"Не затирай мне тут, сахарок!": разбираемся в методах осахаривания и затирания

Какой алкоголь бы мы не делали. мы непременно стогкнемся с вопросом - а откуда взять то, что съедят дрожжи и дадут спирт. Ладно бы они ели что попало, но нет, едят наши любимые сахромицеты простые и понятные сахара, а другое не едят. И чем в сырье сахара больше. тем больше и его возможности для сбраживания. Зерно содержит большой запас потенциального спирта, но основная часть этого потенциала заключена в крахмале. Дрожжи не способны непосредственно сбраживать крахмал: им необходимы растворимые сахара, прежде всего глюкоза, мальтоза и мальтотриоза. Поэтому перед брожением крахмал необходимо:

1. высвободить из клеточных структур зерна;
2. гидратировать и сделать доступным для ферментов;
3. разжижить длинные крахмальные цепи;
4. расщепить их до сбраживаемых сахаров.

Совокупность этих процессов обычно называют затиранием и осахариванием и нужны они вообще для любого зерна и любого зернового напитка - от пива до кваса и виски. Про пиво и квас говорить сегодня не будем, а вот дистилляты потрогаем и разберем на части, хотя первая парочка будет зиждеться на ровно тех принципах. Для дистилляционных заторов применяют три основные схемы (по крайней мере я их так называю):

• классическое солодовое затирание;
• горячее осахаривание, ГОС;
• холодное осахаривание, ХОС.

Они отличаются температурой обработки, источником ферментов, продолжительностью процесса, требованиями к оборудованию и характером будущего дистиллята.

Как происходит осахаривание зерна

Клейстеризация крахмала

Крахмал в зерне находится в виде плотных полукристаллических гранул. В нативном состоянии они сравнительно плохо доступны для большинства обычных амилаз. При нагревании в присутствии воды гранулы:

• поглощают воду;
• набухают;
• теряют упорядоченную структуру;
• частично разрушаются;
• переходят в вязкий клейстеризованный крахмал.

Этот процесс называют клейстеризацией, или желатинизацией крахмала. Температура клейстеризации зависит от культуры, сорта, помола, влажности и предшествующей обработки зерна. Приблизительно:

Сырье	Типичный диапазон клейстеризации
Рожь	52-65 °C
Пшеница	54-67 °C
Ячмень	55-65 °C
Овес	55-70 °C
Кукуруза	65-78 °C
Рис	68-82 °C
Картофельный крахмал	58-70 °C

Разжижение

После клейстеризации затор становится очень вязким. Длинные молекулы амилозы и амилопектина связывают большое количество воды. Без ферментов тут не обойтись. Основной из них - α-амилазаα-амилаза разрывает внутренние α-1,4-гликозидные связи крахмала. В результате снижается молекулярная масса крахмала, уменьшается вязкость, образуются декстрины (остатки крахмала, но еще не простые сахара), появляется больше концов цепей, доступных для других ферментов. Этот этап называют разжижением.При горячем осахаривании используют термостабильную α-амилазу, которая выдерживает температуры клейстеризации и может работать непосредственно во время нагрева и варки.

Осахаривание

После разжижения декстрины расщепляются до более простых углеводов. Основную здесь роль играют:

• глюкоамилаз и глюкозидазаа, образующие преимущественно глюкозу;
• β-амилаза солода, образующая мальтозу;
• α-амилаза, продолжающая создавать короткие декстрины;
• ферменты, раскрывающие α-1,6-разветвления амилопектина.

Для дистилляционного затора главная задача состоит не в формировании определенного «тела» сусла, как в пивоварении, а в достижении:

• высокого выхода сбраживаемых сахаров;
• полного использования крахмала;
• приемлемой вязкости;
• устойчивого и быстрого брожения;
• сохранения желаемой зерновой ароматики.

Надо ли добавлять ферменты извне?

Смотря какой режим выбрать. Одно можно сказать точно - совсем без ферментов не получится ничего. Дрожжи не умеют есть крахмал, не умеют разрушать его сами. Собственно, люди потому и пришли к использованию солода: он содержит собственные α- и β-амилазы, а также ряд протеолитических и цитолитических ферментов. Однако его ферментативная сила не всегда достаточна. Проблемы возникают, если:

• солода в засыпи мало;
• используется много несоложеного зерна;
• сырье содержит много крахмала, β-глюканов или пентозанов;
• температура была превышена;
• солод долго или неправильно хранился;
• затор очень густой;
• требуется ускоренное осахаривание;
• необходимо получить максимально сухую брагу;
• процесс проводят при низкой температуре.

Экзогенные (сиречь, внешние) ферменты позволяют не только заменить часть солода, но и сделать процесс более предсказуемым.

В линейке HERTZ Enzym мы разработали ти комплекса для разных схем:

EN05 - комплекс для горячего осахаривания и несоложенки
Разжижает клейстеризованный крахмал при высокой температуре и осахаривает при стандартной.

EN06 - комплекс для классического осахаривания и солода
Усиливает ферменты солода, повышает выход сахаров и компенсирует недостатки солода.

EN03 - комплекс для холодного осахаривания
Крайне сильные ферменты для расщепления крахмала при комнатной температуре и усиления кодзи

Комплексы не являются полностью взаимозаменяемыми. Их состав и логика работы привязаны к температуре и способу подготовки сырья.

1 Классическое солодовое затирание

Суть метода

Классическое затирание основано прежде всего на использовании собственных ферментов солода. Дробленый солод, а при необходимости и часть несоложеного сырья, смешивают с водой и выдерживают в температурном диапазоне, благоприятном для солодовых амилаз. Для дистиллятов обычно используют паузу около 62-67 °C. В этой зоне одновременно работают:

• β-амилаза, образующая мальтозу;
• α-амилаза, разжижающая крахмал и декстрины;
• предельная декстриназа и другие ферменты солода.

В отличие от ГОС, сырье обычно не подвергается полноценной высокотемпературной варке. Поэтому метод лучше всего работает с солодом и зерном, крахмал которого клейстеризуется в пределах температур затирания.

Типовая схема

1. Измельчить солод и зерно.
2. Нагреть воду с учетом температуры засыпи.
3. Постепенно внести сырье при постоянном перемешивании.
4. Установить температуру 63-65 °C.
5. Выдерживать 60-90 минут.
6. Контролировать разжижение и йодную пробу.
7. При необходимости поднять температуру до 68-72 °C на 15-30 минут.
8. Охладить затор до температуры внесения дрожжей.
9. Сбраживать по зерну либо отделить сусло.

Для дистилляционного затора наиболее универсальна температура 63-65 °C. Она обеспечивает достаточно высокую активность β-амилазы и одновременно приемлемое разжижение.

Гидромодуль

Для классического затирания под дистилляцию обычно применяют:

• 1:3-1:3,5 для плотного затора;
• 1:4 как универсальный вариант;
• 1:4,5-1:5 для облегчения перемешивания и "вредных" заторов.

Чем гуще затор:

• тем выше потенциальная концентрация спирта;
• тем сложнее перемешивание;
• тем выше риск локального перегрева;
• тем менее равномерно проходит осахаривание.

Продолжительность

Обычно:

• подготовка и нагрев: 30-60 минут;
• основная пауза: 60-90 минут;
• охлаждение: зависит от оборудования;
• брожение: примерно 3-7 суток.

Продолжительность брожения определяется дрожжами, плотностью, температурой, обеспеченностью азотом и полнотой осахаривания.

Преимущества

• мягкая температурная обработка;
• хорошее сохранение солодового аромата;
• простая технологическая схема;
• сравнительно низкие энергозатраты;
• не требуется варка при 90-100 °C;
• подходит для ароматных солодовых дистиллятов;
• солод одновременно служит сырьем и источником ферментов;
• хорошо подходит для виски из ячменного солода.

Недостатки

• высокая зависимость от качества солода;
• ограниченная работа с кукурузой, рисом и другими высокотемпературными крахмалами;
• часть крахмала может остаться неклейстеризованной;
• сложнее использовать большую долю несоложеного сырья;
• нагрев выше 70 °C может быстро снизить активность β-амилазы;
• результат зависит от точности температурной паузы;
• хороший результат требует достаточно тонкого, но не чрезмерного помола.

Для чего подходит лучше всего

Классическое затирание оптимально для:

• солодового виски;
• ячменных дистиллятов;
• пшеничного виски с заметной долей солода;
• ржаных заторов с достаточной ферментативной силой;
• ароматных зерновых дистиллятов;
• небольшого производства без оборудования для полноценной варки.

Роль EN06

HERTZ EN06 предназначен для классического затирания и частично может применяться в комбинированных низкотемпературных схемах. Комплекс нужен не вместо солода как такового (хотя и может его заменить полностью), а для усиления и стандартизации его действия.
EN06 особенно уместен, если требуется сохранить классическую солодовую технологию, но сделать ее менее зависимой от партии солода.

EN06 позволяет:

• компенсировать нестабильную диастатическую силу солода;
• увеличить долю сбраживаемых сахаров;
• ускорить разжижение;
• улучшить работу с густыми заторами;
• увеличить допустимую долю несоложеного сырья;
• снизить риск остаточного крахмала;
• сократить продолжительность осахаривания;
• повысить повторяемость между партиями сырья.

Комплекс особенно полезен при работе с:

• пшеницей;
• ячменем;
• рожью;
• овсом;
• смешанными солодовыми засыпями;
• заторами с умеренной долей несоложеного зерна.

При этом EN06 не превращает классическое затирание в полноценную варку. Если кукуруза, рис или другое высокотемпературное сырье не было достаточно клейстеризовано, ферменты не смогут полностью использовать его крахмал достаточно быстро. В общем, все как с обычным солодом, только мощнее и проще.

---

2 Горячее осахаривание, ГОС

Суть метода

При горячем осахаривании зерно сначала нагревают до температуры полной или максимально возможной клейстеризации крахмала. Используют две технологические стадии:

1. горячее разжижение и подготовка крахмала;
2. осахаривание после снижения температуры.

Именно такую схему корректно называть горячим двухстадийным осахариванием. В первой стадии крахмал клейстеризуется и разжижается термостабильной α-амилазой. Во второй стадии при более низкой температуре декстрины расщепляются до сбраживаемых сахаров.

Первая стадия: клейстеризация и разжижение

Зерно смешивают с водой и нагревают до температуры, достаточной для его обработки.

• пшеница, рожь, ячмень: обычно 75-90 °C;
• кукуруза: 85-95 °C;
• рис: 85-98 °C;
• цельное или грубо измельченное сырье: иногда требуется выдержка около температуры кипения.

Точная температура зависит не только от справочной точки клейстеризации. В реальном густом заторе необходимо учитывать:

• размер частиц;
• скорость нагрева;
• содержание воды;
• интенсивность перемешивания;
• длительность выдержки;
• сорт зерна;
• наличие жира, белка и клетчатки.

При нагревании без ферментов затор быстро становится очень густым. Поэтому термостабильную α-амилазу желательно вносить до интенсивного загущения или несколькими порциями. После достижения рабочей температуры затор выдерживают до разрушения зерновой структуры и устойчивого снижения вязкости. Ориентировочно:

• мука тонкого помола: 20-40 минут;
• дробленая пшеница или ячмень: 30-60 минут;
• рожь: 30-60 минут с особенно интенсивным перемешиванием;
• кукуруза: 45-90 минут;
• рис: 30-60 минут;
• грубая крупа или цельное дробленое зерно: дольше.

Полноценное кипячение не всегда обязательно. Важнее добиться полной гидратации и разрушения гранул крахмала, отсутствия сухих частиц, устойчивой текучести затора, доступности субстрата для ферментов.

Вторая стадия: осахаривание

После разжижения затор охлаждают до температуры работы осахаривающих ферментов. Типичный диапазон:

• 55-62 °C для глюкоамилазной стадии;
• иногда 60-65 °C, если состав комплекса и технологическая задача допускают более высокую температуру.

На этой стадии глюкоамилаза завершает расщепление декстринов до сбраживаемых сахаров. Выдержка обычно составляет 30-90 минут, но может быть увеличена для очень плотных или сложных заторов. После этого затор охлаждают до температуры внесения дрожжей.

Вариант с одновременным горячим разжижением

При достаточной термостабильности α-амилазы фермент вносят непосредственно перед нагревом или во время повышения температуры. Преимущества такого подхода:

• затор меньше густеет;
• снижается нагрузка на мешалку;
• уменьшается риск пригорания;
• можно использовать более плотный гидромодуль;
• легче обеспечить равномерную клейстеризацию.

Однако осахаривающую часть комплекса нельзя бездумно подвергать варке. Ферменты, предназначенные для второй стадии, должны вноситься после охлаждения либо быть защищены составом и схемой дозирования.

Гидромодуль

Для ГОС обычно применяют:

• 1:3,5-1:4 при хорошем перемешивании;
• 1:4-1:5 как наиболее технологичный диапазон;
• более жидкие заторы для ржи, овса и слабого оборудования.

Кукурузные и ржаные заторы требуют особого внимания к вязкости.

Продолжительность

Обычно:

• замешивание и нагрев: 45-120 минут;
• горячая выдержка: 30-90 минут;
• охлаждение до осахаривания: зависит от оборудования;
• осахаривание: 30-90 минут;
• охлаждение до брожения;
• брожение: примерно 3-7 суток.

Это самый продолжительный и энергоемкий вариант подготовки, но и один из наиболее надежных по полноте использования крахмала.

Преимущества

• максимально полная клейстеризация крахмала;
• высокий выход экстракта и спирта;
• возможность перерабатывать практически любое зерно;
• особенно эффективен для кукурузы и риса;
• позволяет использовать мало солода или отказаться от него;
• хорошая микробиологическая чистота после горячей обработки;
• высокая повторяемость;
• возможность работы с густыми заторами;
• эффективное использование несоложеного сырья.

Недостатки

• высокие затраты энергии;
• требуется мощный нагрев;
• необходима надежная мешалка;
• высокий риск пригорания;
• длительное охлаждение;
• повышенные требования к оборудованию;
• возможное образование выраженных вареных, хлебных и кашевых тонов;
• при интенсивной варке часть тонкой ароматики теряется;
• ошибки дозирования ферментов могут привести к чрезмерной вязкости или неполному осахариванию.

Для чего подходит лучше всего

ГОС оптимально для:

• кукурузных заторов;
• бурбонных засыпей;
• риса;
• пшеницы и ржи с высокой долей несоложеного зерна;
• спиртовых заторов;
• производств, где приоритетом является высокий выход;
• переработки муки, крупы и смешанных зерновых рецептур;
• случаев, когда качество солода нестабильно или солод вообще не используется.

Для ароматного виски горячую обработку следует проводить настолько интенсивно, насколько требуется для клейстеризации, но без необоснованно долгой варки.

Роль EN05 на горячей стадии

HERTZ EN05 предназначен для горячего осахаривания зернового сырья. В нем уже есть и термостабильная амилаза, и классические ферменты, поэтому комплекс применяется в двух навесках - одну вносят на стадии разжижения, а вторую - на стадии осааривания, чтобы все ферменты отработали от и до.

На первой стадии комплекс обеспечивает:

• быстрое разжижение клейстеризованного крахмала;
• снижение вязкости;
• предотвращение образования плотного крахмального клейстера;
• улучшение теплопередачи;
• облегчение перемешивания;
• повышение доступности крахмала;
• подготовку декстринов к последующему осахариванию.

В зависимости от технологической схемы часть EN05 может вноситься:

• при замешивании;
• в процессе нагрева;
• после достижения температуры разжижения.

На второй стадии EN05 завершает расщепление декстринов до сбраживаемых сахаров за счет очень мощных глюканаз и амилаз, которые разрывают сахара с невероятной скоростью. Для сравнения, продающиещя в различных магазинах жидкие ферменты, которые используюся для горячего осахаривания, примерно в 30 раз слабее тех, что есть в составе комплекса - это и обеспечивает ему возможность так круто работать.

---

3 Холодное осахаривание, ХОС

Суть метода

При холодном осахаривании зерно не подвергают предварительной варке и отдельной высокотемпературной стадии осахаривания. Измельченное сырье смешивают с водой, вносят специализированные ферменты и дрожжи. Осахаривание происходит одновременно с брожением или опережает его на несколько часов. Температура процесса обычно совпадает с температурой брожения:

• примерно 25-32 °C;
• иногда до 34-36 °C для термотолерантных дрожжей и соответствующих ферментных систем.

В англоязычной практике такой подход близок к процессу simultaneous saccharification and fermentation, то есть одновременному осахариванию и сбраживанию.

Типовая схема ХОС:

1. Измельчить зерно достаточно тонко.
2. Подготовить воду температурой около 25-32 °C.
3. Внести зерно/муку при интенсивном перемешивании.
4. Скорректировать гидромодуль и pH.
5. Внести ферменты.
6. Внести дрожжи и подкормку.
7. Интенсивно перемешать затор.
8. Поддерживать температуру брожения.
9. Перемешивать в первые сутки и далее по мере необходимости.
10. Дождаться прекращения выделения газа и снижения остаточного экстракта.
11. Дать затору дополнительное время на завершение осахаривания.

Почему обычные ферменты солода здесь недостаточны

При температуре брожения крахмал зерна остается в основном нативным, то есть неклейстеризованным. Обычная α-амилаза хорошо работает с гидратированным и клейстеризованным крахмалом, но значительно слабее атакует целые нативные гранулы. Поэтому для ХОС необходим комплекс, способный:

• разрушать поверхность нативного крахмала;
• работать при температуре брожения;
• постепенно образовывать глюкозу;
• сохранять активность несколько суток;
• действовать в присутствии дрожжей и продуктов брожения;
• снижать вязкость и раскрывать зерновые структуры.

Помол

Для ХОС помол имеет критическое значение. Чем меньше частицы:

• тем больше площадь контакта;
• тем быстрее вода проникает в зерно;
• тем доступнее крахмальные гранулы;
• тем быстрее работают ферменты.

Обычно предпочтительна мука или очень мелкая крупка. Недостатки чрезмерно тонкого помола:

• образование комков;
• высокая начальная вязкость;
• сложность перемешивания;
• риск вспенивания;
• затрудненная перегонка густой браги;
• вероятность пригорания в кубе.

Гидромодуль

Для ХОС обычно требуется больше воды, чем для ГОС:

• 1:4 при хорошем перемешивании;
• 1:4,5-1:5 как универсальный диапазон;
• 1:5-1:6 для ржи, овса и оборудования без интенсивного перемешивания.

Недостаток воды замедляет гидратацию и ферментативный доступ к крахмалу.

Перемешивание

Перемешивание особенно важно в начале процесса. Оно равномерно распределяет ферменты, предотвращает образование сухих комков и, как следствие, недоброда, поддерживает контакт ферментов с зерном, улучшает теплообмен, уменьшает образование плотного осадка (особенно это важно с мукой), повышает скорость осахаривания. Постоянное интенсивное перемешивание после начала активного брожения не обязательно. Оно может усиливать пенообразование, вносить кислород и удалять углекислый газ. Практичный режим:

• интенсивное перемешивание при замешивании;
• повторное перемешивание через несколько часов;
• 1-3 перемешивания в первые сутки;
• далее только при образовании плотной шапки или расслоения.

Продолжительность

ХОС обычно медленнее горячих методов. Сильно медленнее. Ориентировочно:

• первые сахара появляются в течение нескольких часов;
• активное брожение развивается в первые сутки;
• основное брожение занимает 4-8 суток;
• для полного использования крахмала может потребоваться 7-12 суток.

Продолжительность зависит от:

• вида сырья;
• тонкости помола;
• дозировки ферментов;
• температуры;
• активности дрожжей;
• начальной плотности;
• перемешивания;
• обеспеченности азотом;
• устойчивости ферментов к этанолу.

Даже после видимого прекращения брожения часть крахмала может продолжать медленно осахариваться и растянуть брожение еще на много дней.

ХОС и кодзи

Кодзи представляет собой зерновой субстрат, обработанный плесневыми грибами, продуцирующими широкий спектр ферментов.

Качественный кодзи может содержать:

• α-амилазу;
• глюкоамилазу;
• протеазы;
• пептидазы;
• гемицеллюлазы;
• другие гидролитические ферменты.

Однако активность кодзи может сильно различаться между партиями. На результат влияют:

• культура продуцента;
• количество спор;
• технология выращивания;
• температура сушки;
• срок хранения;
• влажность;
• состав носителя.

Преимущества ХОС

• отсутствие варки;
• низкие энергозатраты;
• минимальные требования к нагревательному оборудованию;
• простая технологическая схема;
• нет необходимости охлаждать затор после кипячения;
• меньше риск пригорания при приготовлении;
• возможно хорошее сохранение свежей зерновой ароматики;
• удобно для больших объемов при ограниченной мощности нагрева;
• хорошо сочетается с кодзи;
• позволяет одновременно проводить осахаривание и брожение.

Недостатки ХОС

• высокая зависимость от качества ферментного комплекса;
• более длительное брожение;
• высокий микробиологический риск;
• требуется тонкий помол;
• непредсказуемость без контроля температуры;
• сложнее точно определить момент завершения;
• возможен остаточный крахмал;
• густая зерновая брага сложна для перегонки;
• в начале процесса мало сахара, поэтому дрожжи должны быть активными и хорошо обеспеченными питанием;
• эффективность может быть ниже, чем у правильно проведенного ГОС.

Для чего подходит лучше всего

ХОС подходит для:

• небольших производств без мощного нагрева;
• переработки зерновой муки;
• работы с кодзи;
• больших объемов, которые трудно варить и охлаждать;
• экспериментов с ароматными зерновыми дистиллятами;
• случаев, когда важна экономия энергии;
• оборудования с хорошим перемешиванием, но ограниченным нагревом.

Для кукурузы и риса ХОС возможно, но требует особенно эффективной ферментной системы и тонкого помола. Максимальный выход из такого сырья обычно проще получить через ГОС.

Роль EN03

HERTZ EN03 предназначен для холодного осахаривания и усиления кодзи. Ферменты в нем - самые сильные, их активность измеряется десятками тысяч единиц на грамм. Это позволяет разрушать даже смые неприступные крахмальные клетки кратно быстрее.

Комплекс применяется:

• для прямого ХОС зернового сырья;
• при одновременном осахаривании и брожении;
• для увеличения выхода при использовании кодзи;
• для компенсации недостаточной ферментативной активности кодзи;
• для сокращения продолжительности брожения;
• для более полного использования остаточного крахмала;
• для работы со смешанными зерновыми засыпями.

EN03 должен обеспечивать не только обычное осахаривание декстринов, но и доступ к нативному крахмалу при относительно низкой температуре.

Еще одно забаное применение этого комплекса - помощь кодзи. Добавление EN03 позволяет:

• стабилизировать осахаривание;
• уменьшить зависимость от активности конкретной партии кодзи;
• ускорить старт брожения;
• повысить конечный выход;
• уменьшить остаточный крахмал;
• работать с меньшей долей кодзи;
• усилить переработку сложного сырья.

При этом EN03 не заменяет ароматический вклад кодзи. Он усиливает прежде всего ферментативную часть процесса.

---

Сравнение методов

Все буллиты выше я постарался свести в эту таблицу - надеюсь, она поможет вам чуть лучше ориентироваться в подходах к снаряду:)

---

Выводы вместо заключения

Классическое затирание - наиболее простой и универсальный метод. Оно подходит для качественного ячменного солода и большинства стандартных задач.

Горячее двухстадийное затирание - наиболее управляемый и технологически полноценный вариант. Оно позволяет совместить высокую сбраживаемость с полным разжижением и осахариванием крахмала. Для виски, зернового дистиллята и высокоплотного затора это, как правило, лучший выбор.

Холодное затирание - специальный метод, а не равноценная энергосберегающая замена горячему. Оно хорошо извлекает растворимые вещества и ферменты, но без клейстеризации или специальных ферментных препаратов не обеспечивает полного использования крахмала. Его следует применять осознанно: для низкоалкогольных продуктов, холодной экстракции или как часть комбинированной технологии.