ENZYMEN IN JE BIER

1. Inleiding

Enzymen spelen binnen de mouterij en de brouwerij een belangrijke rol. In de mouterij zorgen ze o.a. voor de afbraak van celwanden in de gerstkorrel. In het brouwhuis zorgen ze ervoor dat gewenste stoffen uit de mout en het ongemout oplossen. Tijdens de vergisting en de lagering vinden ook belangrijke enzymreacties plaats.

2. Samenvatting enzymen

Enzymen zijn eiwitten met een speciale functie. Bepaalde reacties zullen met behulp van enzymen eerder (bijvoorbeeld bij een lagere temperatuur) tot stand komen.

Factoren die de werking van enzymen beïnvloeden zijn:

1. de temperatuur

Elk enzym heeft zijn eigen optimumtemperatuur. Bij een te hoge temperatuur worden enzymen onwerkzaam door (gedeeltelijke) eiwitdenaturatie. Bij lage temperaturen neemt de enzymwerking af. De invloed van de temperatuur op de werking van enzymen is dus erg groot.

1. de pH

Elk enzym heeft zijn eigen optimum-pH. De meeste enzymen werken bij een pH van 5 tot 9.

1. water

Water is een eerste vereiste om enzymwerking plaats te kunnen laten vinden. De enzymen en het substraat moeten elkaar kunnen ontmoeten. Dit kan alleen als er een transportmiddel aanwezig is. De concentratie van de oplossing is ook van belang. Bij een hoge concentratie aan stoffen is de ontmoetingskans tussen enzymen en substraat groot. Te hoge concentraties geven echter weer een minder goede enzymwerking. Dit komt doordat het enzym erg vaak andere stoffen (bijvoorbeeld reeds afgebroken substraat) ontmoet.

1. aanwezigheid van andere stoffen

Andere stoffen kunnen de werking van enzymen bevorderen of juist afremmen. Zware metalen remmen bijvoorbeeld de werking van enzymen.

3. Belangrijke enzymen in mouterij en brouwerij

De enzymen die een belangrijke rol spelen in mouterij en brouwerij zijn:

1. koolhydraatafbrekende enzymen (amylolytische enzymen)
2. eiwitafbrekende enzymen (proteolytische enzymen)
3. celwandafbrekende enzymen
4. de overige enzymen, bijvoorbeeld:
   • enzymen die oxidatie veroorzaken
   • enzymen die stoffen opbouwen i.p.v. afbreken.

1. koolhydraatafbrekende enzymen (amylolytische enzymen)

Voor de afbraak van zetmeel zijn verschillende koolhydraatafbrekende enzymen nodig. Afbraak van zetmeel vindt tijdens vermouten en tijdens brouwen plaats. Tijdens het brouwen is het zetmeel veel beter bereikbaar voor de enzymen dan tijdens het vermouten.

Dit komt doordat:

- de celwanden om de zetmeelkorrels zijn afgebroken;

- de mout verkleind is;

- de verkleinde mout vermengd is met (warm) water.

We gaan er bij de bespreking van de afbraak van zetmeel van uit dat de zetmeelmoleculen zijn omgeven door water en door enzymen, die vrij kunnen bewegen.

Er zijn veel enzymen die zetmeel kunnen afbreken. We beperken ons tot de enzymen die tijdens het brouwen een rol spelen. Dit zijn:

- α-amylase;

- β-amylase;

- maltase;

- de grensdextrinasen.

Zetmeel bestaat uit amylose- en amylopektinemoleculen.

Afbraak van de amylose

In de figuur is te zien waar de α-amylase het amylosemolecuul splitst.

De splitsing vindt in het midden van het amylosemolecuul plaats. Een enzym, dat midden in een molecuul veranderingen veroorzaakt, noemen we een endo-enzym.

Een endo-enzym maakt van een groot molecuul vrij grote brokstukken. Bij zetmeel noemen we deze brokstukken dextrinen. Zetmeelmoleculen moeten een minimale lengte hebben van 8 tot 12 glucose-eenheden om nog door α-amylase afgebroken te kunnen worden.

De volgende figuur laat zien dat β-amylase vanaf één uiteinde van het amylosemolecuul afbreekt. β-amylase werkt op dezelfde manier op dextrinen in. 

Een enzym, dat een groot molecuul vanaf één uiteinde afbreekt, noemen we een exo-enzym. Door de werking van β-amylase ontstaan brokstukjes van twee glucose-eenheden, maltose.

Bij de afbraak van amylose en dextrinen ontstaat ook glucose. Dit kan op twee manieren gebeuren:

-          door β-amylase: bij de afbraak van ketens met een oneven aantal glucose-eenheden blijft er één glucose over;

-          door de werking van het enzym maltase.

Maltase is het enzym dat maltose kan splitsen in twee moleculen glucose.

Afbraak van amylopektine

De afbraak van amylopektine verloopt in principe hetzelfde als die van amylose. Maar er is een verschil.

Amylopektine bevat zogenaamde 1-6 verbindingen. De tot nu toe genoemde enzymen (α-amylase, β-amylase en maltase) kunnen deze verbindingen niet verbreken. Er blijven dan kleine, vertakte dextrine-eenheden over, de zogenaamde grensdextrinen.

De grensdextrinasen (een groep enzymen) zijn in staat om de 1-6 binding te verbreken. Ze worden geïnactiveerd bij ca. 65 °C.

Opmerking

We hebben hierboven de afbraak van zetmeel tot glucose besproken. De afbraak verloopt tijdens het brouwen echter niet in dezelfde volgorde. Het is ook niet de bedoeling om tijdens het brouwen zetmeel helemaal af te breken tot glucose. Tijdens het brouwen is het van belang dat er vergistbare suikers (o.a. maltose) met daarnaast een bepaalde hoeveelheid onvergistbare suikers (dextrinen) verkregen worden.

We hebben hier alleen maar duidelijk willen maken welke omzettingen de verschillende enzymen kunnen veroorzaken. Hoe de afbraak van zetmeel in het brouwhuis precies verloopt komt later aan de orde.

1. eiwitafbrekende enzymen (proteolytische enzymen)

Eiwitten worden, net als zetmeel, door een groot aantal verschillende enzymen afgebroken. De endo-enzymen werken midden in de moleculen en vormen grotere brokstukken. Deze brokstukken worden door exo-enzymen afgebroken tot aminozuren. De afbraak van eiwitten kan schematisch als volgt worden weergegeven:

Eiwitten → polypeptiden → peptiden → dipeptiden → aminozuren

De figuur geeft de afbraak van eiwitten op een ander manier weer.

1. celwandafbrekende enzymen

De afbraak van celwandkoolhydraten door enzymen is zeer ingewikkeld. Er zijn namelijk veel verschillende celwand-koolhydraten. Het ziet er ongeveer als volgt uit:

Celwanden → onoplosbare brokstukken → oplosbare brokstukken → gummi-achtige stoffen → glucose

De mate waarin oplosbare brokstukken ontstaan, is afhankelijk van het soort celwandkoolhydraat dat wordt afgebroken. De afbraak van celwanden verloopt zeer langzaam. Dit komt doordat celwanden bijna niet toegankelijk zijn voor water. Daardoor kunnen de enzymen bijna niet werken. Tijdens vermouten en brouwen is er te weinig tijd om de celwanden helemaal af te kunnen breken.

1. overige enzymen

Tot nu toe zijn er enzymen besproken die grote moleculen afbreken. Er zijn tijdens het vermouten en het brouwen natuurlijk nog veel meer enzymen werkzaam. De meeste zijn belangrijk voor de bierbereiding omdat ze stoffen vrijmaken die nodig zijn voor de voeding van de gist (bijvoorbeeld fosfaten).

Als het vermouten en het brouwen normaal verlopen hoeven er geen speciale maatregelen te worden genomen om deze enzymen in voldoende mate te laten werken. Daarom zullen we ze hier niet behandelen.

We bespreken hier wel de oxidatie-bevorderende emzymen. Een ander naam is oxidatieve enzymen. Deze enzymen bevorderen de oxidatie van een aantal stoffen, zoals vetzuren en looistofvormende stoffen. De oxidatie van vetzuren heeft een slechte invloed op de kwaliteit van het bier. Bijvoorbeeld de smaak, het schuim en de eiwitstabiliteit worden hierdoor beïnvloed. Voor de werking van deze enzymen is zuurstof nodig. Daarom moet men tijdens de bierbereiding zuurstofinslag zoveel mogelijk zien te voorkomen.

4. De beïnvloeding van enzymen

De invloed van enzymen op elkaar

Bij de meeste bewerkingen in de brouwerij zijn meerdere enzymen betrokken. Enzymen kunnen elkaars werking beïnvloeden. Dit kan op verschillende manieren. Hieronder volgen enkele voorbeelden van hoe het ene enzym de werking van het andere enzym kan beïnvloeden.

Substraat toegankelijk maken

Enzymen kunnen alleen inwerken op stoffen als ze er werkelijk mee in contact kunnen komen. Bijvoorbeeld zetmeelafbrekende enzymen kunnen het zetmeel in het meellichaam van een gerstkorrel afbreken. Maar ze kunnen het zetmeel pas bereiken nadat de celwandafbrekende enzymen de celwanden van het meellichaam (gedeeltelijk) afgebroken hebben.

Substraat maken

Het ene enzym kan substraat maken voor het andere enzym. Zo kan het zijn dat het eindproduct van enzymatische reactie A het substraat is enzymatische reactie B. In dat geval zal reactie B pas kunnen verlopen als reactie A al verlopen is.

Bij de enzymen α- en β-amylase is er sprake van samenwerking.

Zetmeel bestaat uit lange ketens. De β-amylase kan alleen werken vanaf de uiteinden van deze ketens. De α-amylase splitst de lange ketens in kortere stukken (dextrinen). In het begin zijn er nog maar weinig uiteinden. Dit betekent dat de β-amylase nog niet veel maltose kan maken.

In het begin is daarom vooral α-amylase actief. Hierdoor ontstaan er veel dextrinen. Dextrinen zijn substraat voor β-amylase. De β-amylase kan dus pas goed gaan werken als α-amylase al dextrinen gemaakt heeft. Dat is in de volgende grafiek weergegeven.

Door de samenwerking van α- en β-amylase ontstaat maltose. Maltose is weer substraat voor het enzym maltase.

Blokkering opheffen

Bepaalde stoffen kunnen de werking van een enzym blokkeren. Een ander enzym zal dan eerst deze stof moeten afbreken (zie verderop: invloed van andere stoffen).

Invloed van het substraat

Een enzym zet meer substraat om naarmate de concentratie van het substraat groter is. Tijdens de bewerkingen, bijvoorbeeld het brouwen, kunnen concentraties van stoffen veranderen. Dit heeft invloed op de werking van enzymen.

Bijvoorbeeld:

-          door de werking van α-amylase neemt de concentratie van amyloseketens af. De concentratie van dextrinen neemt toe. Hierdoor zal de activiteit van α-amylase afnemen en die van β-amylase toenemen;

-          tijdens het brouwen neemt de concentratie van maltose toe. Hierdoor zal maltase beter kunnen werken;

-          oxidatiebevorderende enzymen zullen vooral actief zijn bij hoge concentraties zuurstof (aan het begin van het brouwproces).

Invloed van andere stoffen

Bepaalde stoffen kunnen enzymen in hun werking remmen (of blokkeren) of juist bevorderen. Bijvoorbeeld glucose en fructose lijken veel op elkaar. Tijdens de vergisting scheiden de gistcellen enzymen af die fructose kunnen afbreken. Omdat glucose en fructose zoveel op elkaar lijken kunnen deze enzymen ook een binding aangaan met glucose. Maar ze kunnen glucose niet afbreken (het pasje past, maar de code is onjuist). Zolang het enzym aan glucose gekoppeld is kan het geen fructose afbreken. Het enzym wordt geblokkeerd door glucose.

De glucose in de oplossing moet eerst grotendeels afgebroken worden door enzymen die wèl glucose kunnen afbreken. Pas als er nog maar weinig glucose in oplossing is zal het glucosemolecuul door het enzym losgelaten worden en zal fructose afgebroken kunnen worden.

De blokkering van enzymwerking, doordat het enzym aan een andere stof gebonden wordt, noemen we inhibitie.

Of de binding tussen een enzym en de blokkerende stof verbroken wordt hangt af van:

- de sterkte van de binding;

- de concentratie van de blokkerende stof.

Naarmate de binding sterker is, zal de concentratie van de blokkerende stof lager moeten zijn om de binding te verbreken.

Bron: Dictaat Bier – AOC Mnidden & Oost Brabant