Sörgyártás – enzimes technológia Műszaki menedzser BSc hallgatók számára óra, részvizsga Előadó: dr. Pécs Miklós egyetemi docens Elérhetőség:F épület, FE lépcsőház földszint 1 (463-) Írásos segédanyag található a: /oktatas /konyvek /mezgaz /vebimanager címen 1

Mik azok az enzimek? Enzimek = biokatalizátorok Katalizátor: az aktiválási energia csökkenté- sével meggyorsítja kémiai reak- ciót. Csak termodinamikailag lehet- séges reakciót gyorsít Az egyensúlyt nem befolyásolja Kis mennyiségben is hatékony, mert a reakció után változatlan formába visszaalakul 2 Anyaguk: fehérje, bonyolult há- romdimenziós szerkezet (har- mad-, negyedleges)

ENZIMKINETIKA Enzimek = biokatalizátorok Katalizátor: az aktiválási energia csökkenté-sével meggyorsítja kémiai reak-ciót. Csak termodinamikailag lehet- séges reakciót gyorsít Az egyensúlyt nem befolyásolja Kis mennyiségben is hatékony, mert a reakció után változatlan formába visszaalakul 3 Anyaguk: fehérje, bonyolult szer- kezet (harmad-, negyedleges)

Enzimes reakciók A reakció általános leírása: E + S  [ES]  E + P Fogalmak: Szubsztrát (S): a reakcióban átalakuló molekula. Termék (P): a reakcióban keletkező molekula. Koenzim: olyan reakciópartner molekula, amely egyes enzimes reakcióhoz nélkülözhetetlen, a reakcióban részt vesz és maga is átalakul (pl. ATP, NAD, stb.) Kötőhely, aktív centrum: az enzim felületének az a része, ahol a szubsztrát megkötődik, illetve átalakul. Egy enzim csak egyféle típusú reakciót katalizál. 4

Enzimes reakciók 2. A kötőhely specifikus: csak bizonyos molekulákat köt meg. A két molekula felülete (alakja, töltése) komple- menter módon illeszkedik egymáshoz. (KULCS - ZÁR) Az enzim felületét az aminosav oldalláncok adják → egy aminosav eltérés is el- ronthatja. 5

Enzimes reakciók 3. A specifitás szintjei: Csoportspecifitás: a szubsztrát egy bizonyos funkciós csoportját köti meg és alakítja át, a molekula többi részét nem ismeri fel. Szubsztrátspecifitás: a teljes molekulát felismeri, csak egyféle szubsztrátot alakít át Sztereospecifitás: a királis (tükörkép) molekulák között is különb-séget tesz, csak az egyik forma reakcióját katalizálja Az enzimes reakció sebessége függ: - hőmérséklet- pH- szubsztrát koncentráció - enzim koncentráció- inhibitorok 6

A hőmérséklet hatása A reakciósebesség exponenciális kapcsolatban van a hő- mérséklettel (Arrhénius), tehát gyorsul a reakció. Magasabb hőmérsékleten viszont a fehérje denaturálódik, a re- akció lassul. Magas hőmérsékleten, forralásnál az enzim telje- sen inaktiválódik. A két ellentétes folyamat eredőjeként az enzi- mes reakcióknak van Egy optimális hőmér- séklete, ahol a reakci- ósebesség a legna- gyobb. 7

A pH hatása az enzimaktivitásra Az aktív centrumban a felületi töltésmintázat komplementer a szubsztrátéval. A pH-változás hatására ez megváltozik – az en-zim rosszabbul köti a szubsztrátot – lassul a reakció. Szélsőséges pH-nál (erősen savas vagy lúgos közegben) tönk- remegy (denaturálódik) a fehérje, nulla a reakcióse- besség. Van egy optimális pH érték/tartomány. 8

A hőmérséklet hatása 9

A szubsztrátkoncentráció hatása Ha több a szubsztrát → nagyobb valószínűséggel találkoznak az enzimmel → több alakul át → nagyobb reakciósebesség. De van ennek egy felső határa → telítés Michaelis-Menten egyenlet 10

Enzim koncentráció hatása Lineáris kapcsolat → nx több enzim → nx nagyobb v max Ha nagy szubsztrátkoncentrációnál mérjük a reakciósebessé- get, akkor a maximális reakciósebesség (v max ) arányos lesz az enzimkoncentrációval: 11

ENZIMMODULÁTOROK Az enzimes reakció sebességét befolyásoló kémiai anyagok. Lehetnek: Inhibitorok: reakciósebességet csökkentő, gátló anyagok Aktivátorok: reakciósebességet növelő anyagok Az inhibitorok hatásmechanizmusa eltérő lehet:  nem kompetitív inhibitor (az enzim felületén más- hol kötődik)  kompetitív inhibitor (a szubsztrát helyére kötődik) 12 E S

Kompetitív inhibitorok Ezek a molekulák szerkezetükben hasonlítanak a szubsztrát- hoz, és képesek annak helyére bekötődni. Ezt a vegyületcsoportot kompetitív inhibitornak nevezzük, mivel az I és S egymással verseng az enzim aktív centrumához történő kapcsolódásban. Ezen belül lehet: Alternatív szubsztrát: az enzimes reakció végbemegy, alternatív termék keletkezik Valódi (dead end) inhibitor: a szubsztráthoz hasonló szerkezetű molekula, ami bekötődik az enzim aktív centrumába, de a reak- ció nem játszódik le. Lehet: - reverzibilis, - irreverzibilis 13

Kompetitív inhibitorok 14

Kompetitív inhibitorok A gyógyszerek nagy része kompetitív inhibitorként hat: p-amino- szulfonamid alanin cikloszerin benzoesav (metabolit) (gyógyszer) 15

Nem-kompetitív inhibíció Az inhibitor molekula nem hasonlít a szubsztrátra, és nem az ak-tív centrumba kötődik. Az enzim felületén valahol máshol kap-csolódik, de ezzel nem befolyásolja a szubsztrát bekötődését. Létrejöhet ESI hármas komplex is. A második lépést, a termék kialakulását és kilépését gátolja. Megváltoztatja a fehérjemolekula-láncok térszerkezetét  megváltozik az aktív centrum szerkezete  a megkötött szubsztrát nem tud elreagálni  a reakció lelassul vagy leáll. „Mérgezi” az enzimet, mintha kevesebb enzim lenne jelen. 16

Nem-kompetitív inhibíció 17

A MALÁTA- ÉS SÖRGYÁRTÁS TECHNOLÓGIÁJA 18

DEFINÍCIÓK MAGYAR ÉLELMISZERKÖNYV irányelv szerint: Sör Malátából, valamint pótanyagokból vízzel cefrézett, komlóval ízesített, sörélesztővel erjesztett, széndioxidban dús, általában alkoholtartalmú ital. Ízesített sör Olyan sör, amelyhez az íz hatás kialakításához a komló helyett vagy mellett egyéb ízesítőanyagot is felhasználhatnak. Ezen termékek részletes jellemzőit a gyártmánylap rögzíti. 19

FELHASZNÁLHATÓ ANYAGOK Elsődleges összetevők Maláta (árpa, búza és egyéb gabona csíráztatásával előállított termék) Víz Egyéb szokásosan felhasználható összetevők Adalékanyagok:  Alkoholmentes sörök sörjellegének kialakításához szükséges aromák  Ízesítő- és színezőanyagok  Ízesített sörök ízesítésére és színezésére használt anyagok, aromák  Komló (Humulus lupus), komlókészítmények  Karamellmaláta és színezőmaláta Pótanyagok: A sörlé szárazanyag-tartalmának legfeljebb 30%-a származhat pótanyagból, amelyek : Sörárpa, csírátlanított kukoricaőrlemény, rizs, egyéb szénhidráttartalmú termékek Technológiai segédanyagok Szén-dioxid, nitrogén, sörélesztő, szűrő- és derítőanyagok, enzimek 20

AZ ÁRPA KÉMIAI ÖSSZETÉTELE 21 KomponensekSzárazanyag %-ában Keményítő63-65 Cukrok1-2 Cellulóz4-5 Hemicellulóz8-10 Nyersfehérje10-12 Lipidek2-3 Ásványi anyagok2-2,5 Vitaminok0,1 Víz12-18

AZ ÁRPASZEM SZERKEZETE 1. gyököcske2. rügyecske 3. pajzsocska 4. epitélium5. magburok 6. héj 7. termésfal8. szubaleuron réteg 9. aleuronréteg, 10. endospermium11. kiürült sejtek 22

A MALÁTAGYÁRTÁS MŰVELETEI Árpa átvétel Tisztítás (osztályozás) Tárolás Áztatás Csíráztatás Aszalás Malátatisztítás Malátatárolás 23

ELŐKÉSZÍTŐ MŰVELETEK 1.Árpa átvétel Mennyiségi és minőségi (nedvesség, fehérje tart.!) ellenőrzés 2.Tisztítás: malátagyártásra alkalmatlan szemek eltávolítása  Mágnesezhetőség szerint: fém darabok eltávolítása (szikrapor- robbanást okozhat!)  Méret szerint: árpánál kisebb és nagyobb szennyeződések (rög, homok, idegen magvak) eltávolítása  Alak: árpával azonos méretű, de eltérő alakú szennyeződések eltávolítása (berendezés: tarár)  Fajlagos tömeg: por és egyéb könnyű szennyeződések eltávolí- tása (berendezés: triőr) 3.Tárolás: frissen rosszul csírázik, csíranyugalom állapotáig tárolás A csírázóképesség megőrzése, légzési veszteség csökkentése (hőmérséklet szabályozás, CO 2 elvezetés) 24

A MALÁTÁZÁS MŰVELETEI: ÁZTATÁS 1.Cél: a csírázás beindítása a kezdeti 12-14%-os nedvességtar- talom 44-46%-ra növelésével. 2. Áztatóvíz hőmérséklete 12-18°C 3. Áztatóvízhez adagolhatnak: NaOH vagy mész: fertőtlenítés Gibberelin sav: csírázás serkentése 4. Vízfelvevő képesség függ: Áztatás időtartama Áztatóvíz hőmérséklete Szem nagysága Árpa fajta és évjárat 25

ÁZTATÓ BERENDEZÉS 26

A MALÁTÁZÁS MŰVELETEI: CSÍRÁZTATÁS 1.Csíráztatás célja:  Enzimképzés, enzimaktiválás  Az endosperm sejtfal-alkotóinak bontása  Egyéb lebontási folyamatok megindítása 2. Csíráztatás paraméterei:  Megfelelő nedvességtartalom a csíráztatás végén 40% nedvességtartalmú zöldmaláta  Megfelelő csíráztatási hőfok 12-16°C  Megfelelő levegőellátottság A csírázás kezdetén sok, a végén csökkenő oxigénellátás 27

CSÍRÁZTATÁSI TECHNOLÓGIÁK Szérűcsíráztatás: ősi módszer Az árpát betonalapra halmozzák, alulról aknákon keresztül bizto- sítják a levegőztetést (hőmérséklet, nedvességtartalom állandó, fény kizárása). Szérűket rendszeresen mozgatják. Hét-nyolc nap. Gépi csíráztatás: dobcsíráztatás, szekrénycsíráztatás vagy dob- szekrény csíráztatás Dobcsíráztatás: zárt, forgó dob, melybe vezetéken keresztül jut be a levegő, aminek szabályozzák a hőfokát és nedvességtartal- mát, és légcsatornán vezetik ki a használt levegőt. Szekrénycsíráztatás: az árpa 1 méter magas rétegben helyezkedik el egy hordozó lemezen. A zöldmalátát dugóhúzószerű csigákból álló készülék mozgatja. Levegőztetése szabályozott (hőm., ned- vesség, CO 2 tartalom). 28

SALADIN CSÍRÁZTATÓ KÉSZÜLÉK 29

A MALÁTÁZÁS MŰVELETEI: ASZALÁS Az aszalás célja: A malátában zajló biokémiai folyamatok megállítása Fehérje koaguláció Íz- és aromaanyagok képzése (Maillard-reakció!) Az aszalás szakaszai: Fonnyasztás: 10% nedvességtartalomig, kíméletes vízelvo- nás 40-50°C-on Aszalás: további vízelvonás 5% nedvesség tart. alá: Szárítás 65-70°C Végszárítás: világos (pilseni) malátáknál 80-85°C, sötét malá- táknál 90-95°C (bécsi), °C (müncheni) Végső nedvességtartalom: 2,5-4,5% 30

MALÁTÁK A KÉSZ MALÁTA KEZELÉSE Csírátlanítás, tisztítás: gyökércsíra, por eltávolítása Malátatárolás MALÁTAFAJTÁK Világos vagy pilseni maláta: világos színű, enzimekben gazdag Sötét vagy bajor maláta: sötét színű, aromás, a világosnál kevésbé enzimgazdag Különleges maláták: karamell, festő: aroma és szín kialakí- táshoz, enzimeket nem tartalmaz 31

PÓTANYAGOK Nagy keményítő tartalmú anyagok, a sörlé szárazanyag tartalmának legfeljebb 30 %-a származhat pótanyagból, amely lehet: Sörárpa: malátához hasonló összetétel, de rontja a szűrhetőséget, íz és habzás romlik (enzimek szükségesek) Kukoricaőrlemény (csírátlanított): telt, édeskés íz (enzimek szüksé- gesek) Rizs: világos sörökhöz Cukortartalmú termékek: komlóforralásnál adagolják, nagy mennyi- ségben az erjesztést gátolhatja 32

Sörfajták csoportosítása az alapanyag alapján 33

A SÖRGYÁRTÁS MŰVELETI LÉPÉSEI 1.Sörfőzés Malátaőrlés Cefrézés Cefreszűrés Komlóforralás 2. A sörlé erjesztése A sörlé kezelése Főerjesztés Utóerjesztés 3. A sör fejtése Szűrés, stabilizálás Pasztőrözés Töltés üvegbe, dobozba, hordóba 34

A MALÁTA ŐRLÉSE Célja: a maláta aprítása a benne levő komponensek kinyerése érdekében Berendezései: száraz őrlés: kettő-, négy-, öt- és hathengeres malátamalmok nedves őrlés: kondicionálás vízzel, egy hengerpár 35

CEFRÉZÉS Célja: A maláta oldható komponenseinek oldatba vitele A nem oldható komponensek enzimes lebontása, oldása Főbb enzimes lebontási folyamatok: Fehérjebontás: 50°C Keményítőbontás: 60-65°C, erjeszthető szénhidrátok képzése β-amiláz enzim által Keményítőbontás: 70-75°C, nem erjeszthető szénhidrátok képzése α-amiláz enzim által Technológiái: Infúziós: hőmérséklet fokozatos növelése, egyszerű, de ki- sebb kihozatal Dekokciós: nagyobb kihozatal, 2 edény használatát igényli 36

Háromcefrés dekokciós cefrézési eljárás 37

CEFRESZŰRÉS Célja: az oldott komponenseket tartalmazó sörlé és az oldhatatlan kom- ponenseket tartalmazó törköly szétválasztása Fő lépései: Színsörlé elválasztás Máslás Berendezések: Szűrőkád Szűrőprés 38

KOMLÓÜLTETVÉNY ÉS KOMLÓTOBOZ 39

A KOMLÓ FŐBB KOMPONENSEI FŐBB KOMPONENSEK: Keserű anyagok: α-savak (vízoldhatatlanok, hő hatására izomerizálódnak) Aromaanyagok: illékonyak Cseranyagok: polifenolok KOMLÓTÍPUSOK: Keserű komló – nagy α-sav tartalom Aromakomló – sok aromaadó vegyület KÉSZÍTMÉNYEK: - Natúr komló- Préselt komló- Komlópor - Komlópellet- Komló kivonat 40

KOMLÓFORRALÁS Céljai: A komló értékes komponenseinek kioldása, az α-savak izome- rizálása A sörlé összetételének rögzítése: az enzimek inaktiválódnak A sörlé sterilizálása A koagulálható fehérjék kicsapása: fehérje-polifenol komplexek képződése A koncentráció beállítása: a sörlé ~10%-a párolog el a komló- forralás során 41

A SÖRLÉ KEZELÉSE ÉS BERENDEZÉSEI 1.A forró seprő elválasztása célja: a forralás során kivált csapadék eltávolítása berendezése: örvénykád, szeparátor (centrifugális) 2.Hűtés célja a sörlé lehűtése az erjesztés optimális hőfokára berendezése: lemezes hőcserélő 3.Levegőztetés célja: az élesztő szaporodásához az oxigén biztosítása megoldás: steril levegő vagy oxigén befúvatása a sörlébe 4.Hideg seprő elválasztás célja: a hűtés során kivált csapadék eltávolítása berendezése: kovaföldes szűrő vagy flotációs tank 42

A SÖRÉLESZTŐ Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces pastorianus Sarjadzással, ritkán spórázással szaporodnak Az élesztők fakultatív anaerob szervezetek Aerob anyagcsere: C 6 H 12 O O 2 = 6 CO H 2 O 2880 kJ/mól Anaerob anyagcsere: C 6 H 12 O 6 = 2 C 2 H 5 OH + 2 CO kJ/mól 43

A SÖRÉLESZTŐK TÍPUSAI Felső erjesztésű Alsó erjesztésű erjesztés végén a felszínen erjesztés végén az erjesztő gyűlnek össze a sejtek tank aljára ülepszik le 15-25°C-on erjesztenek 5-10°C-on erjesztenek 44

ERJESZTÉS Beélesztőzés (= beoltás, inokulálás): ~20 millió sejt/ ml koncentrá- cióban Főerjedés (fermentáció) Jellemző változás az erjeszthető szénhidrátok alkohollá ala- kulása Berendezés: nyitott vagy zárt, hőfokszabályzással ellátott tartály Utóerjedés, ászokolás, kondicionálás A sör érése, az íz finomodása, szén-dioxid elnyeletés, tisz- tulás Berendezés: nyomástartó, hőfokszabályozással ellátott tar- tály 45

A SÖR KEZELÉSÉNEK LÉPÉSEI 46

SZŰRÉS: Célja: a sörben lévő szennyeződések (élesztő, fehérje stb.) eltávolítása Berendezései: kovaföldes szűrők (gyertyás, keretes, tányéros) STABILIZÁLÁS Ízstabilizálás Az oxigén mennyiségének csökkentése Kolloidstabilizálás Fehérjestabilizálás – tannin, bentonit, enzim Polifenolok csökkentése – poliamidok, PVPP (polivinil-polipirro- lidon) Mikrobiológiai stabilizálás (Steril szűrés) Pasztőrözés (pillanat vagy alagút pasztőrözés) 47

SÖR FEJTÉSE Ellennyomásos töltőberendezéseken  Palack: egy- és kétutas  Hordó: többutas  Doboz: egyutas  Műanyag palack: egy- és kétutas 48