CC BY
28
HayKOBHH BicHHK ^HyBME iMeHi C.3. IW^KOTO, 2018, T 20, № 85 HayKOBMM BiCHMK ^tBiBCtKoro Ha^OHa^tHoro yHiBepcMTeTy
BeTepMHapHoi Megw^HM Ta öioTexHO^oriw iMeHi C.3. I^M^Koro
Scientific Messenger of Lviv National University of Veterinary Medicine and Biotechnologies
ISSN 2519-268X print doi: 10.15421/nvlvet8510
ISSN 2518-1327 online http://nvlvet.com.ua/
UDC 663.45
Influence of temperature on the fermentation of high gravity wort
T.V. Kharandiuk, R.B. Kosiv, N.I. Berezovska, L.Ya. Palianytsia
Lviv Polytechnic National University, Lviv, Ukraine
Kharandiuk, T.V., Kosiv, R.B., Berezovska, N.I., & Palianytsia, L.Ya. (2018). Influence of temperature on the fermentation of high gravity wort. Scientific Messenger of Lviv National University of Veterinary Medicine and Biotechnologies. 20(85), 51-55. doi: 10.15421/nvlvet8510
Significant increase in the cost of energy contributed to the development of modern energy-saving technologies. For the production of beer, a large amount of energy and heat carriers are consumed at the stage of wort preparation and cooling agents at the fermentation stage. In the context of the energy crisis and the high competition among manufacturers, there is a need to introduce new, energy-saving technologies, in particular, high gravity brewing. The potential benefits of high-gravity brewing over traditional technology include significant water savings, higher alcohol yields and lower energy, labor costs and lower capital costs. However, the benefits of high gravity brewing become evident when the fermentation time remains moderate, and the viability of the yeast and the taste of beer are adequate. This depends on the parameters of the main fermentation process including temperature. The effect of the main fermentation temperature of 9, 12, 15 and 18 °С on the fermentation of high gravity wort at a concentration of 16% w/w and physiological properties of yeast strain W-34/70 was investigated in this work. The duration of fermentation was 9 days. It has been established that at a traditional fermentation temperature of 9 °C fermentation process is slow and stops prematurely. Fermentation at 18 °C allows achieving of high fermentation rate. However, the physiological properties of yeast deteriorate, in particular, the content of cells with glycogen decreases and the flocculation properties of yeast deteriorate. The fermentation temperature practically did not affect the content of non-viable yeast cells. However, their number was slightly higher than the value observed in breweries due to the influence of osmotic and ethanol stress. The optimum temperature of the main fermentation should be within 12-15 °С. For these values of temperature high fermentation activity of yeast and high fermentation were achieved, good physiological properties of yeast were maintained, and the content of vicinal diketones did not exceeded the threshold in young beer.
Key words: high-gravity brewing, temperature, fermentation rate, vicinal diketones, physiological properties of yeast.
Вплив температури на зброджування високогустинного сусла
Т.В. Харандюк, Р.Б. kocíb, Н.1. Березовська, Л.Я. Паляниця
Нацюналъний ^верситет «Львiвська полiтехнiка», Львiв, Украша
Знание збглъшення вартостг енергоресурсгв сприяло розвитку сучасних енергоощадних технологш. Для виготовлення пива за-трачаетъся велика ктъюстъ енергп та теплоноспв на стадп приготування сусла та холодоагентгв на стадп бродтня. В умовах енергетичног кризи та великоi конкуренцп серед виробнитв виникае потреба запроваджувати новi, енергоощадт технологи, зокрема високогустинне пивовартня. Потенцшт переваги технологи високогустинного пивовартня над звичайною технолог^ею включаютъ також значну економт води, бтъшу ктъюстъ спирту i зниження витрат енергп та пращ, меншг капгталът витра-ти. Проте, переваги високогустинного пивовартня стаютъ очевидними, коли тривалгстъ бродтня залишаетъся помгрною, а життездаттстъ дргжджгв та смак пива е адекватними. Ц показники в значтй мгрг залежатъ вгд параметргв процесу головного бродтня, зокрема вгд температури. В роботг дослгджено вплив температури головного бродтня 9, 12, 15 i 18 °С на зброджування високогустинного сусла концентращею 16% сухихречовин та фгзюлоггчт властивостг дргжджгв. Для дослгдженъ використовува-ли дргжджг низового бродтня раси W-34/70. Тривалгстъ бродтня становила 9 дгб. Встановлено, що при традицтнт температурi бродтня 9 °С процес вгдбуваетъся повтъно та припиняетъся передчасно. Проведення бродтня при 18 °С дозволяе досягти високо-го ступеня зброджування, проте поггршуютъся фгзголог^чнг властивостг дргжджгв, зокрема знижуетъся вмгст клгтин з глгкоге-ном та поггршуютъся флокуляцшт властивостг дргжджгв. Температура бродтня практично не впливала на вмгст нежиттезда-
Article info
Received 05.02.2018 Received in revised form
06.03.2018 Accepted 09.03.2018
Lviv Polytechnic National University, S. Bandera Str., 12, Lviv, 79013, Ukraine. Tel.: +38-067-961-41-29, +38-050-789-26-96 E-mail: kosivruslana@gmail. com, tetyanakharandyuk@gmail. com
тних дрiжджових клШин. Проте X ктьюсть була дещо вищою вiд значения, якого дотримуються на пивоварних тдприемствах, що зумовлено впливом осмотичного та етанольного стресу. Оптимальна температура головного бродтня повинна знаходитись в межах 12-15 °С. За цих значень температур досягаеться висока бродильна активтсть дрiжджiв, ступть зброджування пива та зберкаються хорошi фiзiологiчнi властивостi дрiжджiв, а вмкт вщинальних дикетошв не перевищуе гранично-допустимог концентрацп для молодого пива.
Ключовi слова: високогустинне пивовартня, температура, ступть зброджування, вщинальш дикетони, фiзiологiчнi власти-востi дрiжджiв.
Вступ
Сутгеве збшьшення вартосп енергоресурс1в спри-яло розвитку процесу !х ощадливого використання, що можна помгтити в бшьшосп кра!н свпу, особливо в промислово розвинених кранах.
Для Укра!ни процес енергозбереження мае над-звичайно важливе значения, що обумовлюеться низкою чинник1в. Укра!на е енергодефщитною кра!ною, яка сво! потреби в первинних енергоресурсах задово-льняе за рахунок !х власного виробництва лише на 45%. В И паливно-енергетичному баланс домшуе природний газ, його частка становить 41%, що значно перевищуе вщповщш показники таких кра!н, як США та Велика Бриташя, яш, на вщмшу вщ Укра!ни, мають значш поклади 1 обсяги власного видобутку природного газу (Bevz, 2010).
Пивоваршня е одшею з найбшьш динам1чних га-лузей харчово! промисловосп 1 посщае важливе мюце в переробнш промисловосп Укра!ни. Необхщшсть виготовлення пива високо! якост1 в коротк1 термши 1 найменш дорогим способом спонукала багатьох ви-робник1в використовувати нов1 та сучасш процеси, як1 в основному направлен! на збшьшення продуктивнос-т1 виробництва, збереження енерги та розширення асортименту. Зокрема, використання вдосконалених способ1в кип'ятшня сусла, високогустинне пивоваршня, вдосконалеш методи бродшня 1 доброджуван-ня, сучасш способи активацп др1ждж1в.
Пщ час високогустинного пивоваршня сусло, що мютить бшьше 13-18% сухих речовин зброджують, пщдають дозр1ванню, а пот1м розбавляють знекисне-ною водою, насиченою вуглекислим газом, до потр1б-но! густини або концентрацп алкоголю. Це дозволяе збшьшити продуктившсть пивоварш без залучення додаткових швестицш. Потенцшш переваги технологи високогустинного пивоваршня над звичайною технолопею включають також значну економш води, бшьшу к1льк1сть спирту 1 зниження витрат енергп та пращ, менш1 каштальш витрати (Silva et а1., 2008).
Тим не менш, на початкових стад1ях ферментаци р1вень цукр1в у середовищ1 збшьшуеться вище грани-чних для др1жджових клгшн концентрацш, в результат! чого вони тддаються впливу високого осмотич-ного стресу та токсичному впливу вищих концентра-цш етанолу. В зв'язку з цим часто спостертаеться низький стушнь зброджування, 1 в кшцевому шдсум-ку ефектившсть процесу бродшня знижуеться (Pa1igund1a et а1., 2011).
Переб1г головного бродшня сусла в значнш м1р1 визначаеться расою дрщдж1в та параметрами процесу, зокрема концентращею зброджуваного сусла, норми внесення др1ждж1в, температури та тривалосп бродшня. Враховуючи, що при зброджуванш високо-
густинного сусла др1ждж1 шддаються впливу стресо-вих умов середовища, вдалий виб1р раси др1ждж1в та параметр1в процесу бродшня дозволить провести процес зброджування високогустинного сусла максимально ефективно без подовження тривалосп бродш-ня пор1вняно з класичною технолопею.
В попередшх дослщженнях було встановлено, що найб1льш ефективною расою др1ждж1в для зброджування високогустинного сусла е W-34/70 (КЬагап&ик et а1., 2016), а норма внесення цих др1ждж1в повинна знаходитись в межах - 22,5-30 млн. клгшн в 1 см3 сусла (^агаМшк et а1., 2016).
Важливим параметром головного бродшня е температура, що не тшьки впливатиме на бродильну актившсть др1ждж1в, 1, як наслщок, стушнь зброджування пива, а й на смаков1 властивосп пива, зокрема вмют вщинальних дикетошв та фшолопчт властиво-сп самих др1ждж1в.
Вм1ст вщинальних дикетошв в пив1 мае важливе значення, так як за !х вмютом судять про завершення стадп головного бродшня, а вмют вщинальних дикетошв в пив1 строго контролюють. При перевищенш гранично-допустимого значення концентрацп ВДК в пив1 вщчуватиметься неприемний маслянистий прис-мак, що негативно впливатиме на органолептичш властивосп напою (Кипсе, 2001).
У виробничих умовах використовують шлька ге-нерацш др1ждж1в, тому важливо, щоб !х фшолопчт властивосп, а саме здатшсть до флокуляци, вмют мертвих клгшн та клгшн з гакогеном, не попршува-лись (Кипсе, 2001).
Проводились дослщження впливу температури головного бродшня (7, 10, 15 °С) на зброджування високогустинного сусла концентращею 15% СР 1ммобь л1зованими дрщджами низового бродшня. В результат встановили, що п1двищення температури вщ 7 °С до 15 °С сприяло зб1льшенню ступеня зброджування, илькосп утвореного етанолу та асим1ляцИ вшьного ам1нного н1трогену. Максимального вм1сту етанолу (6% об.) досягали при температур! 15 °С. Було встановлено, що температура не мала суттевого впливу на шльшсть мертвих клгшн, !х значення було близько 10% у всьому досл1дженому д1апазон1 фг^опе et а1., 2008).
1нша група науковц1в досл1джувала процес зброджування високогустинного сусла концентращею 16% сухих речовин при температур! 21 °С др1жджами низового бродшня 8ассИаготусе&' т>агыш (carlsbergensis) 3021. Було встановлено, що вм1ст життездатних клгшн не зм1нювався п1д час головного брод1ння та становив 97-98%. В результат1 бродшня утворювалось близько 7% об. Етанолу (Odumeru et а1., 1992).
Дослщжували також вплив температури в д1апазо-Hi 15-25 °С при зброджуванш сусла концентрашею 15% СР дрiжджами низового бродiння. Встановили, що найвищого ступеня зброджування (85%) досягали при температурi 25 °С (Almeida et al., 2001). Проте, не проводились дослвдження впливу температури на фiзiологiчнi властивостi дрiжджiв.
Таким чином, проводились дослвдження зброджування високогустинного сусла в досить широкому дiапазонi температур (7-25 °С). Проте, основна увага придмлась ступеню зброджування пива та вмюту етанолу. Натомiсть, не проводили дослвдження впливу температур бродшня на фiзiологiчнi властивостi дрiжджiв, зокрема !х здатнiсть до флокуляцп та вмiст клiтин з гакогеном.
Мета i завдання дослгдження. Дослвдження впливу температури головного бродшня на зброджування високогустинного сусла, стушнь зброджування пива, вмют ВДК, фiзiологiчний стан др1ждж1в.
Матерiали та методи дослвджень
спектрофотометричним методом. Вмiст нежиттездат-них клiтин дослiджували забарвленням метиленовим сишм, вмiст клiтин з гакогеном - забарвленням роз-чином Люголя, концентрацш дрiжджових клiтин в пивi - обрахунком на камерi Горяева. Вмют СР в сус-лi визначали рефрактометричним методом та обрахо-вували ступiнь зброджування пива (Pfeninger, 2002).
Результата та Тх обговорення
Класично зброджування сусла низовими дршджа-ми проводять при температурi 9 °С. Проте, з метою штенсифшацп бродiння температуру збiльшують. Вiд значення температури суттево залежатиме динамiка бродшня сусла, стушнь зброджування та концентра-цiя вiцинальних дикетонiв. Для цього дослщжували зброджування сусла концентрацiею 16 % сухих речо-вин в дiапазонi температур 9-18 °С.
При зброджуванш високогустинного сусла за температури 9 °С процес ввдбуваеться повiльнiше, нiж при температурах 12-18 °С (рис. 1).
Об'ектами дослщжень були пивнi др1ждж1 штаму Saflager W-34/70. 1х культивували в охмеленому стерильному суслi концентрацiею 12% сухих речовин (СР) при температурi 25 оС тривалiстю 24 год. на кожнш стади за схемою: 1-а стадiя - в пробiрку додавали 10 см3 сусла задано! концентраци та засiвали чисту культуру др1ждж1в, 2-а стадiя - в колбу додавали 50 см3 сусла та заавали дрщдж з попередньо! стади, 3 стащя - в колбу додавали 200 см3 сусла та дрiжджi з попередньо! стади.
Отриману на 3-й стади бюмасу вiдокремлювали ввд культурального середовища центрифугуванням впродовж 10 хв. при 4000 хв-1 i застосовували для бродiння.
Для дослiдження впливу температури бродшня на динашку зброджування високогустинного сусла, стушнь зброджування, вмют ВДК в молодому пив^ флокуляцшш властивостi др1ждж1в, вмiст нежиттез-датних клггин та клiтин з гакогеном, зброджували 200 см3 стерильного охмеленого сусла з вмютом СР 16% при концентраци дрiжджiв 30 млн. клгтин в 1 см3 сусла. Головне бродшня вели при температурах 9, 12, 15 i 18 °С тривалютю 9 дiб. Вмют ВДК визначали
12 °C
—•—15°C Ss*
—■—18 °C У/
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Трпвалкть бродшня, д1б Рис. 1. Динамiка зброджування високогустинного сусла за рiзних температур
Шдвищення температури бродiння ввд 9 до 12 °С дозволяе збшьшити СЗ молодого пива майже вдвiчi, при подальшому збiльшеннi температури ввдмшнють у ступенi зброджування не така суттева (рис. 2).
^^"Нидимии стушнь зброджування БМ1СТ БЩНЕаЛЬНИХДНБеТОН|Б on
0.3 .э я
- N? a cr- 0 25 p 4>
■S „ с к _ ~~ ^ ы
ш "7/4 л о -
i « и 5 <50 fit в л 1 г Ч
я Я rt 4 s я A 50 я 40 п u я н П 0,1 а 3 РЗ Г) П-Ч F-
i A и.иэ £ о «
JU 9 °C 12 CC 15 CC 18 CC
Тривалсгь бродшня, °C
Рис. 2. Вплив температури бродшня на видимий стушнь зброджування i вмiст вщинальних дикетонiв
в молодому пивi
Концентрацш вщинальних дикетошв дещо збшь-шуеться при шдвищенш температури вщ 9 до 12 °С, що можна пояснити менш активним бродшням при низьких температурах i, як наслщок, утворюеться менша кiлькiсть вщинальних дикетонiв. При збшь-шеннi температури в дiапазонi 12-15 °С вмют вщина-льних дикетонiв знижуеться, що зумовлене !х швид-шим вщновленням при пiдвищеннi температури, та дещо щдвищуеться при температурi 18 °С. Вiдомо, що збiльшення температури сприяе швидшому перет-воренню попередник1в вщинальних дикетошв ацето-гiдроксикислот у вщинальш дикетони та !х швидшiй редукцп (Almeida et al., 2001). Ймовiрно, нагрома-дження бшьшо1 концентрацп вщинальних дикетошв при температурi 18 °С зумовлене швидшим перетво-ренням ацетопдроксикислот у вiцинальнi дикетони при пов№нш 1х редукцп.
Флокуляцiйнi властивостi др1ждж1в оцiнювали за концентрацiею дрiжджових клггин в молодому пивi наприкiнцi бродшня (рис. 3). Було встановлено, що зi збiльшенням температури в дiапазонi 9-15 °С значен-ня концентрацп дрiжджiв у молодому пивi е близь-ким, тодi як шдвищення температури до 18 °С зумов-люе зниження здатностi дрiжджiв до флокуляцп.
.1
12 15 18
Температуря бродшвя. °С
Рис. 3. Вплив температури бродшня на концентрацш дрiжджiв у молодому пивi
Вплив температури бродшня на фiзiологiчнi влас-тивостi др1ждж1в оцiнювали за кшьшстю мертвих кл1тин та кл1тин з глшэгеном (рис. 4). Кiлькiсть мертвих дрiжджiв повинна бути максимально низькою, та в середньому становить 3% (Kunce, 2001). В результата експериментальних досл1джень було встановлено, що збшьшення температури практично не впливае на вмют мертвих дрiжджових клiтин, який в середньому становив 4%. Проте, 1х концентрацiя дещо перевищу-вала середне значення концентрацп, якого дотриму-ються на пивоварних шдприемствах, що зумовлено впливом осмотичного та етанольного стресу.
Збiльшення температури вщ 9 до 15 °С несуттево впливало на здатнiсть дрiжджiв запасати поживнi речовини (рис. 4), так як частка др1жджових клиин з глiкогеном дещо збiльшувалась при пщвищенш температури вiд 9 до 12 °С та практично не в^^знялась при температурах бродшня 12-15 °С.
80 "MepTBi кл1тини
S 70 Ш КЛ1ТИНИ 1
я 60 я -.ft " 50 40 = ® В л 30 f 3 а И 20 гткогенои
■
't 10
X F о 1_ H
9 12 15 IS
Температуря бродшня, °C
Рис. 4. Вплив температури бродшня на фiзiологiчнi властивосп др1ждж1в
Пiдвищення температури бродiння до 18 °С приз-водить до суттевого зниження частки клгтин з глжо-геном, що свiдчить про попршення фiзiологiчних властивостей др1ждж1в.
Висновки
Технологiя високогустинного пивоварiння дозво-ляе досягти значно! економи енергоресурсiв та зб№-шити продуктивнiсть виробництва, проте це можливо лише за умови, що тривалють виробництва пива не збшьшуеться та якiсть отриманого напою не попршу-еться. Ефективнiсть виробництва та яшсть пива в значнш мiрi залежить вщ перебiгу процесу головного бродiння, його тривалостi та параметрiв, зокрема температури бродiння. Було встановлено, що при класичнш температурi бродiння 9 °С бродiння вщбу-ваеться повiльно та припиняеться передчасно. Прове-дення бродiння при 18 °С дозволяе досягти високого ступеня зброджування, проте погiршуються фiзiоло-пчш властивостi др1ждж1в, зокрема знижуеться вмют клiтин з глiкогеном та попршуються флокуляцiйнi властивостi др1ждж1в. Тому рекомендовано проводи-ти зброджування високогустинного сусла при темпе-ратурi 12-15 °С.
Перспективи подальших дослгджень. Щдвищення температури бродшня дозволяе збшьшити бродильну активнiсть др1ждж1в та ступiнь зброджування пива. Проте, важливим залишаеться пошук методiв штен-сифшацп процесу головного бродiння та доброджу-вання зi скороченням !х тривалостi.
References
Bevz, V.V. (2010). Enerhozberezhennia - efektyvnyi shliakh do znyzhennia vytrat vyrobnytstva. Kharchova promyslovist. 9, 190-194 (in Ukrainian). Silva, D., Branyik, T., Dragone, G., Vicente, А., Teixeira, J., & Almeida e Silva, J. (2008). High gravity batch and continuous processes for beer production: Evaluation of fermentation performance and beer quality. Chemical Papers. 62(1), 34-41. doi: 10.2478/s11696-007-0076-6 Paligundla, P., Smogrovicova, D., Obulam, V., & Ko, S. (2011). Very high gravity ethanolic brewing and fermentation: a research update. J. Ind. Microbiol.
.9
is
5
14
i 10
.3=8
= .
о И
а ч § S
M
HayKOBHH BicHHK ^HyBME iMeHi C.3. IW^KOTO, 2018, T 20, № 85
Biotechnol. 38(9), 1133-1144. doi: 10.1007/s10295-011-0999-3.
Kharandiuk, T.V., Kosiv, R.B., Berezovska, N.I., & Palianytsia, L.Ya. (2016). Rasy drizhdzhiv dlia vysokohustynnoho pyvovarinnia. Visnyk KhNU. Seriia tekhnichni nauky. 4, 100-104 (in Ukrainian).
Kharandiuk, T.V., Kosiv, R.B., Berezovska, N.I., & Palianytsia, L.Ya. (2016). Vplyv kontsentratsii drizhdzhovykh klityn na zbrodzhuvannia vysokohustynnoho pyvnoho susla. Naukovyi visnyk Lvivskoho natsionalnoho universytetu veterynarnoi medytsyny ta biotekhnolohii imeni S. Z. Hzhytskoho. 18, 1(65), 133-137 (in Ukrainian).
Kunce, V. (2001). Tehnologija soloda i piva. SPb: Izdatel'stvo PROFESSIJa (in Russian).
Dragone, G., Mussatto, I., & Silva, A. (2008). Influence of temperature on continuous high gravity brewing with yeasts immobilized on spent grains. Eur. Food
Res. Technol. 228(2), 257-264. doi: 10.1007/s00217-008-0930-y
Odumeru, J., D'Amore, T., Russell, I., & Stewart, G. (1992). Effects of heat shock and ethanol stress on the viability of a Saccharomyces uvarum (carlsbergensis) brewing yeast strain during fermentation of high gravity wort. Journal of Industrial Microbiology. 10(2), 111-116. doi: 10.1007/BF01583843
Almeida, R., Almeida e Silva, J., Lima, U., Silva, D.P., & Assis, A.N. (2001). Evaluation of fermentation parameters during high-gravity beer production. Brazilian Journal of Chemical Engineering. 18(4), 459-465. doi: 10.1590/S0104-66322001000400010
Pfeninger, H. (2002). Methods collection of the Mitteleuropaschen Brautechnischen Analysen-kommision. Munchen: Technische Universität München.
