Enzyme in Beverages
The Essential Assistants
Article by Sitthiporn Chompurat
Information mainly from prof.dr.semih.otles.tripod.com, www.articlesbase.com
In several beverages, enzymes and the reactions they catalyze are indispensable. As in other food products, enzymes may occur naturally or their presence may be due to intentional formulation. Enzymes perform many functions in beverages. They can help increase yields, form nutrients for the fermentation process, facilitate processing, and affect the color, flavor and clarity of the finished product.
Enzyme Actions
Enzymes are typically named for the reactions they catalyze. They fall into six major categories, oxidoreductases, hydrolases, lysases, transferases, ligases and isomerases. Of these types, hydrolases play the most important role in the beverage industry. Most enzymes catalyze highly specific reactions. A number of factors affect enzyme activity. These include temperature, pH, concentration, contact time with the substrate, trace metals, salt and salt ions, and oxidizing agents.
Brewing Processes
Enzymes play a crucial role in the production of beer and other types of malted liquor, such as whiskey. In these products, enzymes provide three major functions: the formation of sugars to be used during fermentation, viscosity control, and, in beer, chill-proofing (prevent hazing).
Tea and Cocoa
Green tea leaves must undergo a fermentation step to create the colors, flavors and astringency. This fermentation is actually an enzymatic degradation of various compounds. Naturally occurring polyphenoloxidase and peroxidase cause most of the desired chemical changes, but other enzymatic reactions probably help develop the flavor by creating aldehydes and terpenes. In addition, catalase affects the level of peroxide available for the peroxidase to act on. Enzymatically modifying this complex with tannase increases the cold water solubility of tea solids and produces a clear tea beverage.
Those who want chocolate milk or hot cocoa also rely on enzymes. Both native enzymes and enzymes produced by the yeast and bacteria provide several functions. They help break down the membrane between the bean and pod. They may help generate reducing sugars inside the bean that give the roasted product its characteristic flavor. Proteases create flavor precursors, and polyphenoloxidase helps develop the color.
Juices and Fruity Drinks
The juice industry relies heavily on enzymes to extract juice from fruits and prepare a finished product. For non-citrus juices, such as apple, grape and berry, processors add enzymes at the beginning of the mash stage to help extract juice.
The cell walls of fruits consist of cellulose, hemicelluloses, pectin and proteins. Pectin is the major structural polysaccharide. Adding the appropriate enzymes to break down these structures makes it possible to extract a larger amount of juice, to facilitate pressing, and to produce a clear juice. Adding low levels of enzymes, 0.01- 0.03%, can result in significant yield increases of approximately 20-25%.
Adding cellulase, hemicellulase and pectinase during or prior to pressing helps release the juice contained within the cell walls, increasing yield. It can also save wear and tear on pressing equipment and reduce energy requirements, especially when juice is extracted from a fruit with a very firm structure, such as cranberries. Some enzymatic processes allow the entire fruit to be liquefied.
Dairy Products
The other class of beverages that can benefit from the addition of enzymes includes milk and other fluid dairy products. The enzymatic process of interest is the hydrolysis of lactose. For the lactose-intolerant, the lactose in milk can pose serious medical problems.
Lactase, a β-galactosidase, catalyzes the hydrolysis of the β-D-galactoside linkage of lactose, converting it into glucose and galactose. Lactase is produced commercially through the controlled fermentation of certain microorganisms, including Kluyveromyces lactis (yeast) and Aspergillus oryzae (fungus). To treat milk, the lactase is injected directly into the pasteurized milk.
Factors that Affect Enzymes Activities
Enzyme selection depends not only on the reaction required, but on processing factors, as well. All enzymes operate within a particular range, but there are some very discrete differences in terms of the pH optimum as well as the temperature optimum. For example, in one class of heat-stable alpha-amylase the temperature optimum would be 195 °F, but another one would have an optimum of 205 °F. Others might be more pH tolerant.
The action pattern may be different. In brewing, the viscosity of the mash can vary depending on the enzyme used. That can influence the production set-up. The time of the process plays a large role in determining the enzyme type and the appropriate concentration. The longer the time the substrate is exposed to an enzyme, the lower the dose needed to achieve the same end point.
Enzymes also have an optimum pH range for activity. For many, this falls in the neutral range. However, enzymes used in fruit juice processing have a lower optimal pH and have to be acid-tolerant since most juices have a pH between 3 and 4.
ในเครื่องดื่มหลายชนิด เอนไซม์และปฏิกิริยาจากเอนไซม์เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ และเช่นเดียวกับผลิตภัณฑ์อื่น ๆ เอนไซม์ในเครื่องดื่มจะมาจากองค์ประกอบตามธรรมชาติหรือการเติมลงไปในกระบวนการผลิต เอนไซม์ทำหน้าที่หลายประการในเครื่องดื่ม ได้แก่ ช่วยเพิ่มผลผลิต สร้างสารอาหารในกระบวนการหมัก ช่วยในกระบวนการผลิต และส่งผลต่อสี กลิ่นรส และความใสของผลิตภัณฑ์สุดท้าย
Enzyme Actions
เอนไซม์โดยมั่วไปจะมีชื่อตามกระบวนการเร่งปฏิกิริยา โดยจะแบ่งได้ 6 กลุ่มหลัก ได้แก่ ออกซิโดรีดักเทส ไฮโดรเลส ไลเซส ทรานสเฟอเรส ไลเกส และ ไอโซเมอเรส โดยเอนไซม์ไฮโดรเลสจะมีบทบาทมากที่สุดในอุตสาหกรรมเครื่องดื่ม เอนไซม์ส่วนใหญ่จะเร่งปฏิกิริยาแบบจำเพาะ โดยมีจะขึ้นกับปัจจัยต่าง ๆ เช่น อุณหภูมิ pH ความเข้มข้น เวลาที่สัมผัสกับสารตั้งต้น แร่ธาตุ อิออนของเกลือ และตัวออกซิไดซ์
Brewing Processes
เอนไซม์มีบทบาทสำคัญในการผลิตเบียร์และเครื่องดื่มแอลกอฮอล์จากมอลท์อื่น ๆ เช่น วิสกี้ โดยเอนไซม์จะทำงานใน 3 ส่วน ได้แก่ สร้างน้ำตาลเพื่อใช้ในกระบวนการหมัก ควบคุมความหนืด และป้องกันความเย็นในเบียร์ (ทำให้เบียร์ขุ่น)
Tea and Cocoa
ใบชาจะต้องผ่านกระบวนการบ่มเพื่อให้เกิดสี กลิ่นรส และรสชาติที่ดี การบ่มนี้จะเกิดกระบวนการสลายตัวของสารประกอบหลายชนิดเกิดจากเอนไซม์ เอนไซม์โพลีฟีนอลออกซิเดสและเพอร์ออกซิเดสที่มีตามธรรมชาติจะทำให้เกิดปฏิกิริยาทางเคมีที่ต้องการ และกระบวนการของเอนไซม์ชนิดอื่น ๆ ก็จะทำให้เกิดกลิ่นรส เช่น อัลดีไฮด์ และเทอร์พีน นอกจากนั้น เอนไซม์คาทาเลสจะกำหนดปริมาณของเพอร์ออกไซด์ที่จะทำปฏิกิริยากับเอนไซม์เพอร์ออกซิเดส ส่วนเอนไซม์แทนเนสจะช่วยเพิ่มความสามารถในการละลายในน้ำเย็นของของแข็งในชาและช่วยให้น้ำชาใส
ส่วนผู้ผลิตช็อกโกแล็ตนมหรือโกโก้ร้อนก็ต้องการเอนไซม์เช่นกัน ทั้งเอนไซม์ในโกโก้และเอนไซม์ที่สร้างโดยยีสต์และแบคทีเรียจะมีบทบาทในหลายส่วน ได้แก่ ช่วยย่อยเมมเบรนที่กั้นระหว่างเมล็ดและฝัก ช่วยสร้างน้ำตาลในเมล็ดซึ่งทำให้เมล็ดโกโก้มีกลิ่นรสที่เป็นเอกลักษณ์ เอนไซม์โพรทีเอสสร้างสารตั้งต้นของกลิ่นรส ส่วนโพลีฟีนอลออกซิเดสช่วยสร้างสี
Juices and Fruity Drinks
อุตสาหกรรมน้ำผลไม้จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องใช้เอนไซม์ในกระบวนการคั้นน้ำและการเตรียมผลิตภัณฑ์สุดท้าย สำหรับน้ำผลไม้ที่ไม่ใช่กลุ่มส้ม เช่น แอปเปิ้ล องุ่น และเบอร์รี่ จะเติมเอนไซม์ลงไปในกระบวนการปั่นเพื่อช่วยในการสกัด
ผนังเซลล์ชองผลไม้ประกอบด้วยเซลลูโลส เฮมิเซลลูโลส เพคติน และโปรตีน โดยเพคตินเป็นโพลีแซคคาไรด์ชนิดหนึ่ง การเติมเอนไซม์ที่เหมาะสมจะไปทำลายโครงสร้างดังกล่าวทำให้สามารถแยกน้ำได้มากขึ้น ช่วยให้กระบวนการคั้นทำได้สะดวก และช่วยให้น้ำผลไม้ใส การเติมเอนไซม์ปริมาณต่ำ ๆ ประมาณ 0.01-0.03% จะช่วยเพิ่มผลิตได้ประมาณ 20-25%
การเติมเซลลูเลส เฮมิเซลลูเลส และเพคทิเนส ก่อนหรือระหว่างการคั้นจะช่วยให้น้ำผลไม้ในผนังเซลล์ออกมาได้มากขึ้น ทำให้ผลผลิตสูงขึ้น นอกจากนั้น ยังช่วยลดการบำรุงรักษาและความสึกหรอของเครื่องคั้นและลดพลังงานที่ต้องใช้ โดยเฉพาะเมื่อต้องคั้นน้ำจากผลไม้ที่เนื้อแน่นมาก กระบวนการของเอนไซม์บางอย่างอาจทำให้ผลไม้ทั้งลูกกลายเป็นของเหลวได้ทั้งหมด
Dairy Product
เครื่องดื่มอีกชนิดหนึ่งที่ใช้ประโยชน์จากการเติมเอนไซม์ได้แก่ นม และเครื่องดื่มต่าง ๆ ที่ทำจากนม กระบวนการทำงานของเอนไซม์ที่น่าสนใจได้แก่การย่อยน้ำตาลแลคโทส เนื่องจากแลคโทสอาจทำให้เกิดอันตรายร้ายแรงสำหรับผู้ที่มีอาการแพ้
เอนไซม์แลคเทสหรือเบตา-กาแลคโทซิเดสจำทำเกิดปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสที่พันธะเบต้า-ดี-กาแลคโทไซด์ ทำให้แลคโทสกลายเป็นน้ำตาลกลูโคส และกาแลคโทส แลคเทสผลิตในทางการค้าผลิตจากการจุลินทรีย์ เช่น Kluyveromyces lactis (ยีสต์) และ Aspergillus oryzae (รา) โดยจะเติมลงไปในนมหลังจากผ่านการพาสเจอไรซ์
Factors that Affect Enzymes Activities
การเลือกเอนไซม์จะต้องคำนึงถึงทั้งสภาวะของการผลิตและปฏิกิริยาที่ต้องการ เอนไซม์ทุกชนิดจะทำงานได้ในสภาวะจำเพาะช่วงหนึ่ง แต่บางชนิดจะต้องการอุณหภูมิและ pH ทีแตกต่างออกไป ตัวอย่างเช่น เอนไซม์แอลฟ่า-อะไมเลสชนิดทนต่อความร้อนกลุ่มหนึ่งจะมีอุณหภูมิที่เหมาะสมคือ 195 องศาฟาเรนไฮต์ ส่วนอีกลุ่มหนึ่งต้องการอุณหภูมิ 205 องศาฟาเรนไฮต์ หรืออีกกลุ่มหนึ่งจะทนต่อการเปลี่นแปลง pH ได้ดีกว่า เป็นต้น
ส่วนการทำงานของเอนไซม์ก็จะมีความแตกต่างกันออกไป ในการหมักเบียร์ ความหนืดของน้ำเวิร์ทจะขึ้นกับเอนไซม์ที่ใช้ ซึ่งจะส่งผลต่อการเลือกใช้กระบวนการ เวลาที่ใช้ในกระบวนการก็จะมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในการเลือกชนิดและความเข้มข้นของเอนไซม์ หากสารตั้งต้นสัมผัสกับเอนไซม์นานก็จะใช้ความเข้มข้นของเอนไซม์น้อยลง
เอนไซม์แต่ละชนิดมีช่วง pH ที่เหมาะสมแตกต่างกัน ส่วนใหญ่จะเป็นช่วง pH ที่เป็นกลาง อย่างไรก็ตาม เอนไซม์ที่ใช้ในการผลิตน้ำผลไม้จะต้องมีช่วง pH ที่เหมาะสมต่ำกว่าและต้องเป็นชนิดที่ทนต่อกรด เนื่องจากน้ำผลไม้ส่วนใหญ่จะมี pH ประมาณ 3-4
