Физико-химические и биохимические процессы при замачивании зерна

При замачивании ячменя масса его увеличивается соответственно количеству поглощенной воды. Насыпной объем зерна во время замачивания до влажности 42-45% увеличивается примерно на 35-40%; 1 т с первоначальным насыпным объемом от 1,4 до 1,5 м³ после замачивания занимает объем от 2 до 2,2 м³.

Замоченное зерно, увеличиваясь в объеме, изменяется и по физическим свойствам. Твердое и хрупкое до замачивания, оно становится после замачивания мягким и эластичным, резиноподобным вследствие набухания коллоидов, главным образом белков ячменя.

Замоченное зерно становится более проницаемым для солей г органических веществ; вследствие этого происходит выщелачивание из него солей, дубильных горьких и различных органических веществ.

Семенная и плодовая оболочки зерна полупроницаемы. За последнее время проницаемость оболочек ячменя для органических и других веществ доказана методом меченых радиоактивных индикаторов.

Оболочки живых растительных клеток проницаемы в большей или меньшей степени для солей, растворенных в природных водах.

Однако проницаемость оболочек различна для разных солей и зависит от целого ряда условий: концентрации солей в клетке, концентрации водородных ионов и явлений, свойственных полупроницаемым оболочкам, - осмодиффузии и ультрафильтрации.

Во время замачивания происходит поглощение воды в связи с набуханием коллоидов и высоким осмотическим давлением внутри клеток, развиваемым растворимыми веществами, находящимися в клетках.

Общие положения, установленные для живых клеток в отношении проницаемости веществ, приложимы к процессам замачивания зерна. Живые клетки очень мало проницаемы для свободных H⁺ и OН^- ионов, но легко пропускают недиссоциированные молекулы многих кислот и щелочей. Для анионов органических кислот клеточная оболочка малопроницаема. Слабые органические и неорганические кислоты с большей или меньшей скоростью проникают в клетку, но с совершенно исключительной быстротой проникает в нее угольная кислота. Проницаемость клеточных оболочек не остается постоянной и неизменной. Она тесно связана с протекающими в клетке физиологическими процессами.

На проницаемости клеток зерна ячменя основано применение активаторов прорастания в процессе замачивания ячменя. Самым мощным фактором активации прорастания зерна во время замачивания является аэрация. При интенсивной аэрации не только обеспечивается приток кислорода, но и удаляется углекислота, которая тормозит прорастание.

Из химических веществ, которые также ускоряют процесс прорастания, довольно эффективен перманганат калия KMnO₄. Добавление 0,0005% его в воду во время замачивания ускоряет процесс прорастания.

На ускорение процесса прорастания зерна при замачивании оказывают также влияние фосфаты, которые, по-видимому, играют большую роль в ускорении процессов жизнедеятельности.

В связи с этим применение всякого рода ускорителей и активаторов замачивания и прорастания зерна должно строго сочетаться с физиологической активностью ячменя и проницаемостью клеток в разные периоды замачивания.

Такие вещества, как перманганат, перекись водорода, аммонийные или нитратные соли, фосфаты и т. д., которые активируют процессы в зерне, наиболее целесообразно добавлять в воду в последний период замачивания, когда оболочка наиболее проницаема и когда в воде меньше всего разного рода посторонних веществ, способных связывать добавляемые вещества.

В тесной связи с химическим составом находятся процесс выщелачивания и потери сухих веществ ячменя во время замачивания.

Потери сухих веществ ячменя при замачивании складываются из выщелачиваемых дубильных и горьких веществ оболочек ячменя, вымываемых из зерна органических веществ и минеральных соединений и углеводов, расходуемых зерном на дыхание.

Средние данные о размерах потерь на выщелачивание приведены в табл. 16.

Таблица 16

Потери на дыхание зерна во время замачивания могут колебаться в очень больших пределах в зависимости от температуры замачивания, интенсивности аэрации и особенностей самого зерна.

Если зерно интенсивно аэрируется и дыхание его нормально протекает до полного сжигания углеводов - до CO₂ и H₂O, то можно считать, что с повышением температуры замачивания на 10 град интенсивность дыхания увеличится в 1,5 раза.

При недостаточной аэрации потери на дыхание сильно возрастают вследствие того, что наступает кислородное голодание и жизнеспособное зерно переключается на процесс брожения, протекающий в основном по типу спиртового брожения, и в конечном итоге из углеводов образуются спирт, CO₂ и различные продукты неполного окисления углеводов - органические кислоты, альдегиды. Такое явление называется интрамолекулярным дыханием.

Спирт оказывает тормозящее влияние на жизнеспособность зародыша и при ясно выраженном интрамолекулярном дыхании может обусловить гибель зерна, не говоря уже об очень больших потерях углеводов. Из этого вытекает, что температуре замачивания зерна и правильному аэрированию его должно уделяться большое внимание.

Интенсивность дыхания зерна во время замачивания различна и увеличивается по мере повышения влажности. Однако после достижения зерном в целом влажности 30-32% интенсивность дыхания увеличивается не столь сильно. Это объясняется тем, что основную массу дышащей ткани в зерне составляет зародыш. По определениям, проведенным в ЦНИИПБ и BП (лаборатории биохимии), эндосперм дышит в 250 раз слабее, чем зародыш. Это и понятно, так как в сущности живыми клетками в эндосперме, но уже не способными к размножению, является только часть клеток алейронового слоя и оболочек зерна. Они-то и проявляют жизнеспособность - дышат.

Так как зародыш на очень ранних стадиях замачивания достигает почти нормальной физиологической влажности, то становится понятным, почему интенсивность дыхания очень быстро растет в начале замачивания, а в последующие часы ускоряется не особенно сильно.

Интенсивность дыхания ячменя, рассчитываемая на массу замачиваемого зерна, зависит от относительной массы зародышей, подверженной весьма значительным колебаниям. В пределах даже одного сорта величина относительной массы зародыша колеблется от 5 до 2,5%. Это значит, что есть ячмени, у которых зародыш составляет 5%, по есть и такие, у которых он составляет всего 2,5%. Естественно, что ячмени, имеющие в 2 раза большую массу зародышей, будут и дышать интенсивнее в 2 раза.

Интенсивность дыхания зародышей, рассчитанная по углекислоте, на 1 г сухой массы зародышей составляет от 12 до 14 мг CO₂ в час, а в среднем - около 12,7 мг CO₂ в час при темпера туре 20°С, а при 10°C - 8 мг/ч.

На основании этих величин общее количество углекислоты, образующейся во время замачивания, продолжающегося в среднем 60 ч, может достичь 21 кг на 1 г зерна. Это количество углекислоты может образоваться при дыхании за счет полного сжигания 14,3 кг сахаров (глюкозы), для чего потребуется около 15,3 кг кислорода, или около 75 кг воздуха, при условии, что весь кислород воздуха будет полностью использован на дыхание. Однако такого положения практически достичь нельзя. На практике коэффициент использования кислорода воздуха в лучшем случае будет равен 0,4, поэтому указанное количество воздуха, потребного для дыхания, следует разделить на этот коэффициент, и тогда потребное количество воздуха на аэрацию 1 т ячменя за 60 ч составит 75: 0,4 примерно 180 м³, или 3 м³/ч, а для зерна, имеющего относительную массу зародыша 5%, - соответственно 6 м³/ч.

Во время замачивания не только ярко проявляется дыхание зерна, но и происходит глубокая перестройка всего ферментативного комплекса зерна, активирование всех ферментов. Нам большее значение с точки зрения пивоваренного производства имеют такие ферменты, как амилазы и протеазы. Эти ферменты во время замачивания активируются. Если судить об активности амилазы по диастатической силе, то в зависимости от способа замачивания, а также и особенностей самого зерна диастатическая сила зерна уже во время замачивания может увеличиваться весьма значительно.

Во время замачивания изменяется также состояние белков ячменя: уменьшается количество нерастворимых белков и увеличивается количество растворимых азотистых соединений. Эти изменения связаны с активированием протеолитических ферментов. При замачивании зерна в холодной воде эти изменения менее выражены, в теплой - более (табл. 17).

Таблица 17

Из данных табл. 17 видно, что во время замачивания ячменя в зерне протекают глубокие изменения и этот процесс является первой стадией прорастания зерна - начальной стадией соложения ячменя.