|
Enzymen en bierIedere zelfbrouwer die met mout werkt heeft vast en zeker gehoord over enzymen die hun werk moeten doen tijdens het maischen. Maar wat zijn nu enzymen en wat doen ze nu precies? Dit artikel geeft antwoord op deze vragen. Daarnaast wordt inzichtelijk gemaakt dat enzymen van cruciaal belang zijn gedurende de gehele bierbereiding en worden de belangrijkste enzymen die actief zijn tijdens het maischen behandeld. Het artikel bevat veel ‘nieuwe’ informatie en inzichten en is vooral bedoeld voor de wat gevorderde brouwer.BiokatalysatorenEnzymen zijn opmerkelijke eiwitmoleculen. Het zijn fantastische stoffen die in staat zijn chemische processen te versnellen onder milde condities. Anders dan niet-biologische katalysatoren hebben ze geen extreme temperaturen, pH-waarden, druk of hoge concentraties nodig om hun werk goed te doen. Voor bijna elk biochemisch proces is er een enzym of een groep van enzymen beschikbaar. Je kunt zelfs stellen dat zonder enzymen er geen leven mogelijk is. Zonder enzymen verlopen de biochemische processen onder normale omstandigheden gewoon te langzaam. Wetenschappers hebben aangetoond dat enzymen chemische reacties tot maximaal 1012 (een miljoen maal miljoen) kunnen versnellen. De gemiddelde versnelling bedraagt 1010.Enzymen zijn biokatalysatoren, dat wil zeggen dat ze chemische processen versnellen zonder daarbij zelf te veranderen. Men zegt wel eens dat ze niet verbruikt worden. Enzymen nemen echter wel deel aan de chemische reacties. Op welke wijze ze dat doen is voor elk enzym anders. Nadat ze de ene reactie hebben geactiveerd kunnen ze razend snel de volgende weer uitvoeren, de kracht van enzymen is voor een groot deel hieruit te verklaren. Een ander groot voordeel is dat de energie die nodig is voor het opgang brengen van een proces veel minder is dan bij niet-gekatalyseerde reacties. Je zou dit kunnen vergelijken met het aanmaken van een openhaardvuur. Met één lucifer kun je wel een krant aansteken en misschien met wat moeite een aanmaakhoutje maar niet een houtblok. Voor het aansteken van een houtblok heb je meer warmte (energie) nodig. Stel dat er een speciale openhaardvuurenzym zou bestaan dan zou het best kunnen zijn dat je voor het aansteken van een openhaard kunt volstaan met één lucifer. De opbouw van enzymenZoals ik al aangaf zijn enzymen eiwitten. Eiwitten bestaan uit aaneenschakelingen van aminozuren, de kleinste eiwitverbindingen ook wel peptiden genoemd. Aminozuren zijn in feite de bouwstenen van de grote eiwitmoleculen. Het is onvoorstelbaar dat met slechts 20 aminozuren er duizenden enzymen aangemaakt kunnen worden. De aminozuren zijn met elkaar verbonden via peptidebindingen (CO-NH).De algemene formule voor alle aminozuren is als volgt: NH2
De letter staat hierbij voor een zijketen die per aminozuur verschillend is en het aminozuur speciale eigenschappen geeft. De peptidebinding ziet er als volgt uit:
De volgorde van de aminozuren is zeer specifiek voor een bepaald enzym. In enzymen komen ketens voor met 100 tot 1000 aminozuren. De ketens worden door levende cellen in eerste instantie aangemaakt als rechte ketens maar deze veranderen na te zijn aangemaakt ongelofelijk snel tot driedimensionale spiralen met specifieke vouwen. Een enzym kan bestaan uit meerdere spiralen met verschillende opbouw. Er ontstaat zo een zeer ingewikkelde structuur die door allerlei stabiliserende factoren zoals waterstofbruggen bij elkaar wordt gehouden. Wanneer deze structuur verloren gaat door bijvoorbeeld oververhitting verliest het enzym zijn werking. Aan de buitenkant van elk enzym bevindt zich een uniek gedeelte dat de actieve zijde wordt genoemd. De actieve zijde is onder te verdelen in een plek waar de stof wordt herkend waarop het enzym werkzaam is en een plek waar de chemische reactie plaatsvindt. Veel enzymen bezitten speciale bestanddelen die noodzakelijk zijn voor
hun activiteit maar die niet afkomstig zijn van aminozuren. Deze bestanddelen
bestaan vaak uit vitamines en metaalionen. Vitamines zijn dus noodzakelijk
om enzymen te laten werken! Verder maken ook vaak metaalionen onderdeel
uit van enzymen. Zo heeft alfa-amylase calciumionen nodig voor de stabiliteit.
En een aantal enzymen die werkzaam zijn bij de vergisting werken beter
als er een zeer kleine hoeveelheid zinkionen aanwezig is in het brouwwater.
Heel veel enzymenDe werking van enzymen is zeer selectief en specifiek. Ze zijn zeer selectief omdat ze werkzaam zijn op een bepaalde stof of groep van stoffen. De stof waarop een enzym werkzaam is wordt substraat genoemd. Specifiek zijn ze te noemen omdat ze één bepaalde handeling uitvoeren met de stoffen waarop ze werkzaam zijn. Gezien de verscheidenheid aan biochemische processen bestaan er zeer veel enzymen. Elk organisme heeft zijn eigen enzymen en wetenschappers kunnen dan ook aan de hand van de structuur van een enzym de herkomst daarvan herkennen.Namen van enzymen De namen van enzymen zijn afgeleid van het substraat waarop het enzym werkzaam is. Enzymen zijn in staat om grote eiwit-, suiker- en vetmoleculen af te breken. Achter de naam van het substraat wordt de uitgang '-ase' toegevoegd. Zo heet het enzym dat de suiker sucrose afbreekt sucrase. Eiwitsplitsende enzymen worden proteolytische enzymen genoemd terwijl enzymen die grote suikermoleculen afbreken (zetmeel en hemicellulose) cytolytische enzymen genoemd worden. Vetafbrekende enzymen worden aangeduid met de term lipasen. Je hebt enzymen die stukjes aan de uiteinden van lange ketens afbreken
(bijvoorbeeld van zetmeel). Deze enzymen worden exo-enzymen genoemd. Daarnaast
heb je enzymen die in staat zijn inwendig in een macromolecuul lange ketens
te verbreken. Dergelijke enzymen worden endo-enzymen genoemd.
Unieke herkenning substraatZoals reeds aangestipt zijn enzymen zeer selectief in hun substraat. Enzymen gebruiken daarvoor een tweetal unieke herkenningsmechanismen.Slot en sleutel Het slot en sleutel mechanisme houdt in dat het substraat als een sleutel past in het slot dat zich op het enzym bevindt. Bij dit mechanisme zijn er meerdere niveaus van specificiteit mogelijk. Per slot van rekening kan een slot meer of minder complex of exclusief gemaakt worden.
Handschoen Het andere mechanisme kun je vergelijken met een handschoen. Wanneer
het substraat zich bindt aan het enzym past de vorm van het enzym zich
aan waardoor de actieve zijde van het enzym in de juiste positie wordt
gebracht waardoor de katalyse van de reactie kan plaatsvinden. Verschillende
stoffen kunnen zich binden aan het enzym maar alleen het juiste substraat
zorgt voor de perfecte vormverandering.
Optimale werking enzymen Voor ons zelfbrouwers zal het geen geheim zijn dat de werking van enzymen sterk afhankelijk is van de temperatuur en pH-waarde van de omgeving. Daarnaast bestaan er nog een viertal minder bekende factoren die een rol spelen, namelijk de concentratie van het substraat, de affiniteit van het enzym met het substraat en inhibitie (belemmerde werking) en degeneratie van het enzym. Temperatuur Net als elke andere chemische reactie stijgt de enzymatische reactie met de temperatuur. Omdat enzymen eiwitten zijn die kunnen degenereren kan de temperatuur niet onbeperkt verhoogd worden. (Degenereren is een term voor het veranderen van de structuur van het enzym, waardoor deze zijn werkzaamheid verliest.) Het veranderen van de structuur van een eiwit door hitte kennen we natuurlijk allemaal. Immers, wie van ons heeft er nog nooit een hardgekookt eitje bij het ontbijt gehad? De activiteit van een enzym stijgt dan ook tot een maximale waarde bij het verhogen van de temperatuur en daalt vervolgens daarna snel. De versnelling van de reactie wint het dan niet meer van het teloor gaan van het enzym. In de grafiek "Optimale temperatuur" is het typische verloop van de verhoging van de enzymactiviteit afgezet tegen de stijging van de temperatuur. Bij de grafiek zijn bewust geen waarden voor de temperatuur vermeld omdat elk enzym een eigen optimale temperatuur heeft. Dit heeft natuurlijk alles te maken met de structuur van het enzym en de temperatuur waarbij de degeneratie plaatsvindt.
pH-waarde De structuur van enzymen verandert niet alleen door toevoeging van hitte
maar ook veranderingen van de pH-waarde. Dit komt omdat de stabiliteit
van enzymen onder andere te danken is aan zogenaamde waterstofbruggen.
En waterstofbrug is een binding tussen atomen van verschillende moleculen
via een waterstofatoom. Het is dus een intramoleculaire binding die vooral
voorkomt met stikstof-, zuurstof-, fluor- en chlooratomen. Hiervoor hebben
we gezien dat in enzymen veelvuldig stikstof- en zuurstofmoleculen aanwezig
zijn. Doordat enzymen zeer grote macromoleculen zijn die op een bepaalde
manier gevouwen zijn kunnen er tussen delen van deze moleculen ook waterstofbruggen
ontstaan.
De hoeveelheid enzymen en de concentratie van het substraat De snelheid waarmee enzymen het substraat kunnen afbreken is natuurlijk ook afhankelijk van de concentraties van het enzym en het substraat. Bij een grote hoeveelheid substraat, zoals het geval is met zetmeel aan het begin van het maischen, is de snelheid waarmee deze afgebroken wordt afhankelijk van de concentratie aan zetmeelsplitsende enzymen (alfa- en beta-amylase). Een grotere hoeveelheid beta-amylase betekent dat de afbraak sneller zal verlopen. Men zegt dan dat het enzym verzadigd is. Als echter het grootste gedeelte van het zetmeel afgebroken is zal de afbraak minder snel verlopen. Het toevoegen van extra enzymen zal dan de afbraak niet meer versnellen. De snelheid van afbraak is dan afhankelijk van de concentratie van het substraat. Hoe minder substraat des te langer zal de afbraak duren. Het een en ander betekent dat de hoeveelheid suikers die tijdens het maischen per tijdseenheid gevormd wordt bij het begin van de versuikeringtemperatuur veel groter zal zijn dan tegen het einde van de enzympauze. Affiniteit met het substraat Het langzamer gaan werken van de enzymen kan ook een gevolg zijn van het afnemen van de affiniteit van het enzym met zijn substraat. Dit kan doordat het enzym het substraat stukje voor beetje afbreekt. Zo hebben onderzoekers aangetoond dat de affiniteit van alfa- en beta-amylase met de grote zetmeelketens groter is dan met de kleinere ketens die het gevolg zijn van de werking van die enzymen. Inhibitie Het verminderen van de werking van de enzymen wordt door een deel ook veroorzaakt door productinhibitie (inhibitie betekent remming). We hebben hiervoor al gezien dat enzymen gebruik maken van speciale mechanismen zoals het sleutel-slot-mechanisme. Het spreekt voor zich dat ook delen van de sleutel in het slot passen en dat als deze in het slot steken het insteken van een andere sleutel belemmerd wordt. Zo komt het dat de werking van beta-amylase geremd wordt in aanwezigheid van een grote hoeveelheid maltose. Degeneratie Zoals ik hiervoor heb aangegeven bij de behandeling van de invloed van de temperatuur op de werking van enzymen is de degeneratie van enzymen al volop aan de gang bij de optimale temperatuur. Uit een internetdiscussie van een tijd terug is mij gebleken dat zelfbrouwers wat moeite hebben om dit aan te nemen. De meesten van ons hebben geleerd dat bij 63ºC het enzym beta-amylase optimaal werkt en dat het langer aanhouden van genoemde temperatuur meer vergistbare suikers oplevert. Wanneer je echter 60ºC aanhoudt voor de werking van beta-amylase zal er bij een verlenging van de enzympauze meer vergistbare suiker gevormd worden omdat het enzym minder degenereert en langer zijn werk kan doen. De grafieken "Overleving alfa-amylase " en "Overleving beta-amylase" afkomstig uit het boekje Brewing, geschreven door de professoren Micheal J. Lewis en Tom W. Young, illustreren dit.
Je zou dit enigszins kunnen vergelijken met de actieradius van een auto.
Als een auto op topsnelheid rijdt gaat hij wel op zijn hardst maar verbruikt
hij ook de meeste benzine. Met een volle tank benzine zal hij niet zo veel
kilometers maken dan wanneer hij wat zachter rijdt. Als nu bij topsnelheid
ook nog eens de motor van de auto supersnel slijt wordt de tank misschien
nog niet eens leeggereden.
Zonder enzymen geen bierBij de bierbereiding spelen enzymen een bijzonder belangrijke rol. Als brouwer manipuleren we biologische processen en deze zijn zoals we al zagen zonder enzymen niet mogelijk.Vermouting Om gerst geschikt te maken voor het brouwproces moet het vermout worden.
Bij het moutproces bootst men de natuur na. Het kiempje dat in de gerstekorrel
zit heeft voedingsstoffen nodig om te kunnen uitgroeien tot een volwaardig
plantje. Deze zijn opgeslagen in het meellichaam. Bij het begin van het
kiemen worden enzymen aangemaakt die de voedingstoffen vrijmaken. Zo wordt
er hemicellulase aangemaakt die in staat is de hemicellulose af te breken,
die als onderdeel van een soort beschermlaag rond de zetmeelkorrels aanwezig
is. Polysacchariden (suikerverbindingen), eiwitten en vetten moeten worden
afgebroken om te kunnen dienen als bouwstoffen voor het nieuwe plantje.
Maischen Bij het maischen gaat het ook bijna puur en alleen om de werking van
enzymen. Er bestaan diverse maischmethoden die ten doel hebben verschillende
bieren te brouwen. Hierover is zoveel te schrijven dat ik me heb voorgenomen
daaraan een apart artikel te wijden. Dat houden jullie dus te goed.
Gisting Het zal jullie denk ik niet meer verbazen dat alle chemische reacties die plaatsvinden bij de gisting gebeuren onder invloed van enzymen. De gistcel is in feite niets anders dan een enzymfabriekje! Het gaat te ver om al deze enzymen te behandelen. Het is echter wel aardig te vermelden dat biergist een belangrijke rol heeft gespeeld bij de ontdekking van enzymen. In 1897 ontdekte Eduard Buchner namelijk dat een extract afkomstig van dode biergistcellen in staat was suiker om te zetten in alcohol en koolzuur. Hij vermoedde dat een bepaalde levensvorm die hij 'zymase' noemde verantwoordelijk was voor de geconstateerde vergisting. Het geheim van de vergisting is later ontrafeld door Embden en Meyerhof. Nu weten we dat bij de zogenoemde Embden-Meyerhof-Parnas cyclus waarbij glucose omgezet wordt tot pyruvaat in totaal 10 verschillende enzymen vereist zijn. Voor het omzetten van pyruvaat naar ethanol zijn er nog twee enzymen nodig. Zymase bestaat dus in feite uit totaal 12 enzymen! Lagering Zoals ik in het vorige nummer van dit blad heb geschreven zijn aan de lagering ook enzymatische aspecten verbonden. Ten gevolge van autolyse kunnen eiwitsplitsende enzymen uit de gistcellen vrijkomen. Door de werking van deze enzymen verminderen de volmondigheid en schuimhoudbaarheid. De kwaliteit van ons bier wordt dan ook van het begin tot het eind bepaald
door enzymen.
De voornaamste enzymen bij het maischenOmdat bepaalde enzymen van zo'n overheersende betekenis zijn bij het maischen wil ik bij een aantal daarvan wat uitgebreider stilstaan.Beta-glucanase De zetmeelkorrels in het meellichaam van een gerstekorrel zijn omgeven
door een netwerk van eiwitten, cellulose en hemicellulose die met elkaar
verbonden zijn door beta-glucanen. Glucanen zijn polysacchariden, lange
suikerketens dus. Bij temperaturen boven de 80ºC kan beta-glucaan
met water een gel vormen die de filtreerbaarheid van gehopte wort en gelagerd
bier behoorlijk kan bemoeilijken.
Beta-amylase Het zogenaamde versuikeringenzym beta-amylase is een exo-enzym. Het
valt de uiteinden van onvertakte (amylose) en vertakte (amylopectine) zetmeelketens
aan. Door de werking van beta-amylase ontstaat er maltose, een suiker bestaande
uit twee glucose moleculen, en een zetmeelketen die iets kleiner is geworden.
Beta-amylase is in staat in een hoog tempo zijn werk te doen, vooral als
grote zetmeelketens voorhanden zijn waarmee het een grote affiniteit heeft.
Door wetenschappers wordt het niet uitgesloten dat een enzymmolecuul in
staat is snel achter elkaar meerdere maltosemoleculen af te breken van
één zetmeelketen voor het weer met een nieuwe keten begint.
Met kleinere zetmeelketens heeft een veel lagere affiniteit en is de snelheid
waarmee het enzym zijn werk doet bij dergelijke ketens veel lager. Ook
verlangzaamt het enzym en stopt het zelfs als het een knooppunt tegenkomt
van een amylopectineketen.
Alfa-amylase Het is voor ons brouwers maar gelukkig dat alfa-amylase een endo-enzym
is. Het enzym is in staat op vrijwel willekeurige plaatsen in de zetmeelketens
verbindingen tussen aaneengeregen glucosemoleculen te verbreken. De verbindingen
tussen de glucosemoleculen bij knooppunten van amylopectine worden echter
altijd in stand gelaten. Doordat het enzym op willekeurige plaatsen in de
zetmeelketen werkt vormt het pas vergistbare suikers tegen het einde van
het maischen als er alleen nog maar relatief kleine moleculen in oplossing
zijn. Omdat dan de omstandigheden voor een optimale werking van het enzym
minder gunstig zijn (door degeneratie en verminderde affiniteit) levert
de directe werking van alfa-amylase weinig vergistbare suikers. Daar het
enzym echter ook werkzaam is onder de 65ºC draagt het per saldo wel
in grote mate bij aan de vergistbaarheid van het wort. Door het verbreken
van de inwendige ketens van amylopectine komen er zetmeeluiteinden vrij
die door beta-amylase kunnen worden afgebroken.
Peptidasen Voor de afbouw van eiwitten zijn een hele rij enzymen actief. Ik noem
hier endopeptidasen, exopeptidasen, carboxypeptidasen, dipeptidasen en
aminopeptisasen. De enzymen zijn optimaal werkzaam tussen de 40 en 60ºC,
maar zelfs bij 60 - 75ºC zijn er eiwitsplitsende enzymen actief. Om
de enzymen optimaal hun werk te laten doen wordt er vaak een enzympauze
aangehouden tussen de 47 en 53ºC.
Referenties
Eerdere publicatieDit artikel is eerder gepubliceerd geweest in het vakblad voor de amateur wijn-, bier- en likeurmaker en verwante hobby's Proost, nr. 29, sept./okt. 1998. |