Rola enzymów w procesie produkcji piwa

Piwo to napój otrzymywany na drodze fermentacji alkoholowej brzeczki piwnej dzięki zastosowaniom drożdży.

Brzeczka piwna jest wodnym roztworem składników powstałych z odpowiednich surowców tj. ze słodu browarnego, który powstaje z przerobu ziarna jęczmienia browarowego w procesie słodowania. W procesie powstawania brzeczki mogą brać też udział surowce nie słodowane oraz chmiel i jego przetwory.

Proces zacierania słodu w produkcji piwa ma na celu wyprodukowanie brzeczki o określonym składzie i parametrach, która jest surowcem do produkcji piwa, a równocześnie pożywką do wzrostu mikroorganizmów, głównie drożdży. Drożdże są odpowiedzialne  za fizykochemiczne i organoleptyczne cechy produktu gotowego. Etapem wstępnym zacierania jest mielenie słodu.

Główne i podstawowe surowce potrzebne do produkcji piwa

• Słód browarny

• Chmiel

• Drożdże piwne

• Woda

• Różne inne składniki niesłodowane tj.; ryż, żyto, kukurydza i inne

Słód browarny - produkt przerobu ziarna jęczmiennego w procesie słodowania; jest on nośnikiem wielu enzymów potrzebnych w procesie słodowania zacierania oraz nośnikiem skrobi, wykorzystywanej w procesie fermentacji

W zależności od temp. i czasu suszenia słodu rozróżnia się;

• Słód jasny , pilzneński - piwo jasne

• Słód ciemny, monachijski - piwo ciemne

• Słód pośredni, wiedeński - piwo miedziane

Do procesu produkcji piwa używa się słodu powstałego z jęczmienia odpowiedniej odmiany, dojrzałości fizjologicznej i technicznej ziarna

Chmiel to źródło; substancji garbnikowych (2-5%) goryczkowych (16-20%) olejków chmielowych (0,3-1%) .

Najważniejsze dla piwa są α i β-kwasy, które wchodzą w skład żywic chmielowych. Najlepiej w beczce rozpuszczają się α- kwasy.

Izo- α- kwasy są podstawowymi składnikami, od których zależy goryczkowaty smak piwa, wpływają również na trwałość piany. β-kwasy są bardzo trudno rozpuszczalne w beczce i dlatego są wykorzystywane w niewielkim stopniu. Występują także γ-kwasy, które są praktycznie nierozpuszczalne w wodzie.

Ważnym składnikiem chmielu są też polifenole - garbniki, łatwo rozpuszczają się w wodzie. Posiadają zdolności redukujące w związku z czym wpływają dość korzystnie na jakość piwa, mają także zdolność do wytrącania białek. Duże cząsteczki powstałe na wskutek polimeryzacji i utleniania wykazują zdolności do łączenia się z białkami i wytracania powstających kompleksów. Połączenie te są rozpuszczane na gorąco i strącają się dopiero po ochłodzeniu, tworząc zmętnienie w piwie. To właśnie obecność chmielu nadaje piwie charakterystyczny smak i przyjemną goryczkę.

Woda to bardzo ważny składnik przy produkcji piwa. Woda w różnych procesach spożywczych posiada różna zawartość soli, dla piwowarstwa najważniejsze są jony; wapnia, magnezu, wodorowęglanowe.

Parametry wody do produkcji piwa

• Kwasowość wody - na jakość beczki piwnej i na jakość piwa wpływa kwasowość wody. Zawarte w niej fosforany potasowe nadają półproduktom piwowarskim i produktom końcowym naturalną kwasowość, którą obniżyć mogą jony wodorowęglanowe, natomiast jony wapniowe i magnezowe ją zwiększają

• pH wody - wzrost pH zacieru i beczki wpływa niekorzystnie na przebieg procesów technologicznych powodując;

• wytrącanie się fosforanów w zacierze prowadzące do zmiany proporcji buforowych

• niewłaściwą pracę enzymów spowodowaną brakiem optymalnego pH

• obniżoną wydajność beczki

• pogorszenie się posmaku oraz przyciemnienie barwy piwa

• pogorszenie się koagulacji białek i wytrącanie się osadów

• zwiększenie rozpuszczalności związków goryczkowych chmielu(nieszlachetna goryczka)

• podatność piwa na zakażenia biologiczne

• twardość wody - tworzą ją rozpuszczalne w wodzie węglany wapnia i magnezu, podnoszą pH - pogorszenie procesu. Węglany tworzą twardość przemijającą możliwą do usunięcia. Twardość niewęglanowa - nieprzemijająca - tworzą jony wapnia i magnezu pochodzące od chlorku wapnia, siarczanu wapnia, chlorku magnezu i siarczanu magnezu.

Woda jako podstawowy składnik, musi spełniać pewne jakościowe kryteria dla celów piwowarskich;

• jakość wody pitnej

• nie może powodować korozji

• musi być mikrobiotycznie czysta

• inne składniki wody

• wapń uaktywnia α-amylazę w czasie zacierania i reaguje z nie pożądanym kwasem szczawiowym do trudno rozpuszczalnego szczawianu wapnia, co zapobiega nadmiernemu pienieniu się piwa

• potas może powodować słony smak piwa

• chlorki w niewielkiej ilości dają pełny, miękki posmak, jednak nadmiar powoduje korozję stali szlachetnych

• Azotany hamują wzrost drożdży i wydłużają fermentację

• Krzemiany wpływają bezpośrednio na smak piwa i mogą zakłócać fermentację, a także przyczyniać się do koloidalnych zmętnień piwa

Woda techniczna - mycie urządzeń i inne procesy technologiczne, nie przeznaczona do bezpośredniego spożycia, nie musi spełniać wymogow wody pitnej, ale musi być także kontrolowana jej czystość.

Etapy produkcji piwa

1. słodowanie obejmuje; wstępną obróbkę, moczenie, kiełkowanie ziaren, suszenie mokrego słodu, czyszczenie i polerkę słodu.

2. otrzymywanie beczki nastawnej - proces zachodzi w warzelni, jej zadaniem jest możliwie największe wykorzystanie ekstraktu słodowego i wytworzenie pełnowartościowej beczki chmielowej w ciągu możliwe najkrótszego czasu

praca warzelni:

• zacieranie słodu i surowców niesłodowanych w kadziach i kotłach zaciernych

• gotowanie beczki z chmielem w kotle warzelnym

• oddzielenie zawiesin z beczki gorącej (osadów, części chmielu)w kadzi osadowej

• chłodzenie beczki do temp. nastawnej w płytowych wymiennikach ciepła

• napowietrzanie beczki nastawnej w sterylnym powietrzem

po ugotowaniu beczki z dodatkiem chmielu i przefiltrowaniu otrzymuje się beczkę chmielowa.

3. przygotowanie drożdży zarodowych - czystą kulturę drożdży o wymaganych cechach technologicznych rozmnaża się w laboratorium, następnie na skalę techniczną w specjalnych urządzeniach - propagatorach. Po wykorzystaniu tych drożdży do fermentacji określonych partii piwa, są one wykorzystywane ponownie - kilka razy - żywotność i czystość mikrobiologiczna.

4. główna burzliwa fermentacja piwa prowadzi się ją w zbiornikach otwartych lub w nowoczesnych zb. cylindrycznych z dnem stożkowym, proces będzie obejmował;

• zadawanie drożdży zarodowych

• kontrola temperatury i stopnia odfermentowania piwa

• regulacja temp.

• zbieranie drożdży po skończonej fermentacji

• odbiór dwutlenku węgla wydzielającego się po skończonej fermentacji

dojrzewanie piwa - fermentacja leżakowa - przeprowadza się w zbiornikach zamkniętych pod zwiększonym ciśnieniem dwutlenku węgla, z zastosowaniem kondycjonowania i leżakowania, albo tylko leżakowania. Fermentacja leżakowa rozpoczyna się od spuszczenia młodego - zielonego - piwa, ochłodzonego do temp. 5 C, do tanków metalowych umieszczonych w tzw. leżakowni w temp. ok. 2 C. Tanki napełniają się tak, aby pozostawić w nich wolną przestrzeń tzw. gazową umożliwiającą włączenie aparatu czopowego utrzymującego nad ciśnienie na jednym poziomie 0,3-0,5 atmosfery. Aparat czopowy jest tak zbudowany, że nadmiar dwutlenku węgla jest samoczynnie regulowany.

filtracja i rozlew piwa

piwo filtruje się w celu uzyskania wysokiej klarowności, poprawy stabilności, usunięcie drożdży i bakterii.

Stosuje się oprócz filtracji różne inne zabiegi technologiczne - wymraznie, nasycanie CO.

Po filtracji piwo jest przesylane do tanków pośredniczacych i przetrzymywne do czasu rozlewu w temp. 0 C.

Piwo kiedy jest już gotowe ma ograniczoną trwałość ze względu na dużą zawartość węglowodanów, białek, zw. Mineralnych piwo jest doskonałą pożywką dla drobnoustrojów w celu wydłużenia trwałości piwa stosuje się pasteryzację w temp. 61-70 C przez 20-40 min.

Tabela
Parametry działania enzymów słodu

Enzym	Optymalny zakres działania		Temperatura inaktywacji (°C)	Uwagi
	pH	temperatura (°C)
"-amylaza	5.6 ÷ 5.8	72 ÷ 75	> 80	enzym upłynniający
-amylaza	5.4 ÷ 5.5	60 ÷ 65	> 70	enzym scukrzający
endopeptydazy	4.0 ÷ 4.6	50 ÷ 65		enzym rozkładający białka
egzopeptydazy	7.0 ÷ 8.0	40
hemicelulazy	5.4 ÷ 5.8	37 ÷ 45		enzym rozkładający ściany komórkowe
endo-$-glukanaza		45 ÷ 50	> 80	enzym rozkładajacy ß-glukan

Wraz ze wzrostem temperatury, podczas zacierania, kolejno zachodzą następujące zjawiska:

Zakres temperatury (°C)	Enzym	Działanie
37 - 45	hemicelulazy	rozkład składników ścian komórkowych
45 - 50	endo-$-glukanza, endopeptydazy	rozkład $-glukanów, i białek - przerwa $-glukonowo-białkowa
52 - 55	endopeptydazy	rozkład białek do peptonów i aminokwasów przerwa białkowa
62 - 65	$-amylaza	Rozkład skrobi do maltotriozy, maltozy i glukozy przerwa maltozowa
70 - 76	"-amylaza	rozkład skrobi do dekstryn (dekstryny graniczne) przerwa scukrzająca

Słód

Słodem nazywamy skiełkowane ziarno.

Klasyfikacja enzymów występujących w jęczmieniu i słodzie: wymienić

Skład chemiczny jęczmienia browarowego

skład	Zawartość (%)
Skrobia	54-64
Woda	13-18
Związki białkowe	9-13
Hemiceluloza	8-12
Celuloza	3,5-7
Kwasy tłuszczowe	2-3
Związki mineralne	2-3
Sacharoza	1,8
Glukoza i fruktoza	0,3-0,4

W skład ścian komórkowych i warstwy alueronowej ziarna jęczmienia browarowego wchodzą związki mające wpływ na późniejsze procesy produkcji piwa, β-glukany i substancje powodujące problemy w czasie filtracji piwa

Enzymy (czynne białka) - biokatalizatory, które przyśpieszają lub opóźniają reakcje. Działają tylko na określony substrat i katalizują określoną reakcje. Na działanie enzymów w istotny wpływ mają temp. i pH środowiska

Optymalna temp. dla większości enzymów słodu wynosi 50-72*C, optymalne pH procesu zacierania słodu to 5,2-5,4

Powstawanie enzymów w ziarnie:

Zarodek wytarza kwas giberelinowy. Ten kwas dostaje się do warstwy aleuronowej, gdzie pobudza tworzenie enzymów celulolitycznych, proteolitycznych, amylolitycznych oraz innych. Zarodek to źródło hormonów, oddziałują one na powstawanie enzymów w warstwie aleuronowej.

Klasyfikacja enzymów występujących w jęczmieniu i słodzie:

1.Oksydoreduktazy - oddechowe, przenoszące elektrony i wodory z substratu na jakiś akceptor

2.Trazsferazy - przenoszące z jednego związku na drugi określoną gr.chemiczną (np. aminową)

3.Hydrolazy - rozkładające substrat na drodze hydrolizy

4.Liazy - rozszczepiające pewne gr., bez udziału hydrolizy

5.Izomerazy - przebudowujące strukturę cząsteczki, bez jej rozkładu

6. Ligazy - katalizujące łączenie się dwu cząstek

Słodowanie

Ziarno jęczmienia zawiera zmagazynowane przez roślinę składniki odżywcze głównie skrobię, białka, tłuszcze w formie nierozpuszczalnej w wodzie. Składniki te znajdują się w komórkach bielma i warstwy aleuronowej, gdzie są chronione przez ścianki błony komórkowej, których głównym składnikiem jest hemiceluloza.

Głównym zadaniem słodowania jest prowadzenie procesu kiełkowania w taki sposób, aby wytworzyło się w nim jak najwięcej enzymów, które doprowadzą do rozluźnienia błon komórkowych oraz częściowy rozkład skrobi, białek i innych związków niezbędnych dla rozwoju zarodka

Przemiany fizyczne zachodzące w procesie słodowania:

• rozwój kiełka liścieniowego

• rozwój kiełka korzonkowego

Etapy słodowania

• Czyszczenie i sortowanie ziarna -

• Kiełkowanie słodu

• Suszenie ziarna (3 fazy)

• odkiełkowanie słodu

• śrutowanie

Słodowanie zaczyna się od posortowania i oczyszczenia ziaren jęczmienia, następnie następuje zalanie ziaren wodą i poddanie moczeniu, w trakcie wchłaniania wody - jęczmień pęcznieje, aby zaczął się proce wzrostu korzonków i liścieni ziarno musi mieć 30% wilgotności, proces namaczania prowadzi się w temp. 15 C, uzyskując 43-45% wilgotności

Potem procesie następuje proces kiełkowania słodu, trwa ok. 7 dni (4 pierwsze tworzenie się enzymów potem zaczynają działać), temp. do 20 C dostęp tlenu i wilgotność ok. 46%

Dla rozwoju zarodka potrzebna jest energia (rozkład substancji zapasowych, skrobi)

Po procesie kiełkowania następuje proces suszenia ziarna:

1. faza - procesy enzymatyczne polegające na hydrolitycznym rozkładzie składników bielma (skrobi białek tłuszczów)

2. faza - temp 40 - 60 C zaczynają ustawać procesy życiowe procesy życiowe ziarna, przestają wzrastać cz. korzonkowe liścieniowe

3. faza - temp 70 C, tu wytwarzają się z cukrów prostych i aminokwasów melatoniny, które dają słodowi barwę i aromat

po procesie śrutowania następuje proces odkiełkowywania, potem proces śrutowania mający na celu oddzielenie łuski od ziarna i rozdrobnienie bielma, ułatwienie styczności wody ze składnikami ziarna słodowego

zanim słód będzie gotowy do dalszego przerobu musi odleżeć 5-6 tygodni, nabiera wilgotności, ziarna pęcznieją, łuska staje się bardziej krucha

Przemiany zachodzące podczas słodowania

Przemiany cytolityczne

• Są wywołane przez enzymy hemilelulazy, rozkładające hemicelulozę, główny składnik błony komórkowej ziarna

• Powodują rozlużnienei słodu, a przez to umożliwiają umożliwiają dostęp do wnętrza komórek słodu innym enzymom hydrolizującym

• W skład hemicelulaz wchodzą glukanazy - powodując rozkład β-glukanów. Najważniejsze glukanazy

- endo-1,4- β-glukanaza

- endo-1,3- β-D-glukanaza

- endo-1,4- β-D-glukanaza

- endo-1,3:1,4- β-D-glukanaza

Przemiany proteolityczne

• Dotyczą one hydrolizy enzymatycznej białek w czasie słodowania, wywołują je enzymy z gr. peptydaz:

-Endopeptydazy - rozpraszają wewnętrzne wiązania peptydowe, w wyniku czego powstają białka o mniejszej masie cząsteczkowej

-Egzopeptydazy - rozszczepiają wiązania peptydowe zewnętrzne w wyniku czego powstają dwupeptydy, następnie aminokwasy

Przemiany amylolityczne

• Dotyczą procesu hydrolizy enzymatycznej skrobi, katalizują je następujące enzymy:

-α-amylaza - amylaza dekstrynująca, rozkłada wiązania α-1,4 glikozydowe wewnątrz łańcucha amylopektyny i amylozy

-β-amylaza (egzoenzym) - amylaza cukrująca, też rozkłada wiązania α-1,4 glikozydowe, ale co drugie tworząc β-maltozę

-R - enzym noszący rozgałęzienia α-1,6 glikozydowe

Przemiany innych enzymów

• Enzym lipaza - rozkłada tłuszcze, w wyniku działania tego enzymu powstaje glicerol i kwasy tłuszczowe

• Enzym fitaza - pod jego działaniem powstaje kwas fosforowy potrzebny do rozwoju drożdży

• Enzymy oddechowe - oksydazy - utlenianie cukrów, co prowadzi do strat suchej masy

7

---