No module Published on Offcanvas position

ПОЛИФЕНОЛЫ ЯЧМЕНЯ, СОЛОДА, СУСЛА И ПИВА

Вторым важнейшим компонентом коллоидной мути пива являются вещества, относящиеся к полифенолам. До недавнего времени вещества этой группы называли дубильными веществами, или танинами, но, как указы­вает Грамшау [119], название «полифенолы» более пра­вильно и в настоящее время является общепринятым.

Участие дубильных веществ в образовании холодной мути пива было установлено еще в 1893 г. Брауном, впервые выделившим препарат холодной мути пива, на 65% состоявшей из белка и на 35% из танинов [91]. В 1929 г. об участии дубильных веществ в образовании холодной мути сообщил Гартонг.

Интенсивные исследования полифенолов пива нача­лись за рубежом в 50-е годы, когда появились специфи­ческие адсорбенты этих веществ, применение которых позволило удалять из пива значительное количество полифенолов, что приводило к существенному повыше­нию стойкости пива. В результате обширных, глубоких исследований установлены особенности строения и свойств полифенолов и их роль в образовании коллоид­ного помутнения пива. В нашей стране изучением по­лифенолов отечественных сортов пива и пивоваренных материалов начали заниматься только в последние годы [68].

Полифенолами называются биополимеры, в основе которых лежат шестичленные гетероциклы с кислородом в качестве гетероатома [24]. Простейшее соединение такого типа пиран:

26.jpg

Широко распространены в природе и имеют боль­шое значение в ряде отраслей пищевой промышленно­сти, в том числе и в пивоварении, вещества и их производные, строение которых может быть выражено формулой Сб—Сз—Сб. Эти вещества часто называют флавоноидами. Молекула флавоноида содержит два бензольных ядра (А и Б), соединенных гетероцикличе­ским пирановым кольцом. Флавоноиды различаются по степени окисленности или восстановленности гетероцик­лического фрагмента:

27.jpg28.jpg

29.jpg30.jpg

К полифенолам близко примыкают другие феноль­ные соединения —фенолкарбоновые кислоты, также имеющие большое значение для пивоварения и обычно включаемые в понятие «полифенолы», хотя они и не содержат гетероциклического фрагмента. Классификация фенольных веществ приведена на рис. 6 [по 39, с изменениями].

31.jpg

Рис. 6. Классификация фенольных соединений.

Для пивоварения наиболее важны следующие груп­пы фенольных веществ:

Флавонолы—желтые красящие вещества, широко распространенные в растениях. Встречаются главным образом в виде глюкозидов. Типичным представителем этой группы является глюкозид кверцитрин с аглюконом кверцетином — 5, 7, 3', 4'-тетраоксифлавон.

При образовании глюкозидов вместо водорода гид­роксила у третьего атома углерода находится остаток сахара. В кверцитрине глюкозидной частью является рамноза, в изокверцитрине — глюкоза. Кверцитрин со­держится в коре дуба, в листьях чая, яблони, в ягодах винограда, в табаке, хмеле.

Вещества типа хлорогеновой кислоты и фенолкарбо­новые кислоты — к этой группе относятся фенолкарбо­новые кислоты, строение которых в общей форме может 56

быть представлено как С6—Ci-соединения (оксибензой- ные кислоты) и Cg—С3-соединения, — производные п- оксикоричной (n-кумаровой) кислоты:

 

32.jpg

33.jpg34.jpg

производные n-гидроксибензойной кислоты:

35.jpg

Ri = R3 = H, R2 = OH — n-гидроксибензойная кис­лота

R1 = r2=OH, R3 = H — протокатеховая кислота

Ri = R2 = R3 = OH — галловая кислота

Ri = H, R2 = OH, R3 = OCH3 — ванилиновая кислота

Ri = R3 = OCH3, R2 = OH — сиреневая кислота производные кофейной кислоты:

36.jpg

R1 = R2=OH, R3 = H— кофейная кислота

Ri = R3 = H, R2 = OH — кумаровая кислота

Rj = H, R2 = OH, R3 = OCH3 — феруловая кислота

Антоцианогены — в эту группу входят флаванолы (катехины), имеющие гидроксильную группу у третьего атома углерода в гетероциклическом кольце, и фла­ван-3,4-диолы (антоцианогены), у которых гидроксиль­ные группы находятся у 3-го и 4-го атомов углерода. Часто эти вещества объединяют под названием поли­гидроксифлаваны. По своему химическому строению они близки к производным флавонола. Флаванолы можно рассматривать как восстановленные флавонолы. Было показано, что восстановлением соответствующих фла­вонолов можно получить лейкоантоцианидины. Вещест­ва именно этой группы имеют особенно большое значе­ние для возникновения коллоидного помутнения пива.

Основой строения катехинов является флаван-3-ол (5, 7, 3', 4'-тетрагидроксифлаван-3-ол):

37.jpg

Катехины представляют собой наиболее восстанов ленную группу флавоноидных соединений. Катехины не образуют глюкозидов, но дают эфиры с галловой кисло­той — катехингаллаты и галлокатехингаллаты. Пред­ставляют собой бесцветные кристаллические вещества, легко растворяющиеся в спирте и ацетоне, трудно — в воде и эфире. Широко распространены в растениях, в том числе в зернах злаков. При кипячении катехинов с разведенными минеральными кислотами выделяются флобафены.

Антоцианогены иногда называют лейкоантоцианиди­ны, проантоцианидины. Название «антоцианогены» предпочтительнее, оно более широкое и помимо лейко- форм антоцианидинов включает вещества, которые мо­гут давать антоцианидины в результате некоторых пред­варительных химических реакций. Однако этот термин используется главным образом в пивоварении. Простей­шее вещество этой группы — лейкоантоцианидин (5, 7, З'Д'-тетрагидроксифлаван-3,4-диол) —- может быть пред­ставлено следующей формулой;

38.jpg

Некоторые исследователи считают эту формулу не совсем правильной и полагают, что истинным лейкоан- тоцианидином является соединение, беднее указанного на 1 молекулу воды, т. е. дегидратированный флаван­диол или флавенол'3.

39.jpg

При обработке концентрированной минеральной кис­лотой лейкоантоцианидины могут переходить в соответ­ствующие антоцианидины — красящие вещества расте­ний. В природе антоцианидины представлены главным образом в виде глюкозидов — антоцианинов. Поэтому имеется большое разнообразие веществ с различными оттенками окраски, от розового до черно-фиолетового. Антоцианидины содержат в гетероциклическом кольце четырехвалентный кислород и легко образуют соли (на­пример, хлориды). Строение антоцианидинов выража­ется следующей формулой:

40.jpg

Характерной особенностью антоцианогенов, присут­ствующих в пивоваренных материалах, является то, что они часто представлены в виде двух- и трехмолекуляр­ных комплексов — би- и трифлаванов, что влияет на бы­строе образование коллоидного помутнения пива.

Одним из важных свойств полигидроксифлаванов (катехинов и антоцианогенов) является их способность соединяться с белками. Эта реакция лежит в основе «дубильного действия» продуктов конденсации полигид­роксифлаванов, так называемых истинных танинов.

Вторым важным свойством полигидроксифлаванов является их способность к конденсации (полимериза­ции), в результате которой образуются продукты высо­кой молекулярной массы —«истинные танины». Поэто­му в классификации Дадика [102] катехины и антоциа- ногены объединены под названием «таниногены».

Конденсация полигидроксифлаванов может идти по двум направлениям:

под влиянием каталитического действия кислот;

под влиянием окисления, причем этот тип конденса­ции может происходить как спонтанно, так и при уча­стии ферментов (полифенолоксидаза, фенилдегидраза).

Грамшау [120] отмечает, что флавандиолы (антоциа- ногены) легче и быстрее полимеризуются в механизме, катализируемом кислотой, флаван-3-олы (катехины) и бифлаваны (антоцианогены) — окислительным путем. Первый тип полимеризации имеет большее значение в условиях низкого содержания воздуха.

После установления участия полифенолов в образо­вании коллоидного помутнения пива на изучение этой группы веществ было обращено большое внимание. Прогресс в этом направлении тесно связан с разработ­кой методов специфической адсорбции полифенолов и разделения смесей этих веществ с помощью хромато­графии на бумаге и колонках. Благодаря этим методам число обнаруженных и в значительной степени иденти­фицированных полифенольных веществ в пиве, сусле, ячмене, хмеле и солоде достигает в настоящее время многих десятков. Среди найденных веществ можно на­звать протокатеховую, ванилиновую, кофейную, галло­вую, сиреневую, феруловую, n-кумаровую, хлорогено- вую и некоторые другие фенолкарбоновые кислоты; флавоноловые глюкозиды, включающие кверцитрин, изокверцитрин и рутин; группу веществ, относящихся к полигидроксифлаванам, — d( + )-катехин и антоциано­гены. Последние составляют особенно многочисленную группу, содержащую вещества различной степени поли­меризации, т.е. различной молекулярной массы.

Состав полифенольных веществ в хмеле существенно отличается от состава этих веществ в ячмене и солоде. В хмеле значительно меньше полигидроксифлаванов, особенно антоцианогенов. Гаррис с помощью бумажной хроматографии установил в экстракте хмеля 77 раз­личных полифенолов. Среди дубильных веществ солода, в отличие от хмеля, он не обнаружил флавонолов. В экстракте из солода он разделил хроматографически 40 полифенольных веществ. Среди полифенолов солода особенно много антоцианогенов, главным образом лей- коцианида и d( + )-катехина [119].

Состав полифенольных веществ сусла и пива разли­чен. Так, Вэй и Макфарлан [155] не обнаружили в пиве 17 флавоноидных соединений, найденных в сусле, а в сусле — 9 флавоноидов пива. Содержание п-кумаровой, феруловой и хлорогеновой кислот было выше в пиве. Все это свидетельствует о происходящих в процессе брожения и дображивания, возможно под влиянием ферментов дрожжей, превращениях полифенольных ве­ществ или о их выделении из дрожжевых клеток.

Используя двумерную хроматографию на бумаге веществ, адсорбированных из пива Нейлоном-66 и По- ликларом АТ, Грамшау [119] выделил во фракциях, элюированных разными растворителями, свыше 90 раз­личных полифенольных веществ, причем более 25 из них давали характерную для антоцианогенов цветную ре­акцию с кислотой.

С помощью ионообменной хроматографии Согава [219] выделил из пива 14 полифенольных фракций, каж­дая из которых содержала от 1 до 10 веществ.

Установлено, что примерно 80% полифенолов сусла происходят из солода и лишь 20% вносятся с хмелем. Поэтому понятно, почему такое большое значение для качества и стойкости пива имеют полигидроксифлава­ны, т. е. антоцианогены и катехины, являющиеся основ­ными полифенольными веществами солода. В зерне эти вещества находятся главным образом в алейроновом слое и при помоле попадают во фракцию крупки. При обычных процессах солодоращения и пивоварения по­лигидроксифлаваны изменяются мало. Они не экстраги­руются из зерна при его замачивании и сохраняются в солоде. Однако при солодоращении обрушенного зерна они частично переходят в замочную воду, частично под- йёргаютсй окислительным превращениям, поскольку удаление перикарпия открывает доступ кислорода к этим веществам. Окисление полифенолов в этом случае катализируется ферментами типа полифенолоксидаз.

Активность ферментов повышается во время зама­чивания и солодоращения, достигая максимума на вто­рые сутки ращения [166]. Сушка солода в значительной степени инактивирует ферменты, однако некоторая ак­тивность сохраняется и в сухом солоде, что обусловли­вает возможность окислительных превращений. Уста­новлено, что под влиянием окисления происходит не только полимеризация таниногенов, но и частичное разрушение некоторых полифенолов. 

Таблица 17

Изменения полифенолов под влиянием температуры и окисления

41.jpg

В табл. 17 приведены данные исследований Еруманиса [137], в которых сусло приготовлялось при различной температуре и в атмосфере разных газов. Термин «индекс полимериза­ции», приведенный в табл. 17 и предложенный автором работы, представляет собой отношение общего количе­ства полифенолов к количеству антоцианогенов (под­робнее смотри в главе VI).

Из данных табл. 17 видно, что кислород значительно усиливает полимеризацию и разрушение полифенолов. Однако возможно, что в этих опытах происходило не разрушение полифенолов, а выпадание их в осадок в результате полимеризации и соединения с полипепти­дами.

Точное количественное определение полифенолов за­труднено. Используемые методы имеют ряд недостат­ков поэтому полученные данные носят ориентировоч­ный характер. Наиболее распространенные методы ос­нованы на спектрофотометрическом определении интен­сивности цветной реакции после соответствующей обра­ботки адсорбата из пива на каком-либо адсорбенте (Нейлон, Поликлар АТ). Установлено, что интенсив­ность окраски зависит от степени полимеризации поли­гидроксифлаванов: чем больше полимеризация, тем менее интенсивная окраска получается в ходе опреде­ления. Кроме того, найдено, что вещества, образующие­ся в результате окислительной полимеризации, даю г менее интенсивную окраску, чем те, которые образова­лись под каталитическим влиянием кислой среды. По­этому методы, основанные на переводе лейкоформ в окрашенные антоцианидины, недостаточно точны. Дру­гие методы (см. главу VI) также имеют недостатки. Поэтому к величинам, указываемым для полифенолов или антоцианогенов, надо относиться только как к ориентировочным и всегда учитывать метод, которым они были определены. Обычно для пива указывается содержание полифенолов 100—200 мг/л, антоцианоге­нов— 25—70 мг/л.

Содержание полифенолов в различных образцах японского и импортного пива, по данным Согава [219]. варьирует от 70 до 123 мг/л. В табл. 18 приведены дан­ные Басаржовой и Черна [84], полученные разными ме­тодами определения.

Таблица 18

Содержание полифенолов в пиве

42.jpg

Результаты сравнительного определения содержания полифенолов и антоцианогенов (правильнее полигидроксифлаванов, так как примененным методом опреде­лялись и катехины) в нескольких образцах пива, вы­полненного во ВНИИПБПе (Покровская, Терешина, Чистякова), приведены в табл. 19. Полифенолы опре­деляли по варианту 2 метода Еруманиса (с. 241), ан- тоцианогены — методом Франкен — Люикс (с. 240).

Содержание полифенолов в пиве

Таблица 19

43.jpg

Как показывают данные табл. 19, в отечественном пиве меньше общее количество полифенолов, но больше антоцианогенов (полигидроксифлаванов).

Полифенольные вещества сусла и пива, которые ад­сорбируются полиамидными смолами, Шапон [98] на­звал танноидами и установил, что количество их в сус­ле варьирует от 150 до 320 мг/л.

Канадские исследователи [172] разработали метод определения полифенолов, основанный не на образова­нии антоцианидинов, а на осаждении полифенолов ук­суснокислым свинцом в кислой и щелочной средах, и получили величины, значительно превышающие при­водимые в литературе. В трех образцах пива они на­шли 678, 786 и 593 мг/л полифенолов. Авторы полагают, что их метод полнее охватывает фенолкарбоновые кис­лоты, которые большинством других методов определя­ются не полностью.

Полифенолы присутствуют в пиве в виде веществ различной степени полимеризации. Посредством ульт­рафильтрации Согава [219] нашел, что в пиве примерно 8% полифенолов имело молекулярную массу <500, 90%—в пределах 500—10 000 и только следы имели молекулярную массу >10 000. Эти данные говорят о том, что низкополимеризованных соединений в пиве мало (молекулярная масса мономеров полигидрокси­флаванов порядка 200).

В табл. 20 приведены данные, характеризующие со­держание полифенолов в разных сортах ячменя и в со­лоде из этого ячменя, определенные Еруманисом.

Автор не обнаружил в замочной воде и ростках полифенолов и антоцианогенов. Если бы при солодо- ращении количество полифенолов не снижалось, то в солоде их содержание должно было возрастать. Одна­ко этого не происходит. Следовательно, при солодора- щенпи происходит уменьшение количества полифенолов на 8—11%. Содержание антоцианогенов снижается при солодоращении незначительно, так как, судя по ин­дексу полимеризации, антоцианогены в солоде несколь­ко более полимеризованы.

Скрипченко и др. [68], определяя антоцианогены в ячмене и солоде модифицированным методом Макфар- лана, пришли к выводу, что при солодоращении изме­нения антоцианогенов незначительны и незакономерны, однако можно установить тенденцию в сторону сниже­ния их количества в солоде на 2—15% по сравнению с исходным ячменем.

Было найдено [141], что в ячмене и солоде антоциа­ногены тесно ассоциированы с гордеином, причем отме­чена обратная корреляция: чем больше в зерне белка (и чем, следовательно, больше гордеина), тем меньше в гордеине антоцианогенов. Полагают даже, что низко- белковистый ячмень может иногда давать пиво с пло­хой коллоидной стойкостью из-за высокого содержания антоцианогенов.

Подсчет баланса полифенолов и антоцианогенов в процессе затирания был проведен Еруманисом [137]  с использованием разработанных им методов.

Таблица 20

Содержание полифенолов и антоцианогенов в ячмене и солоде

 

44.jpg

Продолжение табл. 20

45.jpg

 В табл. 21 приведены данные для нескольких образцов солода из одного и того же сорта ячменя (Унион), но приготов­ленных различными способами. Как видно из данных табл. 21, в сусло из солода переходит И —18% полифенолов и 5,4—13,0% антоциа­ногенов. Автору [137] не удалось получить в сусле и дробине такое же количество полифенолов и антоциано­генов, как в исходном солоде. Он объясняет это раз­рушением полифенолов во время затирания.

Таблица 21

Баланс полифенолов и антоцианогенов сусла и солода

46.jpg

В дополнительных опытах было показано, что разрушение по­лифенолов вызвано не температурой, а окислительны­ми, возможно ферментативными, процессами, происхо­дящими при затирании. Кроме того, сильно растворен­ный солод (содержащий больше растворимого азота), полученный обработкой гибберелловой кислотой, давал и большее количество полифенолов и антоцианогенов в сусле. Еруманис подчеркивает, что индекс полимериза­ции полифенолов из сильно растворенного солода ниже, т. е. полифенолы в таком солоде мало полимеризованы. Увеличение количества полифенолов и антоцианогенов в сусле из сильно растворенных солодов неоднократно подтверждалось многими исследователями. Так, Штай­нер [223] установил положительную корреляцию между содержанием антоцианогенов в конгрессном сусле и числом Кольбаха. Было показано [98, 237], что количе­ство танноидов в сусле находится в прямой зависимости от степени растворения солода. На этом основании чехословацкие ученые предложили включить метод оп­ределения танноидов в число новых методов, характе­ризующих качество ячменя и солода (см. с. 89).

Несмотря на влияние антоцианогенов на коллоидную стойкость пива, не удается установить тесную корреля­цию между содержанием антоцианогенов и коллоидной стойкостью. Тем не менее все приемы, направленные на уменьшение содержания антоцианогенов в пиве, при­водят к повышению стойкости. Это противоречие может быть объяснено недостатками используемых методов определения антоцианогенов и преувеличением роли именно этой группы веществ, т. е. собственно антоциа­ногенов, в то время как неменьшее значение имеют катехины и, возможно, еще какие-то полифенолы, ад­сорбируемые полиамидными смолами, но не дающие отчетливой цветной реакции при обработке кислотой.

Полифенолы пива влияют на его органолептические свойства. В последние годы обширные исследования в этом направлении выполнены группой канадских иссле­дователей под руководством Дадика [104, 105]. Уста­новлено, что физико-химическая стойкость пива и устой­чивость его к неблагоприятным изменениям аромата и вкуса взаимосвязаны, причем в обоих процессах глав­ную роль играют фенольные соединения пива. Факторы, вызывающие образование мути, в большинстве случаев обусловливают также постепенное ухудшение аромата и вкуса пива.

Полифенолы влияют также на цвет пива. Удаление из пива значительного количества (80—95%) таниноге- нов приводило к такому резкому изменению аромата, вкуса и цвета напитка, что его нельзя было считать пивом. По мнению ряда исследователей, антоцианогены оказывают сильное влияние на органолептические свой­ства пива. Де Клерк подчеркивает роль фенолов, про­исходящих из ячменя и хмеля, в создании резкого, гру­бого вкуса пива и его цвета. Это неблагоприятное влияние становится особенно заметным, если фенолы подвергаются полимеризации во время затирания и в послебродильном периоде. Появление полимеризован­ных полифенолов, отрицательно влияющие не только на коллоидную стойкость, но и на стабильность аромата, вкуса, пенистых свойств и цвет пива, является одной из важнейших проблем пивоварения, требующей многих исследований.

Можно согласиться с Дадиком, который считает, что с точки зрения влияния на стабильность и органо­лептические свойства полифенолы пива могут быть классифицированы как полезные, вредные и нейтраль­ные. Поэтому необходимо проводить более детальное изучение полифенолов с выявлением специфической роли каждого из компонентов или группы компонентов. Для улучшения стабильности пива к коллоидному по­мутнению должны быть осуществлены очень незначи­тельные выборочные изменения в составе полифенолов пива с тем, чтобы не ухудшить его органолептические свойства.