Ензими използвани при пивопроизводството

„Варенето“ на бира е дейност, която датира от преди 5000 години преди Христа в района на Близкия изток. Бирата произвеждана тогава едва ли е имала нещо общо с тази по магазините. Самият процес в началото не е бил развит за производство на пиво, а по-скоро древните хора просто са се опитвали да съхраняват различните си видове зърно, където очевидно  е настъпила микробиологична инфекция, такава с дрожди например, при която се е образувал етанол при анаеробни условия. Тези ранни бири вероятно са били доста хранителни и наподобяващо на каша, а наличието на алкохол вероятно е подтикнало хората да оптимизират този процес. Разбира се древните хора не са разбирали какво става и трудно са си обяснявали процеса. Едва след създаването на микроскопа от Антон ван Левенгук през 1680 година е могло да се наблюдават микроскопични частици. Но въпреки това хората разбират за ролята на микроорганизмите едва след работата на Луи Пастьор. През 1883 година се разработва методика за производство на дрожди на индустриално ниво, след което настъпва бум в пивопроизводството.

Първият етап от пивната ферментация е образуване на малц. В този процес участват редица ензими (амилази, глюканази, протеази и хемицелулази), чиято основа функция е да образуват хомогнен  малц. Самата модификация е резултат от ензимна конверсия на ендосперма. Ензимите разграждат полимерни съединения като нишесте, глюкан, протеини и други нискомолекулни компоненти. Понякога обаче процесът може да се забави или затрудни, да се образува хетерогенен малц, при което е нужно да се добавят екзогенни ензимни препарати.

Ендо и екзогенните протеази  образуват свободни аминокиселини, пептиди или малки протеини. Тези метаболити са жизненоважни, тъй като се ползват от дрожсите като азотен източник. Трябва да се внимава с деградирането на протеините, тъй като има риск да се образува нежелана пигментацията, която да промени свойствата на крайния продукт.

От значение е използването на ензими, които деградират растителната клетъчна стена. Тя е съставена от 75% бета-глюкани и 25% хемицелулоза – използват се ензими наречени глюканази. Проблемът на непълно разградените клетъчни стени е, че те затрудняват или правят напълно невъзможна филтрацията на получената каша и на последващата филтрация на самата бира. Чрез използването на глюканази филтрационните процеси се улесняват и се придава колоидна стабилност. Най-важно е да се деградира бета-глюкана, тъй като той придава силна вискозност на разтвора и прави големи неразтворими комлекси. Комерсиално достъпната бета-глюканаза може да разгради бета-глюкана, а страичните й активности допълнително разграждат и наличния ксилан.

При производството на бира, понякога се използват помощни суровини, които са евтини заместител на ечемичения малц. Такива са например ориз, пшеница или царевица. Всички тези зърнени култури имат нужда да се хидролизират чрез ензими, а директно може да се използва захарен сироп получен след киселинна хидролиза. Неприятно при захарния сироп е, че той забавя процеса на ферментация поради небалансирания състав на захари. Най-подходящия ензим за тази цел е бактериална (от род Bacillus) алфа-амлиаза, която не е термолабилна и не генерира голямо количество свободни захари, които пречат на ферментацията. Употребата на този тип ензими е подходящ само, когато източника на нишесте е различен от ечемик. Най-стабилни ензими се продуцират от B. licheniformis (активен до над 105 ºC), докато ензими от Bacillus subtilis имат активност до 80 ºC. Тези ензими имат нужда от допълнително калций.

По време на същинския процес на алкохолна ферментация пивните дрожди превръщат захарите в пивната мъст до етанол, аминокиселини и въглероден диоксид, които се метаболизират до протеини и някои ароматни компоненти като фенил етанол. Пивната мъст съдържа също така и някои компоненти като декстрини, бета-глюкани и разтворими протеини, които не се метаболизират от пивните дрожди. За да се предотвратят проблеми в последващите процеси е нужно да се добавят екзогенни ензими. Преди да се филтрира бирата е препоръчително да се прибави бета-глюканаза, за да се разградят остатъчни глюкани, които биха задръстили филтрите. Добавянето на ензими би довело и до по-бързо и лесно избистряне на бирата.

Тъй като естествената декстриназа в малца не е термоустойчива, огромно количество неферментируеми дектрини могат да останат налични в бирата (например в 2.4% Pilsner), дори пивните дрожди не могат да ги метаболизират. Освен това има и голямо количество протеини. Тези компоненти карат човек да се чувства сит докато пие бира и дори да му стане тежко. За да се продуцира нискокалорична бира е нужно да се прибави екзогенно амилоглюкозидаза по време на ферментация. Ако се премахне алкохолът (например чрез вакуумна дестилация) и добавяне на амилоглюкозидаза, ще се получи нискокалорична и безалкохолна бира.

Екзогенни ензими могат да бъдат изпозлвани и за ускоряване на зреенето на бирата. По време на този процес настъпват редица вкусови промени. Една от целите на зреенето е да се разгради диацетила, който придава нежелан маслен аромат. Този компонент се продуцира от дрождите по време на ферментацията. Спонтанната конверсия на прекурсора на диацетила (алфа-ацетолактат) е доста бавна. Тази реакция може да се ускори като се повиши температурата в края на ферментацията, но това ще ускори други нежелани реакции (стрес при дрождите, автолизис и други). Вместо това може да се добави микробиален ензим (род Bacillus), който  е разработен, за да конвертира алфа-ацетолактата до ацетоин, преди да бъде превърнат до диацетил. Този ензим се нарича алфа-ацетолактат декарбоксилаза.

При производство на бира, трябва да се вземат мерки за подобряване на нейните качества при изстиване. Ако  не се вземат подобни превантивни мерки, при изстудяване ще се получи едно нежелано замътняване. То се дължи на образуване на комплекси между разтворените протеини и полифеноли (наричани още танини). Този процес е обратим, ако бирата се затопли. За да се отстрани този проблем трябва да се предотврати агрегирането на комплекса протеин-полифенол. За тази цел обикновено се използва ензима папаин. Трябва да се внимава с количеството на използван ензим, тъй като може да се наруши стабилността на пенообразуване. Ако бирата се пастьоризира при температура над 70 ºC, папаинът ще бъде напълно инактивиран. В сравнение с други методи, този е много прост и икономически изгоден. Друг ензимен метод е използване на полифенол оксидаза.

Хареса ли ти тази статия? Може да подкрепиш biologist чрез Patreon!