Лекция: ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

В настоящее время ферментные препараты используют для об­работки ягодной и виноградной мезги с целью ускорения процес­са отделения сока, увеличения его общего выхода и особенно вы­хода более высококачественных «самотечных» фракций, ускоре­ния процесса осветления сока, сусла и молодых виноматериалов, интенсификации биохимических процессов, протекающих при созревании вин.

Изучение биохимических процессов, являющихся следствием воздействия ферментов, внесенных в виноградное сусло или мез­гу, позволяет сформулировать требования к технологии их использования, наметить пути ее совершенствования с целью рас­ширения области применения ферментных препаратов при про­изводстве не только ординарных, но и марочных вин.

Основной биохимический процесс, протекающий в плодово-ягодной мезге и соке при его обработке ферментными препарата­ми или при комплексном применении термической и фермента­тивной обработки, — гидролиз пектиновых веществ. Но наряду с этим происходят превращения белков, целлюлозы, гемицеллюлозы и ряда других соединений.

При ферментативной обработке мезги эти превращения вызы­вают полное нарушение первичного состояния тканей плодов, а при обработке сока изменяют его осветляющую способность и хи­мический состав.

Согласно современным представлениям сокоотдача плодов и ягод зависит от клеточной проницаемости тканей плодов; особен­ностей анатомического строения и физико-механических свойств сырья; вязкости сока и консистенции плодовой мякоти, зависящей от количественного и качественного состава пектиновых веществ. Каждая растительная клетка имеет свою собственную оболочку, окружающую протоплазму и защищающую клетку от внешних воздействий, придавая ей прочность. Отдельные клетки скрепля­ются между собой с помощью межклеточного вещества, образую­щего срединную пластинку.

Под клеточной оболочкой находится плазмалемма, регулирую­щая проникновение в клетку тех или иных соединений.

При извлечении сока из плодов и ягод необходимо обеспечить выделение его из вакуолей и иметь при этом как можно меньше обрывков клеток и тканей.

Химический состав клеточного сока различных тканей плодов и ягод неодинаков. Для большинства видов сырья желательно из­влекать клеточный сок из основной ткани, не затрагивая при этом сок покровных и механических тканей. При извлечении сока из белых сортов винограда переход дубильных веществ из покровной ткани (кожицы) вызывает резкое ухудшение его качества. Для не­которых видов сырья, наоборот, желательно извлекать сок не только из основных, но и из покровных, а иногда и механических тканей. Для получения высококачественного сока из черники, черной смородины, ежевики, кизила, терносливы, красных сортов ткемали и винограда необходимо максимальное извлечение сока из покровных тканей, содержащих основное количество красящих веществ. При получении вишневого сока также важно максималь­ное извлечение сока из покровных тканей, кроме того, для улуч­шения аромата сока частично извлекают и амигдалин из косточек.

При извлечении сока необходимо учитывать специфичность строения клеток и тканей плодов и ягод.

Различные формы пектиновых веществ в плодово-ягодном сы­рье находятся в подвижном состоянии и в значительной степени обусловливают физико-механические свойства тканей плодов.

Пектиновые вещества подразделяют на несколько групп: про­топектин — нерастворимое в воде соединение сложного хими­ческого строения; пектиновая кислота — полигалактуроновая кислота, в малой степени этерифицированная остатками метано­ла; пектин —почти полностью этерифицированная пектиновая кислота; пектовая кислота — полигалактуроновая кислота; пектинаты — соли пектиновой кислоты и пектаты — соли пектовой кислоты.

Исключительно сложная структура протопектина пока еще точно не определена, но все же основные очертания этого полиса­харида можно прогнозировать.

Протопектин — водонерастворимый «материнский» полиуронид растений, в его состав входят пектин, пектиновые вещества, молекулы целлюлозы, ионы Са, Mg, остатки фосфорной и уксус­ной кислот, сахара и т. д. Протопектин клеточной стенки отли­чается от протопектина срединной пластинки более высокой сте­пенью этерификации и меньшим содержанием поливалентных ионов металлов (Са, Mg, Fe).

Пектиновые вещества представляют собой полисахариды, со­стоящие из остатков D-галактуроновой кислоты, связанных ос-1,4-связью. Они могут быть метоксилированы по шестому углеродно­му атому. Предельная степень этерификации 16,2 %, обычно в пектине она не превышает 14,9—15,2 %.

Пектины очень сложны и многокомпонентны. Пектиновые ве­щества содержат галактуронаны и рамногалактуронаны, в которых С6-атом окислен до карбоксильной группы; арабинаны; галактаны и арабаногалактаны.

Рамногалактуронаны являются основными составляющими пектиновых веществ.

Главные цепи рамногалактуронанов состоят в основном из ос­татков D-галактуроновой кислоты, соединенных сс-1,4-связями с 1—4 % а-рамнозных остатков (1 остаток на 25 остатков галактуроновой кислоты), соединенных β-1,2- и β-1,4-связями с остатками галактуроновой кислоты. Боковые цепи рамногалактуронанов от­личаются составом и длиной ответвлений. Длинные растянутые боковые цепи обычно бывают однородными полимерами, состоя­щими из остатков либо галактуроновой кислоты, либо арабинозы. Короткие боковые цепи более разнообразны.

При ферментативной обработке плодово-ягодной мезги и со­ков пектиновые вещества подвергаются сложным превращениям, направленность которых зависит от состава ферментов в сырье и препаратах.

Действие пектолитических ферментов на пектин плодов и ягод различается по типу разрыва связей (гидролитический или лиазный) и характеру разрыва (концевой или неупорядоченный).

Наиболее изучено действие на пектин пектинэстераз (3.1.1.11) и полигалактуроназ (3.2.1.15). Пектинэстераза гидролизует пек­тин — метиловый эфир галактуроновой кислоты по реакции:

Пектин + Н2О = Метанол + Пектовая (полигалактуроновая) кислота

При этом фермент в первую очередь гидролизует такие метилэфирные группы, которые с обеих сторон окружены свободными карбоксильными группами.

Полигалактуроназы различаются по атакуемым субстратам и механизму действия. Эндополигалактуроназа гидролизует молеку­лу пектина (эндо-ПМГ) или пектовой кислоты (эндо-ПГ) на бо­лее короткие цепи галактуронана или олигоурониды, что вызыва­ет резкое снижение вязкости пектиновых растворов.

Под действием экзополигалактуроназ гидролизуются концевые а-1,4-связи полигалактуронана, начиная от нередуцирующего кон­ца цепи.

Скорость расщепления деэтерифицированной молекулы пек­тина под действием полигалактуроназ в 160 раз превышает ско­рость гидролиза этерифицированного продукта. Это особенно проявляется при добавлении препарата пектинэстеразы, отщепля­ющей метальные группы. Считают, что чем меньше метоксильных групп содержит пектин, тем быстрее идет его гидролиз.

Гидролиз пектина происходит в две стадии. На первой стадии быстро разрывается до 55 % связей, а на второй — происходит полный гидролиз, но значительно медленнее.

Доказано, что расщепление а-1,4-связей пектиновых веществ может протекать негидролитическим путем. В результате такого расщепления образуются ненасыщенные мономерные дериваты галактуроновой кислоты (4-диокси-5-кетогалактуроновая кисло­та). Ферменты, катализирующие эту реакцию, были названы трансэлиминазами.

Установлено, что трансэлиминаза действует так же, как и полигалактуроназа, понижая вязкость пектина и образуя один моль восстановленного сахара на каждую гидролизованную α-1,4-связь. Фермент пектинтрансэлиминаза расщепляет ненасыщенные свя­зи дигалактуроновой кислоты, начиная с восстанавливающего конца цепи полигалактуроновой кислоты. Пектин при этом гидролизуется, но не до конца. Фермент не гидролизует связанный пектин (полиметилгалактуронидметилглюкозид), а катализирует расщепление пектиновых субстратов путем трансэлиминации.

При изучении физико-химического механизма процесса обра­зования водорастворимых пектинов за счет водонерастворимых было установлено, что фермент пектинтрансэлиминаза активно гидролизует молекулы пектина, не действуя на пектиновую кис­лоту.

Как и полигалактуроназы, лиазы разделяют в зависимости от предпочитаемого субстрата и механизма действия: по расположе­нию разрываемых связей — на эндо- и экзофермент, по субстрат­ной специфичности — на пектинтрансэлиминазу (ПТЭ) и полига-лактуронаттрансэлиминазу (ПГТЭ).

Эндофермент с неупорядоченным механизмом действия рас­щепляет молекулу полигалактуронида в различных местах цепи с образованием ненасыщенных галактуронидов и олигогалактуронидов. Экзофермент отщепляет концевые остатки ненасыщенной галактуроновой кислоты. Многими авторами отмечено активизи­рующее действие ионов Са2+ на ПТЭ.

Предложены следующие схемы действия ПТЭ и ПГТЭ:

Ферментативный гидролиз пектиновых веществ — это слож­ный процесс, протекающий под действием целого комплекса фер­ментов. Различные ферменты пектолитического комплекса специ­фичны в отношении действия на молекулу пектина, оптимума рН, температуры и влияния на их активность различных химических соединений.

С целью максимального извлечения сока и облегчения его ос­ветления путем гидролиза пектиновых веществ плодов и ягод не­обходимо учитывать свойства пектолитических ферментов самого сырья и вносимых препаратов. В зависимости от химического со­става сырья нужно вносить препараты с определенным комплек­сом пектолитических ферментов и создавать оптимальные усло­вия их действия путем подбора режима обработки.

Для снижения количества отходов, полного размельчения сырья и получения гомогенных соков с мякотью, не подвергающихся расслаиванию, большой интерес представляет применение мацерирующих ферментных препаратов, обеспечивающих расщепле­ние протопектина, но не снижающих вязкость сока.

Установлена зависимость между мацерацией растительной тка­ни, вызываемой действием ферментных препаратов, и наличием в препаратах фермента пектинтрансэлиминазы.

Считают, что мацерация растительной ткани является резуль­татом суммарного действия полигалактуроназ и пектинэстераз в комплексе с протеазой и гемицеллюлазой.

Главный источник биополимеров, содержащихся в виноградном вине, — вещества, переходящие из виноградной ягоды в сусло. Содержание их в сусле колеблется в широких пределах и зависит от сорта винограда, эколого-географических условий произрас­тания, технологии переработки винограда и способов обработки сусла.

Содержание белка и пектина составляет в среднем 54 % от сум­мы полимеров сусла, на долю высокомолекулярных полифенолов, нейтральных полисахаридов и прочих полимеров приходится 29— 60 % от суммы высокомолекулярных веществ.

Белки винограда представлены в основном альбуминами и глютелинами, глобулины содержатся в небольшом количестве.

Наиболее специфичны к гидролизу виноградных белков кислые протеазы грибных ферментных препаратов. При значениях рН, наиболее часто встречающихся в сусле и винах (3,2—3,5), протеолитические ферменты сохраняют 30—60 % активности, проявляе­мой в оптимальных условиях. Протеолиз белков сусла и вина можно считать одним из наиболее перспективных и современных путей повышения стабильности вина к белковым помутнениям.