Enzymes
Voici un email utile de Stephen Alexander au sujet des enzymes, expliquant comment elles affectent la vitesse d'une réaction, et comment elles fonctionnent dans la conversion de l'amidon en glucose.
Du sommaire de Homebrew
Date : Fri, 30 jui. 1999 15:37 : 24 -0400
De : « Stephen Alexander »
http://hubris.engin.umich.edu:8080/Beer/Threads/Threads/thread.973554365.html
Je pense qu'une petite note sur les enzymes est de rigueur.
Les enzymes sont des protéines, et sont créées dans un processus presque direct de transcription de l'ADN à l'ARN à la protéine. Les enzymes et leur activité catalytique remarquable sont une expression primaire des gènes. Ces longues chaines d'acides aminés ont des formes ou conformations extrêmement complexes. Elles forment des spirales comme l'ADN et l'amylose, mais également se plient et tournent brusquement. Il se crée des liaisons moléculaires faibles entre les plis. Les divers acides aminés ont des propriétés électriques distinctes et ainsi sur la longueur de la protéine le potentiel électrique change. Les attractions électriques internes déterminent également la forme de ces rubans d'acide aminé.
Les enzymes accélèrent juste les réactions, elles ne disparaissent pas, ni réclament de l'énergie. Elles provoquent seulement des réactions qui se produisent déjà très lentement, et soudainement elles se produisent beaucoup plus rapidement. Imaginez une table de billard sans poches (que deviendraient les sciences physiques sans analogies avec le billard ?). Le plus bas état d'énergie pour la boule est sur le plancher, alors que la table est à un état d'énergie potentielle plus élevé. Les boules restent habituellement sur la table pendant le jeu normal, parce qu'elles n'ont pas l'énergie de passer au-dessus des bandes. Si vous mettez beaucoup d'énergie cinétique dans une grande frappe la boule passera au-dessus des bandes et percutera le plancher. Ajouter des enzymes c'est comme abaisser la hauteur des bandes. Aucune énergie n'est ajoutée aux boules, mais la vitesse de modification de l'état d'énergie haute à basse est énormément augmenté.
Les enzymes hydrolytiques [amylases, protéases de glucanases et peptidases du malt] exigent un substrat (amidon, protéine etc.) ET DE L'EAU. L'eau est le réactif principal dans le processus de rupture. La réaction d'hydrolyse casse une liaison chimique dans l'amidon, par exemple, et d'un côté du lien cassé on obtient un atome hydrogène (H) depuis l'eau, alors que l'autre côté obtient le groupe hydroxyle (OH). Éclater toutes les liaisons de votre malt consomme vraiment un peu d'eau.
Après nous devons considérer l'énergie cinétique des molécules. La quantité d'énergie requise pour briser une molécule de protéine ou d'amidon est extrêmement importante - un peu comme si vous aviez au billard des bandes à sauter d'un pied de haut (33 cm). Quand des enzymes sont ajoutées l'énergie requise est divisée par un facteur de 2 à 10, mais elle est toujours beaucoup plus importante que l'énergie normale d'une molécule à la température ambiante. Par exemple une enzyme particulière de peroxydase abaisse l'énergie « butoir » de 76kJ/mol à 30kJ/mol. Mais à la température ambiante la molécule moyenne a seulement une énergie de 3-4kJ/mol, et l'augmentation de la température de 10°C augmente l'énergie cinétique moyenne de moins de 2%.
Heureusement l'énergie n'est pas également distribuée entre les molécules. Un petit nombre, mais appréciable, de molécules requiers 30kJ/mol pour la réaction ci-dessus, et beaucoup d'autres demandent moins des 76kJ/m pour la réaction non enzymatique. En outre le nombre de ces molécules à énergie très élevée augmente presque exponentiellement avec la température, menant au principe de base bien connu que beaucoup de vitesses de réaction doublent à chaque augmentation de la température de 10°C. Il y a d'autres facteurs qui rendent cette règle imprécise, mais le point principal est que le nombre de réactions avec une énergie suffisante est énormément augmenté (souvent par un facteur de 10^6 à 10^10) par la présence des enzymes. De plus ce nombre double brutalement à chaque augmentation de 10°C de notre domaine d'intérêt (20°C à 100°C).
Si vous rassemblez l'eau, le substrat et ls enzymes - tout dans la bonnes orientation et conformation, avec de l'énergie cinétique suffisante, la cassure de l'hydrolyse se produit. Mais à quel vitesse ?
LA TEMPÉRATURE :
Comme nous l'avons vu, les augmentations de température provoquent une augmentation presque exponentielle du nombre de collision dans lequelles la réaction pourrait se produire. Ainsi la température est un facteur important. Au lieu de l'augmentation à 2X par 10°C comme une analyse simple le suggérerait, des vitesses de réactions enzymatiques augmentent typiquement de 1,2 fois jusqu'à 3 fois par 10°C.
CONCENTRATION :
Les concentrations en réactif affectent la vitesse de la réaction. Etant donné une solution d'enzymes amylase, une augmentation de la concentration en amylose provoque au début une augmentation linéaire proche de la vitesse de la réaction, mais par la suite quand suffisamment de substrat d'amylose est ajouté l'enzyme « est efficacement saturée » et peut réagir plus rapidement. La courbe ci-dessous représente le phénomène et les équations qui tombent en dehors de cette observation sont attribuées à Michaelis et à Menten presque un siècle après. (voir le graphique brut ci-dessous)
VITESSE DE RÉACTION
|
| _____----------- - Vmax
| -
| /
| /
| /
| /
|/_________________________concentration en réactif
L'eau est un réactif dans nos moûts également, mais puisque c'est également notre dissolvant il est un peu délicat d'y penser de cette manière. Pour une concentration *donnée* d'amylase et d'amylose, augmenter la concentration en eau donnera une courbe semblable à celle ci-dessus. Cependant si nous ajoutons juste de l'eau sans maintenir les concentrations fixées en enzymes et en substrat, alors nous ne ferons que la dilution de ce dernier. En d'autres termes une livre de malt jetée dans le lac Michigan prendra une éternité à convertir parce que les concentrations en enzymes et en amidon seront trop basses et non parce que la concentration en eau est élevée.
C'est vrai - sauf bien sûr pour ce qui écrit en petits caractères [vous savez , en bas des contrats]...
LES PETITS CARACTÈRES :
1/ la concentration instantanée en enzymes change. Les enzymes entrent dans la solution pendant le brassage, et en solution leur probabilité d'inter-agir les unes sur les autres est plus élevée. Le facteur le plus intéressant est de dénaturer les enzymes. Quand les enzymes cassent les liens faibles internes en brisant les liaisons elles perdent leur forme et ainsi leur efficacité. Dans quelques cas ce qui dénature est réversible - mais c'est rare. C'est la température la cause principale de la modification dans le moût. Si des enzymes sont impliquées dans des collisions (ou des vibrations) trop énergiques, leur structure interne change. Ce sont des protéines tranquilles, mais elles ne sont plus des enzymes. Sous un ensemble données de conditions, la vitesse à laquelle les enzymes dénaturent en raison de la température est apparentée à la façon dont les corps radioactifs se dégradent, ou la charge d'un condensateur qui se décharge. Pour comprendre il faut parler en termes de demi-vie. Dans un moût de 1.25qt/lb (1,25 litre par livre) à 65°C (et divers états de pH etc.), la demi-vie de la bêta-amylase est environ de 16 minutes. Ceci signifie que pendant l'intervalle des 16 premières minutes elles auront deux fois l'activité du deuxième intervalle et quatre fois l'activité du 3ème intervalle, et ainsi de suite, supposant que d'autres conditions sont constantes (ce qui n'est généralement pas le cas). Le taux d'affaiblissement des enzymes avec l'augmentation de la température a une nature exponentielle, mais est beaucoup plus grand que l'augmentation d'activité et habituellement dans la gamme de 6X à 36X par augmentation 10°C ! ! Ceci signifie des diminutions de temps de demi-vie nettement plus importants avec l'augmentation de la température.
Si vous « faites les maths » vous constaterez qu'il y a une température optimale pour une enzyme de moût SEULEMENT si vous indiquez la durée du moût. Pour un moût de 15 minutes, peut-être que 70°C est optimal pour la bêta amylase (! !), alors que pour un moût de 2 heures c'est peut-être 58°C.
2/ l'amylopectine dans un moût immobilise une quantité incroyable d'eau sous forme de gel et ainsi cette eau est indisponible pour l'hydrolyse enzymatique. Des quantités d'eau inférieure à 1.1 qt/lb (1,1 litre par livre) de malt provoquent une baisse énorme de la vitesse de réaction. C'est semblable au « point d'inflexion » du graphique brut ci-dessus. Naturellement les changements d'état du gel au cours du traitement d'un vrai moût est un facteur dynamique.
3/ L'activité enzymatique varie avec les conditions. Les enzymes, comme précédemment indiquée, ont une conformation précise qui est la conséquence des charges électriques qu'elles portent. Ces attractions électriques causent des changements mineurs de la forme des enzymes qui peuvent avoir un grand impact sur l'activité enzymatique. Les ions libres de sel ou un changement du pH peuvent avoir un effet profond sur la charge, la forme et l'activité des enzymes. Contrairement à ce qui a été dit dans les posts précédents, ces changements ne sont pas particulièrement dénaturant. Ils affectent généralement l'activité, mais ils ne détruisent pas les enzymes.
4/ Quelques enzymes ont également des cofacteurs, des molécules « partenaires » additionnelles qui permettent ou améliorent les catalyses des enzymes. Chaque molécule d'amylase-alpha exige par exemple un ion de calcium pour son activité. On pense que la charge des ions Ca affectent la conformation des enzymes. Beaucoup de vitamines et minéraux sont des cofacteurs d'enzymes.
5/ Stabilisation des substrats. L'augmentation de la quantité de substrat et la diminution de la quantité d'eau a souvent pour effet de rendre l'activité hydrolytique des enzymes plus stable. Dans des cas extrêmes le malt très sec mais riche en amidon, est étuvé à 120°C et plus - pourtant les enzymes survivent pendant des heures. Dans des cas moins extrêmes les moûts épais "peuvent" montrer une plus grande activité protéolytique ou de bêta-amylase que prévu dans un moût clair à la même température, "MAIS" la basse concentration en eau libre limite également la vitesse de réaction. J'ai conscience de l'usage qu'on peut faire de cette méthode, par exemple obtenir un repos des protéines à partir des éléments de l'infusion, mais généralement je pense qu'elle a une portée limitée et qu'elle est difficile à contrôler précisément en regard d'un contrôle du temps et de la température dans une étape du moût.
6/ Inhibition de la production. Quelques enzymes, comme la bêta-amylase peuvent avoir leur activité empêchée par la présence de leur propre production (maltose). Parfois la production peut être stabilisée jusqu'à empêcher l'enzyme d'agir. Peut-être que, dans un moût à basse température et de haute densité, ceci a un impact, mais je doute que ce soit un facteur significatif comparé à la température affectant la perte de la bêta-amylase
7/ Autres trucs. Il y a une myriade d'autres effets qui sont petits mais qui peuvent s'ajouter pour faire quelque chose. Les pompes et les agitateurs peuvent dénaturer les enzymes par des dommages dus à la force de cisaillement. Les réactions chimiques peuvent modifier les enzymes, protéases et peptidases peuvent détruire quelques enzymes (qui sont des protéines). Les états extrêmes de pH peuvent dénaturer. Naturellement les combinaisons de ce qui précède peuvent avoir un effet synergique. Un « faux » pH peut rendre les enzymes plus réceptives aux dommages du cisaillement et aux dégradations de nature thermique.
=== le défi du dogme…
Comme question pratique, le ratio de conversion de l'amidon et des protéines des enzymes est fixé par notre choix de composition du moût. Je pense personnellement que les rapports eau:grains à moudre en-dessous de 1.1 qt/lb (1,1 litre/livre) sont limites, et que autour de 1/5qt/lb (1,5 litre/livre) ils sont probablement près de l'optimum. Les études montrent de petites mais vraies augmentations d'extraction et d'activité enzymatique jusqu'à 2 qt/lb (2 litres/livre) et même au-delà, mais je réserverais ces techniques au brassage des céréales où la dégradation par les amylopectines exigent énormément plus d'eau.
Quiconque brasse avec du malt de brasseurs doit tenir compte du fait que non seulement l'alpha-amylase est moins thermo-sensible que la bêta-amylase, mais qu'elle agit (en termes d'activité) en quantité énormément plus grande. (~20X) Pour cette raison, des repos de saccharification dans le brassage devrait être considérés un exercice pour obtenir juste la quantité désirée d'activité de bêta-amylase. Suffisamment d'amylase-alpha existe de sorte qu'un simple repos de l'infusion à 80°C (176°F) donne des niveaux d'extraction complètement normaux, et un taux d'amidon suffisamment bas pour être considéré comme une conversion complète ! ! [ce n'est qu'à partir de 85°C que les niveaux d'amidon se lèvent de manière dramatique].