О ферментах, часть III (эта часть лекций, помоему, самая важная для пивовара и самогонщика)
Собственно диастаза или амилаза. Теория осахаривания крахмала.
Подобно тому, как живые существа, животные и растения, обладают сахаразой, способной переваривать сахарозу и делать ее усвояемой, в их распоряжении есть растворимые ферменты, которые они используют для переваривания крахмала. Эти растворимые ферменты представляют собой собственно диастазы, и наиболее важной из них является амилаза, которую часто называют просто диастазой.
Амилаза существует в слюне, и она была идентифицирована с ферментом, ранее известным как птиалин. Идентичный или, по крайней мере, очень похожий фермент существует в соке поджелудочной железы, и именно он является средством переваривания крахмалистых продуктов, которое продолжается в тонком кишечнике. Но особенно много амилазы содержится в семенах злаков во время прорастания. В тот момент, когда растение начинает формироваться и развиваться за счет питательного запаса, образованного крахмалом зерна, оно синтезирует диастазу, амилазу, которая разжижает крахмал и делает его пригодным для распределения по всем точкам, где он должен поддерживать питание клеток. Таким образом, молодое растение будет развиваться, и именно в этом заключается прорастание зерна.
Прорастание зерна, которое коррелирует с выработкой диастазы, в основном изучалось и использовалось с ячменем. Для приготовления амилазы всегда используется пророщенный ячмень, он же солод.
Существует несколько способов получения амилазы.
Достаточно активную диастазу получают при использовании метода Пайена и Персоза, слегка модифицированного Мускулусом. Настаиваем в течение часа при обычной температуре 1 часть молотого солода в 2 частях воды. Процеживаем через тряпку и добавляем в жидкость равный объем спирта 80 градусов; фильтруем, чтобы отделить первый осадок, который очень загрязнен и который мы не будем использовать. В профильтрованную жидкость добавляют еще 1 объем спирта. Выпадает небольшой осадок, который собирают на фильтре. Фильтр сушат при низкой температуре. Таким образом, мы имеем бумагу, пропитанную диастазой, очень активную и сохраняющуюся очень долго. Просто добавьте бумагу в жидкость, в которой вы хотите произвести осахаривание.
О. Лоу подучает относительно чистый фермент следующим образом: молотый солод, размоченный в небольшом количестве воды, выдерживают сорок восемь часов в 40-градусном спирте; часто встряхивая; процеживают и добавляют в жидкость смесь из 2 частей спирта и 1 части эфира. Осадок, промытый абсолютным спиртом и высушенный холодным способом в присутствии серной кислоты, растворяется водой. Раствор осаждается субацетатом свинца и фильтруется. Отфильтрованная жидкость, очищенная от избытка свинца потоком сероводорода, фильтруется и добавляется та же эфиро-алкогольная смесь. Полученный осадок промывают абсолютным спиртом и эфиром и высушивают на холоде.
Таким образом, получается белый порошок, полностью растворимый в воде и обладающий всеми химическими свойствами пептонов. Он наделен энергичной осахаривающей способностью.
Метод Линтнера также позволяет получить очень активное вещество. Часть молотого солода настаиваем двадцать четыре часа с частью 20-градусного спирта. Фильтруем и добавляем в жидкость двойной объем абсолютного спирта. Осадок получаем на фильтре, промываем абсолютным спиртом, затем эфиром и высушиваем в вакууме.
Когда мы хотим провести разжижение и осахаривание крахмала, нет необходимости выделять диастазу таким способом. Чаще всего мы просто готовим солодовую воду из 1 части молотого солода и 2 частей воды.
Для анализа часто используют очень активный раствор, приготовленный следующим образом: измельчают 3.5 кг зеленого солода (неочищенного) и настаивают в течение восьми дней в смеси из 2 литров воды и 4 литров глицерина. Затем процеживаем жидкость через ткань и фильтруем. Пять капель этой настойки могут растворить 1 грамм крахмала. Она очень долго сохраняет свои свойства. Мы назвали действие диастазы на крахмал осахариванием, то есть превращением в сладкое вещество. Долгое время считалось, что это превращение идентично тому, которое производят разбавленные горячие кислоты. Мы видели, что при кипячении крахмала с 5%-ой серной кислотой она связывает воду и дает ряд продуктов расщепления, последним из которых является глюкоза, так что окончательная реакция представлена уравнением:
n(C6H10O5)[крахмал] + H2O = n(C6H12O6)[глюкоза]
Это ошибочное мнение сохранялось в течение долгого времени, несмотря на то, что Дюбрюнфо с самого начала утверждал, что это явление более сложное. Сегодня известно, что действие диастазы на крахмал приводит к образованию смеси декстрина и мальтозы, этого изомера сахарозы, который мы уже видели. Уравнение выглядит следующим образом:
3(C6H10O5)[крахмал] + H2O = C6H10O5[декстрин] + C12H22O11[мальтоза]
Если мы обратимся к проведенному нами довольно полному исследованию осахаривания крахмала кислотами, мы увидим, что в этом случае также образуется мальтоза как переходный продукт, и что в целом осахаривание диастазой протекает таким же образом как и с помощью кислот, но останавливается на предпоследнем веществе. Мы можем, кстати, довести его до того же конечного вещества, инвертируя кислотой мальтозу, которая свяжет воду и даст две молекулы глюкозы.
Вот еще одна аналогия между этими двумя явлениями. Декстрины, которые образуются под действием диастазы на крахмал, сильно различаются в зависимости от времени осахаривания. В начале встречаются амилодекстрин и эритродекстрин, которые близки к крахмалу; ближе к концу - ахродекстрин и мальтодекстрин, которые близки к мальтозе. Мы можем, как и в случае с кислотами, следить за ходом процесса осахаривания при помощи йода. В зависимости от того, насколько далеко зашел процесс, йод приобретет сначала синюю, затем фиолетовую, затем красную окраску и, наконец, перестанет окрашивать раствор.
Но что бы ни случилось и какова бы ни была продолжительность операции, осахаривание диастазой никогда не зайдет дальше образования мальтозы. Меркер внимательно изучил этот интересный момент, используя реактив Барфоеда (нейтральный ацетат меди, растворенный в уксусной кислоте), который, как мы знаем, не действует на мальтозу, но восстанавливается глюкозой и левулозой. Он с уверенностью показал, что ни глюкоза, ни левулоза никогда не появлялись.
Наконец, следует отметить наличие в осахаренных суслах другого сахара - изомера мальтозы, отличающегося от нее некоторыми свойствами. Это изомальтоза. Этот сахар, уже известный по работам Фишера, а также Шайблера и Миттельмейера, был открыт Линтнером в пиве и пивном сусле. Но реальность существования изомальтозы в последнее время оспаривается.
Таким образом сусла, осахаренные диастазой, содержат в качестве прямых продуктов осахаривания 1) неферментируемый декстрин; 2) легко и полностью сбраживаемую мальтозу; 3) изомальтозу, которая менее легко сбраживается и которая, по крайней мере частично, содержится в приготовленном пиве.
Теперь давайте подробнее рассмотрим осахаривание диастазой и посмотрим, каковы его условия.
Во-первых, было замечено (и это легко предсказуемо), что скорость осахаривания, при прочих равных условиях, была пропорциональна продолжительности операции, а также количеству использованной диастазы. Но это верно только в общих чертах и на начальных этапах осахаривания, поскольку позже это явление усложняется появлением в растворе продуктов осахаривания. Не менее верно и то, что чем больше солода будет использовано в процессе, тем быстрее произойдет осахаривание.
Когда мы вносим диастазу или солодовый настой на разваренный крахмал, мы видим, что при подходящей температуре этот крахмал быстро разжижается. Если проанализировать продукт, то мы увидим, что крахмал растворился. Это первая фаза осахаривания или разжижение.
Давайте теперь посмотрим что будет происходить в этой жидкости, при условии сохранения подходящей температуры. Диастаза продолжает действовать на растворимый крахмал и превращает его в смесь мальтозы и декстрина. Это вторая фаза, или осахаривание. Сначала образуются мальтоза и декстрин, затем на последний будет продолжать действовать диастаза, что обеспечит большее количество мальтозы. Таким образом, доля мальтозы всегда будет увеличиваться, но это явление будет постепенно замедляться, все больше и больше, затем полностью прекратиться. В это время, если температура была подходящей (ее роль мы увидим), мальтоза в растворе почти полностью заменит декстрин.
Это замедление и затем резкая остановка реакции объясняются тем, что образующаяся мальтоза препятствует функционированию диастазы. Следовательно, в этом случае работа диастазы, как и в случае с живыми ферментами, будет затруднена появлением продуктами, которые она производит. Но, по-видимому, более правильным будет рассматривать схожесть процесса осахаривания с этерификацией и омылением. Эти явления зависят от времени, и скорость реакции пропорциональна количеству необработанного продукта по сравнению с тем, которое уже обработано. Следовательно, в случае осахаривания, чем больше уже образовано мальтозы, тем медленнее будет происходить превращение декстрина. Таким образом, осахаривание в конечном итоге замедлится до такой степени, что будет полностью остановлено.
Достигнутый таким образом баланс будет сохраняться до тех пор, пока соотношение присутствующих в растворе продуктов остается неизменным. Но если каким-либо способом заставить мальтозу исчезнуть, процесс будет возобновлен, и новое количество декстрина будет осахарено. Поэтому, если бы образовавшаяся мальтоза все-таки исчезла, мы бы постепенно пришли к полной трансформации декстрина.
Пайен добился этого результата в известном эксперименте. Он сбраживал пивными дрожжами смесь, описанную в предыдущем примере. Поскольку мальтоза хорошо ферментируется дрожжами, она постепенно исчезает, а поскольку диастаза все время присутствует в растворе, ее действие на декстрин немедленно возобновляется, что в итоге приводит к полному осахариванию.
Этот важный факт ежедневно используется пивоварами и винокурами.
Последний в первую очередь хочет получить как можно больше алкоголя. Поэтому, когда он ферментирует сладкое сусло, осахаренное солодом, он организует процесс так, чтобы диастаза всегда была активной и могла во время ферментации полностью завершить превращение декстрина в ферментируемую мальтозу. Это не вполне подходит для пивовара, который стремится не только произвести алкоголь но и получить определенный вкус. Поэтому, когда он достигнет максимальной степени осахаривания, он вскипятит сусло, чтобы разрушить, убить диастазу. Таким образом, мальтоза, уже образовавшаяся к этому моменту, далее будет ферментироваться дрожжами, а неферментируемый декстрин останется в пиве, которому он придаст желаемую липкую консистенцию, которую в пивоварне называют «вкусной».
При рассмотрении осахаривания мы все еще не учитывали влияние температуры, важность её является первостепенной. В первую очередь, мы можем применить к амилазе то, что мы сказали о диастазах в целом. Её активность, довольно низкая в холодном состоянии, нарастает и достигает максимума, который для работы с вареным крахмалом составляет от 50 до 57 градусов по Цельсию. Именно при этой температуре мы получаем максимальное количество сахара за минимальное время. С этого момента активность осахаривания снижается, сначала незначительно, затем резко, и полностью исчезает при температуре 75 градусов, при которой диастаза свертывается, разрушается. Однако эта температура может незначительно варьироваться в зависимости от условий. Таким образом, было замечено, что диастаза намного лучше переносит нагрев в присутствии достаточного количества мальтозы. Опасность потери её свойств при слишком большом нагревании снижается, когда мы находимся в конце осахаривания.
Таким образом, оптимальная температура для осахаривания, то есть для второй его фазы, составляет от 50 до 57 градусов. Но первая фаза, разжижение, которая соответствует образованию растворимого крахмала, имеет максимальную активность при 70 градусах. Поэтому, при приготовлении зернового сусла необходимо, по крайней мере на определенном этапе, превысить температуру, наиболее благоприятную для собственно осахаривания; это можно сделать ближе к концу операции, когда мы хотим завершить растворение оставшегося крахмала, который еще находится в нерастворенном состоянии.
Но при осахаривании вареного крахмала необходимо учитывать не только скорость его превращения в мальтозу и декстрин. Наибольший интерес представляет выявление относительной доли этих двух продуктов. И, опять же, температура является определяющим фактором. В целом можно сказать, что чем выше температура, тем больше будет декстрина по сравнению с мальтозой, и наоборот. Таким образом , чем дольше осахаривание будет производиться при более низкой температуре, тем больше в полученном сладком сусле будет ферментируемой мальтозы. Это явление хорошо известно пивовару; если он хочет получить очень крепкое пиво с низким содержанием декстрина, он будет варить его при низких температурах; если он хочет приготовить слабоалкогольное пиво, но с очень высоким содержанием декстрина (мюнхенское пиво), он будет варить при высоких температурах . Эти два способа приготовления соответствуют двум пивоваренным процессам, используемым для приготовления пива: настоя и отварки.
Браун и Херон, исследовавшие влияние температуры на соотношение декстрина и мальтозы, обобщили свои эксперименты следующими цифрами (на 100 частей крахмала):
Температура: Мальтоза Декстрин
При 60 градусах Цельсия 80 20
От 60 до 63 градусов 68 32
От 64 до 70 градусов 31 65
Выше 70 градусов 17.4 82.6
Таким образом, 80 процентов мальтозы и 20 процентов декстрина составляют сусло, обычно получаемое на винокурне. Доля мальтозы иногда может быть выше, но такое случается редко, когда мы осахариваем большим количеством солода. Но не следует полагать, что таким образом только четыре пятых приготовленного крахмала, которые были превращены в мальтозу, смогут дать спирт. Ибо мы уже видели, что во время ферментации эти 20 процентов декстрина также будут постепенно осахариваться диастазой по мере исчезновения мальтозы, так что в конце концов весь осахаренный крахмал трансформируется в спирт.
Все, что мы только что сказали относительно влияния температуры на осахаривание и пропорций продуктов, получаемых в этом процессе, применимо к вареному крахмалу; но все обстоит иначе, когда мы пытаемся осахарить сырой крахмал из различных крахмалистых продуктов при температурах, которые неизбежно ниже температуры растворения крахмала. Осахаривание значительно снижается как по скорости, так и по количеству обрабатываемого материала. Для риса и кукурузы воздействие очень слабое; для картофеля тоже. Для ячменя, напротив, в натуральном или солодовом состоянии крахмал почти полностью осахаривается значительно ниже точки его растворения, которая находится примерно в 80 градусах. Но в этом случае (и это важно) оптимальная температура, при которой осахаривание происходит наиболее быстро и энергично, составляет уже не 50-57 градусов: согласно работе О'Салливана, она находится около 63 градусов . Это оптимальная температура для пивоваренного завода.
Таким образом, оставляя в стороне эти различия, мы видим, что осахаривание крахмала состоит из трех отдельных фаз, и что каждую из них предпочтительно осуществлять при своей собственной температуре. Разжижение крахмала лучше всего проводить при температуре 70 градусов, и мы только что увидели, что образование декстрина увеличивается с повышением температуры, тогда как для образования мальтозы все наоборот. Эти необычные явления побудили предположить, что амилаза образована в результате соединения двух, или даже трех, разных диастаз. Первая имела бы функцию разжижения крахмала; вторая превращала бы растворимый крахмал в декстрин, а третья - в мальтозу, и эта последняя диастаза, более чувствительная к теплу, чем предыдущая, имела бы проблемы в своем функционировании задолго до этого (Маркер).
Обоснованность этой гипотезы пока не может быть непосредственно проверена путем разделения трех диастаз. Но она прекрасно объясняет фактические явления, и нет ничего плохого в том, чтобы принять ее до получения новых научных данных, тем более что она пользуется высоким авторитетом г-на Дюкло.
Тепло - не единственный фактор, влияющий на активность диастазы, хотя и самый важный. На винокуренном заводе необходимо также учитывать реакцию среды, в которой происходит осахаривание.
Амилаза, чтобы действовать наиболее эффективно, требует слабокислой среды. Нейтральная среда подходит хуже, а щелочная - еще хуже. Избыток кислотности также является вредным и в конечном итоге полностью прекращает осахаривание. Поэтому следует тщательно избегать всего, что может привести к образованию слишком кислого сусла, и, прежде всего, больного брожения, которое приводит в основном к образованию масляной и молочной кислот. Эти вторичные процессы брожения чаще всего происходят из-за низкого качества используемого солода или из-за отсутствия чистоты в мастерской.
Дельбрюк уточнил влияние молочной кислоты на осахаривание. Он вносил все увеличивающееся количество молочной кислоты при одинаковой массе крахмала в одинаковых условиях. Он получил следующие результаты:
Кислота молочная, на литр Производство мальтозы из крахмала, %
0.2 81.9
0.3 68.0
0.6 68.9
0.8 41.7
Таким образом, мы видим, что образованию мальтозы препятствует даже небольшая доля молочной кислоты. И это подтверждается не только тестом фактического осахаривания, но и превращением декстрина, которое происходит во время спиртовой ферментации. Однако, изучая производство зернового спирта по австрийскому способу, мы увидим, что в сусло намеренно добавляется определенное количество молочной кислоты. Но в этом случае образование спирта - не единственная цель, предлагается также производить дрожжи, молочная кислота способствует их размножению.
Подобно тому, как живые существа, животные и растения, обладают сахаразой, способной переваривать сахарозу и делать ее усвояемой, в их распоряжении есть растворимые ферменты, которые они используют для переваривания крахмала. Эти растворимые ферменты представляют собой собственно диастазы, и наиболее важной из них является амилаза, которую часто называют просто диастазой.
Амилаза существует в слюне, и она была идентифицирована с ферментом, ранее известным как птиалин. Идентичный или, по крайней мере, очень похожий фермент существует в соке поджелудочной железы, и именно он является средством переваривания крахмалистых продуктов, которое продолжается в тонком кишечнике. Но особенно много амилазы содержится в семенах злаков во время прорастания. В тот момент, когда растение начинает формироваться и развиваться за счет питательного запаса, образованного крахмалом зерна, оно синтезирует диастазу, амилазу, которая разжижает крахмал и делает его пригодным для распределения по всем точкам, где он должен поддерживать питание клеток. Таким образом, молодое растение будет развиваться, и именно в этом заключается прорастание зерна.
Прорастание зерна, которое коррелирует с выработкой диастазы, в основном изучалось и использовалось с ячменем. Для приготовления амилазы всегда используется пророщенный ячмень, он же солод.
Существует несколько способов получения амилазы.
Достаточно активную диастазу получают при использовании метода Пайена и Персоза, слегка модифицированного Мускулусом. Настаиваем в течение часа при обычной температуре 1 часть молотого солода в 2 частях воды. Процеживаем через тряпку и добавляем в жидкость равный объем спирта 80 градусов; фильтруем, чтобы отделить первый осадок, который очень загрязнен и который мы не будем использовать. В профильтрованную жидкость добавляют еще 1 объем спирта. Выпадает небольшой осадок, который собирают на фильтре. Фильтр сушат при низкой температуре. Таким образом, мы имеем бумагу, пропитанную диастазой, очень активную и сохраняющуюся очень долго. Просто добавьте бумагу в жидкость, в которой вы хотите произвести осахаривание.
О. Лоу подучает относительно чистый фермент следующим образом: молотый солод, размоченный в небольшом количестве воды, выдерживают сорок восемь часов в 40-градусном спирте; часто встряхивая; процеживают и добавляют в жидкость смесь из 2 частей спирта и 1 части эфира. Осадок, промытый абсолютным спиртом и высушенный холодным способом в присутствии серной кислоты, растворяется водой. Раствор осаждается субацетатом свинца и фильтруется. Отфильтрованная жидкость, очищенная от избытка свинца потоком сероводорода, фильтруется и добавляется та же эфиро-алкогольная смесь. Полученный осадок промывают абсолютным спиртом и эфиром и высушивают на холоде.
Таким образом, получается белый порошок, полностью растворимый в воде и обладающий всеми химическими свойствами пептонов. Он наделен энергичной осахаривающей способностью.
Метод Линтнера также позволяет получить очень активное вещество. Часть молотого солода настаиваем двадцать четыре часа с частью 20-градусного спирта. Фильтруем и добавляем в жидкость двойной объем абсолютного спирта. Осадок получаем на фильтре, промываем абсолютным спиртом, затем эфиром и высушиваем в вакууме.
Когда мы хотим провести разжижение и осахаривание крахмала, нет необходимости выделять диастазу таким способом. Чаще всего мы просто готовим солодовую воду из 1 части молотого солода и 2 частей воды.
Для анализа часто используют очень активный раствор, приготовленный следующим образом: измельчают 3.5 кг зеленого солода (неочищенного) и настаивают в течение восьми дней в смеси из 2 литров воды и 4 литров глицерина. Затем процеживаем жидкость через ткань и фильтруем. Пять капель этой настойки могут растворить 1 грамм крахмала. Она очень долго сохраняет свои свойства. Мы назвали действие диастазы на крахмал осахариванием, то есть превращением в сладкое вещество. Долгое время считалось, что это превращение идентично тому, которое производят разбавленные горячие кислоты. Мы видели, что при кипячении крахмала с 5%-ой серной кислотой она связывает воду и дает ряд продуктов расщепления, последним из которых является глюкоза, так что окончательная реакция представлена уравнением:
n(C6H10O5)[крахмал] + H2O = n(C6H12O6)[глюкоза]
Это ошибочное мнение сохранялось в течение долгого времени, несмотря на то, что Дюбрюнфо с самого начала утверждал, что это явление более сложное. Сегодня известно, что действие диастазы на крахмал приводит к образованию смеси декстрина и мальтозы, этого изомера сахарозы, который мы уже видели. Уравнение выглядит следующим образом:
3(C6H10O5)[крахмал] + H2O = C6H10O5[декстрин] + C12H22O11[мальтоза]
Если мы обратимся к проведенному нами довольно полному исследованию осахаривания крахмала кислотами, мы увидим, что в этом случае также образуется мальтоза как переходный продукт, и что в целом осахаривание диастазой протекает таким же образом как и с помощью кислот, но останавливается на предпоследнем веществе. Мы можем, кстати, довести его до того же конечного вещества, инвертируя кислотой мальтозу, которая свяжет воду и даст две молекулы глюкозы.
Вот еще одна аналогия между этими двумя явлениями. Декстрины, которые образуются под действием диастазы на крахмал, сильно различаются в зависимости от времени осахаривания. В начале встречаются амилодекстрин и эритродекстрин, которые близки к крахмалу; ближе к концу - ахродекстрин и мальтодекстрин, которые близки к мальтозе. Мы можем, как и в случае с кислотами, следить за ходом процесса осахаривания при помощи йода. В зависимости от того, насколько далеко зашел процесс, йод приобретет сначала синюю, затем фиолетовую, затем красную окраску и, наконец, перестанет окрашивать раствор.
Но что бы ни случилось и какова бы ни была продолжительность операции, осахаривание диастазой никогда не зайдет дальше образования мальтозы. Меркер внимательно изучил этот интересный момент, используя реактив Барфоеда (нейтральный ацетат меди, растворенный в уксусной кислоте), который, как мы знаем, не действует на мальтозу, но восстанавливается глюкозой и левулозой. Он с уверенностью показал, что ни глюкоза, ни левулоза никогда не появлялись.
Наконец, следует отметить наличие в осахаренных суслах другого сахара - изомера мальтозы, отличающегося от нее некоторыми свойствами. Это изомальтоза. Этот сахар, уже известный по работам Фишера, а также Шайблера и Миттельмейера, был открыт Линтнером в пиве и пивном сусле. Но реальность существования изомальтозы в последнее время оспаривается.
Таким образом сусла, осахаренные диастазой, содержат в качестве прямых продуктов осахаривания 1) неферментируемый декстрин; 2) легко и полностью сбраживаемую мальтозу; 3) изомальтозу, которая менее легко сбраживается и которая, по крайней мере частично, содержится в приготовленном пиве.
Теперь давайте подробнее рассмотрим осахаривание диастазой и посмотрим, каковы его условия.
Во-первых, было замечено (и это легко предсказуемо), что скорость осахаривания, при прочих равных условиях, была пропорциональна продолжительности операции, а также количеству использованной диастазы. Но это верно только в общих чертах и на начальных этапах осахаривания, поскольку позже это явление усложняется появлением в растворе продуктов осахаривания. Не менее верно и то, что чем больше солода будет использовано в процессе, тем быстрее произойдет осахаривание.
Когда мы вносим диастазу или солодовый настой на разваренный крахмал, мы видим, что при подходящей температуре этот крахмал быстро разжижается. Если проанализировать продукт, то мы увидим, что крахмал растворился. Это первая фаза осахаривания или разжижение.
Давайте теперь посмотрим что будет происходить в этой жидкости, при условии сохранения подходящей температуры. Диастаза продолжает действовать на растворимый крахмал и превращает его в смесь мальтозы и декстрина. Это вторая фаза, или осахаривание. Сначала образуются мальтоза и декстрин, затем на последний будет продолжать действовать диастаза, что обеспечит большее количество мальтозы. Таким образом, доля мальтозы всегда будет увеличиваться, но это явление будет постепенно замедляться, все больше и больше, затем полностью прекратиться. В это время, если температура была подходящей (ее роль мы увидим), мальтоза в растворе почти полностью заменит декстрин.
Это замедление и затем резкая остановка реакции объясняются тем, что образующаяся мальтоза препятствует функционированию диастазы. Следовательно, в этом случае работа диастазы, как и в случае с живыми ферментами, будет затруднена появлением продуктами, которые она производит. Но, по-видимому, более правильным будет рассматривать схожесть процесса осахаривания с этерификацией и омылением. Эти явления зависят от времени, и скорость реакции пропорциональна количеству необработанного продукта по сравнению с тем, которое уже обработано. Следовательно, в случае осахаривания, чем больше уже образовано мальтозы, тем медленнее будет происходить превращение декстрина. Таким образом, осахаривание в конечном итоге замедлится до такой степени, что будет полностью остановлено.
Достигнутый таким образом баланс будет сохраняться до тех пор, пока соотношение присутствующих в растворе продуктов остается неизменным. Но если каким-либо способом заставить мальтозу исчезнуть, процесс будет возобновлен, и новое количество декстрина будет осахарено. Поэтому, если бы образовавшаяся мальтоза все-таки исчезла, мы бы постепенно пришли к полной трансформации декстрина.
Пайен добился этого результата в известном эксперименте. Он сбраживал пивными дрожжами смесь, описанную в предыдущем примере. Поскольку мальтоза хорошо ферментируется дрожжами, она постепенно исчезает, а поскольку диастаза все время присутствует в растворе, ее действие на декстрин немедленно возобновляется, что в итоге приводит к полному осахариванию.
Этот важный факт ежедневно используется пивоварами и винокурами.
Последний в первую очередь хочет получить как можно больше алкоголя. Поэтому, когда он ферментирует сладкое сусло, осахаренное солодом, он организует процесс так, чтобы диастаза всегда была активной и могла во время ферментации полностью завершить превращение декстрина в ферментируемую мальтозу. Это не вполне подходит для пивовара, который стремится не только произвести алкоголь но и получить определенный вкус. Поэтому, когда он достигнет максимальной степени осахаривания, он вскипятит сусло, чтобы разрушить, убить диастазу. Таким образом, мальтоза, уже образовавшаяся к этому моменту, далее будет ферментироваться дрожжами, а неферментируемый декстрин останется в пиве, которому он придаст желаемую липкую консистенцию, которую в пивоварне называют «вкусной».
При рассмотрении осахаривания мы все еще не учитывали влияние температуры, важность её является первостепенной. В первую очередь, мы можем применить к амилазе то, что мы сказали о диастазах в целом. Её активность, довольно низкая в холодном состоянии, нарастает и достигает максимума, который для работы с вареным крахмалом составляет от 50 до 57 градусов по Цельсию. Именно при этой температуре мы получаем максимальное количество сахара за минимальное время. С этого момента активность осахаривания снижается, сначала незначительно, затем резко, и полностью исчезает при температуре 75 градусов, при которой диастаза свертывается, разрушается. Однако эта температура может незначительно варьироваться в зависимости от условий. Таким образом, было замечено, что диастаза намного лучше переносит нагрев в присутствии достаточного количества мальтозы. Опасность потери её свойств при слишком большом нагревании снижается, когда мы находимся в конце осахаривания.
Таким образом, оптимальная температура для осахаривания, то есть для второй его фазы, составляет от 50 до 57 градусов. Но первая фаза, разжижение, которая соответствует образованию растворимого крахмала, имеет максимальную активность при 70 градусах. Поэтому, при приготовлении зернового сусла необходимо, по крайней мере на определенном этапе, превысить температуру, наиболее благоприятную для собственно осахаривания; это можно сделать ближе к концу операции, когда мы хотим завершить растворение оставшегося крахмала, который еще находится в нерастворенном состоянии.
Но при осахаривании вареного крахмала необходимо учитывать не только скорость его превращения в мальтозу и декстрин. Наибольший интерес представляет выявление относительной доли этих двух продуктов. И, опять же, температура является определяющим фактором. В целом можно сказать, что чем выше температура, тем больше будет декстрина по сравнению с мальтозой, и наоборот. Таким образом , чем дольше осахаривание будет производиться при более низкой температуре, тем больше в полученном сладком сусле будет ферментируемой мальтозы. Это явление хорошо известно пивовару; если он хочет получить очень крепкое пиво с низким содержанием декстрина, он будет варить его при низких температурах; если он хочет приготовить слабоалкогольное пиво, но с очень высоким содержанием декстрина (мюнхенское пиво), он будет варить при высоких температурах . Эти два способа приготовления соответствуют двум пивоваренным процессам, используемым для приготовления пива: настоя и отварки.
Браун и Херон, исследовавшие влияние температуры на соотношение декстрина и мальтозы, обобщили свои эксперименты следующими цифрами (на 100 частей крахмала):
Температура: Мальтоза Декстрин
При 60 градусах Цельсия 80 20
От 60 до 63 градусов 68 32
От 64 до 70 градусов 31 65
Выше 70 градусов 17.4 82.6
Таким образом, 80 процентов мальтозы и 20 процентов декстрина составляют сусло, обычно получаемое на винокурне. Доля мальтозы иногда может быть выше, но такое случается редко, когда мы осахариваем большим количеством солода. Но не следует полагать, что таким образом только четыре пятых приготовленного крахмала, которые были превращены в мальтозу, смогут дать спирт. Ибо мы уже видели, что во время ферментации эти 20 процентов декстрина также будут постепенно осахариваться диастазой по мере исчезновения мальтозы, так что в конце концов весь осахаренный крахмал трансформируется в спирт.
Все, что мы только что сказали относительно влияния температуры на осахаривание и пропорций продуктов, получаемых в этом процессе, применимо к вареному крахмалу; но все обстоит иначе, когда мы пытаемся осахарить сырой крахмал из различных крахмалистых продуктов при температурах, которые неизбежно ниже температуры растворения крахмала. Осахаривание значительно снижается как по скорости, так и по количеству обрабатываемого материала. Для риса и кукурузы воздействие очень слабое; для картофеля тоже. Для ячменя, напротив, в натуральном или солодовом состоянии крахмал почти полностью осахаривается значительно ниже точки его растворения, которая находится примерно в 80 градусах. Но в этом случае (и это важно) оптимальная температура, при которой осахаривание происходит наиболее быстро и энергично, составляет уже не 50-57 градусов: согласно работе О'Салливана, она находится около 63 градусов . Это оптимальная температура для пивоваренного завода.
Таким образом, оставляя в стороне эти различия, мы видим, что осахаривание крахмала состоит из трех отдельных фаз, и что каждую из них предпочтительно осуществлять при своей собственной температуре. Разжижение крахмала лучше всего проводить при температуре 70 градусов, и мы только что увидели, что образование декстрина увеличивается с повышением температуры, тогда как для образования мальтозы все наоборот. Эти необычные явления побудили предположить, что амилаза образована в результате соединения двух, или даже трех, разных диастаз. Первая имела бы функцию разжижения крахмала; вторая превращала бы растворимый крахмал в декстрин, а третья - в мальтозу, и эта последняя диастаза, более чувствительная к теплу, чем предыдущая, имела бы проблемы в своем функционировании задолго до этого (Маркер).
Обоснованность этой гипотезы пока не может быть непосредственно проверена путем разделения трех диастаз. Но она прекрасно объясняет фактические явления, и нет ничего плохого в том, чтобы принять ее до получения новых научных данных, тем более что она пользуется высоким авторитетом г-на Дюкло.
Тепло - не единственный фактор, влияющий на активность диастазы, хотя и самый важный. На винокуренном заводе необходимо также учитывать реакцию среды, в которой происходит осахаривание.
Амилаза, чтобы действовать наиболее эффективно, требует слабокислой среды. Нейтральная среда подходит хуже, а щелочная - еще хуже. Избыток кислотности также является вредным и в конечном итоге полностью прекращает осахаривание. Поэтому следует тщательно избегать всего, что может привести к образованию слишком кислого сусла, и, прежде всего, больного брожения, которое приводит в основном к образованию масляной и молочной кислот. Эти вторичные процессы брожения чаще всего происходят из-за низкого качества используемого солода или из-за отсутствия чистоты в мастерской.
Дельбрюк уточнил влияние молочной кислоты на осахаривание. Он вносил все увеличивающееся количество молочной кислоты при одинаковой массе крахмала в одинаковых условиях. Он получил следующие результаты:
Кислота молочная, на литр Производство мальтозы из крахмала, %
0.2 81.9
0.3 68.0
0.6 68.9
0.8 41.7
Таким образом, мы видим, что образованию мальтозы препятствует даже небольшая доля молочной кислоты. И это подтверждается не только тестом фактического осахаривания, но и превращением декстрина, которое происходит во время спиртовой ферментации. Однако, изучая производство зернового спирта по австрийскому способу, мы увидим, что в сусло намеренно добавляется определенное количество молочной кислоты. Но в этом случае образование спирта - не единственная цель, предлагается также производить дрожжи, молочная кислота способствует их размножению.