KILKA SŁÓW NA TEMAT ENZYMÓW, ORAZ ICH ROLI W BROWARNICTWIE

https://www.facebook.com/DochmielonyBlog

Zastanawialiście się kiedyś, czym tak naprawdę są enzymy, o których tak dużo mówi się w browarnictwie? Jakie procesy chemiczne zachodzą podczas słodowania i zacierania? Na ten temat można napisać z pewnością kilka grubych książek. Postaram się przedstawić wam kilka podstawowych informacji, które pomogą zrozumieć rolę enzymów w poszczególnych procesach na drodze do otrzymania tak lubianego przez nas trunku.

Enzymy to wielocząsteczkowe substancje białkowe, które działają jako biokatalizatory, powodują reakcje chemiczne, lub też przyśpieszają ich przebieg. Enzymy zachowują swoją aktywność nawet w dużym rozcieńczeniu, decydują o kierunku i rodzaju przemian. Warto wiedzieć, że nazwy enzymów hydrolitycznych (umożliwiających rozpad pod wpływem wody) można tworzyć z nazwy substratu rozkładanego przez dany enzym przez dodanie końcówki –aza. Ta informacja pomoże nam w łatwy sposób uporządkować nazewnictwo, oraz zmniejszy szanse pomylenia enzymu z substratem.
Zdecydowana większość enzymów to białka złożone, połączone z substancjami niebiałkowymi (koenzymami). Struktury enzymów łatwo ulegają zmianom pod wpływem czynników fizykochemicznych, np: pH, temperatura, powodują one zmniejszenie, bądź nawet utratę zdolności katalitycznych. Największy wpływ na katalizę ma tzw. centrum aktywne, działa ono poprzez przyciągnięcie substratu i powiązaniu go z aminokwasami funkcyjnymi oraz innymi grupami aktywnymi. W wyniku takiego procesu zmienia się przestrzenna konfiguracja aminokwasów i dochodzi np: do oddzielenia cząsteczki dwucukru od substratu. Specjalna budowa i sposób działania centrum aktywnego zaważa o tym, iż poszczególny enzym może działać tylko na jeden ściśle określony substrat.

Po trochę nudnym wstępie, przejdźmy do enzymów które nas interesują, a mianowicie te decydujące o piwie. To właśnie w celu uzyskania tych istotnych substancji białkowych przeprowadza się proces słodowania. Podczas kiełkowania enzymy zawarte w jęczmieniu są uwalniane lub tworzone. Wytwarzanie enzymów pobudzane jest przez hormony znajdujące się w tarczce zarodkowej ziarna, składającej się z kwasu giberelinowego lub substancji pochodnych, które z pobraną wodą przechodzą do warstwy aleuronowej będącej miejscem powstawania nowych enzymów.

Enzymy rozkładające skrobię to amylazy, które dla browarnictwa są z pewnością najistotniejszymi tego typu substancjami zawartymi w słodzie. Działają podczas procesu zacierania przemieniając długi łańcuch cukrowy jakim jest skrobia na cukry prostsze.
Alfa-amylaza – wytwarzana jest w procesie kiełkowania ziarna jęczmienia. Działa od wewnątrz ziarna skrobi na wiązanie glikozydowe alfa-1,4. Produktami działania tego enzymu są przede wszystkim dekstryny o różnej wielkości cząsteczek. Optimum działania to: 70-75°C, oraz pH w przedziale 5,6-5,8. Dezaktywowany jest w temperaturze 80°C.
Beta-amylaza – enzym tworzony w pierwszej fazie kiełkowania, jego powstanie ma bezpośredni związek z oddychaniem. Działa na zewnętrzne wiązania glikozydowe skrobi alfa-1,4. Odcina po dwie cząsteczki glukozy, czyli maltozę. Optimum działania to: 62-65°C, oraz pH w przedziale 5,4-5,6. Dezaktywacja tej substancji następuje w temperaturze 70°C.
Znajomość warunków działania tych dwóch enzymów jest potrzebna przy wyborze sposobu zacierania. Kiedy chcemy, by nasze piwo miało wysoki stopień odfermentowania, będziemy prowadzić zacieranie w temperaturze optymalnej dla beta-amylazy. By wyprodukować piwo o dużej zawartości cukrów resztkowych w piwie wydłużymy czas zacierania w temperaturze optymalnej dla alfa-amylazy.

Podczas zacierania słodu do brzeczki przedostają się rozpuszczalne w wodzie białka, które pod wpływem odpowiednich enzymów hydrolizują. Białka, oraz produkty ich hydrolizy, znacząco wpływają na: pełnię smaku piwa, pienistość, barwę, klarowność, aktywność drożdży. Jedną z grup enzymów rozkładających białka są egzopeptydazy, które w gotowym słodzie są mało aktywne, ze względu na niekorzystne dla nich warunki podczas suszenia słodu. Optimum pH, przy którym działają te enzymy to 7-8, a więc dużo wyższe niż podczas zacierania. Drugą grupą są endopeptydazy, których optima działania są zbliżone do warunków panujących podczas zacierania. Optimum pH dla endopeptydaz mieści się w przedziale 4,6-4,9, a utrata aktywności następuje dopiero po godzinie w temperaturze 70°C. Wysokocząsteczkowe i zdenaturalizowane białka są przez te enzymy przerabiane do polipeptydów i peptydów.
Kiedy duża ilość białek zostanie rozłożona przez endopeptydazy będziemy mieć do czynienia z obniżoną pienistością, oraz pustym smakiem (jednowymiarowością, małą pełnią) piwa. Z kolei zbyt słaby rozkład białek wpłynie na obniżenie stabilności koloidalnej piwa (piwo z czasem będzie mętniejsze). Przemiany białkowe najintensywniej zachodzą w temperaturze 45-55°C. Przerwa białkowa (50-52°C) jest coraz częściej pomijana przez piwowarów domowych ze względu na wysokiej jakości słód, jednak mijający rok (2018), ze względu na upały panujące w lecie przyniósł nam surowce o bardzo dużej zawartości białka. Być może ten fakt wymusi na piwowarach domowych częstsze zacieranie z wykorzystaniem przerwy białkowej.

Kolejną grupą substancji są tłuszcze, znajdujące się w warstwie aleuronowej, oraz w zarodku. Tłuszcze jęczmienia, zawierają nienasycone kwasy tłuszczowe, które znacząco wpływają na pogorszenie smaku piwa. Są bardzo reaktywne i ich podwójne wiązanie łatwo się utlenia. Kwasy tłuszczowe wpływają również negatywnie na pienistość piwa, lecz pewne ilości są niezbędne dla drożdży do budowy nowych komórek.
Tłuszcze rozkładane są przez enzymy nazywane lipazami. Dzięki nim uwalniane są połączenia estrowe pomiędzy kwasami tłuszczowymi, a glicerolem. Następnie do pracy zabierają się lipooksygenazy utleniające kwasy tłuszczowe. Aktywność wspomnianych wyżej enzymów jest największa głównie podczas rozwoju kiełków korzeniowych i liścieniowych. Przykładowym produktem takiego rozkładu tłuszczów jest nonadienal odpowiadający za ogórkowy zapach mokrego słodu.

Ostatnią istotną grupą związków chemicznych rozkładanych przez enzymy kluczowe dla browarnictwa są hemicelulozy. Znajdują się w ścianie komórkowej bielma. Składają się z beta-glukanów i pentozanów. Pierwsze z nich stanowią zdecydowaną większość wspomnianej wcześniej hemicelulozy i to tylko nimi zajmę się w dzisiejszym wpisie. Są to długie łańcuchy cząsteczek glukozy, połączonych między sobą wiązaniami 1,3 oraz 1,4. Wiązania beta sprawiają, że cząsteczki glukozy nie są zwinięte w spiralę, jak ma to miejsce w przypadku amylozy, lecz tworzy gęstą siatkę. W momencie przejścia do roztworu może dochodzić do tworzenia żeli, oraz podwyższenia lepkości, co w znacznym stopniu utrudnia filtracje.
Rozkład tych substancji odbywa się podczas procesu słodowania przez endo-beta-1,4-glukanazę, oraz endo-beta-1,3-glukanazę. Enzymy te działają również w czasie zacierania w przedziale temperaturowym 45-50°C, musimy mieć jednak na uwadze że w tej temperaturze rozkładane są również białka, co może skutkować pogorszeniem jakości piwa. Osobiście przy zacieraniu piwa z dużym udziałem np.: żyta, które charakteryzuję się sporą zawartością beta-glukanów, dzielę słód i tylko część przetrzymuję w temperaturze optymalnej dla działania endo-glukanazy. Niestety moja praktyka piwowarska jest jeszcze zbyt krótka bym mógł powiedzieć, czy tak naprawdę ma to sens.

Tak przebrnąłem przez najistotniejsze dla browarnictwa związki chemiczne pochodzące ze słodu, oraz enzymy je rozkładające. Oczywiście tego wszystkiego jest o wiele, wiele więcej. Jeśli ktoś chciałby poznać więcej szczegółów na te i inne tematy związane z browarnictwem zachęcam do sięgnięcia po literaturę: Wolfgang Kunze – „Technologia piwa i słodu”, oraz Tadeusz Pazera, Tadeusz Rzemieniuk – „Browarnictwo”. Z tych dwóch książek korzystałem również przy tworzeniu tego wpisu.