюканаза разрушения B-глюкана в крахмалосодержащем сырье с целью снижения ее вязкости оптимум действия: рН 3,5-6,0; 75-80 °С.

  • Ликвимеш - ферментный препарат грибного происхождения, действующий в широком диапазоне температур и рН для разрушения B-глюканов, пентозанов и протеинов оптимум действия: рН 5,0-5,5; 55-65 "С.

  • Термамил (Termamyl™)
    Исключительно термостабильная бактериальная α-амилаза - жидкий препарат, полученный при культивировании штамма Bacillus licheniformis. Термамил используется в качестве средства разжижающего клейстеризированный крахмал при относительно высоких температурах. Расщепляет α-1,4 глюкозные связи в амилозе и амилопектине, образуя декстрины и олигосахариды, понижая вязкость. Оптимальные условия действия: температура среды 80-95°С, рН 6-6,5. Термамил сохраняет свою активность кратковременно и при температуре чуть выше 100°С, фермент в особенности пригоден для предварительного разжижения. Рекомендуемая доза: 150-400 мл на 1 тонну условного крахмала в зависимости от вида сырья (более для картофеля) и от условий процесса.

  • БАН (BAN)
    Бактериальная α-амилаза, получаемая из отобранного штамма  Bacillus amyloliquefaciens. Ферментный препарат действует наподобие Термамила, но его оптимальные условия действия немного отличаются - температура 65-75°С, рН 6-7. Рекомендуемые дозы ферментного препарата 200-500 мл на 1 тонну крахмала. БАН часто применяют вместе с осахаривающими ферментами после вакуум-охлаждения при температуре 55-60°С.

  • Фунгамил (Fungamyl™)
    Мальтогенная α-амилаза, полученная из культуры плесени Aspergillus oryzae. Расщепляет α-1,4 глюкозные связи, образуя декстрины, олигосахариды и мальтозу. Используется как разжижающее и одновременно осахаривающее средство. Оптимум действия: температура 50-60°С, рН 5-6. Рекомендуемые дозы 100-150 мл на 1 тонну крахмала. Фунгамил используется часто и в качестве quot;вспомогательного" фермента на стадии осахаривания и брожения, он активен в относительно низких температурах и низких значениях рН, улучшает осахаривание и ускоряет брожение.



  • АМГ (AMG)
    Амилоглюкозидаза (глюкоамилаза), полученная из отобранного штамма плесени  Aspergillus niger. Фермент способен расщеплять как α-1,4 так и α-1,6 глюкозные связи в крахмале, декстринах и олигосахаридах; обеспечивает практически полное осахаривание крахмала до глюкозы, если раньше произошла правильная, полная декстринизация (разжижение). Оптимум действия: 55-60°С, рН 4,5-5,5. Фермент удовлетворительно активен даже при рН 3 и при относительно низких температурах, активно действует в течение всего периода брожения. Рекомендуемая доза ферментного препарата 0,8-1,2 литр на 1 тонну крахмала.

  • САН Супер (SAN Super)
    Комплексный ферментный препарат разработан специально для спиртовой промышленности. Кроме выше описанной активности глюкоамилазы содержит грибковую α-амилазу и бактериальную нейтральную протеиназу. Взаимодействие этих ферментов обеспечивает самые лучшие результаты осахаривания и брожения. Оптимум действия: 50-55°С, рН 5-6. Доза 0,8-1,2 л на 1 тонну крахмала.

  • Нейтраза (Neutrase™)
    Вспомогательный фермент - расщепляет белки до пептидов. Препарат, полученный при культивировании штамма  Bacillus subtillis. Нейтраза улучшает условия брожения (питания дрожжей) и предотвращает образование белковых осадков на поверхностях охлаждения (нагревания). Оптимум действия: 45-55°С, рН 6. Рекомендуемая доза ферментного препарата 100-300 мл на 1 тонну крахмала.

  • Вискозим (Viscozym™)L, Ультрафло (Ultraflo™)L, Целлюкласт (Celluclast™)L.
    Вспомогательные ферменты. Расщепляют некрахмалистые полисахариды (целлюлоза и другие -глюканы, пентозаны, гемицеллюлозы). Снижают вязкость сусла, немного повышают выход спирта. Оптимальные условия действия: 50-60°С, рН 4-6. Дозы 100-200 мл на 1 тонну крахмала.

Литература. Яровенко В.Л., Калунянц К.А., Глотер Л.И.

  • FRGbvVYu7bo.jpg
    size: 16Кб type: jpg
  • vmw-ZgPgU8g.jpg
    size: 43.49Кб type: jpg
  • kksUBz4-JKc.jpg
    size: 37.68Кб type: jpg
У вас в жизни всегда будет все, что вы хотите, если вы будете помогать другим людям получать то, чего хотят они.