Теория затирания (часть 1): расщепление крахмала и желаемый ph затора

После выхода на нашем сайте двух статей посвященных затиранию: Теория и практика затирания и Справочник по температурным паузам,  у некоторых пивоваров появлялось еще больше вопросов, которые они оставляли в комментариях к статьям и писали мне на почту. Поэтому, для большего погружения в столь увлекательный биохимический процесс под названием затирание, я предлагаю для ознакомления свой перевод статьи The Theory of Mashing из сайта Braukaizer.com. Приятного чтения!

Затирание - это процесс, в котором измельченное зерно смешивается с водой. В результате активируются ферменты, которые уже присутствовали в зернах ячменя или были сформированы во время процесса солодоращения. Эти ферменты лучше всего работают в определенных диапазонах температуры и рН. Изменяя температуру затора, пивовар обладает контролем над активностью фермента. По сути, затирание должно рассматриваться как продолжение процесса солодоращения. В следующих разделах описаны ферменты, которые более или менее важны для процесса затирания.

Ферменты расщепления крахмала

Бета-амилаза, альфа-амилаза, предельная декстриназа

Разрез крахмального ядра под микроскопом:

 

Молекула амилозы:

 

Молекула амилопектина:

 

Активность бета-амилазы в зависимости от температуры затора:

 

Активность альфа-амилазы в зависимости от температуры затора:

 

Расщепление крахмала является наиболее важным аспектом затирания. В ячмене крахмал составляет 63-65% от сухого веса. Крахмал - полисахарид (очень длинные цепи глюкозы), который нерастворим в воде. Однако пивные дрожжи могут сбраживать только моносахариды (глюкоза, и т.д.), дисахариды (мальтоза, и т.д.) и трисахариды (мальтотриоза, и т.д.). Последний может быть полностью сброжен лагерными штаммами дрожжей (s. Uvarum).

Для того, чтобы этот крахмал превратился в водорастворимые сахара (ферментируемые и неферментируемые), необходимо выполнить два процесса. Сначала крахмал клейстеризуется, чтобы стать водорастворимым. Для крахмала, содержащемся в ячмене и солоде, это происходит при выше 60ºC. Другой крахмал (например, рисовый) клейстеризуется только выше 90ºC и требует кипячения, прежде чем он может быть превращен ферментами. Во-вторых, активность амилолетических ферментов, которые разрушают молекулы с длинными цепями крахмала в более короткие цепи.

Крахмал, содержащийся в солоде, состоит из амилозы и амилопектина. Амилоза представляет собой единственную цепь молекул глюкозы, которая находится между связями 1-го и 4-го  атома углерода (так называемая 1-4 связь). 17-24% крахмала ячменя - это амилоза [Нарциз, 2005], остальные 76-83% - амилопектин. Амилопектин имеет разветвленную структуру. Эти ветви образованы между 1-ой и 6-ой связью атома углерода из 2-х глюкозных колец (называемых 1-6 связь).

Бета-амилаза образует мальтозу, основной сахар в сусле, путем расщепления 2 молекул глюкозы из нередуцирующего конца глюкозной цепи. Поэтому она способна полностью расщепить амилозу. Но поскольку она не может пройти сквозь крахмальные ветви, амилопектин не может быть полностью разрушен бета-амилазой. Оптимальный диапазон pH для бета-амилазы 5,4 - 5,6 и оптимальный температурный диапазон 60ºC - 65ºC. Свыше 70ºC бета-амилаза быстро деактивируется [Нарцисс, 2005].

Альфа-амилаза способна разорвать 1-4 связь глюкозной цепи. Таким образом, она предоставляет дополнительные нередуцирующие концы для бета-амилазы. Это позволяет продолжить расщепление амилопектина. Оптимальный диапазон рН 5,6 - 5,8, а оптимальный температурный диапазон 72ºC - 75ºC. Выше 80ºC альфа-амилаза быстро деактивируется [Нарцисс, 2005]

Предельная декстриназа способна разорвать 1-6 связь, находящаяся в амилопектине. Таким образом, она способна уменьшить количество предельных декстринов (глюкозных цепей, содержащих 1-6 связь), которые были нетронуты альфа- и бета-амилазной активностью. Её оптимальный рН составляет 5,1, а оптимальный диапазон температур составляет 55ºC - 60ºC. Выше 65ºC этот фермент быстро деактивируется [Нарцисс, 2005]. Из-за оптимальной температуры, значительно ниже общепринятых температур осахаривания при температурах однопаузного осахаривания, этот фермент играет только незначительную роль в большинстве графиках затирания. Длительные паузы в нижнем и верхнем пределах (выше 50-х ºC) приведут к более высокой сбраживаемости сусла.

Во время затирания превращение крахмала в ферментируемые и неферментируемые сахара в основном осуществляется благодаря активности бета и альфа-амилазы.

• После завершения затирания необходимо проверить затор и полученное сусло на реакцию с йодом (т.е. завершилось ли расщепление). Это относится к линейным декстринам короче 9 молекул глюкозы и к разветвленным декстринам меньше 60 молекул глюкозы.
• Сбраживаемость должна соответствовать желаемому стилю пива [Нарцисс, 2005].

Если выбран однопаузный осахаривающий температурный режим для расщепления крахмала, он должен обеспечивать достаточную активность бета и альфа-амилазы. Это дается при температурах между 60ºC и 70ºС, но обычно используются температуры между 65ºC и 69ºC. Чем выше температура, тем ниже будет предел аттенюации (сбраживаемости) полученного сусла. Ниже приведена таблица, в которой показано соотношение между температурой и сбраживаемостью [Нарцисс, 2005]:

Паузы выдержались до самого завершения расщепления. Следует также отметить, что точная сбраживаемость будет зависеть не только от температуры. Сбраживаемость в основном определяется временем активности бета-амилазы. Чем выше температура, тем быстрее бета-амилаза деактивируется. Это приводит к меньшему производству мальтозы.

В то время как температура оказывает наибольшее влияние, следующие факторы также влияют на достигнутую сбраживаемость:

• pH - определенный рН будет благоприятствовать одному ферменту по отношению к другим
• время - более длинное затирание даст ферментам больше времени для расщепления крахмала и декстринов
• вода/зерно соотношение - с современными хорошо модифицированными солодами густота затора мало влияет на сбраживаемость полученного сусла [Нарцисс, 2005]
• дробление - более тонкое дробление делает крахмал более доступным, тем самым давая бета-амилазе больше времени для работы над её расщеплением до ее деактивации. Результатом является повышение сбраживаемости
• график затирания - выбранный график затирания очень важен. Затирание при температурах значительно ниже оптимального для бета- и альфа-амилазы позволяет крахмалу гидратироваться до активации амилолитических ферментов. Опять же, это дает бета-амилазе больше времени для работы по расщеплению крахмала, тем самым увеличивая сбраживаемость. Отварочное затирание делает то же самое, даже лучше. Кипячение затора клейстеризует крахмал и делает его более доступным. Это важно для бета-амилазы, потому как при оптимальной температуре ячменный крахмал только начинает клейстеризоваться. Несмотря на то, что этот эффект увеличивает сбраживаемость, инактивация ферментов во время затирания уменьшает количество доступных ферментов.
• ферментная сила затора - многое зависит и от зерна. Если используются большое количество сильно обжаренных базовых солодов (например, Мюнхенский) или большое количество добавок (которые являются несоложенными зерном, содержащие незначительное количество ферментов), то затор будет иметь более низкую ферментную прочность. Это означает, что образуется меньше мальтозы и пострадает сбраживаемость. Этому необходимо противопоставить паузу с более низкой температурой и/или более интенсивный график затирания.

Немецкие пивовары обычно применяют многоступенчатое осахаривание для достижения лучшей сбраживаемости. Как отмечалось выше, клейстеризация крахмала ячменя происходит между 60ºC-65ºC [Палмер, 2006]. Это означает, что при оптимальной температуре для бета-амилазы не весь крахмал может быть клейстеризован и доступен для ферментов. При многоступенчатом осахаривание будет использоваться первая пауза между 60ºC - 65ºC, что дает бета-амилазе достаточно времени для производства мальтозы из доступного крахмала. Из-за предельной декстриназы и уже существующей активности альфа-амилазы, 1-6 связи амилопектина не принимают конечный вид для бета-амилазы. Эта пауза обычно известна, как мальтозная. Чем ниже температура этой паузы, тем дольше бета-амилаза будет продолжать, тем больше образуется мальтозы, что увеличит сбраживаемость. Так как затор, в основном, не полностью расщепляется после 30-60 мин. мальтозной паузы, применяется вторая расщепляющая пауза, называемая осахариванием или декстриновой паузой. Эта пауза выдерживается между 70ºC -  72ºC, которая значительно выше температуры клейстеризации ячменного крахмала и в оптимальном температурном диапазоне для альфа-амилазы, которая быстро преобразует оставшийся крахмал. Другим преимуществом этой паузы является образование улучшающих пену гликопротеинов [Фикс, 1999] [Нарцисс, 2005]

Если требуется еще лучшая сбраживаемость, возможны множественные паузы в диапазоне температур для бета и альфа-амилазы. Такой график затирания используется Anheuser Bush во время варки Bud Light без использования дополнительных ферментов в затор. Чтобы оставить как можно меньше декстринов, их «пауза» осахаривания занимает 2 часа, за это время они медленно нагревают затор с  60ºC до 70ºC. Такой график затирания можно использовать домашними пивоварами, чтобы сварить высоко сбраживаемые стили пива, такие как бельгийские сэйзоны.

Необходимые значения pH

Если необходимые температуры для осахаривания хорошо понятны, то значения рН затора не так согласованы между разными авторами. Это скорее всего связанно с тем, что ферменты работают достаточно хорошо в довольно широком диапазоне рН, и что влияние рН затора на пиво не так драматично, как влияние температуры осахаривания (особенно для  одноступенчатого осахаривания). Но pH затора влияет не только на ферментативную активность, но также и на рН сусла при кипячение, который в свою влияет на экстракцию и качество хмелевой горечи, а также на pH охлажденного сусла, влияющего на характеристики брожения.

Дж. Палмер рекомендует диапазон рН затора 5,4 - 5,8 (все значения рН измеряются при 25 ° C) [Палмер, 2006]. Нунан рекомендует диапазон от 5.2 до 5.5 (температура не указана) [Нунан, 1996]. Нарцисс, однако, не столь явен в значение рН затора. Он склоняется к нормальному рН сусла от 5,4 до 5,6 (это относится к рН полного набора в котле) и также упоминает рН затора 5,5-5,6 в связи с положительной пеностойкостью при 70 ° C [Нарцисс, 2005]. Значение рН ниже, чем это указано, полезно для приготовления более мягкого и легкого пива. Из этого делаем вывод, что немецкие пивовары нацелены на их рН затора между 5.4 и 5.7. Верхний диапазон связан с различными данными, в которых указаны значения рН сусла (которые обычно находятся в диапазоне рН затора) до 5.8 [Херманн, 2005], [Кальтнер, 2000].

В своей книге "Пивоваренная наука и практика" Бриггс заявляет, что разница в рН охлажденного сусла при комнатной температуре по сравнению с рН того же самого сусла при температурах осахаривания составляет свыше 0,35 [Бриггс, 2004]. Это объясняет некоторые из различий в величине рН затора в литературе (домашнего пивоварения). Он сообщает, что оптимальный рН для сбраживаемого сусла составляет от 5,1 до 5,3 измеренных при температурах затирания (65 ° C ) и 5,4-5,7 при комнатной температуре (25 ° C).

Достаточно широкий диапазон предлагаемых значений рН затора показывает, что нет ни одного оптимального рН, но что желаемый рН зависит от необходимых конкретных качеств (цвет, уровень горечи, качество горечи, коагуляция белка, pH пива ...) и что он предоставляет еще один параметр, который следует изучить при совершенствовании конкретного рецепта.

Если вы еще не хотите исследовать влияние рН затора на вкус пива, я рекомендую установить рН затора от 5,4 до 5,6 измеряя показания при комнатной температуре (25 ° C). Также важно отметить, что автоматическая температурная коррекция (АТР) рН-метров не будет компенсировать изменение рН затора в зависимости от температуры (т.е. фактический рН будет ниже на 0,35 единицы при температуре горячего затора). Он не может учитывать изменение рН в зависимости от температуры, поскольку он зависит от измеряемого субстрата.

Читайте продолжение перевода:

Часть 2: Расщепления белка и другие ферменты затора