Горькие вещества

11.04.2017
Около 150 лет тому назад было установлено, что основным носителем горечи хмеля является лупулин. Спустя 50 лет путем обработки хмеля этиловым эфиром и последующего его выпаривания был получен вязкий экстракт темного цвета, который частично выкристаллизовывался. Экстракт обладал сильным горьким вкусом.
Примерно в это же время из горьких веществ были выкристаллизованы две медные соли, что указывало на кислотный характер хмелевых соединений, поэтому наряду с названием «смолы» укрепился термин «горькие кислоты».
В дальнейшем Бунгенер выделил из лупулина путем экстрагирования петролейным эфиром кристаллическое вещество, нерастворимое в воде и имеющее температуру плавления 92—93° С, которое он назвал лупулоном. После перекристаллизации этого вещества из алкоголя были получены блестящие нестойкие игольчатые кристаллы, быстро осмоляющиеся на воздухе в темную массу.
Бунгенер заметил, что при осмолении спиртового раствора горьких веществ хмеля появляется сильный запах жирных кислот и альдегидов, а при окислении их обнаруживается в значительном количестве валериановая кислота.
Первое систематическое разделение компонентов горьких веществ хмеля на три группы смол (?, ? и ?) было предложено Гайдуком. Первые две группы, растворимые в петролейном эфире, он назвал мягкими смолами, а ?-группу, нерастворимую в петролейном эфире, — твердой смолой. Из смеси ?- и ?-смол путем осаждения уксуснокислым свинцом он выделил ?-смолу. Спиртовой раствор ?-смолы не обладал горьким вкусом, поэтому Гайдук относил ее к малоценной для пивоварения.
Линтнер установил, что мягкие смолы ведут себя как одноосновные кислоты, и для количественного определения мягких смол предложил метод титрования едкой щелочью петролейного экстракта хмеля.
В дальнейшем из мягких смол удалось выделить кристаллические вещества: ?- и ?-горькие кислоты, которые по предложению Линтнера были названы соответственно гумулоном и лупулоном. Молекулярная масса их была принята 400.
Чистый гумулон удалось получить Вельмеру только и 1916 г. В своей работе он использовал растворимость горьких веществ хмеля и этиловом эфире, растворение мягких смол в метиловом спирте, образование свинцовой соли гумулона и добавочного соединения с о-фенилдиамином и разложение этой соли соляной кислотой. Полученные им слегка желтые кристаллы ?-кислоты имели температуру плавления 65—66° С.
Во время хранения хмеля гумулон и лупулон окисляются и полимеризуются, теряя свою кристаллическую структуру и превращаясь в аморфные вещества,
В первой стадии такого превращения получаются мягкие смолы, растворимые в нетролейном эфире (гексане). При дальнейшем окислении образуются твердые смолы, которые в нетролейном эфире не растворяются.
Основываясь на растворимости и осаждении уксуснокислым свинцом. Кольбах предложил классификацию горьких веществ хмеля на 3 фракции: ?, ? и ?, где ?-фракция — ?-горькая кислота; ?-фракция — ?-горькая кислота+?-мягкая смолa+?-мягкая смола; ?-фракция — ?-твердая смола+?-твердая смола.

В этой классификации нет самостоятельной ?-твердой смолы. ?-Кислота, или гумулон, имеет формулу С21Н30О5 и является веществом без запаха, но сильно горького вкуса. Она относительно стойка при температуре около 0° С (несколько месяцев); кристаллизуется в виде ромбовидных кристаллов (рис. 10) слабожелтого цвета. Температура плавления ?-кислоты 65—66,5° C. C уксуснокислым свинцом она образует светло-желтый осадок свинцовой соли.
Вследствие наличия в структурной формуле асимметрического четвертого углеродного атома гумулон оптически активен; его раствор в метиловом спирте имеет [?]D20 = 206°, а в гексане [?]D20 = 237°.
В ультрафиолетовом свете гумулон обладает лимонно-желтой флуоресценцией.
Структурная формула ?-кислоты (гумулона) имеет в основе хинольное ядро, т. е, ядро из шести атомов углерода с одной двойной внешней связью:

?-Кислота не является кислотой, имеющей карбоксильную группу COOH, но образует ряд солей. Кислотные свойства ее связаны с наличием энольной группы ? С—ОН.
Работами Ригби и Бетьюна с применением противоточного распределения и ультрафиолетовой спектроскопии установлено, что гумулон не является самостоятельным химическим соединением, а представляет собой смесь по меньшей мере трех тесно связанных между собой соединений. Применив метод синтеза, разработанный Ридлем, Говард установил химическую структуру этих трех соединений. Они различаются между собой по радикалу у группы CO второго углеродного атома хинольного кольца. Этим соединениям присвоены названия: гумулон, когумулон и адгумулон:

Таким образом, эмпирические формулы ко гумулона — C20H28O5, а адгумулона —C22H33O5. Молекулярные массы равны: гумулона 362,4, когумулона 348,4 и адгумулона 377,5.
Кроме указанных компонентов, содержание которых достаточно велико, в составе ?-кислоты в сравнительно небольшом количестве найдено еще несколько соединений. Верзеле нашел прегумулон и постгумулон (в количестве 1—3% от общего количества веществ ?-кислоты), a Pидль — кристаллическое вещество — 4-деэоксигумулон (в количестве 0,5%), который обладает свойством при окислении превращаться в гумулон.
Прегумулон неоднородное соединение и является смесью трех веществ, отличающихся одно от другого радикалом у группы CO второго углеродного атома:

Радикал у постгумулона —CH2—CH3.
Наиболее ценным компонентом является когумулон, который даже считается характерным сортовым признаком. Говард и Тетчел, исследуя сорта европейского и американского хмеля, разделили их на четыре группы по содержанию когумулона в ?-кислоте. К группе с наименьшим содержанием когумулона (20%) отнесены известные сорта Галлертау и Заац (Жатец). обладающие тонким ароматом, а к группе с наибольшим содержанием когумулона (около 50%) — сорта Буллион и Клустера с сильным и резким ароматом.
?-Кислота, или лупулон, является соединением с эмпирической формулой C26H38O4 и молекулярной массой 414,3 оптически неактивна, так как не имеет асимметрического углеродного атома. Чистая ?-кислот а обрадует почти белые игольчатые и в виде длинных призм кристаллы (рис. 11) с температурой плавления 92° С.

Так же как гумулон, лупулон является производным хиноля. Его структурная формула имеет следующий вид:

?-Кислота менee устойчива на воздухе, чем ?-кислота. Она в отличие от ?-кислоты не осаждается уксуснокислым свинцом.
Правильность структурных формул гумулона и лупулона была подтверждена Ридлем, который в 1951 г. синтезировал эти соединения.
Как и гумулон, лупулон представляет собой смесь нескольких соединений, из которых два (лупулон и колупулон) выделены в чистом виде и для них установлены структурные формулы, В формуле колупулона у группы СО второго углеродного атома хинольного ядра имеется остаток изомасляной кислоты

Остаток метилмасляной кислоты (—CH(CH3)2—CH2—CH3) должен быть у адлупулона.
Таким образом, химический состав горьких веществ хмеля, по современным данным, может быть представлен следующей схемой:

Из хмелевых веществ, являющихся продуктами окисления ?- и ?-кислот, следует упомянуть о гумулиноне и гулупоне. В свежем хмеле эти вещества или не найдены, или обнаружены в очень небольшом количестве, например, содержание гулупона не превышает 3%.
Структурная формула гумулинона имеет следующий вид:

К в этой формуле соответствует тем же радикалам, что и в гумулоне, когумулоне и адгумулене.
Это вещество образуется в значительных количествах при старении хмеля и, по-видимому, является причиной появления горечи в старом хмеле, так как само имеет горький вкус.
Чистые гумулнноны были получены из ?-кислоты экспериментальным путем и отличаются один от другого по температуре плавления: у гумулннона 72°С, у когумулинона 111°С и, у адгумулинона 119°С. Гумулнноны получены в кристаллическом виде.
Гулупон имеет формулу

На месте R стоят те же, указанные для гумулинона радикалы.
По физическим свойствам это вещество представляет собой светло-желтое масло очень горького вкуса, не обладающее оптической активностью и некристаллизующееся. Гулупон в щелочном метаноле обладает способностью поглощать лучи света в ультрафиолетовой области спектра; абсорбционный максимум находится при длине волны в 255 и 325 нм, а минимум — при 285 нм.
Молекулярная масса когулупона 318, а гулупона и адгулупона 332.
Гулупон образуется из ?-кислоты при кипячении сусля с хмелем и в таком виде переходит в готовое пиво, где содержание когулупона не превышает 5% от общего количества всех находящихся в нем горьких веществ.
Гумулон и лупулон появляются на ранней стадии образования хмелевых шишек, причем накопление лупулона происходят более энергично, чем гумулона, и содержание лупулона в созревших шишках хмеля остается более высоким. Процесс окисления этих веществ и превращение их в мягкие смолы начинается уже в процессе созревания. Свежий, нормально вызревший хмель содержит горькие вещества в основном в виде ?- и ?-кислот, содержание мягких смол небольшое. Усиление образования мягких смол и появление твердых смол происходит в результате сушки хмеля, когда условия для процесса окисления становятся более благоприятными. Строение смол, а также и многие их свойства еще не выяснены; известно только, что мягкие смолы но своему характеру ближе к горьким кислотам, чем твердые: они обладают антисептической способностью и значительно большей горечью, чем твердые.
В свежем хмеле содержание твердых смол не превышает 15% от общего количества горьких веществ. В хмеле хранившемся (старом) количество их значительно возрастает, В табл. 19 приведены данные анализа свежего хмеля к хмеля, хранившегося в течение четырех лет (из работы автора и Л.Г. Шмидта).

В воде все горькие вещества хмеля очень слабо растворимы и образуют коллоидные, низкодисперсные системы. При задаче (введении) их в сусло, а затем кипячении его горькие вещества претерпевают ряд превращений, основным из которых является изомеризация, что сопровождается изменением свойств отдельных компонентов, в частности изменением степени горечи. По количеству «используемой горечи» составные части горьких веществ принято оценивать, по Бельмеру, следующим образом (в %):

В свежем хмеле основными источниками горечи являются гумулон и первые продукты его окисления. Лупулон же и прочие компоненты горьких веществ в свежем хмеле практически в создании горечи пива имеют очень небольшое значение. На этом основании Вельмер предложил для установления горечи хмеля и его практической оценки следующую формулу:

Чешские авторы (Салач и Дир) считают, что в формуле Вельмера небольшое значение в образовании горечи отводится ?-части (в том числе ?-кислоте) и предлагают другую формулу ?+?/3; это же подтверждают своими экспериментальными работами Ванцура и Бернадж.
При хранении и связанном с этим старении хмели горечь его убывает за счет окисления ?-кислоты в менее горькую ?-смолу и в дальнейшем в еще менее горькую твердую смолу, но в то же самое время горечь хмеля увеличивается, так как из ?-кислоты, не обладающей горечью, образуется ?-смола и твердая смола. В результате этих превращений на первой стадии старения хмеля (приблизительно до момента увеличения содержания твердых смол до 30%) заметного ослабления горечи хмеля не обнаруживается. Вельмер установил, что при повышении содержания твердых смол до 35 % величина горечи уменьшается на 10 % по сравнению со свежим хмелем. Здесь следует учесть, что в первой стадии окисления ?-кислота при хранении превращается в гумулинон. Oн характеризуется меньшей горечью, но значительно большей растворимостью, чем исходная ?-кислота. Таким образом, формула Вельмера для определения горечи в старом хмеле непригодна. В хмеле, у которого содержание твердых смол превышает 15% общего количества горьких веществ, Кольбах предложил оценивать горечь по другой формуле

Коэффициент 2,2 показывает, что для каждого процента твердых смол свыше 15 значение горечи уменьшается на 2,2% от первоначальной горечи по Вельмеру.
З.И. Емельянова с авторами для определения горечи старого хмеля предлагает упрощенную формулу

Эта формула более приемлема, так как при определении горечи не требуется, как в формуле Кольбаха, отдельно определять величину твердых смол.
Из состава веществ, передающих горечь суслу и пиву, исключить совершенно твердые смолы нельзя; они тоже обладают определенной горечью, кроме того, из этилэфирного экстракта была выделена новая смола — ?-смола, которая растворима в воде и водный раствор которой имеет горький вкус. Эта твердая смола получена из ?-кислоты путем окисления при 100°C. Она так же, как ?-кислота, осаждается уксуснокислым свинцом. Обладает бактериостатическими свойствами.
Горькие хмелевые вещества обладают необычно высоким антисептическим действием. Для подавления развития Вас. butgaricus гумулон а требуется примерно в 2300 раз меньше, чем фенола. Одинаковое действие оказывают следующие количества горьких веществ и фенола (в мг):

Горькие вещества хмеля и особенно ?-кислота подавляют развитие грамположительных, а при большой концентрации и грамотрицательных бактерий, но не оказывают антибиотического действия на дрожжи.
Токсичность горьких веществ хмеля зависит от реакции среды. Доказано, что антибиотические свойства этих веществ более сильно проявляются при pH 4,3—4,4 и с повышением pH ослабевают.