2. Хімічний склад зерна ячменю

Хімічний склад ячменю залежить від сорту, району вирощування, метеорологічних і ґрунтових умов, масового співвідношення окремих частин зерна. Так, маса зародка коливається від 2,8 до 5 %, квіткових плівок – від 6 до 17 %.

В зерні його складові компоненти розподіляються нерівномірно. В ендо­спермі міститься найбільша кількість вуглеводів, в алейроновому шарі ендосперму і зародку – багато білка й жиру, в оболонках – сирої клітковини.

На 80–88 % ячмінь складається із сухої речовини і 12–20 % у ньому становить вода. Суха речовина представлена органічними і неорганічними речовинами. Органічні речовини – це в основному вуглеводи й білки, а також жири, поліфеноли, органічні кислоти, вітаміни тощо. Неорганічні речовини – це фосфор, сірка, кремній, калій, натрій, магній, кальцій, залізо, хлор. Деяка частина їх зв'язана з органічними сполуками.

Середній хімічний склад ячмінного зерна характеризується такими даними, відсотків на суху речовину: крохмаль – 45-70; білок (N x 6,25) – 7-26; пентозами – 7-11; сахароза – 1,7-2; целюлоза – 3,5-7; жири – 2-3; зольні елементи – 2-3.

Вуглеводи. В ячмені в основному переважають водорозчинні цукри та полісахариди. До останніх відносять крохмаль і некрохмальні полісахариди: целюлозу, геміцелюлозу, гумі- та пектинові речовини. Основна частина полісахаридів представлена крохмалем, який витрачається зерном при пророщуванні на початкових стадіях розвитку зародка.

Крохмаль є гомополісахаридом, що складається із залишків глюкози. Однак за ти­пом будови молекул і ступенем полімеризації – це суміш двох полісахаридів – амілози та амілопектину. Ячмінний крохмаль містить приблизно 20 % амілози (17–24 %), а дрібні зерна – до 40 %, решта маси – амілопектин. Молекули амілози (α-1,4-глюкан) являють собою довгі, нерозгалужені ланцюги, що складаються із 60–2000 залишків глюкози і з'єднані α-1,4-зв'язком.

Молекулярна маса молекул амілози залежно від ступеню полімеризації коливається від 10 000 до 500 000. Ланцюги амілози розміщені спіралеподібно. Кожний виток спіралі утворений трьома залишками глюкози. У розчині витки спіралі збільшуються і в їх утво­ренні вже беруть участь шість-сім одиниць глюкози.

Молекула амілопектину розгалужена, у нерозгалужених ланцюгах залишки глюкози з'єднані через α-1,4-зв’язки, а в місцях розгалуження — через α-1,6-зв’язки, частка яких становить 6,7 % усіх зв’язків у молекулі. Молекули амілопектину складаються із 6000–40000 за­лишків глюкози і їхня молекулярна маса коливається від 1 до 6 млн, приблизно 4 % за­лишків глюкози є кінцевими групами. Амілоза легко розчиняється у теплій воді, з йо­дом дає синє забарвлення. Амілопектин розчиняється у воді при нагріванні під тиском, забарвлюється йодом у червоно-фіолетовий колір.

Целюлоза складається із залишків глюкози, з’єднаних β-1,4-зв'язками, причо­му глюкозні залишки з'єднані в целобіозні димери. Окремі лінійні ланцюги молекул з'єднуються водневими зв'язками й утворюють міцні пучки мікрокристалічної струк­тури, що називаються міцелами. При гідролізі целюлози сильною кислотою утво­рюється глюкоза, в сприятливіших умовах – дисахарид целобіоза.

Целюлоза міститься здебільшого у квіткових плівках, входить до складу насіннєвої й плодової оболонок, є вона і в алейроновому шарі, стінках клітин зарод­ка, але практично відсутня у стінках крохмальних клітин. Вона нерозчинна у воді, важко гідролізується кислотами та ферментами.

Геміцелюлози становлять основну складову частину стінок клітин ендосперму і входять до складу оболонок. Вони являють собою складну суміш некрохмальних полісахаридів, головним чином лівообертаючого глюкану (β-глюкану) й пентозанів (арабіноксиланів). В оболонки входять геміцелюлоза полов'яного типу, що містить до 70 % ксилану, 15–20 – арабану, 3–5 – уронового ангідриду та 6 % глюкану. Скелет­ний матеріал стінок клітин ендосперму являє собою геміцелюлозу ендоспермного ти­пу з 11 % глюкану, 17 – ксилану і 6 % арабану.

β-глюкан являє собою залишки глюкози, з'єднані зв'язками β-1,4 (70 %) і β-1,3 (30 %). Молекулярна маса β-глюкану досягає 220000. Є фракції β-глюкану, не роз­чинні у воді й добре розчинні, які утворюють в'язкі розчини.

Гумі-речовини складаються з тих же компонентів, що й геміцелюлози, і мають однакову з ними хімічну будову. Молекулярна маса окремих фракцій гумі-речовин 50000, 190000 і 200000, що дозволяє розглядати їх як декстрини геміцелюлоз. Геміцелюлози не розчиняються у воді, екстрагуються 4–6 %-ним розчином лугу, а гумі-речовини розчиняються у теплій воді, утворюючи в'язкі розчини.

Кількість геміцелюлоз і гумі-речовин залежить від сорту, ступеню стиглості яч­меню й умов його вирощування. У ньому міститься (з розрахунку на суху речови­ну) 6,2–8,4 % геміцелюлоз, для ряду вивчених сортів вміст гумі-речовин становить 1,4–2, а в ячменях України – 2,8–3,9 %.

Пектинові речовини в ячмені представлені нерозчинним протопектином, який є цементуючим матеріалом клітинних стінок, і розчинним пектином. Пектин побудо­ваний із залишків галактуронової кислоти, з'єднаних α-1,4-зв'язком, при цьому час­тина залишків галактуронової кислоти етерифікована метильними групами.

Сахариди в зародку й алейроновому шарі представлені сахарозою, рафінозою, глюкозодифруктозидами, кестозою та ізокестозою, в ендоспермі – невеликими кількостями мальтози, глюкози, фруктози.

Азотисті речовини в ячмені представлені білковими складовими. У нормально до­стиглому зерні вони становлять більшу частину. Білки в ячмені розподіляються нерівномірно: порівняно найвищий вміст їх в алейроновому шарі у вигляді клейкови­ни, в зовнішньому шарі ендосперму у вигляді резервного білка, нижчий – в ендоспермі, де білок входить до складу клітин. Білки поділяються на прості й складні.

Прості білки, або протеїни, – це сполуки, утворені тільки із залишків амінокислот. Протеїни являють собою високомолекулярні сполуки, що утворюються із засвоєних рослинами азоту амонійних сполук і органічних кислот.

Вміст азоту в білках ячменю становить 16–17 %, тому, знаючи його кількість і по­множивши її на коефіцієнт 6,25 (100/16), визначають вміст сирого протеїну в продукті.

Протеїни ячменю поділяються на окремі фракції, що різняться між собою роз­чинністю в різних розчинниках, їх можна охарактеризувати таким чином.

Лейкозин – ячмінний альбумін – розчиняється у воді і розбавлених розчинах солей, коагулює при температурі 52°С, осаджується сульфатом амонію в нейтральному середо­вищі, хлоридом натрію при підкисленні. Застосовуючи електрофорез, лейкозин можна поділити на вісім і навіть 16 фракцій залежно від умов фракціонування, причому дві фракції мають β-амілазну активність. Молекулярна маса лейкозину в середньому 70000, ізоелектрична точка фракцій знаходиться у діапазоні рН 4,6–5,8.

Едестин – ячмінний глобулін. Він не розчиняється у воді, але розчиняється в роз­бавлених (8–10 %-них) розчинах нейтральних солей, висолюється із розчинів солей при розбавленні їх водою або при напівнасиченні сульфатом амонію, коагулює при температурі 90°С і вище. Едестин складається з чотирьох фракцій із молекулярними масами: α-глобулін 26000, β-глобулін 100000, γ-глобулін 166000, δ-глобулін 300000. Ізоелектрична точка фракцій – від рН 4,9 до 5,7. В ячмінному зерні α- і β-глобуліни знаходяться в алейроновому шарі, γ-фракція – у зародку. При солодорощенні α- і γ-глобуліни гідролізуються, причому γ-фракція в більшій мірі, β-глобулін не змінюється, α -глобуліну в ячмені дуже мало. Низька ізоелектрична точка β-глобулінів (4,9) і високий вміст сірки у вигляді сульфгідрильної групи (SН) призводять до неповної коагуляції їх при кип'ятінні сусла і випадання білка в готовому пиві.

Гордеїн – ячмінний проламін – розчиняється в 60–80 %-ному етиловому спирті, але нерозчинний у воді й розчинах солей. При кислотному гідролізі утворюється ба­гато проліну і глютамінової кислоти. Гордеїн має середню молекулярну масу 27500, хімічно неоднорідний і складається з п'яти компонентів (α, β, γ, δ, ε), міститься го­ловним чином в алейроновому шарі. Через те, що він нерозчинний у воді, практично не змінюється в ході технологічного процесу, тому переходить у дробину.

Глютелін розчиняється в розбавлених розчинах лугів (0,2 %-них) при суттєвій зміні структури молекул, розчинний у присутності редукуючих речовин, нерозчин­ний у воді, розбавлених сольових розчинах і спирті. Глютелін ячменю не має власної назви, складається з чотирьох фракцій. Найбільше його міститься в алейроновому шарі. При солодорощенні й у процесі приготування пива він майже не змінюється.

За кількістю окремих простих білків можна характеризувати технологічні власти­вості ячменю: якщо в ньому більше гордеїну і менше глютеліну, то він легше проро­щується; співвідношення гордеїну й глютеліну у дворядного ячменю становить 1,42, а в шестирядного – 0,77.

Протеїди, або складні білки, – це білкові речовини, які поряд із протеїнами містять небілкові речовини: нуклеопротеїди (небілкова речовина – нуклеїнова кислота), фосфопротеїди (фосфат), глюкопротеїди, ліпопротеїди (ліпоїд). Важливе біологічне значення мають нуклеопротеїди. У нуклеїнових кислот, що входять до їхнього складу, молекулярна маса від 6500000 до 13000000, вони розчиняються в лужних розчинах, при гідролізі утворюють пуринові та піримідинові основи, цукор і фосфорну кислоту. Якщо до складу нуклеїнової кислоти входить цукор рибоза, то нуклеїнову кислоту називають рибонуклеїновою (РНК), а якщо дезоксирибоза – дезоксирибонуклеїновою кислотою (ДНК). Вміст нуклеїнових кислот у ячмені коли­вається від 0,2 до 0,3 % за сухою речовиною.

Азот, що міститься в ячмені у всіх формах, називають загальним. Він складається з білкового й небілкового. Білковий – це азот, що входить до складу аміногруп. Небілковий азот – сумарний вміст амідного, амінного та мінерального. Небілково­го азоту в ячмені дуже мало. Амінний – це азот амінокислот, представлений групою NH₂.

Амідний азот у ячмені утворюється при заміщенні гідроксилу в органічній кис­лоті на аміногрупу, коли утворюється сполука, що містить групу СОNН₂ і нази­вається амідом кислоти. Крім того, у ячмені виявлено амонійний азот у формі солей органічних кислот і мінеральний – у вигляді солей азотної кислоти.

Для технологічної оцінки ячменю важливі такі визначення: розчинним азот – азот водорозчинних білків і продуктів їхнього розкладу, амінокислот, амідів, аміачний та амінний азот і коагулюючий – частина азоту, яка входить до білкових речовин, що ко­агулюють при нагріванні.

Жири (ліпіди). В ячмені жири представлені жирними кислотами, гліцериновмісними ліпідами й ліпідами, які не містять гліцерину. Жири розчиняються в ети­ловому та петролейному ефірах, бензолі й хлороформі. Жир являє собою жовто-бу­ру олію з тонким ароматом, у якій при тривалому відстоюванні утворюються криста­ли. В ячмінному зерні жир розподіляється таким чином: 2/3 в алейроновому шарі, 1/3 у зародку. Невелика частина його при пророщуванні зерна гідролізується ліпа­зою, а через те, що при сушінні солоду ліпаза інактивується, основна частина жиру переходить у дробину. У вільному вигляді жирні кислоти присутні в незначній кількості (0,1 %).

Гліцериновмісні ліпіди об'єднують нейтральні жири й фосфогліцериди. Саме жи­ри, або нейтральні жири, являють собою ефіри жирних кислот і гліцерину й назива­ються також гліцеридами. В ячмінному жирі містяться окремі кислоти у таких кількостях: стеаринова 2,6 %; пальмітинова 7,4; масляна 26,5; лінолева 43,7; лінолено­ва 0,44; неомилюваний залишок 5,4 %.

Поряд із нейтральними жирами в ячмені містяться жироподібні речовини (ліпоїди), з яких найбільше значення мають фосфогліцериди – фосфатиди та фосфоінозитиди. Основним фосфатидом ячмінного жиру є лецитин. Молекули фосфатидів відрізняють­ся від ліпідів тим, що одна гідроксильна група гліцерину утворює складний ефір із фо­сфорною кислотою, яка з'єднана також складноефірним зв'язком з азотистою речови­ною. Азотиста речовина лецитину – холін, який є ростовою речовиною для живих ор­ганізмів. Кількість лецитину в жирі ячменю коливається від 4,24 до 7,29 %.

Із фосфоінозитидів у ячмені міститься фітин. Це кальцієво-магнієва сіль інозит-фосфорної кислоти. Циклічний шестиатомний спирт інозит у вільному стані в рос­линах не зустрічається, а знаходиться у вигляді його гексафосфату – фітинової кис­лоти або її кальцієво-магнієвої солі – фітину.

Близько 0,9 % сухої речовини ячменю припадає на фітин, який, як і інозит, є вітаміном.

До ліпідів, що не містять гліцерину, відносять стериди — сполуки, які складають­ся з жирної кислоти й високомолекулярного циклічного спирту — стеролу. Стероли і стериди розчиняються у тих же органічних розчинниках, що й жири, але при гідролізі під впливом ОН-іонів залишаються в неомиленій фракції.

Фенольні речовини. Ця група речовин в ячмені являє собою неоднорідні сполу­ки, які поділяють на прості фенольні кислоти та поліфеноли. Склад і вміст фено­льних речовин в ячмені залежать від сорту й складу ячменю та умов його вирощуван­ня.

Фенольні кислоти в ячмені містяться у вільній і зв'язаній формах. Група С₆–С₁ являє собою оксибензойні кислоти: n-гідроксибензойна, протокатехова, галова, ванілінова; група С₆–С₃ – оксикоричні кислоти: кумарова, кофеїнова, ферулова.

Поліфеноли ячменю (ідентифіковано 40 поліфенолів) включають багато антоціаногенів, головним чином Д(+) катехін і лейкоціанідин, що належать до цієї групи.

Поліфенольні речовини (антоціаногени та катехіни) містяться переважно в алей­роновому шарі зерна, при солодорощенні змінюються мало і в помелі солоду входять у фракцію крупки. Антоціаногени виявлені тільки в зерні ячменю. Важливою влас­тивістю поліфенолів є здатність їх з'єднуватися з білками. Для орієнтовної характери­стики ступеню полімеризації поліфенолів існує показник "індекс полімеризації", що являє собою співвідношення загальної кількості поліфенолів та антоціаногенів.

Мінеральні речовини. Загальний вміст і співвідношення окремих мінеральних ре­човин залежать від ґрунтово-кліматичних умов та кількості добрив, внесених у ґрунт.

Вміст мінеральних речовин визначають у золі ячменю в такому складі: Р₂О₅ – 35 %; К₂О – 21; SіО₂ – 26; МgО – 8; СаО – 3; Na₂О – 2,5; SО₃ – 2; Fе₂О₃ – 1,5; Сl – 1 %.

Близько 80 % іонів знаходяться у зв'язаному з органічними сполуками стані. Ос­новна частина мінеральних речовин припадає на фосфор, який входить до складу фітину, нуклеїнових кислот, фосфатидів та інших сполук; калій (фосфати калію); кремнієву кислоту, що міститься головним чином в оболонках ячменю. Деякі мікро­елементи, що присутні, хоча й у дуже невеликих кількостях, впливають на біологічний стан ячменю і технологію пивоваріння.

Ферменти – природні каталізатори білкового походження, які утворюють проміжні сполуки з субстратом, потім цей фермент – субстратний комплекс за­знає змін й утворюються нові продукти, а фермент регенерується. Ферменти – це білки з молекулярною масою від 10⁴ до 10⁶ і високою ефективністю дії: одна моле­кула може каталізувати перетворення 10²–10⁶ молекул субстрату за 1 хв.

Як і всі каталізатори, ферменти прискорюють хімічну реакцію, знижуючи енергію її активації. Ферменти є протеїнами або про­теїдами, які містять одну або кілька простетичних груп. Найважливіші ферменти ячменю, що діють при солодорощенні й затиранні: α-амілаза, β-амілаза, ендо-β-глюканаза, екзо-β-глюканаза, целобіаза, арабінозидаза, амінопептидаза, карбоксипептидаза, дипептидаза, фітаза, фосфоліпази, каталаза, пероксидаза.

Вітаміни. Вперше вітаміни були відкриті у 1880 р. російським вченим М. І. Луніним. Вони являють собою органічні речовини, необхідні для нормальної життєдіяльності організму. Виявлені в клітинах зародка та алейронового шару.

Вміст вітамінів у ячмені характеризується такими даними, мг на 100 г сухої речовини: В₁ (аневрин) 0,12-0,74; В₂ (рибофлавін) – 0,1-0,37; В₆ (піридоксин) – 0,3-0,4; нікотинова кислота – 8-15. Поряд із зазначеними в ячмені виявлені вітаміни С, Н (біотин), фолієва і пантотенова кислоти. Деякі вітаміни входять до складу ферментів, активізуючи їхню дію, й у цьому надзвичайно важливе значення вітамінів як біологічно активних речовин.