Тема 4 полифенольные вещества ячменя и солода

План

1 Роль полифенолов в пивоварении

2 Классификация фенольных соединений

3 Строение, свойства и влияние фенольных соединений на качество

готовой продукции

Одними из важных компонентов химического состава ячменя, существенно влияющих на интенсивность приготовления пива и его качество, являются полифенолы.

Практически все полифенолы - активные метаболиты клеточ­ного обмена, они играют существенную роль в различных физиоло­гических процессах -фотосинтезе, дыхании, росте, формирова­нии устойчивости растений к инфекционным болезням.

Изучать эту группу веществ стали после установления участия полифенолов в образовании коллоидного помутнения пива. Для изучения применяют методы специфической адсорбции полифенолов и разделения смесей этих веществ с помощью хроматогра­фии. Раньше эти вещества называли таннинами или дубильными веществами, однако в настоящее время считается общепринятым название «полифенолы». Прежнее название относится лишь к от­дельным группам полифенолов.

Примерно 80 % полифенолов сусла происходят из солода и лишь около 20 % вносятся с хмелем. В зерне эти вещества находятся главным образом в алейроновом слое и при его помоле попадают во фракцию; крупки. Наиболее весомая часть полифенолов ячменя представлена антоцианогенами. В эндосперме ячменя и солода антоцианогены ас­социированы с гордеином, причем отмечена обратная корреляция: чем больше в зерне белка, тем меньше в гордеине антоцианогенов. Именно эти полифенолы отрицательно влияют на коллоидную стойкость, стабильность запаха, вкуса, пенистые свойства и цвет пива. По­этому даже низкобелковистый ячмень может давать пиво с плохой коллоидной стойкостью из-за высокого содержания антоцианогенов.

В сусло из солода переходят 11-18 % полифенолов и 5-13 % ан-тоцианогенов. Количество полифенолов в сусле зависит от степени растворения солода, что послужило основанием для включения в число показателей качества ячменя и солода за рубежом «количе­ство танноидов».

Полифенолы присутствуют в пиве в виде веществ различного строения. Примерно 8 % полифенолов имеют молекулярную массу менее 500, 90 % - от 500 до 10 000 и только следы - больше 10 000. Иногда для оценки качественного состава полифенолов пива ис­пользуют термин «индекс полимеризации». Это отношение общего количества полифенолов к количеству антоцианогенов.

По современным представлениям полифенолы солода и хмеля в значительной мере определяют вкус, цвет, пенистые свойства пива, а также склонность готового напитка к коллоидному помутнению. Участие полифенольных веществ в образовании коллоидной мути пива было установлено еще в 1893 г. Брауном, впервые выделившим коллоидную муть пива и показавшим, что она состоит из полифе­нолов и белков.

Полифенольная фракция коллоидной мути включает в себя антоцианогены, производные лигнина, сложные эфиры простых фенолов. Соединения белков с полифенольными веществами имеют­ся в зерне ячменя и дополнительно образуются в процессе затира­ния зернопродуктов, фильтрования и кипячения сусла. Качество используемого сырья и условия проведения отдельных стадий при­готовления пива во многом определяют степень полимеризации фенольных веществ, а значит, и их влияние на качество пива.

Для улучшения стабильности пива к коллоидному помутнению не­обходимо осуществить выборочные изменения в составе полифенолов пива с тем, чтобы не ухудшить его органолептические свойства.

Классификация фенольных соединений. Фенольными веществами называется ряд веществ, содержащих в своей структуре ароматические кольца с гидроксильной группой, а также их функциональные производные. Фенольные соединения, в ароматическом кольце которых имеется более одной гидроксиль­ной группы, именуют полифенолами.

Известно более 1000 разнообразных природных фенольных со­единений. На рисунке 5 приведена классификация фенолов.

По химической структуре все фенольные соединения можно разделить на три основные группы: с одним ароматическим коль­цом, с двумя ароматическими кольцами, полимерные соединения.

Простые фенольные соединения с одним ароматическим коль­цом представлены: пирокатехином (1,2-диоксибензолом), резор­цином (1,3-диоксибензолом), гидрохиноном (1,4-диоксибензолом), флюроглюцином (1,3,5-триоксибензолом), оксигидрохиноном (1,3,4-триоксибензолом), пирогаллолом (1,2,3-триоксибензолом).

Рисунок 5 - Классификация фенолов

Группа фенолкарбоновых кислот представлена оксибензойными кислотами: протокатеховой, галловой, ванилиновой, n-оксибензойной и сиреневой. Они обычно присутствуют в связанной с другими соединениями форме. Например, галловая кислота в растениях находится часто в виде м-дигалловой кислоты.

Связь между гидроксильной группой одной молекулы фенолкарбоновой кислоты и карбоксильной группой другой называется депсидной, а соединения, содержащие такие связи, - депсидами.

Третья группа фенолов с одним ароматическим ядром разделя­ется на две подгруппы: оксикоричные кислоты и кумарины. В рас­тениях часто встречаются эфиры оксикоричных кислот с алифати­ческими и гидроароматическими кислотами, например хлорогеновая кислота.

Фенольные соединения с двумя ароматическими кольцами представлены тремя типами соединений: флавоноидами, изофлавоноидами, ротеноидами.

Связь между гидроксильной группой одной молекулы фенолкарбоновой кислоты и карбоксильной группой другой называется депсидной, а соединения, содержащие такие связи, - депсидами.

Третья группа фенолов с одним ароматическим ядром разделя­ется на две подгруппы: оксикоричные кислоты и кумарины. В рас­тениях часто встречаются эфиры оксикоричных кислот с алифати­ческими и гидроароматическими кислотами, например хлорогеновая кислота.

Фенольные соединения с двумя ароматическими кольцами представлены тремя типами соединений: флавоноидами, изофлавоноидами, ротеноидами.

Молекула флавоноида содержит два бензольных кольца и одно гетероциклическое кислородсодержащее пирановое или пироновое кольцо. Их можно рассматривать как производные флавана. К ним относится фенилхроман. Флавоноиды могут быть разбиты на 6 основных подгрупп по степени окисленности (или восстановлен­ное) гетероциклического фрагмента. Разнообразие флавоноидов достигается за счет различного замещения функциональных групп в ароматических кольцах А и В (например, в разных положениях могут присоединяться группы -ОН, -ОСН₃, -СН₃), а также нали­чия асимметрических атомов углерода и способности образовывать гликозиды с разными моно-, ди- и трисахаридами.

Катехины - наиболее восстановленная группа флавоноидов. Это бесцветные вещества, легко окисляющиеся и склонные к полимеризации; последнее определяет их решающую роль в помутнени­ях пива. Они в значительном количестве присутствуют в ячмене и Солоде. Катехины — родоначальники конденсированных полифенольных веществ, при окислении приобретают различную окраску, окислительная конденсация катехинов протекает по следующей схеме:

.

Лейкоантоцианы - очень неустойчивые соединения. В ячмене находятся в достаточно большом количестве. При кислотной обра­ботке легко переходят в окрашенные антоцианидины.

К ним относятся антоцианогены - интенсивно окрашенные со­единения. В растениях они содержатся в виде гликозидов-антоцианов.

Антоцианы - красящие вещества растений. Окрашивают плоды, листья, лепестки цветов в самые разнообразные оттенки - от розового до чернофиолетового. Строение установлено в 1913-1916 гг. крупнейшим немецким биохимиком Р. Вильштеттером. Bce антоцианы содержат в гетероциклическом кольце четырехва­лентный кислород (оксоний) и благодаря этому легко образуют соли, например хлориды.

Влияние характера заместителей в кольце В на окраску соедине­ния показано в таблице 4.

Таблица 4– Известные антоцианидины

В зависимости от рН среды изменяется окраска антоцианидинов. Соли катионов этих соединений окрашены в красный цвет с оттенками, щелочные соли - в синий цвет. Увеличение числа гидроксильных групп в кольце В антоцианидинов усиливает ин­тенсивность синей окраски, а метоксильных групп - красной ок­раски. Поэтому полифенолы широко используются как индикато­ры (таблица 5).

Таблица 5 - Характеристика некоторых широко используемых индикаторов

Из природных антоцианов чаще всего встречается цианидин, в растениях северных широт преобладает дельфинидин.

Флаваноны - это очень нестойкие соединения. В состав этой группы соединений входит нарингин - компонент горечи цитру­совых, особенно плодов грейпфрута.

Среди флавонов (желтых красящих веществ) наиболее распрост­ранены алигенин, лутеолин, трицин.

Флавонолы - тоже вещества желтой окраски. Образуют большое число различных гликозидов, чаще всего производных следую­ щих агликонов: кемпферола, кверцетина и мирицетина. Эти соеди­ нения в значительных количествах находятся в хмеле.

К собственно флавоноидам примыкают халконы и дигидрохалконы, которые можно рассматривать как флавоноиды с раскрытым пироновым кольцом. В кислой среде халконы превращаются в флаваноны. К флавоноидам относятся также ауроны.

Из других более редких фенольных соединений этого типа мож­но упомянуть о производном нафтохинона - юглоне (полифеноле кожуры зеленого грецкого ореха).

Если в молекуле флавоноида фенольная группа присоединена не ко второму атому углерода, а к третьему, то образуются изомерные соединения -изофлавоноиды.

Ротеноиды содержат тетрациклическое кольцо из 16 углеродных атомов.

Образование флавоноидных соединений - характерная особен­ность высших растений. Ни грибы, ни лишайники не способны синтезировать флавоноиды. Все флавоноиды, кроме катехинов, встречаются как в свободном состоянии, так и в виде гликозидов. В качестве углеводной части могут быть моно-, ди- и трисахариды: глюкоза, ксилоза, рамноза, арабиноза, рутиноза (рамноза-a-1,6-глюкоза), софороза (глюкоза-b-1,2-глюкоза) и т. д. (не менее 10). Гликозиды существуют в двух формах: О-гликозиды, С-гликозиды.

О-гликозиды - обычная форма флавоноидных гликозидов. Са­мую большую группу составляют флавоновые гликозиды, в которых сахар находится в третьем положении углерода, часто встречаются 3,7-дигликозиды, а 3,4-дигликозиды - редко. В гликозидах антоцианов часты 3,5-замещения у углеродных атомов.

С-гликозиды - это соединения, в которых сахар присоединен непосредственно к ядру флавона через атом углерода в восьмом по­ложении. У этих гликозидов агликоны почти исключительно при­надлежат к классу флавонов.

Гликозирование флавоноидных пигментов цветов имеет суще­ственное значение. С одной стороны, это обеспечивает их устойчи­вость к свету и действию ферментов, с другой стороны, это улучша­ет растворимость пигментов в клеточном соке. Помимо мономерных фенольных соединений в растениях, в том числе ячмене, содержатся и полимеры фенольной природы: ду­бильные вещества, лигнин, меланины. Сюда же иногда относят и гуминовые кислоты, образующиеся в почве при гумификации рас­тительных остатков.

Дубильные вещества - условное название группы растительных полифенолов, имеющих молекулярную массу 1000-5000. Природ­ные дубильные вещества делят на две большие группы: конденси­рованные и гидролизуемые.

Конденсированные дубильные вещества в большей части явля­ются полимерами катехинов или лейкоантоцианов либо их сополи­мерами. Гидролизуемые дубильные вещества в отличие от конден­сированных при обработке разбавленными кислотами распадаются с образованием более простых соединений. Конденсированные дубильные вещества под влиянием кислот увеличивают свою массу и образуют нерастворимые, аморфные, соединения.

В зависимости от строения образующихся при гидролизе пер­вичных фенольных соединений различают галловые и эллаговые гидролизуемые дубильные вещества. Нефенольным компонентом в обеих группах всегда бывают моносахариды, обычно глюкоза. Гал­ловые дубильные вещества иногда называют галлотаннинами. Это сложные эфиры галловой или дигалловой кислоты с глюкозой. Причем к молекуле глюкозы может присоединяться разное количе­ство (до 5) молекул галловой (или дигалловой) кислоты. Эллаговые дубильные вещества, или эллаготаннины, при гидролизе дают в ка­честве фенольных остатков эллаговую кислоту, а в качестве сахари­стого остатка — чаще глюкозу.

При ферментативном окислении дубильные вещества превра­щаются в вещества красного и коричневого цвета - флобафены. Они нерастворимы в холодной воде, но растворяются в горячей, ок­рашивая настои и отвары в красно-бурые тона.

Лигнин содержится в одревесневших растительных тканях наря­ду с целлюлозой и гемицеллюлозой. Это аморфное, нерастворимое в воде вещество, лишь 5-10 % которого растворяется в органичес­ких растворителях. Лигнин участвует в создании опорных элемен­тов растительных тканей. По своей химической природе лигнин - трехмерный полимер фенольной природы. При окислении нитро­бензолом в щелочной среде лигнин расщепляется с образованием ароматических альдегидов: ванилина, сиреневого альдегида .

Меланины - фенольные полимеры, строение которых до кон­ца не выяснено. Они окрашены в черный или коричнево-черный цвет. При щелочном расщеплении меланины образуют пирокате­хин, протокатеховую кислоту и небольшое количество 5,6-диоксииндола.

Таким образом, рассмотрение химического состава и строения фенольных соединений, участвующих в пивоварении, свидетель­ствует о чрезвычайном многообразии этих веществ. Это затрудняет изучение изменений, происходящих с ними в ходе технологических процессов получения солода и пива, а также направленное регулирование содержания отдельных фракций этих веществ в готовой продукции.

Схема основных типов превращений, происходящих с полифено­лами, имеющими значение в пивоварении, представлена на рисунке 6.

В заключение темы по составу и свойствам высокомолекулярных соединений ячменя и солода представлена характеристика основных типов связей, которые имеют значение для свойств веществ и путей их превращений в последующих процессах переработки яч­меня, солода с точки зрения полноты прохождения отдельных стадий и оптимизации состава полупродуктов и готового напитка (таблице 6).

Рисунок 6 - Пути превращения фенольных соединений

Таблица 6 - Типы связей

Продолжение таблицы 6

Ковалентная (химическая) связь образуется общими для двух атомов электронами. Два общих электрона образуют одинарную, четыре электрона -двойную, а шесть электронов - тройную связь. Если же связывающие электроны несимметрично располо­жены между двумя атомами, то ковалентная связь превращается в так называемую полярную ковалентную связь и молекула становит­ся диполем. Такого типа связи образуют элементы с высокой электроотрицательностью, т. е. такие, которые обладают большим срод­ством к электронам. Для органических соединений характерна ко­валентная связь; в качестве примера можно привести пептидные связи первичной структуры белков.

Ионные связи образуются в тех случаях, когда один атом отдает один или более электронов другому. В результате возникают поло­жительно и отрицательно заряженные ионы. Этот предельный слу­чай полярных связей осуществляется между ионизирующимися группами пептидных цепей как внутри одной молекулы, так и меж­ду различными молекулами, а также при взаимодействии макромо­лекул с низкомолекулярными органическими веществами и неор­ганическими ионами.

Водородные связи возникают в результате дипольных взаимо­действий. Чаще всего они имеют место в тех молекулах, где атомы водорода связаны с атомами кислорода и азота. Высокая электроот­рицательность этих элементов и малый объем атома водорода, обра­зующего положительный конец диполя, приводят к исключительно высокой полярности этой связи. При этом водород в форме Н⁺ сильно притягивается заряженной группой другой полярной моле­кулы. Межмолекулярные водородные связи оказывают весьма сильное воздействие на физические свойства многих веществ.

Внутримолекулярные водородные связи стабилизируют форму молекул и лежат в основе некоторых их свойств. Разрыв водородных связей приводит к существенному изменению всей молекулы, на­пример денатурации белков.

Гидрофобные связи (гидрофобные взаимодействия) соединяют неполярные (гидрофобные) части одной или разных молекул в водных растворах. Энергия каждого такого взаимодействия незначи­тельна, однако взаимодействие большого числа длинных алифати­ческих цепей приводит к возникновению весьма стабильных сис­тем. Существование таких связей и их сила определяются измене­нием энтропии (степени упорядоченности) системы. Гидрофобные взаимодействия играют важную роль в стабилизации структур биополимеров и в образовании биологических мембран.