CC BY
45
технологические решения для обеспечения качества продукции
ТЕМА НОМЕРА
УДК 663.12
Действие импульсной частоты лазерного излучения на дрожжи верхового брожения
Л. Н. Шабурова,
канд. техн. наук
Московский государственный университет пищевых производств
А.Н.Данилова,
ООО «Русскарт»
М.С. Пономарева,
канд. техн. наук
ООО «ХОПГАН» М.В.Гернет,
д-р техн. наук, профессор ВНИИ пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности -филиал ФНЦ пищевых систем им. В. М. Горбатова РАН
При постоянно возрастающей конкуренции в пивоваренной промышленности важное направление развития этой отрасли заключается в интенсификации технологических процессов и повышении качества готовой продукции.
Качество пива зависит от биотехнологических процессов, происходящих при сбраживании сусла с помощью дрожжей. Огромную роль при этом играют физиологические функции и состояние применяемых рас дрожжей, которые характеризуются способностью к потреблению компонентов пивного сусла и образованию метаболитов, влияющих на качество готового напитка [1].
Ферментативная активность дрожжевой клетки зависит от многих факторов, синтез многих ферментов контролируется различными условиями, изменяющимися в процессе ее роста, размножения и развития [2]. На жизнедеятельность микроорганизмов влияют различные физико-химические факторы: УФ-лучи, химические вещества, ультразвук. Один из перспективных физических методов воздействия на клетку — это лазерное излучение (ЛИ) [3]. Воздействие лазерного излучения на живые биологические объекты чрезвычайно разнообразно (оказывает как ингибирующие, так и стимулирующие эффекты). На механизм действия ЛИ влияют интенсивность излучения, время экспозиции, длина волны излучения, плотность мощности, вид и величина частоты [4, 5].
Ранее в работах исследовали влияние низкоинтенсивного лазерного
излучения (НИЛИ) c целью подавления молочнокислых бактерий — вредителей пивоваренного производства [6].
Целью данного исследования стало изучение влияния лазерного излучения в инфракрасном диапазоне на пивные дрожжи верхового брожения для интенсификации процессов брожения.
В ходе ранних экспериментов определили оптимальное время обработки дрожжевой суспензии, при воздействии в течение 2 мин результат был положительным [7]. При выполнении данного эксперимента был увеличен диапазон импульсной частоты: 300, 600, 760, 1200, 1500, 3000 Гц. Для изучения влияния НИЛИ c различной частотой использовали сухие дрожжи верхового брожения Saccharomyces cerevisiae марки Gozdawa U. S. West Coast.
На 1-м этапе проводили реги-дрирование дрожжей, насыщая сухие дрожжевые клетки водой в соотношении 1: 3 при температуре 30 °С в течение 30 мин. Далее образцы обрабатывали НИЛИ в течение 2 мин, контроль не обрабатывали. Разбраживание исследуемых образцов проводили с добавлением неохмеленного сусла с экстрактив-ностью 16%. После разбраживания дрожжевой суспензии проводили подсчет дрожжевых клеток в камере Горяева. Подготовленную дрожжевую разводку задавали в охмеленное сусло с начальной плотностью 12 %. В процессе главного брожения ежедневно определяли физико-химические показатели образцов.
16 ПИВО и НАПИТКИ 2•2019
Установлено, что при обработке опытных образцов НИЛИ с частотой 600 Гц количество нежизнеспособных дрожжей уменьшается на 75 %, при обработке с частотой 300 и 3000 Гц — на 48% по отношению к контролю (рис. 1).
Во всех вариантах, за исключением обработки с частотой 3000 Гц, наблюдается увеличение числа упитанных клеток (рис. 2). Наилучший результат получен при обработке с частотой 300 и 600 Гц, при обработке с частотой 3000 Гц число клеток с гликогеном снизилось на 10% по сравнению с контролем.
При сбраживании 12% пивного сусла контролировали следующие физико-химические показатели: видимый экстракт, рН, степень сбраживания, флокуляционную способность дрожжей.
Как видно из рис. 3, в конце главного брожения флокуляция дрожжей в опытном образце при обработке с частотой 600 Гц лучше, чем в контроле и в образцах, обработанных более высокими частотами (1200, 1500 и 3000 Гц) излучения. Количество клеток во взвешенном состоянии в образце с обработкой 600 Гц на 7-е сут составило уже 2 млн/см3, а в контрольном образце (не подвергался обработке) — 6 млн/см3. Максимальное накопление биомассы было установлено в опытном варианте при обработке 600 Гц.
Было изучено воздействие различных частот НИЛИ на изменение видимого экстракта. В конце главного брожения при начальной
5 -т
4 -
3 -
2 -
1 -
4,8
2,5
3,5
и
1,5
3,5
100 -Г
80 -
м,
н
о 60 -
и
^ 40 -
и
ы
ет л 20 -
67
95
95
83
87
80
60
Параметры импульсной частоты, Гц
Рис. 1. Количество нежизнеспособных клеток дрожжей при задаче в пивное сусло
Параметры импульсной частоты, Гц
Рис. 2. Упитанность дрожжевых клеток при задаче в пивное сусло
80
3" 70 л м
ии, 60 н
§ 50 о
I 40 н н е
1 30
СО
со
§ 20 и
| 10
0........
0 1 2 3 4 5 6 7
Продолжительность брожения, сут.
—— Контроль —— 300 Гц 600 Гц 1200 Гц 760 Гц — 1500 Гц * 3000 Гц
Рис. 3. Физиологическая активность дрожжей при обработке НИЛИ
концентрации сусла 12 % в опытном образце при обработке 600 Гц видимый экстракт составлял 4,6%, а в контрольном образце — 5,8%.
Таблица 1
Видимый экстракт, %
Продолжительность Частота, Гц
брожения, сут Контроль (без обработки) 300 600 1200 760 1500 3000
0 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0
1 10,8 10,8 10,2 11,2 10,8 11,0 11,0
2 9,7 9,8 8,2 10,3 9,9 9,8 10,0
3 8,3 8,2 7,3 9,6 9,5 9,1 9,4
4 7,4 7,4 6,3 8,3 7,2 8,5 8,3
5 7,0 6,9 5,5 7,4 6,6 7,8 7,9
6 6,6 6,2 4,8 6,5 6,0 7,3 7,0
7 6,2 5,8 4,6 6,2 5,8 7,0 6,5
8 6,0 5,5 4,6 5,8 5,6 6,8 6,0
9 5,8 5,5 4,6 5,8 5,6 6,6 5,8
Полученные данные представлены в табл. 1.
Малые частоты (300, 600, 760 Гц) НИЛИ благоприятно воздействуют на физиологическое состояние дрожжевой клетки, уменьшая количество мертвых клеток, стимулируя процессы размножения и брожения дрожжей. В исследуемых образцах количество нежизнеспособных клеток при обработке малыми частотами в 600 Гц уменьшилось на 60%. При обработке высокими частотами наблюдалось увеличение количества нежизнеспособных клеток по отношению к контролю, а именно при обработке 1500 Гц — на 180%, а при частоте 3000 Гц — на 80% (рис. 4).
Были проведены качественные исследования образцов пива физико-химическим и хроматографическим методами, и на основании полученных данных был выбран оптимальным режим воздействия лазерным излучением (табл. 2 и 3).
£
Ш 2
0
1
<
2 ш I-
4
0
0
8
2 • 2019 ПИВО и НАПИТКИ
17
Таблица 2
Рис. 4. Количество нежизнеспособных клеток в конце главного брожения
Параметры импульсной частоты, Гц рн Объемная доля спирта, % Видимый экстракт, %
Контроль 4,2 5,8
300 4,6 5,2
600 5,0 4,6
1200 4,6 4,2 5,8
760 4,6 5,6
1500 4,0 6,6
3000 4,0 5,8
Таблица 3
Показатель Содержание, мг/дм3
Контроль Опыт (обработка 600 Гц)
Диацетил 0,9 0,6
2-бутанол 0,4 0,2
Наилучшие результаты готового напитка были отмечены при обработке импульсной частотой 600 Гц. Определяли концентрацию водородных ионов (рН), во всех исследуемых образцах данный показатель равен 4,6, что соответствует норме показателя пива по ГОСТ 31711-2012. Максимальное накопление объемной доли спирта в образце с данной частотой составило — 5,0%.
С помощью хроматографическо-го анализа было установлено, что количество диацетила и 2-бутанола в опытном образце находится на более низком уровне, чем в контроле без влияния НИЛИ (табл. 3). Это свидетельствует об ускорении редукции диацетила в конце главного брожения, вероятно, что при данной обработке происходит стимуляция активности алкогольдегидрогеназы, что приводит к улучшению вкуса готового напитка.
Пиво, полученное с применением дрожжей верхового брожения, обработанных низкими частотами (300, 600, 760 Гц), обладает мягким полным вкусом, свойственным цветочным ароматом, а образцы с обработкой лазерным излучения с большими частотами (1200, 1500, 3000 Гц) имеют более выраженный дрожжевой аромат. Следует отметить, что образец пива, обработанный с частотой 600 Гц, обладает сбалансированным и полным хмелевым вкусом и ароматом, а контрольный образец характеризуется несбалансированным и водянистым вкусом.
Обобщая полученные данные, можно сделать вывод, что облуче-
ние дрожжей верхового брожения Saccharomyces cerevisiae НИЛИ с импульсной частотой 600 Гц перед главным брожением стимулирует процесс сбраживания пивного сусла: на 7-е сут видимый экстракт составил 4,6 %, а в контрольном образце только на 9-е сут — 5,8%, таким образом сократив стадию сбраживания пивного сусла на 2 сут. В конце главного брожения наблюдали лучшую флокуляционную способность дрожжей, количество клеток во взвешенном состоянии при воздействии НИЛИ составило — 2 млн/см3, а в контрольном образце — 5 млн/см3.
Исследования показали, что воздействие правильно подобранного режима излучения, в данном эксперименте импульсная частота, низкоинтенсивного лазерного излучения обычно не вызывает явных биосинтетических и энергетических процессов дрожжевой клетки. Создаваемые в процессе брожения технологические условия и приемы приводят к биохимическим сдвигам метаболизма дрожжей, стимулируя целый ряд важных процессов жизнедеятельности клетки. Данный способ обработки лазером низкой интенсивности оказывает положительный эффект на ферментативную активность, синтез белков и клеточные структуры.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бабьева, И. П. Биология дрожжей / И. П. Бабьева, И. Ю. Чернов. — М.: Товарищество научных изданий КМК, 2004. — 221 с.
2. Будаговский, А. В. Лазерные технологии для растениеводства / А. В. Будаговский // Субтропическое и декоративное садоводство: сб. науч. тр. ГНУ ВНИИЦиСК Россельхозакадемии. — 2014. — Вып. 51. — С. 207-214.
3. Кару, Т.Й. Универсальный клеточный механизм лазерной биостимуляции: фотоактивация фермента дыхательной цепи цитохром-с-оксидазы / Т. Й. Кару // Современные лазерно-информационные и лазерные технологии: Сб. тр. ИПЛИТ РАН. — М.: Интерконтакт Наука, 2005. — С. 131-143.
4. Гамалея, Н. Ф. Новые данные по фоточувствительности живой клетки в механизме лазерной биостимуляции / Н. Ф. Гамалея // Докл. Акад. наук СССР. — 1983. — Т. 273, № 1. — С. 24.
5. Москвин, С. В. Эффективность лазерной терапии. Серия «Эффективная лазерная терапия» / С. В. Москвин. — Т. 2. — М. — Тверь: ООО «Издательство Триада», 2014. — 896 с.
6. Данилова, А. Н. Влияние лазерного излучения на молочнокислые бактерии / А.Н. Данилова, М. С. Пономарева, М. В. Гер-нет, [и др.] // Хранение и переработка сельхозсырья. — 2017. — № 12. — С. 12-14.
7. Цыганова, Г.А. Влияние низкоинтенсивного лазерного излучения на различные формы микроорганизмов / Г. А. Цыганова, Л. Н. Шабурова // Аллея науки. Современная наука и ее развитие. — 2018. — Т. 1, № 6 (22). — С. 511-517.
REFERENCES
1. Bab'eva IP, Chernov IJu. Biologija drozh-zhej. Moscow: Tovarishhestvo nauchnyh izdanij KMK, 2004. 221 p. (In Russ.)
2. Budagovskij AV. Lazernye tehnologii dlja rastenievodstva. Subtropicheskoe i dekorativnoe sadovodstvo: sb. nauch. tr.
18 ПИВО и НАПИТКИ 2•2019
Rossel'hozakademii, 2014, iss. 51, pp. 207214. (In Russ.)
3. Karu TJ. Universal'nyj kletochnyj mekha-nizm lazernoj biostimulyacii: fotoaktivaci-ya fermenta dyhatel'noj cepi citohrom-s-oksidazy. Sovremennye lazerno-informa-cionnye i lazernye tehnologii: Sb. tr. IPLIT RAN. Moscow: Interkontakt Nauka, 2005. 304 p. (In Russ.)
4. Gamaleja NF. Novye dannye po foto-chuvstvitel'nosti zhivoj kletki v meha-nizme lazernoj biostimuljacii. Dokl. Akad. nauk SSSR. 1983; 273 (1): 24. (In Russ.)
5. Moskvin SV. Jeffektivnost' lazernoj terapii. Serija «Jeffektivnaja lazernaja terapija». Vol. 2. — Moscow — Tver': Izdatel'stvo Triada, 2014. 896 p. (In Russ.)
6. Danilova AN, Ponomareva MS, Gernet MV,
[i dr.]. Vlijanie lazernogo izluchenija na molochnokislye bakterii. Hranenie i pere-rabotka sel'hozsyr'ja. 2017; 12: 12-14. (In Russ.)
Cyganova GA, Shaburova LN. Vlijanie niz-kointensivnogo lazernogo izluchenija na razlichnye formy mikroorganizmov. Alleja nauki. Sovremennaja nauka i ee razvitie. 2018; 1 (6): 511-517. (In Russ.) &
£ Ш
2 0
1
<
2 ш I-
Действие импульсной частоты лазерного излучения на дрожжи верхового брожения
Ключевые слова
дрожжи; излучение; импульсная частота; лазер. Реферат
Важное направление развития пивоваренной промышленности заключается в интенсификации технологических процессов и повышении качества готовой продукции. Качество пива зависит от биотехнологических процессов, происходящих при сбраживании сусла с помощью дрожжей. Активность ферментов в дрожжевой клетке зависит от многих условий, которые изменяются в процессе роста, размножения и развития клетки. Воздействие лазерного излучения на живые биологические объекты чрезвычайно разнообразно (вызывает как ингибирующие, так и стимулирующие эффекты). Цель исследования - изучение влияния лазерного излучения в инфракрасном диапазоне на пивные дрожжи верхового брожения для интенсификации процессов брожения. В ходе ранних экспериментов было определено оптимальное время обработки дрожжевой суспензии, при воздействии в течение 2 мин результат был оптимальным. При сбраживании 12% пивного сусла и дображивании контролировали следующие показатели: видимый экстракт, рН, степень сбраживания, флокуляционную способность дрожжей, накопление диа-цетила в пиве. В ходе исследований выявили, что при обработке лазером увеличивается содержание клеток с гликогеном и снижается количество нежизнеспособных клеток. Было изучено воздействие различных частот лазера на процесс сбраживания пивного сусла. Малые частоты лазера благоприятно воздействуют на физиологическое состояние дрожжевой клетки, уменьшая количество мертвых клеток, стимулируя процессы размножения дрожжей и брожения. Исследования показали, что воздействие правильно подобранного режима излучения, в данном эксперименте импульсная частота, низкоинтенсивного лазерного излучения обычно не вызывает явных биосинтетических и энергетических процессов дрожжевой клетки.
Авторы
Шабурова Любовь Николаевна, канд. техн. наук, доцент Московский государственный университет пищевых производств, 125080, Россия, г. Москва, Волоколамское ш., д. 11 Данилова Анна Николаевна, магистр ООО «Русскарт»,
141031, Россия, Московская обл., г. Мытищи, Осташковское ш., вл. 18, стр. 1, andanilova01@gmail.com Пономарева Мария Сергеевна, канд. техн. наук ООО «ХОПГАН»,
115201, Россия, г. Москва, 2-й Котляковский пер., д. 1, стр. 37 Гернет Марина Васильевна, д-р техн. наук, профессор ВНИИ пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности - филиал ФНЦ пищевых систем им. В. М. Горбатова РАН,
119021, Россия, г. Москва, ул. Россолимо, д. 7, institut-beer@mail.ru
Effect of Laser Pulse Frequency on Ale Yeast Top-fermenting
Key words
yeast; radiation; pulse frequency; laser. Abstract
An important focus of the brewing industry development is the intensification of technological processes and the improvement of product quality. The quality of beer depends on the biotechnological processes that occur during the fermentation of the wort with yeast. The activity of enzymes in a yeast cell depends on many conditions that change during the growth, reproduction and development of the cell. The effects of laser radiation on living biological objects are extremely diverse (both inhibitory and stimulating effects). The purpose of the study was to study the effect of laser radiation in the infrared range on top-fermented brewer's yeast to intensify the fermentation processes. In the course of early experiments, we determined the optimal processing time of the yeast suspension, when exposed for 2 minutes, the result was optimal. When fermenting 12% of beer wort and fermentation, the following indicators were monitored: visible extract, pH, fermentation rate, flocculation ability of yeast, accumulation of diacetyl in beer. During the research it was found that the percentage of cells with glycogen increases and the number of non-viable cells decreases. The effect of various frequencies on the fermentation of wort was studied. The low frequencies of laser have a favorable effect on the physiological state of the yeast cell, reducing the number of dead cells, stimulating the processes of yeast multiplication and fermentation. Our research has shown that the effect of a properly selected radiation mode, in this experiment, the pulse frequency, of low-intensity laser radiation usually does not cause obvious biosynthetic and energy processes of the yeast cell.
Authors
Shaburova Luybov' Nikolaevna,
Candidate of Technical Science, Associate Professor
Moscow State University of Food Production,
11, Volokolamskoe highway, Moscow, 125080, Russia
Danilova Anna Nikolaevna,
LLC «Russkart»,
18, 1, Ostashkovskoye highway, Mytishchi, Moscow region, 141031, Russia, andanilova01@gmail.com
Ponomareva Mariya Sergeevna, Candidate of Technical Science LLC «HOPGUN»,
1, 37, 2nd Kotliakovskiy lane, Moscow, 115201, Russia
Gernet Marina Vasilevna, Doctor of Technical Science, Professor
All-Russian Scientific-Research Institute of the Brewing, Beverage
and Wine Industries - a branch of the Federal Research Center
for Food Systems V. M. Gorbatov RAS,
7, Rossolimo Str., Moscow, 119021, Russia, institut-beer@mail.ru
2•2019 ПИВО и НАПИТКИ 19
