Пиво и напитки Спиртовая промышленность

Превращение углеводов и белков в бродильных производствах

Углеводы в бродильных производствах являются источником образования этилового спирта, молочной и лимонной кислот, ацетона и бутилового спирта, глицерина; углеводы необходимы и для питания микроорганизмов — возбудителей брожения. Кроме того, для питания микроорганизмов необходимы также продукты гидролиза белков — пептиды и аминокислоты.

Белки и продукты их гидролиза оказывают большое влияние, на технологические процессы пивоварения и качество готового пива; его вкус, цвет, пенистость и стойкость при хранении.

Углеводы

Углеводы представляют большой класс органических соединений, состоящих из углерода, водорода и кислорода. В большинстве углеводов водород и кислород содержатся в том же соотношении, что и в воде, и состав их выражается формулой Сn2О)m. Однако некоторые углеводы имеют другое соотношение водорода и кислорода, например рамноза (C6H12O5). Углеводы и другие органические соединения (белки, жиры) образуются в зеленых растениях из углекислого газа и воды за счет световой энергии. Этот процесс называется фотосинтезом.

Суммарное уравнение фотосинтеза имеет следующий вид:

Суммарное уравнение фотосинтеза имеет следующий вид Углеводы делят на три группы:

  • Моносахариды.

Моносахариды — это углеводы, не способные к гидролизу. По числу углеродных атомов различают моносахариды триозы (С3), тетрозы (С4), пентозы (С5), гексозы (С6), гептозы (С7) и т. д. Наиболее важны и распространены в природе пентозы, содержащие пять атомов углерода (арабиноза, ксилоза), и, особенно, содержащие шесть атомов углерода — гексозы (глюкоза, фруктоза», галактоза, манноза). Гексозы под воздействием ферментов дрожжей сбраживаются в этиловый спирт и углекислый газ, пентозы дрожжами не сбраживаются.

  • Олигосахариды

Олигосахариды —  это углеводы, содержащие от 2 до 10 остатков моносахаридов. Наиболее распространены олигосахариды, содержащие два или три остатка моносахаридов, называемые соответственно  дисахариды  и трисахариды.

Важными представителями дисахаридов являются сахароза (C12H22O11) и мальтоза (C12H22O11), трисахаридов — раффиноза (С18Н32С16), кестоза (С18Н32С16).  Многие дисахариды и трисахариды под действием ферментов дрожжей сбраживаются в этиловый спирт и СО2.

Моносахариды и олигосахариды называют также сахарами.

  • Полисахариды

Полисахариды — углеводы, содержащие более 10 остатков моносахаридов, являются типичными высокомолекулярными соединениями. Они делятся на гомополисахариды, в составе которых имеется один  единственный моносахарид, и гетерополисахариды, т. е. полисахариды, которые состоят из двух или более различных моносахаридов. Представителями гомополисахаридов являются крахмал, гликоген, целлюлоза; представителями гетерополисахаридов — гемицеллюлоза, камеди и слизи.

Различают также полисахариды, состоящие из остатков пентоз — пентозаны и из остатков гексоз — гексозаны. К пентозанам (C5H8O4)n относится арабан, ксилан; к гексозанам (С6Н10О5)n — крахмал, гликоген, целлюлоза, инулин.

Моносахариды

Строение моносахаридов

Моносахариды представляют собой полиоксиrарбонильные соединения (т. е. соединения, имеющие несколько гидроксильных и карбонильную группу) — полиоксиальдегиды (альдозы) или полиоксикетоны (кетозы).

Представителем полиоксиальдегидов является глюкоза, полиоксикетонов — фруктоза:Представителем полиоксиальдегидов является глюкоза, полиоксикетонов — фруктоза

В зависимости от структурной конфигурации различают моносахариды D-ряда и L-ряда. Известны два глицериновых альдегида, которые могут быть изображены формулами I и II:два глицериновых альдегида, которые могут быть изображены формулами I и II

Моносахариды, у которых замещающие группы при углеродном атоме, ближайшем к первичной спиртовой группе — СН2ОН, имеют то же пространственное расположение, что и D-глицериновый альдегид, причисляются к D-ряду. К L-ряду относят моносахариды, имеющие у того же углеродного атома строение, подобное L-глицериновому альдегиду. Почти все природные изомеры моносахаридов относятся к D-ряду; L-формы встречаются редко.

Установлено, что моносахариды существуют также в виде циклических соединений. Циклическая форма образуется в результате взаимодействия карбонильной группы моносахарида с одной из его спиртовых групп. Превращение открытой формы моносахарида в циклическую сопровождается образованием кислородного «мостика». У глюкозы он образуется между первым и пятым углеродными атомами, у фруктозы — между вторым и шестым. В настоящее время установлено, что в растворах D-глюкоза существует в трех взаимопревращающихся формах, две из которых являются циклическими.

Рисунок 1 - Взаимопревращающиеся формы D-глюкозы
Рисунок 1 — Взаимопревращающиеся формы D-глюкозы

Аналогичные взаимопревращения трех форм установлены также для других моносахаридов, в том числе и для D-фруктозы:

Рисунок 2 - Взаимопревращающиеся формы D-фруктозы
Рисунок 2 — Взаимопревращающиеся формы D-фруктозы

В зависимости от расположения гидроксильной группы при первом углеродном атоме (в кетозах — при втором) различают α- и β-формы моносахаридов. Известны циклические формы моносахаридов, в которых кислородный мостик охватывает не пять, а только четыре углеродных атома. Циклическая форма гексозы, в которой кислородный мостик охватывает пять углеродных атомов, является производным пирана и называется пиранозой. Если же кислородный мостик охватывает четыре углеродных атома, то такая форма является производным фурана и называется фуранозой. Пиранозы являются устойчивыми формами моносахаридов, фуранозы — неустойчивыми

Превращение углеводов и белков в бродильных производствах В. Хеуорс предложил так называемые перспективные формулы. Согласно этому предложению циклическую молекулу моносахарида условно считают плоской. Для изображения на бумаге ее мысленно располагают таким образом, чтобы кислородный атом пиранозного кольца» находился нa наибольшем расстоянии от глаза наблюдателя справа (у фуранозного кольца — посередине), а углеродная цепь была бы обращена выпуклой стороной к наблюдателю. Затем расположенную таким образом молекулу изображают, как это представлено ниже, причем обычно часть молекулы, приближенную к наблюдателю, показывают жирной линией.

В твердом виде моносахариды существуют в виде циклических форм. Водный раствор моносахарида представляет собой сложную систему, в которой находятся в состоянии равновесия α- и β-пиранозы, α- и β-фуранозы и карбонильная форма.

Рисунок 3 - Перспективные формулы моносахаридов
Рисунок 3 — Перспективные формулы моносахаридов

Общие свойства моносахаридов

Моносахариды — это кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, плохо — в спирте и нерастворимые в эфире. Из пересыщенных чистых водных растворов они сравнительно хорошо кристаллизуются.

Важным свойством моносахаридов и других углеводов является их оптическая активность. Оптической активностью называется способность вещества и его растворов изменять (вращать) плоскость поляризации света. Оптическая активность моносахаридов обусловлена наличием в их молекуле асимметрических атомов углерода, т. е. таких, все четыре валентные связи которых соединены с различными атомами или группами атомов. Моносахариды, как и другие органические вещества, содержащие асимметрический атом углерода, проявляют оптическую активность .в растворенном состоянии.

Различают вещества, изменяющие плоскость поляризации света по часовой стрелке — правовращающие — и против часовой стрелки — левовращающие. Если через раствор оптически активного вещества проходит поляризованный луч, то он вращает плоскость поляризации. Плоскость поляризации вышедшего луча оказывается повернутой па некоторый угол, называемый углом поворота плоскости поляризации. Величина этого угла зависит от природы вещества, толщины слоя раствора (длины пути луча), концентрации вещества в растворе, длины волны поляризуемого света и температуры.

Для сравнения оптической активности различных оптически активных веществ введено понятие удельного вращения. Удельным вращением называют угол поворота плоскости поляризации, который производит раствор, содержащий 100 г вещества в 100 мл раствора при толщине слоя этого раствора 1 дм (100 мм); условились удельное вращение измерять при 20° С в желтом свете натриевого пламени и обозначать индексом [α]20D.

Каждое оптически активное вещество характеризуется определенной величиной удельного вращения при растворении его в определенном растворителе. Так, Удельное вращение D-глюкозы [α]20D =+52,5°; [α]20D D-фруктозы = —92°. Знак ( + ) обозначает правое вращение, а знак (—) — левое. Свежеприготовленные растворы некоторых моносахаридов не сразу показывают свойственное им удельное вращение. Вращательная способность таких растворов изменяется на холоду медленно, а при известных условиях (нагревании, незначительном количестве щелочи) — быстро. Это явление постепенного изменения удельного вращения называется мутаротацией и объясняется наличием α- и β-форм молекул моносахаридов. Например, α-D-глюкоза имеет удельное вращение [α]20D = + 113°, β-D-глюкоза = + 19°. Свежеприготовленный раствор одной из этих форм постепенно изменяет свое вращение, пока не достигнет среднего значения, соответствующего удельному вращению + 52,5°, при котором обе формы глюкозы находятся в равновесии. Оптическую активность углеводов используют для количественного определения их в технохимическом контроле бродильных производств.

При высоких температурах моносахариды разлагаются; растворы их при этом приобретают окраску от желтой до темно-коричневой в зависимости от интенсивности и длительности нагрева. В кислой среде моносахариды относительно устойчивы. С повышением температуры их устойчивость понижается. Минимальное количество глюкозы распадается при pH 3,4, фруктозы — при pH 3,6 и арабинозы — при pH 2,8. Более или менее продолжительное нагревание с кислотами в малых и средних концентрациях вызывает разложение моносахаридов: из гексоз образуется оксиметилфурфурол, из пентоз — фурфурол. Оксиметилфурфурол мало устойчив и, легко разлагаясь, превращается в кислоты левулиновую и муравьиную.

Под действием очень малых количеств кислоты на моносахариды при нагревании происходит реверсия — реакция конденсации остатков моносахаридов с образованием декстриноподобных веществ. Значительное влияние на процесс реверсии оказывают концентрация моносахарида и температура. Высокая концентрация моносахарида в растворе является важнейшим условием активного протекания реверсии. К щелочам моносахариды крайне неустойчивы. В слабощелочной среде они претерпевают внутримолекулярные перегруппировки, следствием чего является частичный переход их в другие моносахариды. Например, D-глюкоза переходит частично в D-фруктозу и D-маннозу. В растворе щелочи происходит разложение моносахаридов, сопровождающееся образованием многочисленных продуктов, главным образом оксикислот (гликолевая, глицериновая, триоксимасляная, молочная, сахариновая и многие др.). При действии щелочей па моносахариды наблюдается также окрашивание раствора в коричневый цвет (осмоление).

Моносахариды представляют собой весьма лабильные вещества, склонные ко многим разнообразным превращениям, направление н характер которых определяются наличием в молекуле моносахарида карбонильной и гидроксильных групп.

Подобно альдегидам и кетонам, моносахариды легко окисляются, восстанавливают медь из двухвалентной в одновалентную, а одновалентное серебро — до металлического.

При окислении моносахаридов в зависимости от условий могут образовываться различные продукты. Слабые окислители окисляют только альдегидную группу моносахаридов, в результате чего образуется одноосновная спиртокислота. Под действием сильных окислителей окислению подвергается Также первичная спиртовая группа и образуется двухосновная спиртокислота; в частности, когда окислению подвергается только первичная спиртовая группа; образующиеся в этом случае кислоты называются уроновыми. Окисление моносахаридов слабыми окислителями применяют в технохимическом контроле бродильных производств для определения содержания сахаров. В качестве окислителя используют раствор (жидкость) Фелинга, который состоит из сернокислой меди, едкого натра и калия-натрия виннокислого (сеньетовой соли). Раствор Фелинга окисляет все моносахариды и те олигосахариды, которые содержат свободную карбонильную группу (свободный гликозидный гидроксил). Сахара, способные восстанавливать окись меди или других металлов, называют редуцирующими (восстанавливающими). По количеству полученной закиси меди находят содержание сахара.

Моносахариды, как и спирты, образуют простые и сложные эфиры.

а- и β-формы моносахаридов вступают в реакцию со спиртами и образуют а- и β-гликозиды. Гликозиды  глюкозы называются глюкозиды; ранее этот термин применялся для названия гликозидоd всех сахаров

Превращение углеводов и белков в бродильных производствахГидроксильные группы, расположенные у первого углеродного атома альдоз и у второго аnома кетоз называются гликозидными гидроксилами. Следовательно, метилгликозиды представляют собой простые эфиры, которые образуются в результате взаимодействия гликозидного гидроксила моносахарида с метиловым спиртом.

Моносахариды, реагируя с кислотами, ооразуют сложные эфиры. Фосфорнокислые эфиры гексоз играют важную роль в процессах дыхания и брожения.

Редуцирующие сахара и другие соединения, обладающие свободными карбонильными группами, способны взаимодействовать с аминокислотами и другими азотсодержащими веществами, в составе которых имеются аминные группы; образующиеся при этом вещества называются меланоидины. Образование меланоидинов представляет собой сложный окислительно-восстановительный процесс. Меланоидины обладают характерным вкусом, ароматом и темной окраской. Реакция меланоидинообразования может протекать в довольно широких пределах pH среды, в щелочных растворах она ускоряется. Для реакции меланоидинообразования не требуется высокой температуры, однако при повышении температуры скорость реакции значительно возрастает.

По способности к меланоидинообразованию моносахариды располагаются в следующий ряд: пентозы — ксилоза и арабиноза, гексозы — манноза, галактоза, фруктоза и глюкоза; дисахарид мальтоза обладает меньшей способностью к образованию меланоидинов, чем моносахариды.

Представители моносахаридов

D-глюкоза

D-глюкоза (декстроза, виноградный сахар) широко распространена в растениях в свободном виде и входит в состав крахмала, клетчатки, гемицеллюлоз, гликогена, декстринов, сахарозы, мальтозы, раффинозы. Из пересыщенных растворов в температурном интервале 0,5—50°С глюкоза выкристаллизовывается в виде пластинок в моногидратной форме С6Н12О6·Н2О в температурном интервале 50—90°С  выкристаллизовывается ангидридная (безводная) глюкоза (C6Hi20 6). Глюкоза хорошо растворяется в воде, трудно в спирте, нерастворима в эфире. Растворимость в воде с повышением температуры быстро увеличивается. Удельное вращение D-глюкозы в водных растворах после окончания мутаротации [α]20D =+52,5°.

D-фруктоза

D-фруктоза (левулеза, плодовый сахар). D-фруктоза содержится в зеленых частях растений, в нектаре цветов, в плодах, в меде. Входит в состав сахарозы, раффинозы, инулина. Кристаллизационная способность фруктозы ниже, чем глюкозы. Из водных растворов фруктоза кристаллизуется в виде иголочек, имеющих состав 2С6Н12О6·Н2О, из спиртовых — в виде безводных ромбических призм. Фруктоза хорошо растворяется в воде, в спирте, а также в смеси спирта и эфира, причем легче, чем глюкоза. Фруктоза обладает более сладким вкусом, чем другие сахара. Удельное вращение D-фруктозы [α]20D = —92,0° довольно заметно изменяется с изменением температуры. Фруктоза как кетоза отличается от глюкозы и других альдоз более трудной оки-сляемостью. Так, в щелочной среде йодом фруктоза не окисляется, тогда как глюкоза в этих условиях окисляется. В отличие от глюкозы для фруктозы характерна меньшая способность противостоять нагреванию, а также действию щелочей и кислот.

D-галактоза

D-галактоза встречается в растениях в виде составной части мелибиозы, раффинозы, полисахаридов (гемицеллюлоз, гумми-веществ и др.). Кристаллизуется из воды в виде моногидрата (С6Н12О6·Н2О). Удельное вращение D-галактозы [α]20D= +80,2°.

D-манноза

D-манноза встречается в растениях .в виде составной части полисахаридов — гемицеллюлоз, гумми-веществ. Хорошо растворима в воде. Явление мутаротации сопровождается у нее изменением направления вращения  [α]20D —16,5° до +14,2°.

D-ксилоза

D-ксилоза (С5Н10О5) встречается .в растениях в виде составной части гемицеллюлоз, гумми-веществ и в небольших количествах в свободном виде. Ксилоза растворима в воде, нерастворима в эфире и большинстве органических растворителей. Кристаллизуется из воды в виде призм. Удельное вращение водных растворов после окончания мутаротации [α]20D = +18,8°.

L-арабиноза

L-арабиноза 5Н10О5) широко распространена в растениях в виде составной части гемицеллюлоз, гуммивеществ, пектиновых веществ. Хорошо кристаллизуется из спирта в виде призм, хорошо растворима в воде, обладает сладким вкусом. Дает явление мутаротации, удельное вращение в водных растворах после окончания мутаротации [α]20D= + 104,5°.

Олигосахариды

Общие свойства олигосахаридов

Олигосахариды хорошо растворимы в воде, нерастворимы в этиловом спирте и большинстве органических растворителей. По отношению к кислотам крайне не­ устойчивы: даже малые количества кислоты при обычной температуре вызывают гидролиз олигосахаридов с образованием моносахаридов. К щелочам относительно устойчивы; небольшие количества щелочи не разлагают и не осмоляют олигосахариды.

Дисахариды представляют собой гликозиды, так как соединение остатка двух молекул моносахарида происходит за счет гликозидного гидроксила одного моносахарида и одной из гидроксильных групп другого моносахарида; в результате выделяется одна молекула воды и образуется молекула дисахарида. Если при образовании дисахарида моносахариды соединяются за счет обоих своих гликозидных гидроксилов, то образовавшийся дисахарид не обладает восстанавливающей способностью и не восстанавливает медь жидкости Фелинга. К таким дисахаридам относится сахароза. Если же моносахариды соединены .в молекуле дисахарида таким образом, что гликозидный остаток одного из них остается свободным, то такой дисахарид восстанавливает жидкость Фелинга. К таким дисахаридам относится мальтоза, мелибиоза.

Представители олигосахаридов

Сахароза (С12Н22О11)

Сахароза (С12Н22О11 широко распространена в природе. Она содержится в сахарной свекле, сахарном тростнике и в небольших количествах .во многих растениях (фрукты, ягоды, зерновые зл’аки и другие). Сахароза представляет собой дисахарид, состоящий из остатков D-глюкозы и D-фруктозы. Сахароза хорошо растворима в воде; с повышением температуры растворимость быстро повышается. В спирте (безводном) не растворяется, в водно-спиртовых растворах растворимость тем больше, чем больше воды содержит смесь. Легко кристаллизуется в большие моноклинические кристаллы. Удельное вращение сахарозы мало изменяется с изменением температуры [α]20D = +66,5°. Под влиянием кислот и фермента β-фруктофуранозидазы (сахаразы) сахароза в водном растворе, присоединяя воду, распадается на глюкозу и фруктозуПод влиянием кислот и фермента β-фруктофуранозидазы (сахаразы) сахароза в водном растворе, присоединяя воду, распадается на глюкозу и фруктозу Реакция гидролиза сахарозы называется инверсией сахарозы.

Образующаяся при инверсии смесь равных количеств глюкозы и фруктозы называется инвертным сахаром. Сахароза не содержит свободного гликозидного гидроксил’а и поэтому не дает явления мутаротации.

Высушивание сахарозы при температуре 100—105° С не вызывает заметного изменения ее. При нагревании до 150° С и выше происходит разложение сахарозы — карамелизация; образовавшиеся вещества — карамели — являются сложными смесями горького вкуса и окрашены в бурый цвет.

Мальтоза (С12Н22О11

Мальтоза 12Н22О11 — дисахарид, состоящий из двух остатков глюкозы. Мальтоза образуется из крахмала при действии на него фермента амилазы. Содержится в солоде (проросшем зерне) и поэтому называется также солодовым сахаром. Хорошо растворима в воде, дает явление мутаротации, удельное вращение в водных растворах [α]20D = 130,4°, восстанавливает медь жидкости Фелинга. Под действием кислот и фермента α-глюкозидазы (мальтазы) разлагается с образованием глюкозы

Под действием кислот и фермента α-глюкозидазы (мальтазы) разлагается с образованием глюкозыМелибиоза  12Н22О11

Мелибиоза 12Н22О11) — дисахарид, состоящий из остатков глюкозы и галактозы; входит в состав трисахарида раффинозы, встречается в растениях и в свободном виде. Мелибиоза является кристаллическим веществом; кристаллизуется с двумя молекулами воды; обладает восстанавливающей способностью, дает явление мутаротации. Под действием кислот и фермента а-галактозидазы (мелибиазы) мелибиоза распадается на глюкозу и галактозу

Под действием кислот и фермента а-галактозидазы (мелибиазы) мелибиоза распадается на глюкозу и галактозуТрисахариды

Раффиноза 18Н32О16)

Раффиноза 18Н32О16) встречается во многих растениях, в частности в корнях сахарной свеклы. Кристаллизуется с пятью молекулами воды в виде длинных игл или призм. Удельное вращение водных растворов
[α]20D (считая нa ангидрид) = 123,010. Восстанавливающей способностью не обладает. При нагревании с кислотами подвергается гидролизу и распадается на глюкозу, фруктозу и галактозу. Под действием фермента рфруктофуранозидазы распадается на фруктозу и мелибиозу, под действием а-галактозидазы — на галактозу и сахарозу.

Кестоза 18Н32О16)

Кестоза 18Н32О16) состоит из остатков одной молекулы глюкозы и двух молекул фруктозы. Образуется в результате микробиологических процессов при переработке сахарной свеклы на сахар; содержится в мелассе (отход сахарного производства). Восстанавливающей способностью не обладает, оптически активна. Под действием кислот и фермента β-фруктофуранозидазы разлагается на глюкозу и фруктозу.

Полисахориды

Полисахариды — это высокомолекулярные углеводы, построенные из остатков моносахаридов, преимущественно в пиранозных формах, реже — в фуранозных. Полисахариды построены по типу гликозидов. Остатки моносахаридов в молекуле полисахарида могут располагаться в виде длинной цепи (линейные полисахариды) или в виде разветвленной цепи (разветвленные, или ветвистые, полисахариды). Молекулярные массы природных полисахаридов составляют от нескольких тысяч до миллионов.

Полисахариды — бесцветные, обычно аморфные вещества. Они делятся на растворимые и нерастворимые в воде; растворимые полисахариды образуют вязкие коллоидные растворы, нерастворимые — набухают. В большинстве органических растворителей полисахариды не растворимы. Под действием кислот при нагревании полисахариды подвергаются гидролизу. Промежуточными продуктами гидролиза являются полисахариды с меньшей молекулярной массой или олигосахариды; конечными продуктами — моносахариды.

Представители полисахоридов

Крахмал (С6Н10О5)n

Крахмал (С6Н10О5)n является самым распространенным запасным углеводом растений (картофель, зерновые злаки и др.), образующимся в результате фотосинтеза. В растениях крахмал встречается в виде зерен
различной формы и величины; размеры крахмальных зерен колеблются от 0,002 до 0,15 нм (размер зерен крахмала считают по длине его наибольшей оси). Крахмальное зерно состоит из концентрических слоев, представляющих собой радиально расположенные кристаллические мицеллы. Природный крахмал, содержащийся в растениях в неизмененном виде, называется нативным.

По внешнему виду крахмал представляет собой белый порошок. Плотность безводного крахмала 1,633 — 1,648, воздушносухого (10 — 20% воды) 1,5— 1,6. Крахмал оптически активен; удельное вращение его колеблется от 176,8 до 203,0°. С йодом крахмал дает характерное синее окрашивание. Эта реакция весьма чувствительна и позволяет обнаруживать присутствие очень незначительных количеств крахмала.

Крахмал является типичным гидрофильным коллоидом. Он состоит из двух полисахаридов: амилозы и амилопектина, их соотношение в крахмале растений обычно составляет 1:4; известны сорта кукурузы, в которой нет амилозы, а в некоторых бобовых растениях ее содержание в крахмале доходит до 75%. Амилоза и амилопектин построены из остатков D-глюкозы. Амилоза представляет собой линейный полисахарид с а-1,4-связями между остатками D-глюкопиранозы.

Рисунок 4 - Амилоза
Рисунок 4 — Амилоза

Амилопектин имеет разветвленное строение. Остатки D-глюкопиранозы в линейных участках амилопектина связаны, как и в амилозе, α-1,4-связями, а в точках разветвления имеются связи α-1,6.

Рисунок 5 - Амилопектин
Рисунок 5 — Амилопектин

Кроме указанных полисахаридов, в крахмале содержатся минеральные вещества, высокомолекулярные жирные кислоты, липиды, азотистые и другие вещества. Минеральные вещества представлены главным образом фосфорной кислотой; содержание их составляет от 0,2 до 0,7%. Из высокомолекулярных кислот в крахмале содержатся пальмитиновая, стеариновая и другие в количестве до 0,6%.

Крахмал (амилоза и амилопектин) нерастворим в холодной воде, спирте и эфире. Амилоза легко растворима теплой воде и образует растворы незначительной вязкости. Амилопектин растворяется в воде при нагревании под давлением и дает очень вязкие растворы. Растворы амилозы весьма нестойки и при стоянии из них выделяются кристаллические осадки. Амилопектин, наоборот, дает чрезвычайно стойкие растворы. Амилоза дает с йодом синюю окраску, амилопектин — синефиолетовую.

В теплой воде крахмал набухает и превращается в гель. Степень набухания крахмала зависит от температуры. Кукурузный крахмал при температуре 55°С почти не набухает, при 80°С крахмальные зерна набухают и увеличиваются в размере в 25 и более раз, а при температуре 120°С структура зерен кукурузного крахмала полностью нарушается.

При постепенном нагревании с водой крахмал превращается в вязкий коллоидный раствор, называемый крахмальным клейстером. Увеличение вязкости клейстера происходит за счет амилопектина, который сильно набухает, но не растворяется, тогда как амилоза растворяется. Температура, при которой крахмальный клейстер приобретает наибольшую вязкость, называется температурой клейстеризации. Температура клейстеризации неодинакова для крахмалов различных видов и лежит .в определенных интервалах. Так, температура клейстеризации ячменного крахмала 60 — 80, кукурузного 65 — 75, пшеничного 54 — 62, ржаного 50 — 55 и картофельного 59 — 64°С.

Добавление нейтральных солей и щелочей снижает температуру клейстеризации. В присутствии сахара температура клейстеризации повышается. При нагревании до 110°С клейстер начинает разжижаться, при 120 —130°С становится жидким.

Под действием кислот и фермента амилазы крахмал подвергается гидролизу. При гидролизе крахмала образуются сахара и поэтому этот процесс называют осахариванием.

При кипячении с кислотами крахмал превращается в глюкозу. Под действием фермента амилазы, содержащейся в проросшем зерне — солоде, крахмал расщепляется с образованием в качестве конечного продукта мальтозы; при гидролизе крахмала ферментами плесневого гриба Aspergillus niger образуется преимущественно глюкоза. В качестве промежуточного продукта при гидролизе крахмала образуются полисахариды различной молекулярной массы, называемые декстринами. В первой стадии гидролиза образуются декстрины, мало отличающиеся от крахмала по размерам молекулы и свойствам. С йодом они дают фиолетово-синюю окраску.

По мере дальнейшего гидролиза молекулярная масса декстринов уменьшается и изменяется их окраска с йодом. Различают следующие четыре группы декстринов: амилодекстрины, эритродекстрины, ахроодекстрины, мальтодекстрины, отличающиеся по окраске с йодом и растворимости в этиловом спирте (таблица 1).

Таблица 1 - Растворимость декстринов в этиловом спирте и их окраска с йодом
Таблица 1 — Растворимость декстринов в этиловом спирте и их окраска с йодом

Гидролиз крахмала может быть представлен схемой: крахмал → растворимый крахмал → декстрины (амило-, эритро-, ахроо, мальто-) → мальтоза → глюкоза.

Дрожжи крахмала и декстринов не сбраживают.

Гликоген (животный крахмал) 6Н10О5)n

Гликоген (животный крахмал) 6Н10О5)n является резервным полисахаридом, общим для всех животных организмов, а также некоторых дрожжей и бактерий. Он представляет собой разветвленный полисахарид, состоящий из остатков D-глюкозы. По внешнему виду— это белый аморфный порошок, растворимый в воде с образованием опалесцирующих растворов. Йодом окрашивается в буро-коричневый или красно-бурый цвет. При кипячении с кислотами превращается в глюкозу.

Инулин  (С6Н10О5)n

Инулин 6Н10О5)n содержится в клубнях земляной груши (топинамбур), корнях цикория и в других растениях. Представляет собой полисахарид, построенный из остатков D-фруктозы. Степень полимеризации инулина равна примерно 35 моносахаридным остаткам. По внешнему виду — это бесцветные кристаллы или белый аморфный порошок. В холодной воде инулин нерастворим, но  растворяется в горячей воде. При нагревании с водой, а также с минеральными и органическими кислотами легко гидролизуется и превращается во фруктозу.

Целлюлоза (клетчатка) 6Н10О5)n

Целлюлоза (клетчатка)  (С6Н10О5)n является составной частью клеточных стенок растений. В древесине содержится 40 — 50% целлюлозы в расчете на сухое вещество. Целлюлоза представляет собой линейный полисахарид, состоящий из остатков D-глюкозы. Степень полимеризации целлюлозы (число глюкозных остатков в цепи) установлена превышающей 100, что соответствует молекулярной массе около 15000. В воде целлюлоза нерастворима и только набухает в ней. При кипячении с минеральными кислотами (серной, соляной) превращается в глюкозу.

Гемицеллюлозы

Гемицеллюлозы (полуклетчатки), как и целлюлоза, являются составными частями растительных клеточных стенок. Они содержатся в значительном количестве в соломе, древесине, стержнях кукурузных початков, в отрубях. Заметные количества гемицеллюлоз содержатся в зернах злаков. Гемицеллюлозами называют совокупность полисахаридов клеточных стенок растений, которые можно экстрагировать (извлекать) водными растворами щелочей. В воде гемицеллюлозы нерастворимы. В состав гемицеллюлоз входят гексозаны и пентозаны. Гемицеллюлозы гидролизуются кислотами легче, чем целлюлоза; при гидролизе образуются пентозы (арабиноз’а или ксилоза) и гексозы (манноза, галактоза и другие).

Пектиновые выщества

Пектиновые вещества представляют собой высокомолекулярные соединения углеводной природы, содержащиеся. в нерастворимой или растворимой форме в ягодах, фруктах, клубнях картофеля, корнях сахарной свеклы и других растениях. Нерастворимые пектиновые вещества, так называемый протопектин, составляют большую часть межклеточного вещества и первичных стенок молодых растительных клеток; особенно богаты протопектином ткани, клетки которых лишены вторичных стенок, например мякоть плодов. Растворимые пектиновые вещества содержатся главным образом в со­ках растений. Протопектин под действием разбавленных кислот превращается .в растворимый пектин. Последний состоит главным образом из D-галактуроновой кислоты, в малых количествах в нем обычно присутствуют Lарабиноза и D-галактоза, реже — D-ксилоза, L-рамноза и другие. Часть остатков уроновых кислот в пектиновых веществах этерифицнрована метиловым спиртом. При действии на растворимый пектин разбавленных щелочей и фермента пектинэстеразы (пектазы) метоксильные группы легко отщепляются и образуется метиловый спирт. Пектиновые вещества в спиртовом производстве являются источником образования метилового спирта, который считается вредной примесью, удаляемой в процессе ректификации этилового спирта.

Растворимый пектин является гидрофильным коллоидом с отрицательным зарядом. При получении плодово-ягодных соков содержащийся в них растворимый пектин создает условия, затрудняющие осветление, — соки получаются мутными. Использование мутных плодово-ягодных соков в производстве ликеро-наливочных изделий и безалкогольных напитков ухудшает их внешний вид. Поэтому иногда в производстве плодовоягодных соков практикуют обработку плодово-ягодного сырья пектолитическими ферментами для расщепления пектиновых веществ. Это повышает выход сока и дает возможность получать хорошо осветленные соки.

Камеди и слизи (гумми-вещества)

Камеди — это полисахариды, выделяющиеся в виде вязких растворов и образующие стеклообразную массу при повреждении коры многих растений. Слизи — это полисахариды, родственные камедям, но содержащиеся обычно в неповрежденных растениях. Образование камедей в растении обычно связывают с патологическим состоянием — повреждениями механическими или инфекционными (например, бактериями или плесневыми грибами) и просто с неблагоприятными условиями существования. Слизи являются продуктами нормального метаболизма (обмена веществ) растения. Слизи содержатся в зернах злаков. Сравнительно много их в зерне ржи — около 2,5% от сухого вещества зерна. В настоящее время камеди и слизи нельзя разграничить по химическому строению; среди слизей гораздо больше полисахаридов с относительно простой структурой. Камеди являются гетерополисахаридами, состоящими из нескольких моносахаридов, в том числе может быть одна или несколько уроновых кислот. Среди слизей встречается  много нейтральных гетеро- и гомополисахаридов. При гидролизе слизей получают пентозы (ксилозу, арабипозу) и гексозы (глюкозу и галактозу, иногда — маннозу).

Белковые вещества

Классификация белков

Белковые вещества относятся к высокомолекулярным соединениям, отличительной особенностью которых является большая молекулярная масса и большой размер молекул. В состав белков входит углерод, водород,  кислород, азот и почти всегда сера; некоторые белки содержат также фосфор. Все белки разделяют на две группы:

  • протеины, или простые белки, состоящие только из остатков аминокислот;
  • протеиды, или сложные белки, которые являются соединением простого белка с каким-либо веществом небелковой природы, называемым простетической группой.

Протеины в зависимости от способности растворяться в определенном растворителе разделяют на альбумины, глобулины, проламины и глютелины. Альбуминами называют белки, растворяющиеся в воде, глобулинами— белки, не растворимые в воде, но растворимые в водных растворах различных солей (часто в качестве растворителя для глобулинов пользуются раствором хлористого натрия). К глобулинам относятся белки картофеля и сахарной свеклы.

Проламины — белки, не растворимые в воде и солевых растворах, но растворяющиеся в 60 — 80%-ном этиловом спирте. Они содержатся исключительно в семенах злаков. Известны следующие проламины: глиадин в семенах пшеницы и ржи; гордеин в семенах ячменя; зеин в семенах кукурузы; авеин в семенах овса.

Глютелины — белки, растворимые только в растворах щелочей. Представителями их являются глютенин из семян пшеницы, глютелин кукурузы и оризенин риса.

Протеиды в зависимости от химической природы их простетической группы разделяют на липопротеиды, глюкопротеиды, хромопротеиды и нуклеопротеиды. В линопротеидах простетической группой являются’ различные жироподобные вещества—липоиды. Глюкопротеиды имеют в качестве простетической группы какой-либо высокомолекулярный углевод; простетическая группа хромопротеидов содержит железо, медь. В нуклеопротеидах простетической группой является нуклеиновая кислота.

Нуклеиновые кислоты представляют собой органические кислоты с большой молекулярной массой, растворяющиеся в щелочных растворах; при гидролизе они распадаются на пуриновые и пиримидиновые основания, моносахариды (рибозу или дезоксирибозу) и фосфорную кислоту.

Нуклеиновые кислоты являются полимерными соединениями, молекулы которых построены путем многократного повторения нескольких основных (мономерных) единиц, называемых нуклеотидами. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания (пуринового или пиримидинового), пентозы (рибозы или дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты. Имеется два типа нуклеиновых кислот, различающихся между собой по тому, какой сахар входит в их состав (рибоза или D-2-дезоксирибоза). Нуклеиновые кислоты, содержащие D-2-дезоксирибозу, называются дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК), содержащие D-рибозу — рибонуклеиновой кислотой (РНК).

Соединения, в которых рибоза или дезоксирибоза связана с каким-либо из пуриновых или пиримидиновых оснований, называются нуклеозиды. Одним из представителей нуклеозидов являются аденозин — соединение аденина (пуриновое основание) с рибозой.  Нуклеозиды, соединяясь с одной молекулой фосфорной кислоты, образуют нуклеотиды. Нуклеотид, представляющий собой соединение аденозина с одной молекулой фосфорной кислоты, называется аденозинмонофосфатом, или адениловой кислотой. Адениловая кислота может присоединить к своему фосфатному радикалу еще один или два остатка фосфорной кислоты; в первом случае образуется аденозиндифосфат (АДФ), во втором — аденозинтрифосфат (АТФ).

Аденозинмонофосфорная, аденозиндифосфорная и аденозинтрифосфорная кислоты чрезвычайно важны в обмене веществ, в частности в процессах дыхания и брожения.

Свойства белков

Белки при кипячении под действием электролитов и органических растворителей коагулируют. Для них характерно явление денатурации, заключающееся в значительном изменении свойств: понижении растворимости, увеличении вязкости, потере биологической активности.

Примером денатурации может служить свертывание яичного белка при нагревании и происходящая при этом потеря им растворимости в воде. Белки, потерявшие природные свойства, называются денатурированными. Денатурация белков происходит под воздействием тех же факторов, что и коагуляция. Однако денатурация не является обычной коагуляцией, а связана со значительными изменениями белка. Белки из раствора можно осадить прибавлением солей (сернокислого аммония, сернокислого натрия и др.) и органических растворителей (этилового или изопропилового спирта). Такое осаждение называется высаливанием. Процесс высаливания обратим и при разбавлении осадок снова Переходит в раствор. Высаливание широко применяют при получении в чистом виде белков и ферментов.

Белки способны набухать, т.е. впитывать значительное количество воды, что сопровождается увеличением их объема. Белковые вещества, состоящие из остатков аминокислот, содержат карбоксильные и аминные группы и являются амфотерными электролитами, т. е. могут диссоциировать и как кислоты, и как основания. В зависимости от реакции растворителя белок может диссоциировать как кислота (в щелочном растворе) или как щелочь (в кислом растворе). В щелочном растворе молекулы белка будут заряжены отрицательно, а в кислом— положительно. Белки являются слабыми электролитами и поэтому как кислая, так и щелочная диссоциация растворов белков выражена слабо. Если через раствор белка пропустить электрический ток, то в кислом растворе молекулы белка будут двигаться к катоду, а в щелочном — к аноду. Изменяя реакцию (pH) раствора белка путем добавления небольших количеств кислоты или щелочи, можно уравновесить число положительных и отрицательных зарядов, вследствие чего белковые молекулы не будут передвигаться в электрическом поле. Такое состояние системы называется изоэлектрическим. Значение pH, при котором система находится в изоэлектрическом состоянии, называется изо электрической точкой, величина которой различна для каждого белка. Приведем изоэлектрические точки не которых белков.

Таблица 2 - Изоэлектрические точки не которых белков
Таблица 2 — Изоэлектрические точки не которых белков

Под действием кислот, щелочей и протеолитических  ферментов белки подвергаются гидролизу. Конечным продуктом гидролиза белков являются аминокислоты, промежуточными продуктами — полипептиды, которые называют также пептидами.

Представители белков

Ячменный альбумин (лейкозин)

Ячменный альбумин (лейкозин) по своим химическим свойствам — нейтральный белок и из всех известных в настоящее время нативных (природных) белков содержит наибольшее количество серы (1,6—2,2%). Водные растворы его начинают коагулировать при температуре 59° С. Ячменный ‘альбумин высаливается сернокислым аммонием ,в нейтральной среде и хлористым натрием при подкислении. Молекулярная масса лейкозина составляет 35000.

Ячменный глобулин (эдестин)

Ячменный глобулин (эдестин) выпадает из солевых растворов при разбавлении их водой или при полунасыщении сернокислым аммонием; высаливается хлористым натрием и сернокислым магнием в нейтральной среде, начинает коагулировать при температуре 90° С.

Ячменный глобулин разделен на четыре фракции, имеющие следующие молекулярные массы: а-глобулин 26000, Р-глобулин 100000, γ-глобулин 160000, δ-глобулин 300000.

Растворимый в слабых солевых растворах эдестин переходит в пивное сусло и может являться причиной образования мути в пиве.

Ячменный проламин (гордеин)

Ячменный проламин (гордеин) состоит из пяти различных компонентов а, β, γ, δ, ε, состав которых неодинаков по количеству содержащихся в них аминокислот. Молекулярная масса гордеина 27 500.