4. Теоретичні основи пророщування зерна. Зміни у складі речовин та ферментативної активності зерна

Морфологічні зміни при пророщуванні зерна. Починаючи із замочування, в ре­зультаті поглинання колоїдами зерна вегетаційної вологи зернівка набухає і збільшується в об'ємі.

У зерні, що проростає при виробництві солоду в штучних умовах, відбуваються такі ж фізіологічні та біохімічні зміни, як і в зерні, яке росте в природних умовах (у ґрунті).

Зародок збільшується у розмірах, а головний його корінець — паросток — проби­ває оболонку й просувається між плівками. Через деякий час із цього корінця з'являється кілька тоненьких нових корінців-паростків. Зародковий листочок-проросток (майбутня стеблина) прориває плодову та насіннєву оболонки і просувається між ними по спинковому боці до верхівки зерна. Розвиток зародко­вого проростка в солодовому виробництві допускається лише до певної величини. Якщо не перервати процес росту листочка в оптимальний для розвитку зернівки час, то він виступить із верхівкової частини зерна, утворюючи так званий "гусар", який допустимий при виробництві солоду для одержання спирту і зовсім не допускається його наявність при отриманні пивоварного солоду, оскільки це пов'язано з надмірними втратами цукрів та амінокислот, внаслідок чого також погіршується якість кінцевого продукту.

Під дією ферментних систем у зернівці відбуваються глибокі морфологічні зміни, в результаті чого пом'якшується і розчиняється тверда борошниста частина зерна, яка при цьому легко розтирається між пальцями.

Усі ці біохімічні та морфологічні процеси залежать від інтенсивності розвитку зародка зернівки й тісно взаємозв'язані. Коли починає розвиватися зародок, активізуються різноманітні ензими, які при наявності достатньої кількості води пере­творюють нерозчинні сполуки (крохмаль, білок та ін.) в розчинні (цукри, амінокисло­ти тощо) і тим самим підготовляють для розвитку зародка відповідне живлення й сприя­ють подальшому гідролізу запасних речовин ендосперму.

Такі ферменти, як геміцелюлази, розщеплюють основну складову частину клітинних стінок ендосперму — напівклітковину. Структура ендосперму стає рих­лою і завдяки цьому в рослинних клітинах відкривається шлях для інших гідролаз. У цілому розчинення солоду починається розщепленням напівклітковини, потім клітин, що знаходяться поблизу зародка й поступово поширюється у напряму до кінчика зернини, протилежного від зародкового.

У процесі проростання зерна на ступінь його розрихлення значно впливають на­вколишні умови: аерація, температура, вологість ендосперму тощо. При повільному рості корінців, тобто при обмеженій аерації, досягається краще розчинення. Швид­кому розвитку проростків сприяє не тільки посилена аерація шару зерна, а й підви­щена температура та вологість ендосперму.

Біохімічні зміни при пророщуванні зерна. Невелика кількість вільних цукрів, амінокислот, пептидів і мінеральних речовин, які знаходяться в зернівці, розчи­няється за допомогою вегетаційної води, що пробуджує до активної життєдіяльності зародок, який у перший період життя споживає ці прості речовини для дихання й утворення нових структур. Для подальших процесів обміну речовин та росту зерна з'являються все нові й нові потреби у низькомолекулярних речовинах, здатних за­своюватися зародком. Вегетаційна вода у зерні сприяє дифузним процесам і гідролізу високомолекулярних сполук, що здійснюється за допомогою ензимів. Перші ознаки життя зернівки характеризуються появою гормоноподібних речовин, які нагромаджуються у щитку і дифундують до алейронового шару, де відбувається активування наявних і утворення нових ферментів.

Надзвичайно важливу роль при пророщуванні зерна відіграє вода, вміст якої протягом усього періоду біотехнологічного процесу повинен залишатися на рівні 42—47 %. Вона є безпосереднім учасником гідролітичних реакцій, а також дис­персійним середовищем і транспортним знаряддям для всіх дифузійних процесів.

Оптимальною температурою для нагромадження гідролітичних ферментів є 16—17 °С. Зниження її зумовлює збільшення тривалості періоду пророщування зер­на, що відображається на собівартості солоду. Підвищення температури стимулює роз­виток проростків, що призводить до втрати сухої речовини. А це також підвищує собівартість солоду.

При пророщуванні зерна значних змін зазнають білкові речовини. В подальшому це суттєво позначається на активності ферментів, живленні дріжджів під час бродіння пива, а також на якісних показниках готового продукту.

Значна частина білків у зерні знаходиться у вигляді протеїнів (простих білків). Це альбуміни, глобуліни, проламіни і глютеліни. Під дією ферментів у пророщуваному зерні вони зазнають гідролізу з утворенням амінокислот, які дифундують до зародка для синтезу нових білкових структур, включаючи їх до складу новостворених тканин. Необхідну для цих біохімічних реакцій енергію зародок одержує за ра­хунок окислення вуглеводів та жирів при диханні.

У зерні, яке проростає, відбуваються два біохімічних процеси — гідроліз і синтез. Кількість таких розчинних протеїнів, як альбуміни й глобуліни, на початку проро­щування зерна зменшується, а наприкінці вони знову синтезуються з амінокислот і в кінцевому результаті їхні кількісні зміни виявляються незначними. Тобто, якщо у відсотковому відношенні до загального азоту вміст альбумінів у ячмені становить 12 %, то у солоді — 10 %, відповідно глобулінів — 10 і 11 %. Нерозчинні у воді про­теїнові фракції — проламіни і глютеліни в процесі пророщування зерна змінюються суттєвіше. Так, кількість проламінів у ячмені у відсотковому відношенні до загаль­ного азоту становить 37 %, а у солоді після пророщування зерна — 17 %, відповідно глютелінів — 30 і 21 %.

У цілому продуктів гідролізу білків у солоді в 3,5 рази більше, ніж в ячмені. Біля 55% білків стають розчинними, але 25-30% продуктів їх гідролізу витрачається на синтез якісно нових нерозчинних білків.

Ступінь гідролізу некрохмальних полісахаридів оцінюють за наявністю гумі- та β-глюкану у витяжці із солоду, конгресному та виробничому суслах і в пиві. У зв'яз­ку з тим, що між в'язкістю конгресного сусла й вмістом β-глюкану існує пряма за­лежність, такий контроль зручно здійснювати за визначенням в'язкості продукту.

Гумі-речовини при пророщуванні зерна зазнають глибоких розщеплень, що позна­чається на фільтруванні сусла, а також на піноутворенні, піностійкості та смаку кінце­вого продукту — пива. Розщеплення гумі-речовини повинне знаходитися в оптималь­них межах, оскільки глибоке їх розщеплення може стати причиною отримання "пустого" пива з низьким піноутворенням, а недостатнє — причиною незадовільного фільтрування сусла й освітлення готового пива.

β-амілаза міститься у непророслому зерні у вільній і зв'язаній формах. Кількість її значно збільшується при замочуванні зерна повітряно-зрошувальним способом. Активність β-амілази у солоді зростає з підвищенням ступеню замочування зерна. Температура пророщування зерна і нагромадження СО₂ у міжзернових проміжках менше впливають на активність цього ферменту, ніж вологість.

α-амілаза діє на молекули амілози та амілопектину як ендоамілаза й утворює декстрини, які складаються з шести глюкозних залишків і стають доступними для нової дії β-амілази. У ячмені α-амілаза майже не виявляється й утворюється під дією гіберелінів в алейроновому шарі при пророщуванні. Чим триваліший період пророщування, тим вища активність цього ферменту в солоді. Підвищення вологості зерна до 46 % і вмісту кисню у міжзернових проміжках також сприяє нагромадженню α-амілази. СО₂ уповільнює процес утворення ензиму.

При пророщуванні зерна розщеплюється 15—18 % крохмалю. На життєдіяльність за­родком використовується 4—5 %, на побудову нових тканин — 3—4 % гідролізованого крохмалю, 8—10 % крохмалю, що залишився у вигляді цукрів у солоді, зумовлюють со­лодкуватий смак і назву "солод". Решта (близько 30 %) крохмалю у проростаючому зерні змінюється лише структурно, завдяки чому він стає більш доступним для дії амілаз при затиранні.

У пророщуваному зерні значно підвищується титрована кислотність у його зернівках, що зумовлюється, з одного боку, накопиченням слабодисоціюючих кислот, які утворюються в результаті окислення вуглеводів і дезамінування, а з другого — звільненням кислих фосфатів у результаті розщеплення фосфоровмісних сполук. Ці кислоти й сполуки беруть участь у створенні буферності, яка в певних ме­жах регулює концентрацію водневих іонів і за час пророщування зерна збільшується на 30-40 %.

Ефірні зв'язки між фосфорною кислотою або її сіллю та органічними сполуками розщеплюють фосфатази, які входять до групи естераз. У солоді найважливішою фо­сфатазою є фермент фітаза, в результаті дії якої на фітин у солоді нагромаджуються неорганічні фосфати та інозит. Найбільше утворюється фосфотаз при солодуванні ячменю на 3—5-ту добу пророщування при високій вологості й оптимальній темпера­турі в шарі зерна 15—17 °С.

Жири та поліфеноли при пророщуванні зерна також зазнають змін (на 10—30 %). У результаті цього загальна кількість жирів у солоді зменшується.

При цьому, якщо вміст масляної кислоти знижується, то лінолевої — в невеликій мірі підвищується. Однак та загальна кількість жиру, що залишається у солоді після його висушування і видалення проростків, на якісні показники пива не впливає.

Поліфенольні речовини зерна, які знаходяться в алейроновому шарі, квітковій оболонці та запасних білках, при замочуванні частково вилучаються, частково зазна­ють біохімічних змін і потрапляють у сусло, де беруть участь в утворенні білково-ду­бильних комплексів. Антоціаногени, локалізовані в ендоспермі зерна, оболонці та алейроновому шарі, без змін проходять увесь цикл солодування і в подальшому мо­жуть стати причиною помутніння готового пива.