3. Sukker og enzymer

3. Sukker og enzymer

Mange slags sukker

Sukker har været en vigtig råvare i mange årtusinder. For 14.000 år siden indsamlede kvinder på den iberiske halvø honning fra bierne, viser hulemalerier fra La Araña-hulerne i Malaga. Sødmen fra honning har været en vigtig del af vores fødevarer gennem mange årtusinder. For 8.000 år siden på Ny Guinea dyrkede man sukkerrør, som den oprindelige befolkning spiste rå pga. den søde smag. Efterhånden blev dyrkning af sukkerrør spredt over hele verdenen og efter middelalderen bliver dyrkning og forarbejdning af sukkerrør sat i system.

For 200 år siden dyrkede Danmark sukkerrør på de vestindiske øer som blev omdannet til rørsukker. Sukkerrørsproduktionen var i høj grad afhængig af slaveriet i kolonierne, det var en grusom fortælling om slaveri og brutal udnyttelse af arbejdskraft. Det blev også en fortælling om modstand mod undertrykkelse, om kampen for frihed og om hvordan friheden sikres gennem nye samfundsstrukturer. Først i 1848 ophæver Danmark slaveriet.

Sukkeret fra de Vestindiske øer blev ikke brugt til øl eller vinfremstilling. Noget af sukkerrørsproduktionen er gået til fremstilling af rom. Dette afsnit handler om sukker, som det forekommer i malt/korn, frugt, vindruer og honning.

Sukker, kulhydrater, sakkarider ….

Sukker er en grundbestanddel i fermenteringsprocessen. Vin, øl, mjød og andre alkoholiske drikke er et resultat af en gæringsproces, hvor gærens stofskifteproces optager og omdanner sukker til alkohol, CO₂ og energi. Sukker er med andre ord en uundværlig ressource i gæringsprocessen.

Kulhydrater

Kulhydrat er et biokemisk molekyle bestående af kulstof (C), brint (H) og ilt (O) og beskrives ud fra følgende generelle kemiske formel: C_nH_2nO_n hvor n er større end to. Kulhydrat er et naturprodukt dannet fra planternes fotosyntese, der omdanner CO₂ og H₂O til stivelse, cellulose og andre kulhydrat-forbindelser i planter. Kulhydrater er vigtigt for al liv og tjener flere formål. Simple kulhydrater optræder som energilager og brændstof i cellernes stofskifte samt udfylder en lang række andre vigtige biologiske funktioner i form af komplexe kulhydratforbindelser som stivelse i planter eller glykogen i dyr. Kulhydrat optræder også som byggemateriale i cellulose og kitin.

Kulhydrater er opbygget omkring 3, 4, 5, 6, 7 eller 8 kulstofatomer og kaldes henholdsvis triose, tetrose, pentose, hexose, heptose og octose. Kulhydraterne glukose, fruktose og galaktose tilhører gruppen hexose og er hver især opbygget af seks kulstofatomer samt seks ilt-atomer og tolv brint-atomer. Vi interesserer os særligt for de tre kulhydrater, da gærcellerne kan omsætte dem til energi, de skal bruge til deres stofskifte, foruden at de også udskiller biprodukterne CO₂ og ethanol.

Glukose, fruktose og galaktose er monosakkarider, det gode forgærbare sukker. Selvom de har samme atom-sammensætning, så har de forskellige strukturformler, de er isomerer.

Kulhydrater kaldes også sakkarider og kan opdeles i flg. fire hovedgrupper:

Monosakkarider fx. glukose, fruktose og galaktose er simple kulhydratforbindelser, de er farveløse og opløselige i vand. Den kemiske formel for et glukose-molekyle er C₆H₁₂O₆ og kan sammenlignes med formlen til andre monosakkarider som nævnt ovenfor. Selvom de har samme sammensætning, så er atomernes rumlige placering forskellig. De er isomerer, deres struktur er forskellig for hver af de tre typer monosakkarider. Selvom de har samme formel, så er det tre forskellige monosakkarider, også i hjemmebryggeriet, som vi kommer nærmere ind på i det følgende.

Frugt indeholder glukose og fruktose dannet vha. fotosyntesen. Sødmegraden er forskellig fra glukose og fruktose. Glukose har en sødmegrad på 0,7 mens den er 1,7 for fruktose. Først udvikles glukose og tilsidst lige inden frugt og druer bliver fuldmodne, så udvikles fruktose. Gæren omsætter både glukose og fruktose, men starter med at omsætte glukose. Hvis der skal være lidt restsødme tilbage i vinen, så har det betydning om restsødme kommer fra glukose eller fruktose. Derfor er det vigtigt, at høste druer og anden frugt helt færdigmodnet.

Oversigt over sødmegrad i sukker:

Fruktose 1,73
Sukrose 1,00
Glukose 0,74
Maltose 0,32
Laktose 0,15
Maltotriose 0,35

Honning indeholder hovedsagelig fruktose og glukose, men sammensætningen er forskellig. Ofte har forsommerens honning et højere indhold af glukose, især hvis bierne har trukket på raps. Sensommerens honning har typisk mere fruktose. Honning der krystalliserer hurtigt og hurtigt bliver fast, har et forholdsvis højere indhold af glukose end fruktose. Mens mere flydende eller lind honning har et forholdsvis højere indhold af fruktose end glukose.

Disakkarider er sammensat af to monosakkarider. Når to monosakkarider bindes sammen, forekommer en kondenseringsproces, hvilket medfører at det ene monosakkarid mister et brint-atom og det andet monosakkarid mister et brint- og et ilt-atom.

Følgende disakkarider kan omsættes af gærceller :

– Maltose sammensat af glukose og glukose
– Laktose sammensat af glukose og galaktose
– Sukrose/sakkarose sammensat af glukose og fruktose

Oligosakkarider fx. Raffinose, Stachyose, alfa-Cyclodextrin er sammensat af mere end to monosakkarider men mindre end 10 monosakkarider. Oligosakkarider kan træffes på overfladen af animalske celler. I planter findes de i farvestofferne flavonoider og anthocyanider.

Polysakkarider er kæder sammensat af mere end 10 monosakarider og/eller disakkarider, de kaldes også polymerer (der er kæder eller forgreninger af monomerer). De indgår i cellulose, pektin, kitin samt i stivelse.

Ølbrygning er en proces, der adskiller sig grundlæggende fra fremstilling af andre alkoholiske drikke. Øl er brygget på korn. Men korn har ikke i sig selv glukose, fruktose, maltose eller nogen af de andre simple forgærbare sakkarider, som gæren kan optage. Korn indeholder stivelse i form af frøhvide. Stivelse er madpakken til kimen, når kornet skal blive til en ny korn-plante. Men inden frø-kimen kan optage næringen, skal stivelsen gennem en enzym-proces, som omdanner stivelsen og dens polysakkarider til monosakkarider og disakkarider, dvs. forgærbar sukker.

En proces der starter på malteriet og som ølbryggeren gør færdig under mæskning før urtkogning. I afsnittene om malt samt ølbrygning kommer jeg nærmere ind på den proces, hvor polysakkarider omdannes til mono- og di-sakkarider. Betingelser for at enzymprocessen lykkes er substanskoncentration, temperatur og tid.

Sukker er en mere dagligdags betegnelse, som anvendes om gruppen af simple kulhydrater.

Hvor meget sukker?

Sukker er næring, som gæren skal bruge i sit stofskifte, men hvor meget sukker skal gæren bruge? Og hvornår bruger den sukker? Det er praktiske spørgsmål, der er gode at have styr på under bryg-processen.

Almindelig hvid sukker består af sukrose, dvs. et disakkarid opbygget af to glukose molekyler. Som nævnt ovenfor kan gæren godt lide glukose og det gælder også sukrose. Cirka 16 gram sukker omsætter gæren for at afgive 1% alkohol (abv.). De fleste hjemmebryggere måler sukkerindholdet i en substans i oeschlegrader. Og 7,5 oeschlegrader svarer til cirka en 1% alkohol (abv.).

For at opnå en ønsket alkoholprocent og restsødme, så skal du kende mostens sukkerindhold i dette eksempel målt i oeschlegrader (OG), gærens forgærbarhed (dvs. mængden af alkohol det forventes, at gæren udskiller) og ønsket restsødme. Der er forskellige måleenheder for mængden af sukker, som omsættes af gæren, det gør regnestykket lidt uoverskueligt. Det er tid til et eksempel.

Lad os antage at produktet skal ende med ca. 16% abv og en restsødme på 15 oe-grader og frugtmostens sukkerindhold er målt til 50 oeschlegrader, hvor meget sukker skal tilsættes pr. liter vin?

Den ønskede slutværdi er 16% abv. + 15 oe. (restsødme). Omregnet til oeschlegrader : (16 * 7,5) + 15 = 135 oe.

Frugtmosten indeholder allerede, hvad der svarer til 50 oeschlegrader sukker, så der skal tilsættes sukker svarende til 135 – 50 = 85 oeschlegrader. Omregnet til gram sukker skal der tilsættes

85 oe. / 7,5 * 16 = 181 gram sukker pr. liter frugtvin.

I eksemplet ønsker vi, at gæring stopper efter at have udskilt 16% alkohol. Det er muligt at vælge en gærstamme, som stopper omkring de 16% abv. Det er også muligt vælge en gærstamme, der gærer højere op, men gæringen stopper vi ved de 16% med sulfit (vin) eller pasteurisering (øl og mjød).

Der er grænser for hvor stor en sukkerkoncentration, gæren kan omsætte. De fleste gærstammer går i stå eller begynder at arbejde for langsomt, når der måles over 100 oeschlegrader i substansen. Det svarer til ca. 200 gram sukker pr. liter. Lad frugtvinen gære den naturlige frugtsukker i en uges tid og når vægtfyldemåleren viser mindre end 20 oeschlegrader, så tilsættes resten af sukkermængden, hvis det er mindre end 200 gram sukker/liter.

Hvordan dannes sukker – fotosyntese

Men hvor kommer sukkeret fra? Fotosyntesen er en imponerende biokemisk proces. Alt liv på jorden er afhængig af fotosyntesen. Hovedparten af al ilt i jordens atmosfære kommer fra fotosyntesen, ligesom al energi anvendt i levende organismer, kommer fra fotosyntesen. Betingelserne for fotosyntesen er sollys, CO₂, vand og den rigtige temperatur. Planterne optager CO₂ samt vand. Når sollyset rammer planternes blade opfanges elektromagnetisk stråling, der omdannes til kemisk energi. Fotosyntesen anvender den kemiske energi i omdannelse af CO₂ og vand til kulhydrater, som er plantens næring. Samtidig frigives affaldsproduktet ilt.

Reproduktion og metabolisme er forudsætningen for organisk liv. DNA er byggesten i vores arveanlæg, de er opskriften på, hvordan organisk liv reproducerer sig selv. Metabolisme er organismens stofskifte. Det er her organismen omsætter næring til energi, som anvendes til organismens opretholdelse. Næring til opretholdelse af stofskifte er en fantastisk proces, som vil blive gennemgået i det følgende.

For 3,8 milliarder år siden opstår liv i en bakteriesuppe i datidens verdenshave. CO₂, svovlbrinte, ammoniak og metan indgår i det miljø, hvor det første organiske liv i form af bakterier dannes.

For 2,7 milliarder år siden udvikler en tilfældig bakterie pigment, som omdanner lysenergi fra solen til brændstof i bakteriens stofskifte. Cyanobakterier kalder vi bakterierne, de er i stand til at omsætte CO₂, vand og sollys til energi og ilt. Processen kalder vi fotosyntese. Fotosyntesens udskilning af ilt får stor betydning for atmosfærens sammensætning. Den stigende ilt koncentration får alvorlige følger for det primitive organiske liv, der er på jorden på daværende tidspunkt. Iltkatastrofen kaldes dette fænomen eller GOE (Great Oxidation Event), som forekom for ca. 2,4 milliarder år siden.

Cyanobakterier og andre primitive organismer lever i vand, det vil sige i hav, søer og andre vandområder, hvor de lever side om side. Cyanobakterier omsætter solens lys til energi og nogle af de andre primitive celler spiser cyanobakterierne. For ca. 1,5 milliarder år siden optager en celle en cyanobakterie uden at fordøje den. Der sker en endosymbiose og cyanobakterien fortsætter med at opfange sollyset og omsætte det til energi, som værtscellen optager og omsætter i sit stofskifte.

I stedet for at omsætte cyanobakterien så forenes de to bakterier. Den ny bakterie bliver i stand til at reagere med stoffer og sollys. Bakterien danner energi og udskiller ilt. Der opstår et gensidigt afhængighedsforhold, cyanobakterie bliver afhængig af værtscellen og omvendt, værtscellen bliver afhængig af cyanobakterien.

Hvis vi kigger på planter og alger i dag, så er der almindelig konsensus om, at kloroplaster i planter og alger er nedarvet fra cyanobakterien. Kloroplaster er et organel, hvori fotosyntesen realiseres. Kloroplaster har både sit eget DNA og egne membraner, det kan bedst forklares ved, at organellet kloroplasters forgænger er optaget af værtscellen på et tidspunkt under evolutions-forløbet. Og at forgængeren må have været en cyanobakterie.

Det var noget om fotosyntesen set med de historiske briller, nu kigger vi på, hvad der sker i kloroplaster eller i grønkorn, som det også kaldes.

Fotosyntesens struktur og dens forløb

Grønne blade er rig på kloroplaster, som er energigenerende organeller i planteceller. De indeholder :

– Thylakoider er blæreformede membransække, hvor den lyskrævende del af fotosyntesen realiseres. Thylakoidmembran (kaldes også fotosyntesemembranen) indeholder pigmenter og enzymer, der bruges i lysafhængige reaktioner og ATP-syntese.
– Thylakoid grana er en stak af thylakoider, dvs. blæreformede sække eller skiveformede poser.
– Stroma thylakoider forbinder grana thylakoider, de er mere flade og danner spiralform rundt om grana thylakoider.
– Pigmenter i thylakoidmembranen opfanger lys og omdanner lys til energi. Klorofyl er den vigtigste lysabsorberende type pigment. Klorofyl_a og klorofyl_b absorberer lys i henholdsvis farveområderne blå og rød.
– Hjælpepigment bidrager også til lysabsorbering. For eksempel carotenoider opfanger lys i det gule, lilla og røde område.
– Stroma er en væske substans, der indeholder de fleste af de enzymer, som anvendes under mørke reaktion (Calvin-cyklus).

Det var lidt om, hvad der er i grønkorn, som har betydning for syntesen. Selve fotosyntesen opdeles i to processer, det kommer vi til i næste afsnit.

Primær proces

Lys er elektromagnetisk stråling som forekommer i bølgelængder i området 400 til 700 nanometer, dvs. fra violet (lav energi) til rød (høj energi). Energimængden fra lyset repræsenteres i et elementarpartikel, vi kalder et foton. Når et foton optages eller absorberes af et pigment i thylakoidmembran, vil et elektron i det absorberende molekyle (exempelvis pigment klorofyl) blive løftet til et højere niveau. Det er en ustabil tilstand og kaldes en excited tilstand. Det excited molekyle vil henfalde til den stabile grundtilstand og energien vil gå til spilde, hvis ikke der gøres noget. Det gør der heldigvis 🙂 Energien fra det excited molekyle overføres til et nabomolekyle, som overfører det videre til det næste nabomolekyle indtil det optages af reaktionscenteret. (Lehninger side 759…)

Det lysabsorberende pigment fra thylakoid er arrangeret i fotosystemer. Al pigment kan optage fotoner, men kun få af dem er knyttet til det fotokemiske reaktionscenter, hvor fotoner omdanner lys til kemisk energi. De øvrige pigment molekyler kaldes antenne-molekyler. Når et antenne molekyle opfanger et foton, løftes et elektron til et højere energi-niveau. Energien overføres via nabomolekyler til et reaktionscenter, som afgiver eller optager et elektron.

Transportkæde af elektronstrøm realiseres, stoffet NADP bliver til NADPH. Brintioner frigives, som anvendes under enzym aktivering og dannelse af ATP. Klorofylmolekylet, får et nyt elektron fra et vandmolekyle. Iltmolekyle udskilles til omgivelserne.

Ovenfor er beskrevet, hvad der sker i primær proces (lys proces). Lys proces opfanger elektromagnetisk stråling via farvepigmenter i et system vi ofte kalder LHC (Light-harvesting Complexes). H₂O + lys bliver til to brintioner, to frie elektroner og et ilt atom. Sammenfattende genereres kemisk energi dvs. ATP og NADPH.

Sekundær proces

Sekundær proces, mørke proces, Calvin-Benson-cyklus her bare kaldet Calvincyklus er en omstændelig stofskifte-proces og den del af fotosyntesen, som skaber grundlaget for dannelse af kulhydrater, glukose og stivelse. Primær proces foregår i thylakoidmembran mens sekundær proces foregår i stroma.

Calvincyklus er en beskrivelse af sidste del af fotosyntesen, som foregår i stroma. Calvincyklus er er ikke afhængig af lys, i modsætning til primær proces, som genererer ATP (energi) og NADPH (hjælpemolekyle) til Calvincyklus. Adskillige enzymer udfører et katalyseforløb, returnerer et slutprodukt og er forstadie til sukker. I Calvin-cyklus omsættes også CO₂ og H₂O.

Kulhydrat anvendes til næring eller byggesten. I den efterfølgende stofskifte-proces omdannes simple monosakkarider til lange kæder (amylose) eller forgrenede kæder (amylopektin) af polysakkarider også kaldet stivelse eller cellulose.

Amylose og amylopektin er frugten eller kornets lager af næring og energi, som omdannes til letomsættelige kulhydrater, når frø eller korn skal bruge det. Det er med andre ord frøets madpakke, når frøet frigives og sendes ud i verdenen for at videreføre plantens liv. De letomsættelige kulhydrater er af typen hexose ( C₆H₁₂O₆ ), gæren kan fordøje under fermenteringsprocessen. Dvs. glukose, fruktose og galaktose samt disakkariderne sukrose og maltose samt maltotriose.

Omdannelse af vand og kuldioxid til forgærbar sukker i planter er det, vi bruger i gærtanken, når vi vil omdanne naturens råvarer til et flydende produkt med alkohol. I nogle planter findes det forgærbare sukker som mono- eller di-sakkarider klar til brug. Det skal bare presses ud af vindruerne, æblerne eller andre planter, hældes på en gærtank og sættes til at gære. I andre tilfælde skal det forgærbare sukker udtrækkes fra planterne via en enzym-proces, som det forekommer i ølbrygning.

Korn indeholder stivelse og kan ikke umiddelbart anvendes i fermenteringsprocessen. Først skal kornet gennem en enzym proces, som omdanner stivelse til forgærbar sukker. Denne enzymproces starter på malteriet og slutter med mæskning i bryggeriet. En omstændelig men samtidig også en fascinerende proces, hvor stivelsen i kornet omdannes til forgærbar sukker i ølbrygning.

Enzymer er liv

Levende liv kommer til udtryk i to grundlæggende egenskaber. For det første skal levende organismer være i stand til at reproducere sig selv. For det andet skal levende organismer være i stand til at generere energi, som kroppen skal bruge til fysiske og psykiske aktiviteter. Eller sagt mere præcist, den levende organisme skal kunne realisere et stofskifte, hvor enzymer omsætter næring til energi. Den korte definition på et enzym er, at det er et protein (på nær enkelte undtagelser), som virker som en katalysator.

Enzymatiske processer sætter organismer i stand til at omsætte næring (dvs. kulhydrater) til energi, som bruges til at udføre handlinger. Vi bruger energi til at bevæge os, tænke, opleve verdenen og udføre mange andre handlinger. Uden enzymer ville omdannelsen af næring til fri energi forløbe alt for langsomt. I dette afsnit kigger vi på, hvad enzymer er og hvilken betydning de har for hjemmebryggeren.

Enzymer er specialiseret, en type enzym kan under de rette betingelser (substanskoncentration, temperatur og pH-værdi) udføre en bestemt slags reaktioner og en anden type enzym vil udføre en anden type bestemte reaktioner. Forskellige enzymer udfører som regel forskellige biokemiske reaktioner i en bestemt rækkefølge og katalyserer omdannelsen af næring til energi på meget kort tid. Mængden af enzymer der indgår i dette forløb, kaldes for cellens stofskiftevej.

Enzymer dannes ud fra cellernes DNA, som indeholder information om proteiner og enzymers opbygning. Proteinsyntese kaldes det forløb, når RNA afkoder DNA, et ribosom oversætter RNA-strengen, aminosyrer sammensættes og foldes til et nyt protein eller enzym. Nogle enzymer får hjælp fra en eller flere cofaktorer til at udføre den enzymatiske proces.

Sådan arbejder et enzym

En katalysator er et molekyle, der forøger hastigheden af kemiske reaktioner, uden at katalysatoren selv bliver ændret. De fleste enzymer er proteiner og virker som katalysatorer, dvs. de forøger hastigheden af biokemiske reaktioner og de har desuden den egenskab, at de udfører bestemte og afgrænsede opgaver.

En simpel enzym reaktion opstilles her (saxet fra wikipedia) :

Selve enzymets katalyse aktivitet tager plads i en slags lomme, vi kalder det aktive sted, center eller sæde (på eng: active site). Substrat er det stof, som bindes til det aktive center. Herefter omdanner enzymet substratet til et nyt produkt. Enzymet katalyserer den kemiske reaktion og får omdannelse af substrat til produkt til at forløbe hurtigt, meget hurtigere sammenlignet med et forløb uden enzymer. Mange millioner gange hurtigere forløber omdannelsen af substrat til produkt i nogle tilfælde (se Lehninger side 193). Reaktionshastigheden er et af de centrale emner i enzym-forskning.

Substrat kan være simple molekyler eller komplekse molekyler, som enzymet omdanner til et eller flere produkter, som består af et eller flere molekyler. Eksempelvis vil ølbryggeren gerne aktivere enzymet Beta-amylase. Substratet er lange kæder af polysakkarider i maltens stivelse, som vi kalder amylose. Under tilstrækkelige betingelser, dvs. når der er den rigtige mængde malt, vand, passende temperatur og passende pH-værdi, så vil amylose blive bundet i beta-amylases aktive center, enzymet katalyserer en reaktion, som klipper to glukose molekyler af enden af amylose, herefter dannes og frigives produktet maltose.

Det aktive center er genialt. Grænsefladen er meget lille, blot nogle få aminosyrer og i løbet af meget kort tid katalyseres en reaktion, substrat omdannes til produkt. Substrat og aktiv center skal passe nøjagtigt sammen for at enzymet kan katalysere reaktionen. Selve den enkelte reaktion, som omdanner substrat til produkt, er typisk en meget afgrænset del af et samlet forløb, som kaldes cellens stofskiftevej, hvor produktet fra en reaktion bliver til substrat i den næste reaktion. Vi siger, at enzymerne er yderst specifikke, med den substrat de binder sig til og de biokemiske reaktioner de efterfølgende katalyserer.

Induceret tilpasning er en model, som beskriver hvordan enzym, substrat, aktivt center, produkt, katalyse og reaktion spiller sammen. En udbredt forklaringsmodel der er konsensus om blandt fagfolk. (Illustration er saxet fra Wikipedia/Carina T.):

Co-faktor er mindre molekyler, som hjælper enzymet med at katalysere biokemiske reaktioner. Nogle enzymer bruger co-faktorer andre enzymer udfører katalyse uden hjælp fra co-faktorer. Co-faktorer er tæt knyttet til det aktive center og bidrager til at realisere katalyse. Co-enzymer adskiller sig fra co-faktorer ved at være små organiske molekyler, de transporterer kemiske grupper fra et enzym til et andet enzym, fx vitaminer. Co-enzymerne ændres under katalyse og kan betegnes som en speciel klasse substrater brugt af nogle enzymer.

Aktiveringsenergi og reaktionshastighed

Enzym katalyserer kemiske reaktioner, dvs. øger hastigheden af de biokemiske reaktioner. Uden enzym vil substrat stadig blive omdannet til produkt. Det vil bare tage meget længere tid og samtidig bruger processen megen energi for at omdanne substrat til produkt. Enzymet reducerer mængden af energi, der skal bruges for at danne et produkt. Det har stor betydning, enzymets reduktion af energi forøger reaktionshastigheden væsentligt. Uden enzym kan det tage mange år at omdanne substrat til produkt, som ellers bliver omdannet på få sekunder med enzym.

Mængden af energi anvendt til at omdanne substrat til produkt kaldes aktiveringsenergien. Der skal meget stor mængde aktiveringsenergi til at udføre den biokemiske reaktion, som omdanner substrat til produkt, hvis ikke der anvendes enzymer i processen. For at præcisere hvad der allerede er nævnt ovenfor: enzymer reducerer aktiveringsenergien, hvilket medfører at reaktionshastigheden forøges voldsomt. Det er enzymets rolle at accelerere omdannelse af substrat til produkt.

Enzym er kendetegnet ved to forhold. Reaktionshastigheden forøges enormt, når substrat omdannes til produkt. Samtidig har enzymet en udpræget evne til at udvælge substrat og returnere et produkt under den biokemiske reaktionsproces, dvs. udføre nøjagtig den samme opgave igen og igen, det kalder vi enzymets specificitet. Men hvordan pokker kan det lade sig gøre? Hvordan kan enzymet sænke aktiveringsenergien samt udføre specifikke reaktioner?

Energi udledt fra enzym-substrat vekselvirkning kalder vi bindingsenergi ( Δ G_B). Interaktion i ES-kompleks følges op med frigivelse af fri energi. Bindingsenergi er hovedkilden til fri energi brugt af enzymerne til at sænke reaktionernes aktiveringsenergi (Lehninger side 193).

Den samlede aktiveringsenergi (Δ G++) er forskellen mellem overgangsstadium og grundtilstand. Hvis vi trækker den samlede energiafgivelse under reaktion ud af den samlede aktiveringsenergi, så har vi aktiveringsenergi uden enzym. Hvis vi tilsætter enzym til processen, så har vi aktiveringsenergi med enzym. Bemærk der skal bruges meget mindre energi med enzym end i tilfældet uden enzym. (Illustration saxet og tilpasset fra Wikipedia/CarinaT)

<Carbonic_anhydrase_reaction_in_tissue_da_copyprotect.png>

Enzymer kan denatureres ved varme. Denaturering gør enzymet inaktivt. I nogle tilfælde er denaturering reversibel og i andre tilfælde er den irreversibel. I malteriet standses enzymaktiviteten i basismalt ved lav varme, da enzymerne skal aktiveres igen i bryggeriet. Specialmalte varmes ved højere temperaturer og denaturerer i et omfang, som gør enzymerne inaktive og irreversible.

Enzymer skaber liv og er vigtigt i levende celler. Ingen stofskifte uden enzymer, de er en afgørende betingelse for liv. I fordøjelsessystemet aktiveres enzymer, som omdanner komplekse kulhydrater til simple monosakkarider fx glukose, som nemt kan omsættes til energi. Enzymer anvendes i mange sammenhænge. Foruden ølbrygning og vin fremstilling, så anvendes enzymer også ved bagning af brød, på mejerierne, indenfor papirfremstilling, ved produktion af rengøringsmidler, i fødevarer (for at fremhæve farve og smag) etc.

Gærcellens enzymproces

Gærcellens stofskifte er et godt eksempel på en række enzymkatalyserede processer. I gærcellens cytoplasma gennemløber glykolysen 5 energiinvesterende faser og 5 energigenererende faser. Hver fase er en enzymatisk proces, hvor kulhydrat og dens efterfølgende mellemprodukter omdannes for til sidst at blive til 2 pyruvat-molekyler, desuden genererer glykolysen 2 energi-molekyler (ATP), 2 coenzymer (NADH), 2 vandmolekyler samt 2 hydroner (H+). Her kunne festen godt slutte, formålet er jo at lave energi til gærcellen og de to ATP molekyler er rigeligt til at dække gærcellens energi-behov.

Pyruvat er slutresultatet og kan omsættes i forskellige forløb. I vores hjemmebryg foregår det anaerobt, det vil sige uden ilt. Pyruvat er nu substrat og omdannes ved enzymet pyruvatdecarboxylase til 2 acetaldehyd molekyler og 2 CO₂ molekyler, herefter omdannes acetaldehyd ved enzymet alkoholdehydrogenase til 2 ethanol molekyler og 2 coenzymer (NAD+).

Det er den enzymatiske proces, der udføres i gærcellerne uanset om, det er mjød, øl eller vin vi laver.

Enzymer i bryggeriet og vineriet

Til sidst skal vi se på, hvordan enzymer anvendes i praksis. Enzymer anvendes i forskellige sammenhænge. Hvis det er en del af opskriften, kan eventuelle enzymer tilsættes inden fermentering. Det kan være enzymer, som fremhæver farve eller smag.

Endogene enzymer kalder vi de enzymer, som forekommer naturligt i al frugt, malt og gærs stofskifte. Endogene enzymer er en uundværlig del i omdannelse af simple sakkarider til alkohol.

Exogene enzymer kalder vi de enzymer, vi tilsætter hjemmebrygget, og som har til opgave at frigive farve og smag samt bidrage til en mere klar vin eller øl. Nedenfor opremses nogle af de enzymer, vi anvender i øl- og vin-verdenen. Bemærk at de fleste enzymer har endelsen -ase i deres navn, som er afledt af det substrat, enzymet omdanner til et produkt.

Amylaser nedbryder amylose og amylopectin. Det er henholdsvis et lige stivelses-kæde uden forgreninger med to ender, amylose udgør ca. 20 % af stivelsen i korn. Amylopectin er en stivelses-kæde med forgreninger og har mere end to ender. Amylopectin udgør ca. 80 % af stivelsen i korn.

Alfa-amylase aktiveres ved 60 til 70 grader, enzymer fra aleuronlaget klipper stivelseskæder op i mindre kæder med to eller flere monosakkarider.

Beta-amylase aktiveres ved 55 til 65 grader, enzymer aktiveres i frøhviden, som opklipper proteinkæder parvis sekventielt startende i den ikke-reducerende ende.

Beta glucanase nedbryder beta glucan, som forekommer både i vindruer og i malt. I ølbrygning forekommer beta-glucan i ikke vel-modificeret malt, dvs. bruges der en del umaltet havre, rug eller hvede, så kan det give lautering-problemer (dvs. problemer med at separere urt fra malt) p.gr.a. for højt beta-glucan indhold og det anbefales at have en mæske-pause på 20 minutter omkring 40 grader. Også vinmagerne kan få problemer med beta-glucan, som gør det vanskeligere at filtrere vinen. Indenfor vinverdenen anvendes enzymet beta-glucanase for at nedbryde beta-glucan.

Endo-amylase – opklipper vilkårligt i stivelseskæden.

Glucanaser nedbryder glucaner som indgår i stivelse og cellulose. Glucanaser optimerer presning og udtræk af farve. I vinificering anvendes beta-glukanase til nedbrydelse af svampecellevæg i druer, der har været udsat for ædelråd (Botrytis). I ølbrygning forbedres farve og konsistens samt filtreringsevne i malt.

Glykosidaser frigører frugtens aroma og duft.

Lysozym er en glykosidase, der nedbryder bakteriers cellevægge. Lysozym er et naturligt anti-bakteriel enzym som findes i for eksempel tårer, spyt, æg, animalsk mælk og æggehvide. Lysozym fjerner bakterier fra vinen og kan anvendes for at undgå malolaktisk fermentering. Kaldes også muramidase og er et antimikrobielt enzym, der findes hos mennesker og dyr, hvor det udgør en del af det medfødte immunsystem.

Pektinase er et enzym, som nedbryder pektin i druerne og dermed bidrager til at fremhæve smag, farve, større mostudbytte samt en mere klar vin. Pektinase klipper de lange kæder (polysakkarider etc.) af pektinstoffer over i mindre enheder. Fremmer bundfældning, klaring, farve og filtrering.

Træet der væltede i stormen – en allegori

John Palmer er forfatter til bogen ”How to brew” og har lavet en god allegori om enzym-processen, ølbryggerne udfører under mæskning (”How to brew” side 142). Jeg gengiver den her i forkortet udgave.

Det var en mørk og stormfuld aften og et stort træ i haven væltede. Næste dag skulle træet fjernes. Faderen i huset betjente motorsaven og de unge mennesker måtte hjælpe efter bedste evne, ved at bruge hæksaks, beskærersaks, plæneklipper og græstrimmer. Udstyret med de forskellige redskaber var det nu muligt at beskære træet. Med motorsaven skæres de store grene af. Med hæksaksen skæres enderne af grenene og med den lille beskærersaks er det også muligt at beskære kviste og små grene. Med plæneklipper og græstrimmer bliver der rigtig fint igen i den lille have. Målet er at opskære så meget af træet som muligt i små stykker, så er det nemt at flytte og komme af med.

Allegorien ovenfor illustrerer, hvordan stivelse omdannes til forgærbar sukker. Under mæskning af malten laver plæneklipper og græstrimmer den indledende modifikation af malten og kan sammenlignes med aktivering af enzymet beta-glucanase og proteinpause i temperaturintervallet 35 til 55 grader. Stivelsesmatrix åbnes så der gives adgang til omdannelse af stivelse til forgærbar sukker. Efterfølgende anvendes kædesav, hæksaks og beskærersaks til yderligere at opskære træet i små stykker, hvilket svarer til at hæve temperaturen så enzymerne limit dextrinase (60-65 gr.), beta-amylase (55-65 gr.) og alpha-amylase (60-70 gr.) bliver aktiveret. I parentes er anført enzymernes optimale mæsketemperatur.

Selvom allegorien har sine begrænsninger, så illustrerer den alligevel på udmærket vis, hvordan de enkelte enzymer aktiveres, når de rette betingelser er til stede. Målet er, at enzymerne opskærer de lange polysakkarider til korte mono- og di-sakkarider. Det bliver til god forgærbar sukker, som gæren kan lide.