Warzelnia

Preparaty enzymatyczne

Enzymy to w większości białkowe, biologiczne katalizatory powodujące obniżenie energii aktywacji różnego rodzaju reakcji (przyspieszając ich przebieg). Działanie enzymów jest specyficzne względem konkretnych substratów, a ich obecność powoduje milion razy szybszy przebieg reakcji w porównaniu z reakcją nieenzymatyczną1. Do optymalnego działania każdy enzym potrzebuje odpowiednich warunków, w tym temperatury oraz pH. W technologii browarniczej obecność enzymów jest niezbędna do osiągnięcia podstawowych założeń technologii, tj. do rozkładu skrobii zawartej w surowcu do cukrów fermentujących oraz umożliwienia ich fermentacji do etanolu i innych produktów ubocznych. Enzymy występują w słodzie (pobudzenie aktywności enzymatycznej ziarna jest jednym z głównych celów słodowania), to właśnie ze względu na ich aktywność w procesie zacierania stosuje się przerwy temperaturowe. Poza podstawowymi enzymami służącymi hydrolizie skrobi, słód zawiera również te rozkładające beta-glukany, białka, lipidy czy pentozany.

Rosnące ceny surowców i kosztów produkcji skłaniają producentów piwa do próby maksymalnego wykorzystania ekstraktu ze słodu i sięgania po tańsze surowce niesłodowane. Między innymi dlatego w branży piwowarskiej stosowane są różnego rodzaju preparaty enzymatyczne, w celu usprawnienia procesów technologicznych.

Poniżej krótko scharakteryzowano preparaty enzymatyczne stosowane na potrzeby przemysłu browarniczego.

Rysunek 1. Uproszczony schemat działania enzymów<br>(źródło: https://byjus.com/biology/enzymes/)

Amyloglukozydaza

Enzym należący do grupy hydrolaz, pozyskiwany z wyspecjalizowanych szczepów grzyba Aspergillus Niger lub Rhizopus oryzae. Hydrolizuje wiązania α-1,4 oraz w mniejszym stopniu wiązania α-1,6 w upłynnionej skrobi. Podczas hydrolizy, jednostki glukozy są usuwane w sposób stopniowy z nieredukującego końca cząsteczki substratu. Ma optimum pH około 4,0 i optimum temperatury 75 °C. Zwiększa odfermentowanie piwa. Na rynku dostępny w formie preparatu enzymatycznego np. Amigase Mega2.

Alfa-amylaza

Enzym z grupy hydrolaz, powodujący upłynnianie zacieru poprzez odcinanie od łańcuchów skrobiowych dekstryn zawierających 7-12 reszt glukozowych. Hydrolizuje wiązanie α -1,4-glikozydowe wewnątrz łańcucha cząsteczki skrobi, co zmniejsza lepkość roztworu. Produktami końcowymi hydrolizy skrobi są, w zależności od pochodzenia enzymu maltoza i oligosacharydy.

Wyróżnia się alfą-amylazę pochodzenia bakteryjnego (Bacillus licheniformis, Bacillus subtilis) oraz grzybowego (Aspergillus oryzae, Aspergillus niger). Te grzybowe, w przeciwieństwie do bakteryjnych wykazują większą aktywność w środowisku o niższej temperaturze i niższym pH, określone jako termolabilne (wrażliwe na wysoką temperaturę) np. preparat Mycolase LV2. 

Przy użyciu bakterii Bacillus licheniformis powstała termo stabilna alfa-amylaza (np. Mats Classic2), podczas gdy optymalna temperatura działania alfa-amylazy to 72-75℃, wersja termostabilna optymalnie hydrolizuje skrobię w 95℃ 3. Oba rodzaje alfa-amylazy pomagają przy problemach z hydrolizą skrobi.

Beta-glukanaza

To enzym służący usprawnieniu procesu filtracji zacieru, zwiększeniu wydajności ekstrakcji oraz polepszeniu stabilności koloidalnej piwa. Stosowany w przypadku, gdy mamy do czynienia z niewystarczająco zmodyfikowanym słodem. Beta-glukanaza naturalnie występująca w surowcu słodowanym jest jednym z najważniejszych enzymów,  umożliwiając ograniczony przez β-glukany dostęp do upakowanej w ziarnie skrobii oraz redukując ich stężenie w zacierze wspiera sprawny proces filtracji. Enzym nasila hydrolizę wiązania β-1,4 sąsiadującego z wiązaniem β-1,3, prowadząc do gwałtownego spadku lepkości roztworów β-glukanu. Beta-glukanaza pochodząca ze słodu jest wrażliwa na temperaturę (optimum działania 40-50℃) dlatego powszechne stało się stosowanie preparatów enzymatycznych zawierających beta-gukanazę pochodzenia bakteryjnego (Bacillus subtilis) czy grzybowego (Aspergillus, Trichoderma czy Penicillum)4. Na rynku dostępne są termostabilne preparaty beta-glukanazy, przykładem takiego produktu jest Filtrase NL2, preparat ten rozkłada beta-glukany, ale i inne hemicelulozy, np. arabinoksylany.

Proteazy

To grupa enzymów, które katalizują reakcje proteolizy, czyli służą hydrolizie wiązań peptydowych. Wśród peptydaz wyróżnia się dwie główne grupy: endopeptydazy to te, które hydrolizują wiązania peptydowe wewnątrz łańcucha peptydowego oraz egzopeptydazy – odcinające pojedyncze aminokwasy od końców łańcucha5. W technologii browarniczej zastosowanie tzw. przerwy białkowej (50-52℃) umożliwia wykorzystanie enzymów proteolitycznych naturalnie wystepujących w słodzie, w celu zapewnienia drożdżom budulca w postaci wolnego azotu aminowego (FAN). Wysokim jakościowo surowcom słodowanym, enzymy zawarte w słodzie powinny wystarczyć by w odpowiedni sposób rozłożyć związki białkowe. Zdarzą się, że konieczne jest wsparcie się preparatem enzymatycznym, przykładem komercyjnie dostępnej proteinazy jest Maxazyme NNP DS2. 

Innym enzymem z grupy proteaz jest papaina (należy do tzw. proteaz cysteinowych). To enzym pochodzenia roślinnego (z owocu papai), wykorzystywany w browarnictwie na zimnym etapie procesu, po fermentacji6. Enzym ten powoduje rozkład występujących w piwie białek o wysokiej masie cząsteczkowej, co ogranicza tworzenia się zimnych zmętnień piwa i wydłuża jego trwałość, dając klarowny produkt. Optymalnie pracuje w zakresie temperatur 35-45℃ i pH 4.0 – 5.5 7. Komercyjnie dostępny na przykład jako preparat Collupulin2. 

Wielofunkcyjne preparaty enzymatyczne

Na rynku powszechnie dostępne są preparaty łączące w sobie działanie kilku enzymów jednocześnie, jako produktu wielofunkcyjne, kompleksowe.

Preparat oparty na endoproteazie specyficznej dla proliny, z wyselekcjonowanego szczepu Aspergillus niger. W procesie technologicznym stosowany z dwóch powodów. Po pierwsze redukuje ilość zimnych zmętnień piwa, które spowodowane są wytrącaniem się kompleksów polifenolowo-białkowych. Wykazano że białkowa frakcja tychże kompleksów jest bogata w prolinę, stąd jej enzymatyczny rozkład hamuje powstawanie zmętnień. Po drugie, udowodniono, że preparat ten pozwala na częściowy rozkład glutenu w piwie (ponieważ białko glutenowe jest również bogate w prolinę) co skutkuje odpowiednio niskim dla osób wrażliwych na ten alergen jego stężeniem8. Komercyjny przykład: Brewers Clarex® 2.

Formuła enzymów o aktywności alfa-amylazy (z Bacillus amyloliquefaciens oraz Bacillus licheniformis), beta-glukanazy (pozyskanej z Bacillus amyloliquefaciens), neutralnej proteinazy (Bacillus amyloliquefaciens) oraz hemicelulazy (Talaromyces emersonii i Trichoderma longibrachiatum)9. Stosowana przy wyższych udziałach surowców niesłodowanych do produkcji piwa (20 – 100% udziału jęczmienia)10.  Komercyjny przykład: Brewers Compass® 2.

Połączenie enzymów o aktywności termostabilnej beta-glukanazy, hemicelulazy jest stosowane w celu przyspieszenia filtracji zacieru, zwiększenia wydajności ekstrakcji czy polepszenia stabilności koloidalnej piwa. Komercyjny przykład: Filtrase NCL, Filtrase   BR-X2. Przykładem preparatu z aktywnością beta-glukanazy  i hemicelulazy jest również Filtrase BR2. To preparat z udowodnioną naukowo skutecznością zwiększania wydajności ekstrakcji, w przypadku zastosowania do produkcji brzeczki słodowej z 45% udziałem niesłodowanego owsa. Użycie preparatu Filtrase BR pozwala również zwiększyć ilość wolnego azotu aminowego (FAN), co ważne jest szczególnie podczas stosowania surowców niesłodowanych, których użycie bez dodatku enzymów powoduje  znaczne obniżenie tego bardzo ważnego składnika brzeczki. Badania wykazały także istotne obniżenie lepkości brzeczki dzięki zastosowaniu preparatu, a tym samym skrócenie czasu filtracji11.

Źródła

  1. Berg J.M., Tymoczko J.L., Stryer L. (2002) 8.1. Enzymes Are Powerful and Highly Specific Catalysts. Biochemistry, 5th edition. New York. ISBN 0-7167-3051-0.
  2. https://www.biochem-art.pl/pl/piwo/preparaty-enzymatyczne
  3. https://kbz.urk.edu.pl/zasoby/89/EIII_zastosowanie%20enzymow%20amylolitycznych.pdf
  4. https://beerandbrewing.com/dictionary/1nO559RwFD/
  5. http://ebis.ibe.edu.pl/numery/2017-3/ebis-2017-3-2.pdf
  6. http://laboratoria.net/artykul/12855.html
  7. https://www.murphyandson.co.uk/resources/technical-articles/enzymes-in-the-brewing-process/
  8. https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1094/ASBCJ-2016-2300-01
  9. Duliński R., Zdaniewicz M., Pater A., Żyła K. (2019) Impact of Two Commercial Enzymes on the Release of Inositols, Fermentable Sugars, and Peptides in the Technology of Buckwheat Beer. Journal of the American Society of Brewing Chemists, 77:2, 119-125.
  10. https://www.dsm.com/food-specialties/en_US/products/beverage/brewers-compass.html?gclid=Cj0KCQiA962BBhCzARIsAIpWEL1GDvVtaPxrmUk1K9F3qh_86U76ydBdAKPzl1UEJGJ7E3mYKNzK0XUaAoe8EALw_wcB
  11. Kordialik-Bogacka E., Bogdan P., Diowksz A. (2014). Malted and unmalted oats in brewing. Journal of the Institute of Brewing. 120: 390-398.

Środki klarujące brzeczkę

Klarowność piwa, jako produktu końcowego jest wypadkową dwóch czynników: rodzaju zastosowanych drożdży (i ich zdolności do flokulacji) oraz ilości tzw. cząsteczek niemikrobiologicznych. Te ostatnie  składają się w głównej mierze z białek zwykle związanych z polifenolami i innymi cząsteczkami takimi jak lipidy, węglowodany i jony metali1. Cząstki niemikrobiologiczne produkowane i usuwane są na pięciu etapach produkcji piwa. Pierwszym jest filtracja zacieru, następnie gotowanie, chłodzenie brzeczki, fermentacja i leżakowanie (schłodzenie) piwa2. Zrozumienie wpływu tych pięciu etapów na formowanie się zmętnień w piwie, pozwala zapobiec problemom z osiągnięciem klarowności produktu końcowego. Im szybciej nastąpi odpowiednie skorygowanie ilości osadów, tym łagodniej i sprawniej przebiegają kolejne etapy produkcji. Klarowność brzeczki nastawnej jest bardzo ważna dla prawidłowego przebiegu procesów metabolicznych drożdży. Na ten parametr brzeczki wpływa przebieg filtracji zacieru oraz parametry jej gotowania. 

Na etapie zacieru, ważne jest to, by odpowiednio długo recyrkulować brzeczkę, do momentu osiągnięcia klarownej brzeczki przedniej. Wskazuje się również na podwyższoną temperaturę końcową zacierania, jako czynnik koagulujący cząsteczki zacieru, dzięki czemu łatwo zatrzymują się one na złożu filtracyjnym3. Również nadmierne wysładzanie może prowadzić do wyługowania ze złoża niepożądanych związków, wpływających na dalszą klarowność (np. lipidy)2.

Proces gotowania brzeczki ma szereg zmiennych parametrów, które piwowar może regulować wg uznania, jednak są wyznaczone standardy i zalecane warunki, prowadzące do uzyskania pożądanych efektów. Podczas gotowania, białka ulegają termicznej koagulacji, co prowadzi do wytrącenia się gorących osadów. Wydajnej koagulacji sprzyja wysokie pH, odpowiednia ilość białek oraz zapewnione stałe warunki wrzenia (ok 102℃ przy ciśnieniu atmosferycznym, intensywne gotowanie przez minimum 1 godzinę)4. Chmiel dodawany do gotowania wprowadza do brzeczki związki polifenolowe, które tworzą kompleksy z białkami. Gotowanie brzeczki z chmielem prowadzi do powstawania dużych, łatwych do usunięcia na etapie kadzi wirowej (Whirlpool) kłaczki, zwane przełomem.

Rysunek 1. Gorący osad po gotowaniu brzeczki<br> (źródło: https://www.homebrewersassociation.org/forum/index.php?topic=35920.0)

Brzeczka po gotowaniu i oddzieleniu powstałych kłaczków zostaje schłodzona do temperatury nastawnej. Moment chłodzenia weryfikuje jej klarowność i obecność niewytrąconych związków białkowo-polifenolowych. Obniżenie temperatury brzeczki poniżej 30℃ powoduje wytrącenie tzw. zimnych osadów, których ilość rośnie wraz ze spadkiem temperatury1. Są to niskocząsteczkowe białka i polifenole, rozpuszczalne w wodzie o wysokiej temperaturze. Ich obecność w gotowym produkcie powoduje zimne zmętnienia piwa, niepożądane w gotowym produkcie.

Stosując odpowiednie parametry technologiczne i środki pomocnicze, już na etapie warzelni piwowar może zwiększyć ilość wytrącanych osadów (zarówno gorących jak i zimnych), uzyskując wysoką klarowność brzeczki nastawnej i ograniczając potrzebę dalszych zabiegów klarujących produkt5.  Do takich środków zaliczany jest karagen.

Karagen

To złożony węglowodan pochodzenia roślinnego, powszechnie stosowany w przemyśle spożywczym jako substancja zagęszczająca, żelująca oraz stabilizująca zawiesiny i emulsje. 

Do lat 60 XX wieku jako materiał pomocniczy stosowany był tzw. mech irlandzki (Chondrus crispus), który jest obecnie głównym surowcem do produkcji karagenu. W celu zwiększenia wydajności procesu, z czasem rozpoczęto produkcję środków zawierających karagen, w formie proszków, tabletek czy granulek. W latach 90 powstały produkty na bazie rafinowanego karagenu, całkowicie rozpuszczalne w wodzie i charakteryzujące się wysoką wydajnością. Strukturalnie wyróżnia się wiele typów karagenu, na potrzeby browarnicze wykorzystywany jest k-karagen. 

Rysunek 2. Wzór strukturalny k-karagenu.

Rolą k-karagenu w brzeczce, jest wytworzenie kompleksów z rozpuszczonymi w niej białkami, a następnie ich wytrącenie w formie nierozpuszczalnej po obniżeniu temperatury brzeczki. Podobnie jak większość biopolimerów k-karagen denaturuje, szybkość denaturacji rośnie wraz z czasem, wzrostem temperatury i obniżeniem pH6. 

Karagen w formie proszku, granulatu lub pastylek dodaje się do brzeczki pod koniec gotowania (często na ostatnie 5-10 minut). Nie wpływa to na klarowność gotującej się brzeczki i usuwanie gorącego osadu, jednak środek ten jest nierozpuszczalny w temperaturze poniżej 60℃, stąd konieczność dodania na etapie gotowania.  

Dawka środka karagenowego zależy od technik warzenia, użytego słodu czy udziału innych surowców, lecz przeważnie zawiera się w przedziale 20 – 40 ppm (2-4 g/hl). Im więcej środka dodajemy do brzeczki – tym lepszy efekt klarowania, jako najbardziej optymalną dawkę uważa się taką, przy której osiągnięta jest najlepsza klarowność, przy minimalnej objętości osadów, co ilustruje poniższy rysunek7.

Rysunek 3. Przykład wykresu ilustrującego dobór dawki środków pomocniczych7.

pH ma ogromny wpływ na wydajność klarowania przy użyciu k-karagenu. Im wartości pH wyższe, tym lepszy efekt końcowy. Efektywne klarowanie zachodzi już w pH 5.0, jednak obniżenie tego parametru poniżej 4.5 może przyczynić się do uzyskania niewystarczająco klarownej brzeczki nastawnej5.

Zol krzemionkowy

To otrzymywany syntetycznie, powstały na wskutek polimeryzacji kwasu krzemowego środek o bardzo wysokim ładunku elektrostatycznym, przyciągającym cząstki białkowe.  Co ważne, działa tylko w połączeniu z żelatyną. Stosowany jako wodny roztwór 15-50% wag. kwasu krzemowego. W brzeczce zol sieciuje się tworząc żel i zatrzymuje materiał powodujący zamglenie, tworząc wyraźne kłaczki. Najczęściej dodawany do brzeczki pod koniec gotowania, oddzielany jako żel podczas jej klaryfikacji8. Zol krzemionkowy stanowi bardzo popularny środek pomocniczy w branży winiarskiej.

Źródła

  1. Hough, J.S., Briggs, D.E., Stevens, R., and Young, T.W. (1982) Malting and Brewing Science, Volume 2, Chapman and Hall.
  2. https://bsgcraftbrewing.com/Resources/CraftBrewing/PDFs/Brewing_Processes_and_Techniques/WortandBeerFiningManual.pdf
  3. Anderson, I.W. (1993), European Brewery Convention, Proceedings of the 24th Congress, Oslo, 193.
  4. Reed, R.J.R. (1988), Ferment, 1(6), 39.
  5. Leather R.V., Ward I.L., Dale C.J. (1995): The effect of wort pH on copper fining performance. Journal of the Institute of Brewing, 101: 187–190.
  6. Fraser, D.M. (1964),Technical Quarterly of the Master Brewers’Association of the Americas, 1, 20.
  7. Thompson, G.J. (1994), The Brewer, 80, 470.
  8. Niemsche, K.; Oppermann, A. (2004) Clarification of wort and beer with silica sol.Brew. Int.4, 30–32.