ZMIANY WYSOKOCZ STECZKOWYCH -GLUKANÓW I AKTYWNO CI -GLUKANAZY W PROCESIE S ODOWANIA J CZMIENIA BROWARNEGO

Transkrypt

1 SCIENTIARUM POLONORUMACTA Technologia Alimentaria 3(2) 2004, ZMIANY WYSOKOCZ STECZKOWYCH -GLUKANÓW I AKTYWNO CI -GLUKANAZY W PROCESIE S ODOWANIA J CZMIENIA BROWARNEGO Zbigniew Czarnecki, Maria Czarnecka, Agata piewak Akademia Rolnicza w Poznaniu Streszczenie. W pracy badano zmiany zawarto ci -glukanów oraz aktywno ci -glukanazy podczas s odowania w dziesi ciu odmianach j czmienia browarnego. Okre lono równie zawarto -glukanów w brzeczkach sporz dzonych z otrzymanych s odów. Stwierdzono, e poziom -glukanów w badanych j czmieniach waha si w granicach 2,5-4,5% s.s., a najwyzszy by w odmianach Cooper i Rudzik. Proces s odowania powodowa redukcj tych zwi zków nawet o ok. 80%. Zawarto -glukanów w brzeczkach do wiadczalnych by a skorelowana z ich zawarto ci w j czmieniach. Podczas s odowania obserwowano znacz cy wzrost aktywno ci -glukanazy, chocia nie stwierdzono istotnej korelacji miedzy aktywno ci enzymu a zawarto ci -glukanów w brzeczce kongresowej. S owa kluczowe: j czmie browarny, s ód, -glukan, -glukanaza WST P -glukan, podobnie jak celuloza, jest polimerem -D-glukozy i charakteryzuje si wyst powaniem w cz steczce wi za -1,3 obok dominuj cych, identycznych jak w celulozie wi za -1,4. -glukan obok takich zwi zków jak ksylany czy mannany nale- y do hemiceluloz. W ziarnach j czmienia szczególnie bogate w hemicelulozy s upina i bielmo [Sieliwanowicz i Ha asi ska 2000]. J czmie zawiera -glukany, w których wi zania -1,4 mi dzy cz steczkami glukozy wyst puj w ilo ci 70-74%, a wi zania -1,3 w ilo ci 26-30%. Masa cz steczkowa -glukanów ziarna j czmienia przekracza 2000 kda. W nienaruszonej cianie komórkowej -glukan jest kowalencyjnie zwi zany z bia kami [Anderson 1990, Brudzy ski 1997]. Zawarto -glukanów jest wa nym wska nikiem selekcyjnym w hodowli nowych odmian j czmienia browarnego. Zawarto ich w j czmieniu browarnym nie powinna przekracza 4,5% s.s. Czynniki, które maj istotny wp yw na zawarto tych zwi zków w ziarnie to przede wszystkim odmia- Adres do korespondencji Corresponding author: prof. dr hab. Zbigniew Czarnecki, Instytut Technologii ywno ci Pochodzenia Ro linnego Akademii Rolniczej w Poznaniu, ul. Wojska Polskiego 31, Pozna, zbyczar@au.poznan.pl

2 138 Z. Czarnecki... na, czyli czynnik genetyczny i warunki uprawy, w tym klimat. D ugotrwa e opady w okresie dojrzewania i zbioru powoduj wzrost zawarto ci -glukanów w ziarnie j czmienia. Zawarto rozpuszczalnych i nierozpuszczalnych -glukanów zale y mi dzy innymi od wielko ci cz steczek glukanu, aktywno ci enzymów i temperatury w czasie wegetacji ro lin. Na poziom -glukanów w sposób istotny wp ywa tak e proces suszenia s odu a przede wszystkim warunki pocz tkowej fazy tego procesu [Baca i in a, b, Brudzy ski 1997, Kato i Sasaki 1995]. Obecno 1,3-1,4- -D-glukanów mo e prowadzi do powstawania problemów podczas filtrowania brzeczki lub piwa. Problemy te wynikaj z dwóch podstawowych w a- ciwo ci -glukanu: rozpuszczalno ci w wodzie i zdolno ci do tworzenia roztworów charakteryzuj cych si wysok lepko ci. -glukan wyst puj cy w s odzie wp ywa tak e na powstawanie zm tnie, osadów lub elu w gotowym piwie. Problemy te mog wyst powa cz sto wtedy, gdy u yjemy z ej jako ci s odu le kie kuj cego, nierówno wyro ni tego, a tak e s odów z j czmion ozimych. W s abo s oduj cym j czmieniu ilo rozpuszczalnego -glukanu w stosunku do jego ogólnej ilo ci wynosi do 67%, podczas gdy w dobrze s oduj cym do 25%. W zasadzie zarówno j czmie, jak i ka de ogniwo procesu technologicznego produkcji piwa mo e mie wp yw na zawarto -glukanów. -glukany pozostaj ce w s odzie przechodz nast pnie do brzeczki i dalej do piwa. Powoduj one woln separacj brzeczki oraz s ab filtracj piwa a tak e powstawanie osadów w czasie jego przechowywania [Anderson 1990, Baca i Go biewski 1997, Baca i in a, b, Brudzy ski 1997, Ednej i in. 1991]. Zasadnicz rol w degradacji -glukanu w warunkach przemys owych odgrywaj bez w tpienia endo- -glukanazy. Jeden z wyst puj cych w s odzie enzymów endo- - -1,4-glukanaza wykrywany jest w j czmieniu, drugi endo- -1,3-glukanaza syntetyzowany jest w czasie kie kowania ziarna. Zastosowanie optymalnych warunków zacierania, powoduj cych zachowanie endogennych -glukanaz lub dodanie ich podczas zacierania lub le akowania mo e obni y ilo -glukanu w piwie poni ej dopuszczalnego poziomu. Enzymy te mog zmniejsza mas cz steczkow -glukanów lub je ca kowicie degradowa. Nale y tak e pami ta, e dodatek 20-40% j czmienia nie s odowanego do produkcji piwa mo e powodowa du y wzrost ogólnej zawarto ci -glukanu w brzeczce i piwie ale tak e wzrost ci aru cz steczkowego glukanów. W warunkach laboratoryjnych do degradacji wielocz steczkowego -glukanu najcz - ciej jest stosowana lichenaza, która wykazuje zarówno aktywno endo- -1,3-, jak i endo- -1,4-glukanazy. W ostatnich latach coraz wi ksze zainteresowanie wzbudza enzym zwi zany z katabolizmem -glukanu, okre lany jako solubilaza. Do wiadczenia prowadzone z u yciem enzymów takich jak -glukanaza, -amylaza i ksylanaza dowiod y, e lepko g ównie powodowana jest przez -glukan, dopiero w dalszej kolejno ci przez pentozany. Skrobia i bia ka powoduj niewielki wzrost lepko ci ekstraktu [Bhatty i in. 1991, Carbonell i in. 1990, Komornicki 1990, Sieliwanowicz i Ha asi ska 2000, Todo 1989]. Oznaczanie zawarto ci -glukanów zarówno w ziarnie, jak i brzeczce i piwie jest utrudnione z powodu obecno ci skrobi (ziarno) i enzymów rozk adaj cych -glukany. Do oznaczania -glukanów stosuje si kilka podstawowych metod takich, jak metoda hydrazonowa i calcofluorowa oraz metody enzymatyczne, w tym najcz ciej stosowan metod enzymatyczn z lichenaz [Aman i Graham 1987, Koliatsou i Palmer-Geoff 2003, Mc Cleary i Nurthen 1986].

3 Zmiany wysokocz steczkowych -glukanów Celem naszych bada by o okre lenie wp ywu procesu s odowania 10 ró nych odmian j czmienia w warunkach przemys owych na poziom zawartych w s odzie -glukanów a tak e stwierdzenie jak proces ten wp ywa na aktywno -glukanazy s odu. W pracy oznaczano tak e zawarto -glukanów w brzeczkach kongresowych, wykonanych z badanych s odów w celu stwierdzenia czy istnieje zale no mi dzy poziomem -glukanów w brzeczce a aktywno ci -glukanazy. MATERIA I METODY J CZMIE oznaczanie suchej substancji oznaczanie zawarto ci ß-glukanu MOCZENIE S ODOWANIE J CZMIE po 96 godzinach s odowania SUSZENIE I ODKIE KOWANIE oznaczanie suchej substancji oznaczanie zawarto ci ß-glukanu oznaczanie aktywno ci ß-glukanazy S ÓD PRZEMIA oznaczanie suchej substancji oznaczanie zawarto ci ß-glukanu oznaczanie aktywno ci ß-glukanazy ZACIERANIE I FILTRACJA BRZECZKA KONGRESOWA oznaczanie zawarto ci ß-glukanu Technologia Alimentaria 3(2) 2004

4 140 Z. Czarnecki... W pracy wykorzystano ró ne odmiany j czmienia browarnego stosowanego do produkcji s odu na skal przemys ow przez s odowni Soufllet Polska, pochodz cego ze zbiorów w 2000 roku. By y to nast puj ce odmiany: Cooper, Mieszanka czeska, Sunrise, Optic 1 (z upraw du skich), Optic 2 i Optic 3 (z upraw czeskich), Rudzik, Prisma, Rasbet, Regina. Proces s odowania j czmienia oraz rozdrabniania s odu prowadzono w s odowni Soufllet Polska, zgodnie z parametrami technologicznymi obowi zuj cymi w tym zak adzie. Z poszczególnych otrzymanych s odów sporz dzano brzeczk kongresow. Oznaczanie zawarto ci -glukanu oraz aktywno ci -glukanazy wykonywano na ró nych etapach produkcji s odu i brzeczki przedstawionych na schemacie 1. Dla realizacji za o onych bada zastosowano nast puj ce metody analityczne: oznaczanie -glukanu w j czmieniu [Mc Cleary i Codd 1991], oznaczanie -glukanu w s odzie [Mc Cleary i Nurthen 1986], oznaczanie -glukanu w brzeczce kongresowej [Mc Cleary i Nurthen 1986], oznaczanie aktywno ci -glukanazy [Materia y Megazyme], oznaczanie zawarto ci suchej substancji w ziarnie i s odzie [PN-A , PN-R 74110]. Obliczenia statystyczne obejmowa y analiz wariancji jednoczynnikow oraz analiz korelacyjn. WYNIKI I DYSKUSJA Zawarto -glukanu w j czmieniach odmian u ytych do bada by a zró nicowana i waha a si w granicach 2,5-4,5% s.s. (rys. 1). Wyniki te s podobne do uzyskiwanych w badaniach innych autorów [Aman i Graham 1987, Baca i Go biewski 1997, Bhatty i in. 1991, Kato i Sasaki 1995, Komornicki 1990]. Ró nice w ilo ci tych zwi zków w poszczególnych odmianach dochodz nawet do 100%, na co mo e mie wp yw wiele czynników, w tym czynnik genetyczny. Dla potwierdzenia tej tezy przeprowadzono oznaczenia dla czeskiego j czmienia odmiany Optic. Dwie próbki pochodzi y z upraw w Czechach, jedna z Danii. Okaza o si, e mimo ró nych warunków klimatycznych wyst pi y niewielkie ró nice w zawarto ci -glukanu. Porównuj c uzyskane wyniki dla wszystkich badanych j czmieni mo na stwierdzi, e ró nice mi dzy odmianami, z wyj tkiem odmiany Cooper i Rudzik, by y niewielkie, cho istotne statystycznie ( = 0,05). W odmianach Cooper i Rudzik poziom -glukanów by wy szy ni w pozosta ych odmianach. Nie przekracza on jednak norm okre lonych przez przemys s odowniczy, dlatego te j czmie ten mo e by wykorzystywany do produkcji s odu browarnego. Po 96 godzinach s odowania, we wszystkich badanych odmianach j czmienia nast pi o znaczne obni enie zawarto ci -glukanu (nawet powy ej 50%), a w wypadku odmiany Rasbet a o ok. 80%. Poziom -glukanu po tym czasie s odowania j czmienia zawiera si w przedziale 0,5-2,0% s.s. Porównuj c uzyskane warto ci z pocz tkow ilo ci -glukanu w j czmieniu mo na zaobserwowa pewn prawid owo w zachodz cych zmianach. Na przyk ad j czmie odmiany Cooper charakteryzowa si najwy sz zawarto ci -glukanu (4,8% s.s.), a po s odowaniu przez 96 h jego ilo zmala- a do 2,0% s.s. W wypadku j czmienia Rasbet (najni sza ilo -glukanu 2,3% s.s.) po tym samym czasie s odowania poziom -glukanu by najni szy i wynosi 0,3%.

5 Zmiany wysokocz steczkowych -glukanów ,0 5,0 NIR(0,05) = 0,18 LSD(0.05) = ,83 4,0 3,87 % s.s. % d.m. 3,0 2,0 2,09 2,61 2,79 2,25 2,70 2,82 2,80 2,68 2,68 1,0 0,0 0,85 Cooper 1,07 1,03 0,69 Miesz. czeska 0,28 0,72 0,50 0,34 0,20 1,00 0,53 0,94 0,51 0,53 0,27 0,34 0,37 Sunrise Rudzik Rasbet Optic 1 Optic 2 Optic 3 Regina Prisma j czmie barley Odmiana Variety po 96 godz. s odowania after 96 hours s ód malt 1,18 0,48 Rys. 1. Zmiany zawarto ci -glukanów w czasie s odowania Fig. 1. -glucans changes during malting W gotowym s odzie, jak wynika z przeprowadzonych oznacze, w wypadku wszystkich odmian j czmienia browarnego poziom -glukanów obni y si proporcjonalnie i waha si w przedziale 0,2-0,9% s.s. Ogólnie tak znaczn redukcj badanych zwi zków mo na by interpretowa jako efekt wysokiej aktywno ci enzymatycznej, która charakteryzuje prawie wszystkie badane odmiany j czmienia [Anderson 1990, Baca i Go biewski 1997, Carbonell i in. 1990, Kato i Sasaki 1995]. Zawarto -glukanów w brzeczce kongresowej, w zale no ci od odmiany z której wyprodukowano s ód, wynosi a mg/l (rys. 2). Zró nicowanie tych wyników jest do znaczne i we wszystkich wypadkach by y one wy sze od standardów przyj tych w browarnictwie na poziomie do 200 mg/l [Baca i Go biewski 1997, Baca i in a, b]. Jednak zachowuj c w a ciwe parametry procesu produkcji piwa ta ilo -glukanów nie dyskwalifikuje jeszcze badanych s odów. Zawarto -glukanów w brzeczce kongresowej jest skorelowana z ich zawarto ci w j czmieniu (r = 0,796), natomiast nie stwierdzono istotnej korelacji mi dzy zawarto ci -glukanów w brzeczce kongresowej a jej zawarto ci w j czmieniu w czasie s odowania i w s odzie gotowym (r = 0,445, r = 0,333) (rys. 4). Uzyskane dane sugeruj, e na poziom -glukanów w brzeczce istotny wp yw ma przede wszystkim ich zawarto w j czmieniu. Nie ma natomiast istotnej zale no ci mi dzy procesem s odowania a zawarto ci -glukanów w brzeczce, pomimo znacznego obni enia ich poziomu w gotowym s odzie. Aktywno -glukanazy w wi kszo ci analizowanych odmian wzrasta a w czasie prowadzenia procesu s odowania (rys. 3). Najwy szy wzrost aktywno ci badanych Technologia Alimentaria 3(2) 2004

6 142 Z. Czarnecki... mg/l NIR(0,05) = 31 LSD(0.05) = Cooper Miesz. czeska Sunrise Rudzik Rasbet Optic 1 Optic 2 Optic 3 Regina Prisma Odmiana Variety Rys. 2. Zawarto -glukanów w brzeczce kongresowej Fig. 2. -glucans content in wort (U/kg) NIR(0,05) = 28 LSD(0.05) = Cooper Miesz. czeska Sunrise Rudzik Rasbet Optic 1 Optic 2 Optic 3 Regina Prisma Odmiana Variety po 96 godz. s odowania after 96 hours s ód malt Rys. 3. Zmiany aktywno ci -glukanazy w czasie s odowania Fig. 3. -glucanase activity changes during malting

7 Zmiany wysokocz steczkowych -glukanów ,0 5,0 Ziarno, % Grain, % 4,0 3,0 2,0 y = 0,0089x + 0,386 1,0 0, Brzeczka, mg/l Wort, mg/l j czmie barley po 96 godz. s odowania after 96 hours s ód malt Rys. 4. Zawarto -glukanów w brzeczce w porównaniu z j czmieniem i s odem Fig. 4. Wort -glucans compared to barley and malt 450 Aktywno -glukanazy, U/kg -glucanase activity, U/kg Brzeczka, mg/l Wort, mg/l po 96 godz. s odowania after 96 hours s ód malt Rys. 5. Zawarto -glukanów w brzeczce w porównaniu z aktywno ci -glukanazy Fig. 5. Wort -glucans compared to -glucanase activity Technologia Alimentaria 3(2) 2004

8 144 Z. Czarnecki... enzymów w czasie s odowania wyst pi u odmian Cooper ( U/kg w s odzie), Optic 3 ( U/kg w s odzie) i Regina ( U/kg w s odzie), co stanowi o rednio wzrost aktywno ci enzymów o ok. 60%. W dwóch wypadkach, w odmianach Rudzik i Optic 1 obserwowano do znaczne obni enie si aktywno ci badanego enzymu w s odzie (odpowiednio nawet do 59 i 71 U/kg) w stosunku do jego aktywno ci w czasie s odowania. Mo na próbowa t umaczy to le prowadzonym procesem suszenia s odu. Nie wp yn o to jednak istotnie na poziom -glukanu w obu s odach, który by porównywalny z innymi odmianami (0,5% s.s.). wiadczy oby to o wystarczaj cej, nawet w takim wypadku, aktywno ci -glukanazy. Nie stwierdzono istotnej zale no ci mi dzy aktywno ci -glukanazy s odu a zawarto ci beta-glukanów w brzeczce kongresowej (r = 0,23) (rys. 5). Ten brak zale no ci mo e by równie potwierdzeniem wcze niejszego spostrze enia dotycz cego przede wszystkim zwi zku mi dzy zawarto ci -glukanów w brzeczce a ich zawarto ci w j czmieniu. PODSUMOWANIE Z analizy wyników dotycz cych zmian poziomu -glukanów uzyskanych w trzech ró nych etapach produkcji s odu mo na wnioskowa, e proces s odowania powodowa redukcj tych zwi zków nawet o 80% w stosunku do ich ilo ci wyj ciowej. Przebieg tych zmian by zró nicowany i charakterystyczny dla poszczególnych odmian, zale a jednak od kilku czynników w tym pocz tkowej zawarto ci -glukanów w j czmieniu, która w badanych odmianach waha a si w granicach 2,5-4,5% s.s. Spo ród badanych odmian najwi cej -glukanów wyst powa o w odmianach Cooper i Rudzik, chocia i tu ich ilo nie przekroczy a granicy dopuszczalnej. Zawarto -glukanów w brzeczce kongresowej otrzymywanej z badanych odmian j czmienia waha a si w granicach mg/l. Ilo tych zwi zków w brzeczce kongresowej by a skorelowana z ich zawarto ci w j czmieniu, z którego by a otrzymana, natomiast nie stwierdzono istotnej korelacji mi dzy zawarto ci -glukanów w brzeczce a ich zawarto ci w s odzie. Du rol odgrywa a w czasie s odowania aktywno -glukanazy, która jest odpowiedzialna za redukcj -glukanów podczas tego procesu. Jednak nie stwierdzono bezpo redniego zwi zku pomi dzy aktywno ci tego enzymu w s odzie a zawarto ci -glukanów w brzeczce kongresowej. Uzyskane wyniki raz jeszcze potwierdzaj konieczno klasyfikacji odmian j czmienia browarnego pod k tem zawarto ci -glukanów i enzymów odpowiedzialnych za ich degradacj, jak równie okre lania aktywno ci -glukanaz w s odzie i na dalszych etapach produkcji piwa.

9 Zmiany wysokocz steczkowych -glukanów PI MIENNICTWO Aman P., Graham H., Analysis of total and insoluble mixed-linked (1-3)(1-4) -D-glucans in barley and oats. J. Agric. Food Chem. 35, Anderson I.W The effect of -glucan molecular weight on the sensivity of dye binding assay procedures for -glucan estimation. J. Inst. Brew. 96, Baca E., Go biewski T., Nowe spojrzenie na wska niki warunkuj ce warto technologiczn j czmienia i s odu browarnego. Przem. Ferm. Ow. Warz. 10, Baca E., Pawlikowska B., Micha owska D., Go biewski T., 1998 a. Jako j czmienia, warunki s odowania a zawarto -glukanu w brzeczce (1). Przem. Ferm. Ow. Warz. 8, Baca E., Pawlikowska B., Micha owska D., Go biewski T., 1998 b. Jako j czmienia, warunki s odowania a zawarto -glukanu w brzeczce (2). Przem. Ferm. Ow. Warz. 9, Bhatty R.S., Mc Gregor A.W., Rossnagel B.G., Total and acid-soluble -glucan content of hulles barley and its relationship to acid-extract viscosity. Cereal Chem. 68 (3), Brudzy ski A., Beta glukan i problemy filtracji piwa. Przem. Ferm Ow. Warz. 2, 7-8. Carbonell J.V., Sendra J.M., Todo V., Kinetics of -glucan degradation in beer by exogenous -glucanase treatment. J. Inst. Brew. 96, Ednej M.J., Marchylo B.A., Mc Gregor A.W., Structure of total barley beta-glucan. J. Inst. Brew. 97, Kato T., Sasaki A., Genetic variation of beta-glucan contens and beta-glucanase activities in barley and their relationships to malting quality. Jap. J. Breed. 4, Komornicki J., Kontrola -glukanów w browarze. Przem. Ferm. Ow. Warz. 7, 23. Koliatsou M., Palmer-Geoff H., A new method to assess mealiness and steeliness of barley varieties and relationship of mealiness with malting parameters. J. Am. Soc. Brew. Chem. 61 (3), Mc Cleary B.V., Codd R., Measurrement of (1-3), (1-4)- -D-glucan in barley and oats: a streamlined enzymic procedure. J. Sci. Food Agric. 55, Mc Cleary B.V., Nurthen E., Measurment of (1-3), (1-4)- -glucan in malt, wort and beer. J. Inst. Brew. 92, Megazyme Malt and bacterial beta-glucanase and cellulase- Assay procedure. Azo-barley glucan method, KMBGL 01/03. PN-R J czmie. Metody bada. PN-A S ód browarny. Metody bada Oznaczanie wilgotno ci. Sieliwanowicz B., Ha asi ska A., Aktywno ci enzymatyczne s odu wp ywaj ce na poziom beta-glukanu brzeczki. Przem. Ferm. Ow. Warz. 12, Todo V., Kinetics of -glucan degradation in wort by exogenous -glucanases treatment. J. Inst. Brew. 95, Technologia Alimentaria 3(2) 2004

10 146 Z. Czarnecki... CHANGES OF HIGH MOLECULAR WEIGHT -GLUCANS AND -GLUCANASE ACTIVITY DURING GERMINATION OF BARLEY Abstract. Changes in beta-glucan content and beta-glucanase activity during malting process were investigated in ten varieties of barley grain. Beta-glucans in standard wort obtained from experimantal malts were also determined. Beta-glucan content range in barley varieties was % dm. Maximum amount of -glucan was in Cooper and Rudzik varieties. Malting process reduced beta-glucan amount even to 80%. There was evident correlation between beta-glucan content in barley grain and in malt wort. Significant increase of beta-glucanase activity was observed as a effect of malting process. No correlation between beta-glucanase activity in malt and beta-glucan level in wort was found. Key words: barley, malt, -glucans, -glucanase Zaakceptowano do druku Accepted: r. Do cytowania - For citation: Czarnecki Zb., Czarnecka M., piewak A., Zmiany wysokocz steczkowych -glukanów i aktywno ci -glukanazy w procesie s odowania j czmienia browarnego., Technol. Aliment. 3(2),