Rola alfa i glukoamylazy w zacieraniu zbóż

Produkcja alkoholu etylowego ze zbóż, kukurydzy czy ziemniaków to jeden z najstarszych procesów biotechnologicznych.

Choć surowce te stanowią bogate źródło energii, ich bezpośrednia fermentacja przez drożdże jest niemożliwa. Mikroorganizmy te potrafią bowiem przetwarzać, co do zasady,  jedynie cukry proste, glukozę i fruktozę. Te węglowodany występują powszechnie np w owocach takich jak jabłka czy winogrona. Tymczasem cukier w ziarnach zagregowany jest w postaci skrobi – złożonego, wielkocząsteczkowego polimeru. Aby umożliwić proces fermentacji, konieczne jest zastosowanie  zewnętrznych enzymów alfa-amylazy oraz glukoamylazy. Enzymy te rozkładają cukry złożone na cukry proste.

1.     Zacieranie – etap pierwszy

Skrobia składa się z długich i skomplikowanych cząsteczek glukozy połączonych wiązaniami glukozydowymi. W naturalnej formie ma ona postać twardych, nierozpuszczalnych w zimnej wodzie granulek. Dopiero pod wpływem wysokiej temperatury i wody dochodzi do zjawiska kleikowania – skrobia chłonie wodę, pęcznieje i tworzy gęsty, lepki żel. W tym stanie zacier staje się jednak trudny do dalszego przetworzenia ze względu na skrajnie wysoką lepkość. Rozwiązaniem tego problemu jest dwuetapowy rozkład skrobi przy pomocy enzymów.

2.     Alfa-amylaza i proces UPŁYNNIANIA zacieru

Po skleikowaniu zacieru należy przystąpić do jego upłynnienia. Za ten proces odpowiada alfa-amylaza. Jest to endoenzym (alfa-amylaza) który rozrywa wiązania wewnątrz długich łańcuchów skrobiowych w sposób losowy.

• Mechanizm działania: Alfa-amylaza rozbija olbrzymie cząsteczki skrobi na znacznie krótsze fragmenty, zwane dekstrynami.
• Skutek technologiczny: Proces ten dramatycznie obniża lepkość zacieru. Gęsty, kleikowaty roztwór zmienia się w rzadką zawiesinę, co sprawia że zacier jest gotowy do dalszego etapu obróbki.
• Warunki optymalne: Alfa-amylaza charakteryzuje się wysoką termostabilnością – odpornością na zmiany temperatury. Dzięki temu może pracować w swoim optimum temperaturowym czyli od 77°C do 88°C, przy lekko kwaśnym odczynie pH (ok. 5,5–5,8).

3.     Glukoamylaza i proces SCUKRZANIA

Alfa-amylaza skutecznie upłynnia zacier, natomiast powstające w tym procesie dekstryny nadal posiadają zbyt duże masy cząsteczkowe, by mogły zostać przyswojone przez drożdże. Aby zmniejszyć ich wielkość należy zastosować drugi enzym – glukoamylazę. Uwalnia ona pojedyncze cząsteczki glukozy z aglomeratów sprawiając że stają się przyswajalne dla drożdzy.

• Mechanizm działania: Glukoamylaza to tak jak alfaamylaza egzoenzym. Odcina pojedyncze cząsteczki glukozy kolejno od końców łańcuchów dekstryn. Dzięki temu losowo pocięte łańcuch skrobii „rozdrabniane” są do przyswajalnych przez drożdze cząsteczek glukozy.
• Skutek technologiczny: Dochodzi do pełnego scukrzania Roztwór zyskuje wysokie stężenie glukozy, stając się idealnym środowiskiem do rozwoju i pracy drożdży.
• Warunki optymalne: Glukoamylaza wykazuje mniejszą odporność na wysokie temperatury niż alfa-amylaza. Wprowadza się ją do zacieru po uprzednim schłodzeniu go do temperatury 55°C – 60°C. Przekroczenie granicy 60°C grozi termiczną denaturacją (dezaktywacją) białka enzymatycznego. Natomiast warto pamiętać że enzym działa również w niższej temperaturze ( do 28°C)  podczas stygnięcia zacieru. Optymalne pH dla tego etapu jest nieco niższe niż przy upłynnianiu i wynosi ok. 4,0–5,0.

Schemat optymalnego wykorzystania enzymów

Prawidłowo przeprowadzone zacieranie skrobi powinno wyglądać nastepująco:

1. Mieszanie i podgrzewanie: Rozdrobniony surowiec (śruta) jest dodany do wody i podgrzewany w celu zapoczątkowania kleikowania skrobi.
2. Upłynnianie (70°C – 85°C): Dozowanie alfa-amylazy w celu redukcji lepkości i rozbicia skrobi do dekstryn. Czas: ok. 90 min.
3. Schładzanie: Obniżenie temperatury zacieru do poziomu bezpiecznego dla glukoamylazy, czyli poniżej 60°C.
4. Scukrzanie (55°C – 60°C): Dozowanie glukoamylazy i rozkład dekstryn do łatwo przyswajalnej glukozy. Czas: ok. 60 min.
5. Fermentacja (poniżej 30°C): Końcowe schłodzenie zacieru do temperatury nastawnej i zaszczepienie go kulturą drożdży gorzelniczych.

Współczesny przemysł gorzelniczy w przeważającej mierze opiera się na komercyjnych, wysoko oczyszczonych i skutecznych preparatach enzymatycznych. Ich stosowanie pozwala na maksymalne zwiększenie wydajności produkcji alkoholu z surowca, skrócenie czasu procesu oraz zapewnienie pełnej powtarzalności każdej partii produkcyjnej. Jest to szczególnie istotne w zestawieniu z tradycyjnym zacieraniem przy wykorzystaniu słodu.

Produkcja alkoholu etylowego ze zbóż, kukurydzy czy ziemniaków to jeden z najstarszych procesów biotechnologicznych. Choć surowce te stanowią bogate źródło energii, ich bezpośrednia fermentacja przez drożdże jest niemożliwa. Mikroorganizmy te potrafią bowiem przetwarzać, co do zasady,  jedynie cukry proste, glukozę i fruktozę. Te węglowodany występują powszechnie np w owocach takich jak jabłka czy winogrona. Tymczasem cukier w ziarnach zagregowany jest w postaci skrobi – złożonego, wielkocząsteczkowego polimeru. Aby umożliwić proces fermentacji, konieczne jest zastosowanie  zewnętrznych enzymów alfa-amylazy oraz glukoamylazy. Enzymy te rozkładają cukry złożone na cukry proste.

1.     Zacieranie – etap pierwszy

Skrobia składa się z długich i skomplikowanych cząsteczek glukozy połączonych wiązaniami glukozydowymi. W naturalnej formie ma ona postać twardych, nierozpuszczalnych w zimnej wodzie granulek. Dopiero pod wpływem wysokiej temperatury i wody dochodzi do zjawiska kleikowania – skrobia chłonie wodę, pęcznieje i tworzy gęsty, lepki żel. W tym stanie zacier staje się jednak trudny do dalszego przetworzenia ze względu na skrajnie wysoką lepkość. Rozwiązaniem tego problemu jest dwuetapowy rozkład skrobi przy pomocy enzymów.

2.     Alfa-amylaza i proces UPŁYNNIANIA zacieru

Po skleikowaniu zacieru należy przystąpić do jego upłynnienia. Za ten proces odpowiada alfa-amylaza. Jest to endoenzym (alfa-amylaza) który rozrywa wiązania wewnątrz długich łańcuchów skrobiowych w sposób losowy.

• Mechanizm działania: Alfa-amylaza rozbija olbrzymie cząsteczki skrobi na znacznie krótsze fragmenty, zwane dekstrynami.
• Skutek technologiczny: Proces ten dramatycznie obniża lepkość zacieru. Gęsty, kleikowaty roztwór zmienia się w rzadką zawiesinę, co sprawia że zacier jest gotowy do dalszego etapu obróbki.
• Warunki optymalne: Alfa-amylaza charakteryzuje się wysoką termostabilnością – odpornością na zmiany temperatury. Dzięki temu może pracować w swoim optimum temperaturowym czyli od 77°C do 88°C, przy lekko kwaśnym odczynie pH (ok. 5,5–5,8).

3.     Glukoamylaza i proces SCUKRZANIA

Alfa-amylaza skutecznie upłynnia zacier, natomiast powstające w tym procesie dekstryny nadal posiadają zbyt duże masy cząsteczkowe, by mogły zostać przyswojone przez drożdże. Aby zmniejszyć ich wielkość należy zastosować drugi enzym – glukoamylazę. Uwalnia ona pojedyncze cząsteczki glukozy z aglomeratów sprawiając że stają się przyswajalne dla drożdzy.

• Mechanizm działania: Glukoamylaza to tak jak alfaamylaza egzoenzym. Odcina pojedyncze cząsteczki glukozy kolejno od końców łańcuchów dekstryn. Dzięki temu losowo pocięte łańcuch skrobii „rozdrabniane” są do przyswajalnych przez drożdze cząsteczek glukozy.
• Skutek technologiczny: Dochodzi do pełnego scukrzania Roztwór zyskuje wysokie stężenie glukozy, stając się idealnym środowiskiem do rozwoju i pracy drożdży.
• Warunki optymalne: Glukoamylaza wykazuje mniejszą odporność na wysokie temperatury niż alfa-amylaza. Wprowadza się ją do zacieru po uprzednim schłodzeniu go do temperatury 55°C – 60°C. Przekroczenie granicy 60°C grozi termiczną denaturacją (dezaktywacją) białka enzymatycznego. Natomiast warto pamiętać że enzym działa również w niższej temperaturze ( do 28°C)  podczas stygnięcia zacieru. Optymalne pH dla tego etapu jest nieco niższe niż przy upłynnianiu i wynosi ok. 4,0–5,0.

Schemat optymalnego wykorzystania enzymów

Prawidłowo przeprowadzone zacieranie skrobi powinno wyglądać nastepująco:

1. Mieszanie i podgrzewanie: Rozdrobniony surowiec (śruta) jest dodany do wody i podgrzewany w celu zapoczątkowania kleikowania skrobi.
2. Upłynnianie (70°C – 85°C): Dozowanie alfa-amylazy w celu redukcji lepkości i rozbicia skrobi do dekstryn. Czas: ok. 90 min.
3. Schładzanie: Obniżenie temperatury zacieru do poziomu bezpiecznego dla glukoamylazy, czyli poniżej 60°C.
4. Scukrzanie (55°C – 60°C): Dozowanie glukoamylazy i rozkład dekstryn do łatwo przyswajalnej glukozy. Czas: ok. 60 min.
5. Fermentacja (poniżej 30°C): Końcowe schłodzenie zacieru do temperatury nastawnej i zaszczepienie go kulturą drożdży gorzelniczych.

Współczesny przemysł gorzelniczy w przeważającej mierze opiera się na komercyjnych, wysoko oczyszczonych i skutecznych preparatach enzymatycznych. Ich stosowanie pozwala na maksymalne zwiększenie wydajności produkcji alkoholu z surowca, skrócenie czasu procesu oraz zapewnienie pełnej powtarzalności każdej partii produkcyjnej. Jest to szczególnie istotne w zestawieniu z tradycyjnym zacieraniem przy wykorzystaniu słodu.