Замачивание
Замачивание ячменя является очень важным этапом соложения, так как условия его проведения оказывают влияние на процесс проращивания, его длительность, на снижение величины потерь при соложении и наконец, на качество получаемого готового солода. Этот технологический процесс является первой стадией процесса соложения. Стадия замачивания, помимо снабжения зерна водой, должна сопровождаться подводом к зерну достаточного количества кислорода. Чем больше зерно поглощает воды, тем интенсивнее протекают процессы обмена веществ и тем большей становится потребность в кислороде. Поэтому внутри зерна должен поддерживаться минимальный уровень кислорода, который соответствует динамическому равновесию между низшим пределом потребления его зародышем и поступлением кислорода из внешней среды. В противном случае зерно начинает расходовать свои запасные вещества (углеводы) для покрытия необходимой ему энергии, причем при недостатке кислорода вместо воды и углекислого газа образуются сложные метаболиты обмена веществ зерна, такие, как спирт и ряд промежуточных продуктов - альдегиды, кислоты и эфиры, которые наносят вред проращиваемому зерну.
В основу разработки методов замочки ячменя должны быть положены следующие требования:
достижение необходимой влажности зерна;
поддержание оптимальной температуры;
подача кислорода и удаление углекислого газа и других веществ, тормозящих процесс ращения зерна.
Значение АТФ в энергетике биохимических реакций
Все биохимические реакции в живых клетках подчиняются основным законам термодинамики. Первый закон — закон сохранения энергии. Энергия может превращаться из одного вида в другой, но общее количество энергии остается постоянным. Второй закон термодинамики предусматривает существование двух форм энергии - свободной и рассеиваемой. Первая форма полезной энергии используется в протекающих реакциях, т. е. производит работу, вторая рассеивается в виде теплоты и не может быть использована в данной реакции.
Обмен веществ в живом организме неразрывно связан с обменом и превращением энергии. Сначала высокомолекулярные вещества гидролитически распадаются на низкомолекулярные. Количество освобождающейся при этом энергии незначительно. Затем в процессах окисления углеводов, жирных кислот и аминокислот происходит выделение значительных количеств энергии. Из большого количества продуктов гидролиза основное энергетическое значение имеют три: ацетил-коэнзим А, а-кетоглутаровая кислота и щавелевоуксусная кислота, которые подвергаются окислению в конечной стадии через цикл лимонной кислоты (так называемый цикл Кребса), где освобождается примерно 2/3 энергии. Около 30— 40% химической энергии превращается в теплоту, а более 60% ее используется для синтеза богатых энергией макроэргических соединений.
Наиболее важным показателем энергетического эффекта служит величина свободной энергии, т. е. энергии, производящей определенную работу. Изменение свободной энергии выражают в килокалориях на моль, и она представляет собой разницу между количеством свободной энергии в начале реакции и количеством ее в момент достижения равновесия.
В клетках живых организмов содержится много различных соединений, содержащих эфиры фосфорной кислоты. У одной группы этих соединений величина свободной энергии гидролиза не превышает 12,6 кДж/моль (3 ккал/моль). Сюда можно отнести глицерофосфат, 3 -фосфоглицериновую кислоту, глюкозо-6-фосфат, фруктозо-6-фосфат и др. Однако имеются соединения, при гидролизе которых выделяется значительно большие количества свободной энергии - 40- 50 кДж/моль (10 - 12 ккал/моль). Эти соединения принято называть макроэргическими и обозначать их знаком. Из них наиболее важной, играющей центральную роль в процессах обмена веществ живых организмов, является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). АТФ является связующим звеном между двумя противоположными процессами ассимиляции и диссимиляции веществ. В первом процессе используются и перерабатываются продукты, поступающие в организм из внешней среды. Процессы диссимиляции связаны с распадом продуктов на более простые соединения, выделяемые в окружающую среду в качестве конечных продуктов жизнедеятельности. Все реакции в биологических системах протекают при участии ферментов за счет энергии, освобождаемой при распаде молекул углеводов, белков, жиров и других веществ, в то время как при проведении обычных химических реакций основная часть энергии выделяется или поглощается в виде тепловой энергии и эти реакции, как правило, протекают при высоких температурах. Наоборот, все биохимические реакции протекают при невысокой температуре, причем энергия, затрачиваемая в этом случае, поставляется или накапливается обычно в виде указанных макроэргических фосфатных связей.
Роль кислорода и углекислого газа при замачивании ячменя
В естественных условиях проращивания зерна в почве наряду с пропитыванием ячменя водой обеспечивается и доступ кислорода; он создает нормальные условия дыхания и предотвращает накопление продуктов, образующихся в случае замены аэробного процесса на анаэробный. Одним из промежуточных продуктов обмена веществ в клетках и тканях организма, образующихся при аэробном распаде углеводов и жиров (глицерина и жирных кислот), а также ряда аминокислот, является уксусная кислота, которая находится в виде ацетильного производного кофермента А и по мере своего образования немедленно подвергается дальнейшим превращениям.
В течение всей жизни организма происходит множество химических реакций, являющихся основой всех процессов ассимиляции и диссимиляции, теснейшим образом связанных один с другим. Первые из них (процессы ассимиляции) требуют непрерывного притока энергии и получают ее у одновременно протекающих процессов диссимиляции, т. е. окисления различных неорганических веществ. Другими словами, энергия, освобождающаяся при одной биохимической реакции, потребляется при параллельном протекании другой биохимической реакции. Как химически, так и энергетически эти процессы являются неразрывно связанными. Самым важным источником энергии у живых организмов является процесс дыхания, при котором происходит распад углеводов, образовавшихся путем фотосинтеза из углекислого газа и воды и обладающих большим запасом потенциальной энергии.
При полном завершении процесса окисления выделяется 2862 кДж (686 ккал) на 1 грамм-молекулу гексозы. За счет каждого объема поглощенного кислорода должен образоваться один объем углекислого газа. Когда к процессу нормального аэробного дыхания присоединяется процесс анаэробного дыхания, сопровождаемого выделением углекислого газа без потребления кислорода из воздуха, дыхательный коэффициент будет больше единицы; в этом случае процесс распада сахара течет по другому пути, заменяясь интрамолекулярным дыханием, являющимся, по существу, анаэробным процессом спиртового брожения. Если при полном превращении гексозы в воду и углекислый газ выделяется 2872 кДж (686 ккал), то при спиртовом брожении выделение тепла ограничивается 100 кДж (24 ккал); 2772 кДж (662 ккал) остаются в двух молекулах спирта. Способность поглощать кислород и выделять углекислый газ присуща не только живым организмам в целом, но и отдельным тканям и даже клеткам, поэтому в настоящее время говорят о тканевом, или клеточном, дыхании, которое, по существу, является биологическим окислением органических веществ.
В. И. Палладин в созданной им теории дыхания воде придавал большое значение, указывая, что кислород воды участвует в окислении органических веществ.
Таким образом, химизм клеточного дыхания обусловлен окислительно-восстановительными процессами. По современным представлениям под окислением следует понимать все химические реакции, при которых происходит отдача электронов. Прием и передача водорода и электронов в первом звене осуществляется коферментами, которые являются активной группой ряда ферментов двухкомпонентных систем, принадлежащих к анаэробным дегидрогеназам. Коферментом ряда анаэробных дегидрогеназ является дифосфопиридиннуклеотид (Д П Н ); Международная комиссия по номенклатуре ферментов предложила называть его НАД (никотинамидоадениндинуклеотид), который обладает высокой реактивной способностью. Анаэробные дегидрогеназы, например, отнимают водород от фосфоглицеринового альдегида. Альдегид окисляется в кислоту, причем НАД восстанавливается в Н А Д -Н 2, который в соединении с белком обладает сильными восстанавливающими свойствами; например, она может передавать свой водород ацетальдегиду - промежуточному продукту спиртового брожения или анаэробного дыхания растений. Ацетальдегид при этом восстанавливается в этиловый спирт. При анаэробном дыхании дегидрогеназа отнимает водород от окисленного субстрата или от восстановленной формы дегидрогеназы и передает его кислороду воздуха. В состав этих дегидрогеназ входит в качестве активной группы рибофлавин, поэтому им дано название флавиновых ферментов; указанная активная группа легко подвергается как окислению, так и восстановлению; флавин окрашен в желтый цвет, восстановленная форма флавина (лейкофлавин) бесцветна. К аэробным дегидрогеназам относится желтый дыхательный фермент, участвующий в окислении ряда соединений при обмене веществ организма, в частности гексозомонофосфата, при этом перенос водорода происходит за счет действия анаэробной дегидрогеназы, коферментом которой является трифосфопиридиннуклеотид, состоящий из двух остатков пентоз, трех молекул фосфорной кислоты, молекулы амида никотиновой кислоты (НАДФ). Отнимая водород от окисляемого им субстрата, НАДФ .превращается в Н А Д Ф -Н 2. По современной терминологии дыхательному ферменту присвоено название дегидрогеназы восстановленного НАДФ. Дегидрогеназы могут передавать водород непосредственно кислороду воздуха, а также и полифенолоксидазной или цитохромной системам. Цитохромная система состоит из цитохромов и фермента цитохромоксидазы. Цитохромы представляют собой группу катализаторов, являющихся сложными белками, относящимися к классу хромопротеидов, простетическая группа которых является гемом, близким по своему строению и свойствам к простетической группе каталазы и пероксидазы. Гем представляет собой соединение, молекула которого содержит 4 замещенных пиррольных кольца и атом двухвалентного железа. Пиррольные кольца связаны одно с другим при помощи метановых групп (—СН=) и получаемый скелет молекулы гема представляет собой порфин. Порфин, в молекулу которого введены 2 винильные группы (—СН=СН2), 4 метальные группы (СН3—) и 2 остатка пропионовой кислоты (—СН2—СН2—СООН), представляет собой протопорфирин. Протопорфирин, связанный с двухвалентным железом, представляет собой гем. Близким к гему является хлорофилл (зеленый пигмент хлоропластов растений); в состав его вместо железа входит магний; кроме того, в молекуле хлорофилла содержатся остатки ненасыщенного одноатомного спирта фитола (С20Н39ОН) и метилового спирта. Окисление и восстановление цитохрома обусловлено изменением валентности железа в его простетической группе; в окисленном состоянии железо является трехвалентным, но, присоединяя электроны, оно восстанавливается в двухвалентное. Однако изменение валентности не сопровождается присоединением или отщеплением протонов (ионов водорода). Цитохромы являются переносчиками только электронов. Цитохром отнимает от водорода электрон, чем превращает атом водорода в ион водорода (Н+). Отнятый же электрон переносится к трехвалентному железу окисленного цитохрома, который превращается в восстановленный цитохром, а железо при этом становится двухвалентным. Цитохромная система, передающая электроны кислорода воздуха, состоит из нескольких звеньев, обычно трех цитохромов, передающих электроны один другому, и цитохромоксидазы, передающей электроны, полученные от третьего звена системы, непосредственно кислороду. Каждый атом кислорода может принять два электрона, причем приобретает способность присоединять два иона водорода, в результате чего образуется молекула воды, которая является одним из конечных продуктов окисления органических веществ.
Указанные выше процессы окисления органических веществ являются наиболее важными в дыхании клеток живого организма. Однако при окислении многих субстратов дыхания путь прохождения протонов и электронов значительно сокращается и сводится к непосредственному переносу водородных электронов на кислород без промежуточных передатчиков. Такой путь окисления органических веществ катализируется аэробными дегидрогеназами, иначе называемыми оксидазами. Конечным продуктом окисления в данном случае является не вода, а перекись водорода. Перекись водорода, образующаяся при действии оксидаз, обладает ядовитыми свойствами и в живых организмах должна немедленно после образования разрушаться, иначе жизнедеятельность клеток может быть нарушена и даже подавлена полностью. Под действием каталазы перекись водорода разлагается на воду и кислород. Каталаза является сложным белком и принадлежит к группе хромопротеидов; простетическая часть ее идентична окисленному гему и содержит в своей молекуле железо (0,09%). Она обладает очень сильной активностью: 1 молекула каталазы способна разложить в течение 1 с более 50000 молекул перекиси водорода, что очень важно в связи с большой токсичностью последней. Другой путь обезвреживания перекиси водорода катализируется действием пероксидазы. Этот фермент, вступая в комплексное соединение с перекисью водорода, активирует ее, чем способствует соединению ее с водородом, который отщепляется от окисляемого субстрата. По своему химическому строению пероксидаза близка к каталазе - это хромопротеид, простетическая группа которого содержит железо. В основном этот фермент находится в клетках и тканях растений. К этой же группе аэробных дегидрогеназ следует отнести фенолоксидазу Палладина и аскорбинатоксидазу, которая в растениях превращает аскорбиновую кислоту в дегидроаскорбиновую. И фенолоксидаза и аскорбинатоксидаза являются ферментами, в состав которых входит белок, содержащий медь.
Как видно из сказанного, отщепленный от субстрата при дыхании водород всегда окисляется в воду. Наряду с образованием воды полное окисление углеводов в процессе дыхания характеризуется образованием углекислого газа, который здесь также является конечным продуктом всех реакций. В большинстве этих реакций непосредственное участие принимают моносахариды, в основном глюкоза. Остальные гексозы (фруктоза, галактоза) в клетках легко превращаются в глюкозу. Полисахариды же являются запасным материалом, который по мере использования моносахаридов обеспечивает их доставку, что осуществляется в организмах путем их фосфоролиза под действием фосфорилазы, которая относится к группе глюкозилтрансфераз. Это превращение аналогично гидролизу, но роль воды играет фосфорная кислота. В качестве поставщика фосфорной кислоты служит АТФ, который сам превращается в АДФ.
Пировиноградная кислота является первым звеном последующего ряда реакций аэробного окисления, приводящего к полному окислению углеводов до углекислого газа и воды. Последовательное превращение пировиноградной кислоты, получившее название цикла трикарбоновых и дикарбоновых кислот, катализируется сложной системой ферментов и приводит в результате аэробного окисления к полному расщеплению этой кислоты на углекислый газ и воду.
Щавелевоуксусная кислота регенерируется и вновь вступает в реакцию конденсации с ацетил-коферментом А. Весь цикл превращения уксусной кислоты, образующейся в результате окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты, возобновляется.
К этому следует добавить, что в процессе анаэробного расщепления из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пировиноградной кислоты и при окислении каждой молекулы фосфоглицеринового альдегида в фосфоглицериновую кислоту отнимаются два атома водорода, которые окисляются кислородом воздуха с образованием воды.
Реакции превращения глюкозы, сопровождаются межмолекулярными и внутримолекулярными перемещениями атомов водорода и фосфатных групп, т. е. гидрированием и дегидрированием, фосфорилированием и дефосфорилированием. Эти сопряженные процессы обусловлены переносом больших количеств энергии, так как сопровождаются разрывом фосфатных макроэргических связей.
В процессе окисления органических веществ электроны, отщепляясь по два, переносятся на кислород не непосредственно, а через ряд промежуточных этапов, причем на каждом этапе освобождается некоторое количество энергии. Таких этапов переноса электронов к кислороду три. Освобождаемая при этом энергия используется для фосфорилирования АДФ с образованием АТФ. При использовании одного атома кислорода в реакции аэробного окисления фосфорилируются три молекулы АДФ. При окислении одной молекулы глюкозы (180 г) необходимо 12 грамм-атомов кислорода, что сопровождается фосфорилированием 12*3 = 36 молекул АДФ с образованием 36 молекул АТФ, т. е. образуются 36 эквивалентов макроэргических фосфатных связей. В каждом эквиваленте макроэргической фосфатной связи заключается от 33 500 до 42 000 Дж (8000— 10 000 кал), в среднем 37750 Дж, а 36 эквивалентов имеют запас энергии, выражаемый в 1359 кДж (324 ккал). В молекуле глюкозы содержатся 180-16,75=3015 кДж (720 ккал), из них 1359 кДж (324 ккал) расходуются на образование макроэргических фосфатных связей. Эта энергия остается сосредоточенной в клетке и преобразуется в другие виды энергии, которые используются на различные синтетические процессы. Оставшаяся значительная часть энергии рассеивается в виде тепла, что, например, наблюдается при соложении ячменя, когда проращиваемое зерно нагревается и для поддержания нормального режима солодоращения требуется его охлаждение.
Энергичное дыхание зерна начинается уже при повышении влажности на 2 % по сравнению с критической; при дальнейшем повышении влажности потребление кислорода усиливается. Вместе с тем запас кислорода в воде очень быстро истощается и естественный аэробный процесс замещается анаэробным со всеми неприятными последствиями для зерна (накоплением спиртов, кислот и эфиров).
Диффузия кислорода в прорастающем зерне затрудняется из-за большого количества воды в тканях. Диффузия кислорода через газ в 10000 раз быстрее, чем через воду. Кроме того, растворимость углекислого газа в воде в 41 раз больше, чем кислорода. Следовательно, вода, содержащаяся в межклеточных пространствах, больше удерживает углекислый газ, чем кислород.
Урион и Шапон показали, что ткани, примыкающие к зародышу ячменя, представляют собой барьер для проникновения кислорода. Только после того как развивающийся росток преодолевает указанный барьер, появляется возможность для доступа кислорода. В самый начальный момент замочки ячменя наблюдается анаэробный тип дыхания с накоплением некоторых количеств спирта. Даже при очень низких концентрациях, всего несколько тысячных долей процента, спирт оказывает ясно выраженное тормозящее действие на рост организма. 0,1%-ный раствор алкоголя значительно угнетает морфологическое развитие зерна, а 0,8%-ный раствор почти полностью подавляет рост.
Углекислый газ, накапливающийся как при аэробном, так и при анаэробном дыхании, оказывает отрицательное влияние на жизненные процессы зерна; особенное значение это имеет в начальной стадии замочки. Углекислый газ заполняет межзерновые пространства в нижней части замочного чана частично в виде газа, а частично в виде угольной кислоты, обусловливая более кислую реакцию этих слоев воды по сравнению со слоями в средней и верхней частях чана. По данным Кауэрта, кислотность может достигать pH 3,5.
Влияние солевого состава воды на замачиваемое зерно
При замачивании ячменя часть находящихся в воде ионов в той или другой степени проникает внутрь зерна и оказывает влияние на жизнедеятельность зародыша. Особенно сильное отрицательное влияние на скорость процесса замачивания, что подтвердили Г. И. Фертман и Л. М. Коркина, оказывают хлориды, а наиболее быстро протекает этот процесс в воде, содержащей сульфат калия. В воде с высокой жесткостью (например, 14-15 мг-экв/л) и высокой щелочностью замочка замедляется. Горькие вещества оболочки типа смол обладают неприятным запахом и вкусом и легче извлекаются карбонатной водой, чем мягкой. Это следует учитывать также при выщелачивании пивной дробины при фильтрации заторов.
Считается, что некоторые вещества ячменной оболочки с одной стороны, оказывают вредное действие на дрожжи, в частности тестин - дубильное вещество, дающее с веществами хмеля тестолюпин, адсорбируется на поверхности дрожжевых клеток и может вести к дегенерации дрожжей. С другой стороны, в оболочке ячменя содержатся антибиотические вещества, которые экстрагируются при замочке и переходят в замочную воду. Путем сложной обработки этой воды
И. С. Ежов выделил из нее антибиотик гордецин, имеющий широкий антимикробный спектр действия. Гордецин подавляет развитие ряда микроорганизмов (микрококки, дрожжи, плесени, сарцины и даже патогенные бактерии). Он обладает малой токсичностью, что позволяет применять его в пищевой промышленности и даже в медицине. И. С. Ежов установил его элементарную формулу (С25Н39О7), молекулярную массу (465,33), физические и химические свойства.
Количество дубильных и горьких веществ по сравнению с общим количеством извлекаемых органических веществ незначительно; щелочная вода выщелачивает горькие и дубильные вещества сильнее, чем нейтральная; интенсивность выщелачивания нарастает с повышением крепости щелочного раствора: известь - сода - едкий натр.
При добавке к бикарбонатной воде гипса количество выщелачиваемых дубильных веществ уменьшается примерно на 1/3, добавка гипса к известковой воде не влияет на выщелачивание ни дубильных, ни горьких веществ.
Соли воды могут входить в реакцию с веществами оболочки. Это относится главным образом к кальциевым солям, меньше к едкому натру и соде и еще меньше к бикарбонатным солям. Соли кальция с дубильными веществами образуют нерастворимые соединения, а с горькими веществами - легкорастворимые соединения, которые могут быть извлечены из оболочки во время замачивания. В то время как щелочная обработка известью разрыхляет мякинную оболочку, благодаря чему красящие и другие вещества могут переходить из солода в лабораторное сусло более энергично, чем без обработки ячменя при замочке, обработка гипсом делает красящие вещества нерастворимыми и они не могут окрашивать сусло.