CC BY
28
_ВЕСТНИК ПНИПУ_
2020 Химическая технология и биотехнология № 4
Б01: 10.15593/2224-9400/2020.4.05 УДК 577.1,577.121, 663.12
А.А. Васильева, Т.С. Кутпанова, Т.М. Панова
Уральский государственный лесотехнический университет, Екатеринбург, Россия
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ КОРНЕЙ ИМБИРЯ НА МЕТАБОЛИЗМ ДРОЖЖЕЙ SACCHAROMYCES ОЕНЕУМАЕ
Рассмотрена возможность производства крафтового пива с добавлением экстракта корней имбиря. В качестве объекта использовали измельченные свежие корни имбиря, на основе которых получены водные и водно-спиртовые экстракты с гидромодулем ГМ = 10 г/г. Экстрагирование проводили в ультразвуковой ванне УЗВ-1/100-ТН с частотой 44 кГц и мощностью 75 Вт при температуре 40-80 °С в течение 1 ч. В ходе работы выявили оптимальный температурный режим (50 °С) и продолжительность (30 мин) экстрагирования. Концентрация водного и водно-спиртового экстрактов составляла 0,3; 1; 1,5 %.Полученные экстракты использовали в качестве добавок в процессе ферментации. В качестве продуцентов использовали сухие пивные дрожжи Ба/Ьгвм/ 8-33 Косулинской пивоварни. Ферментацию проводили периодическим способом при температуре 8±1 °С в течение 15 сут. В процессе ферментации раз в сутки пробы анализировали на содержание концентрации субстрата (сахара), основного метаболита (спирта) и прирост дрожжей. Анализ сбраживаемого сусла проводили с помощью анализатора качества пива «Колос-1». На основании проведенных исследований нами рекомендовано использование водно-спиртового экстракта в дозировках 1-1,5 %, который позволит увеличить бродильную активность дрожжей на 12-14 %о, повысить экономический коэффициент на 2 %, снизить продолжительность процесса брожения до 4 сут и увеличить мощность производства на 12-13 % на существующем оборудовании. Кроме того, улучшаются органолептические свойства и биологическая ценность пива за счет полезных веществ, содержащихся в корнях имбиря.
Ключевые слова: периодическая ферментация, имбирь, пивные дрожжи.
A.A. Vasileva, T.S. Kutpanova, T.M. Panova
Ural State Forest Engineering University, Yekaterinburg, Russian Federation
STUDYING THE INFLUENCE OF BIOLOGICALLY ACTIVE SUBSTANCES OF GINGER ROOTS ON YEAST METABOLISM SACCHAROMYCES CEREVISIAE
In this work the possibility of producing craft beer with the addition of ginger root extract is considered. As an object we used crushed fresh ginger roots, on the basis of which aqueous and water-alcoholic extracts with hydromodule GM = 10 g/g were obtained. Extraction was carried out in ultrasonic bath ultrasonic bath UZV-1/100-TN with frequency 44 kHz and power 75 W at temperature 40 ... 80°C for1 hour. During the work the optimal temperature regime (50°C) and duration (30 min) of extraction were revealed. The concentration of aqueous and water-alcoholic extracts was 0,3%; 1%; 1,5%. The obtained extracts were used as additives in the fermentation process. Dry beer yeast of Safbrew S-33 of the Kosulinsky brewery was used as production agents. Fermentation was carried out periodically at a temperature of 8 ± 1oC for 15 days. During the fermentation process, samples were analyzed once a day for the content of substrate (sugar), basic metabolite (alcohol) and yeast growth. Analysis of digested wort was performed with the help of «Kolos-1» beer quality analyzer.On the basis of the conducted researches we recommended the use of water-alcoholic extract in the dosage of 1...1,5 %, which allows to increase fermentation activity of yeast by 12...14%, to increase economic coefficient by 2%, to decrease duration of fermentation process up to 4 days and to increase production capacity by 12...13% on the existing equipment. Besides, organoleptic properties and biological value of beer are improved due to useful substances contained in ginger roots.
Keywords: periodic fermentation, ginger, beer yeast.
Крафтовые пивоварни появились на рынке, когда массовый потребитель сделал очевидный выбор в сторону многообразия пивного ассортимента.
В России растет интерес к пиву, отличному от лагера, а именно к крафтовому пиву. Такое пиво характеризуется специфическими вкусами и ароматами. Готовится крафтовое пиво по авторским и уникальным рецептурам с традиционной основой, но с добавлением всевозможных добавок (перец, лимон, шиповник, шоколад и т.д.). За счет высокой биологической активности добавок крафтовое пиво не нуждается в консервантах [1, 2].
Целью нашей работы являлось изучение влияния водного и водно-спиртового экстрактов имбиря на бродильную активность пивных дрожжей и возможность получения пивного продукта с новыми орга-нолептическими и биологическими свойствами.
Имбирь - это долголетнее клубневое растение, которое растет в Китае, Индии, Японии. Этот продукт относится к категории специй и является одной из самых популярных пряностей во всем мире. Полезные свойства имбиря выражаются в том, что в его состав входит большое число эфирных масел, аминокислот, биологически активных веществ и минералов [3, 4].
Экспериментальная часть. В качестве объекта использовали свежий корень имбиря (2т§1Ьег2етшЬе1;), соответствующий нормативным требованиям [5], продуцент - пивные дрожжи 8ассЬаготусе$еегеу1$1ае 8а]Ьте^ 8-33 пятой генерации производства Косулинской пивоварни (Свердловская обл.), питательная среда - синтетическая среда Ридера [6, 7].
В ходе работы были получены водные и водно-спиртовые экстракты имбиря с гидромодулем ГМ = 10 г/г. Для получения водного экстракта использовалась дистиллированная вода, для водно-спиртового - дистиллированная вода и этиловый спирт (96,2 % об.) в соотношении 1:1 по объему [8, 9]. В качестве сырья использовали измельченный свежий корень имбиря. Экстрагирование проводили в ультразвуковой ванне УЗВ-1/100-ТН с частотой 44 кГц и мощностью 75 Вт при температуре 40-80 °С в течение 1 ч [10, 11]. Через каждые 5 мин отбирали пробы и анализировали на содержание экстрактивных веществ для определения выхода экстракта. В результате определили оптимальные условия, обеспечивающие максимальный выход экстракта при приемлемых технико-экономических затратах. Рекомендуемый температурный режим соответствовал 50 °С, продолжительность экстрагирования 30 мин. Полученные экстракты после фильтрования использовали в качестве добавок в питательную среду для брожения [12, 13].
Ферментацию проводили периодическим способом при температуре 8±1 °С в течение 15 сут. Влияние БАВ имбиря на процесс ферментации оценивали по изменению скорости потребления субстрата, прироста биомассы дрожжей и биосинтеза этанола. Для этого периодически отбирали пробы и анализировали на содержание концентрации субстрата (сахара), основного метаболита (спирта) и дрожжей [14, 15]. Для определения данных параметров использовали анализатор качества пива «Колос-1» и спектрофотометр ПромЭкоЛаб ПЭ-5300В [16].
Результаты и их обсуждение. На рис. 1 представлены зависимости влияния водно-спиртового и водного экстрактов корня имбиря (с дозировкой 0,3; 1; 1,3 %) на рост дрожжей в процессе ферментации.
s о 5
4,5
я
§
M 4
о
0J 3,5
1 3
СП
fr я 2,5
и
Я 2
£
<г к '■
9= -1
/
/ г
■4И
г
О
14
16
2 4 6 8 10 12 Продолжительность, сут
Контроль —Водно-спиртовый экстракт, 0,3 %
Водно-спиртовый экстракт, 1 % ** Водно-спиртовый экстракт, 1,5 %
а
5 4,5 4
3,5
I 3
в
^25
I
ш а Œ 2 â
14
16
4 6 8 10 12 Продолжительность, сут - Контроль Водный экстракт, 0,3 %
Водный экстракт, 1 % I < Водный экстракт, 1,5 %
б
Рис. 1. Динамика роста дрожжей в присутствии водно-спиртового (а) и водного (б) экстракта корней имбиря
При сравнении результатов, представленных на рис. 1, видно, что как водный, так и водно-спиртовый экстракты имбиря во всех используемых дозировках интенсифицировали рост дрожжей. Наибольший эффект достигался при использовании максимальных дозировок. Это связано с присутствием в корнях имбиря витаминов группы В, макро-и микроэлементов, вызывающих усиление обменных процессов в клетке.
На рис. 2 представлены зависимости влияния водно-спиртового и водного экстрактов корней имбиря (с дозировкой 0,3; 1; 1,3 %) на потребление субстрата (сахара) в процессе ферментации.
б
Рис. 2. Динамика потребления сахара дрожжами в присутствии водно-спиртового (а) и водного (б) экстракта корней имбиря
Результаты, представленные на рис. 2, показывают, что наиболее активное потребление субстрата наблюдали в пробах с дозировкой экстрактов (водного и водно-спиртового) 1,5 %. Это подтверждает
а
способность биологически активных веществ имбиря интенсифицировать процессы метаболизма дрожжевой клетки.
На рис. 3 представлены зависимости влияния водно-спиртового и водного экстрактов корней имбиря (с дозировкой 0,3; 1; 1,3 %) на концентрацию этанола в молодом пиве.
й
Ё. я
С
О 04 Я
Л
о. и Е 1) Я Е
О «
5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1
0,5 0
>
14
16
4 6 8 10 12 Продолжительность, сут - Контроль ^- Водный экстракт, 0,3 %
-Водный —Водный экстракт, 1,5 %
экстракт, 1 %
б
Рис. 3. Динамика биосинтеза этанола дрожжами в присутствии водно-спиртового (а) и водного (б) экстракта корней имбиря
Результаты свидетельствуют, что и водные и водно-спиртовые экстракты имбиря усиливают биохимические процессы биосинтеза этанола за счет содержащихся в имбире биологически активных ве-
а
ществ, в частности витаминов группы В (тиамин В1, биотин В7 и др.) и минеральных веществ, например, магния, активирующего фермент алькогольдегидрогеназу, и фосфора, поддерживающего буферность среды и усиливающий энергетический обмен в клетке. Интенсификация процессов в присутствии водно-спиртовых экстрактов происходит, на наш взгляд, дополнительно за счет спирторастворимых фитостеро-лов и ненасыщенных жирных кислот, способствующих росту и размножению клеток в анаэробных условиях. Рекомендуемая концентрация этанола 4 % об. достигается в процессе четырехсуточной ферментации при использовании водно-спиртовых экстрактов с дозировкой 1 и 1,5 %, что значительно ниже, чем в контроле. Таким образом, продолжительность главного брожения может быть снижена до 4 сут.
На рис. 4 представлена динамика влияния дозировок водных и водно-спиртовых экстрактов корней имбиря на бродильную активность дрожжей SafbrewS-33 в процессе четырехсуточной ферментации.
Контроль Водный 0,3%
Водный 1% Водный 1,5%
Водно-спиртовый 0,3% Водно-спиртовый 1% Водно-спиртовый 1,5%
Рис. 4. Динамика влияния дозировок водных и водно-спиртовых экстрактов корней имбиря на бродильную активность дрожжей Safbrew 8-33 в процессе
четырехсуточной ферментации
Анализируя рис. 4, можно сделать вывод, что бродильная активность дрожжей в присутствии водно-спиртового экстракта увеличивается. Наилучшее влияние на бродильную активность показали водно-спиртовые экстракты в дозировке 1 и 1,5 %. Водные экстракты имбиря в большей степени активировали процессы конструктивного обмена,
а не энергетического, что в итоге несколько снижало значение бродильной активности дрожжей.
На рис. 5 представлена динамика влияния дозировок водных и водно-спиртовых экстрактов корней имбиря на экономический коэффициент и степень сбраживания дрожжей в процессе 4-суточной ферментации.
б
Рис. 5. Динамика влияния дозировки водно-спиртового и водного экстрактов корней имбиря в процессе 4-суточной ферментации: а - на экономический коэффициент; б - на степень сбраживания дрожжей
Добавление всех используемых дозировок водно-спиртового экстракта способствовало повышению экономического коэффициента.
Наилучшие результаты достигнуты при дозировке экстракта 1 и 1,5 %, при которых значение экономического коэффициента возрастало на 2 %. Водные экстракты корней имбиря заметного влияния на значение экономического коэффициента не оказывали.
а
Как видно на рис. 5, б, степень сбраживания углеводов субстрата данным продуцентом увеличивалась при использовании как водных, так и водно-спиртовых экстрактов. Эффективнее всего ферментация протекает в пробе с водно-спиртовым экстрактом 1 и 1,5 %, степень сбраживания увеличивалась на 2 и 4 % соответственно.
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Показана целесообразность использования водно-спиртовых экстрактов корней имбиря в процессе получения крафтового пива.
2. Рекомендована дозировка внесения водно-спиртового экстракта 1-1,5 %.
3. Водные экстракты корней имбиря рекомендовано использовать на стадии культивирования дрожжей.
4. Использование водно-спиртового экстракта в рекомендуемых дозировках способствует увеличению бродильной активности дрожжей на 12-14 %, повышению экономического коэффициента на 2 %, снижению продолжительности процесса брожения до 4 сут, что позволяет на существующем оборудовании увеличить мощность производства на 12-13 %.
5. Биологически активные вещества корней имбиря улучшают вкусовые характеристики получаемого пива, способствуют улучшению пищеварения и благотворительно влияют на нервную систему.
Список литературы
1. Петроченков А. Крафтовое пиво. Пивная революция. Руководство инсайдера. Что такое крафт. Рецепты. Путеводитель. - М.: Эксмо, 2018. - 208 с.
2. Бэмфорт Ч. Новое в пивоварении / пер. с англ. И.С. Горожанкиной, Е.С. Боровиковой. - СПб.: Профессия, 2007. - 519 с.
3. Константинов Ю. Имбирь. Корень здоровья, красоты и долголетия. -М.: Центрполиграф, 2014. - 160 с.
4. Кретович В.Л. Биохимия растений: учеб. - 2-е изд. - М.: Высшая школа, 1986 - 503 с.
5. ГОСТ Р 34319-2017. Имбирь - корень свежий. Технические условия. - Введ. 1.07.2018. - М., 2018.
6. Жвирблянская А.Ю., Исаева В.С. Дрожжи в пивоварении. - М.: Пищевая промышленность, 1979. - 246 с.
7. Коновалов С.А. Биохимия дрожжей. - М.: Пищевая промышленность, 1980. - 271 с.
8. Нарцисс Л. Пивоварение: пер. с нем. - Т. 2. Технология приготовления сусла. - М.: Эливар, 2003. - 365 с.
9. Яровенко В.Л. Технология спирта. - М.: Колос, 1999. - 446 с.
10. Бейли Дж., Оллис Д. Основы биохимической инженерии. - М.: Мир, 1989. - 692 с.
11. Панова Т.М., Кочергина О.А., Дроздова Н.А. Общая биология и микробиология: практ. - Екатеринбург: Изд-во УГЛТУ, 2014. - 110 с.
12. Калунянц К.А. Химия солода и пива. - М.: Агропромиздат, 2010. - 176 с.
13. Меледина Т.В. Сырье и вспомогательные материалы в пивоварении. - СПб.: Профессия, 2003. - 304 с.
14. Хорунжина С.И. Биохимические и физико-химические основы технологии солода и пива. - М.: Колос, 2009. - 312 с.
15. Технология бродильных производств / О.А. Котик, Н.В. Королькова, А.А. Колобаева, Е.В. Панина. - Воронеж: Изд-во Воронеж. ГАУ, 2017. - 139 с.
16. Кунце В. Технология солода и пива. - СПб.: Профессия, 2013. - 912 с.
References
1. Petrochenkov A. Kraftovoe pivo. Pivnaia revoliutsiia. Rukovodstvo insaidera. Chtotakoe kraft. Retsepty. Putevoditel' [Kraft beer. Beer Revolution. The manual of the insider. What is Kraft. Recipes. Guidebook]. Moscow, Eksmo, 2018, 208 p.
2. Bamforth Ch. Novoe v pivovarenii. Per. s angl. Gorozhankinoi I.S., Borovikovoi E.S. [New in brewing]. Saint Petersburg, Professiia, 2007, 519 p.
3. Konstantinov Iu. Imbir'. Koren' zdorov'ia, krasotyidolgoletiia [Ginger. The root of health, beauty and longevity]. Moscow, Tsentrpoligraf, 2014, 160 p.
4. Kretovich V.L. Biokhimiiarastenii [Biochemistry of plants]. Moscow, Vysshaiashkola, 1986, 503 p.
5. GOST R 34319-2017. Imbir'-koren' svezhii. Tekhnicheskieusloviia.
6. Zhvirblianskaia A.Iu., Isaeva V.S. Drozhzhi v pivovarenii [Yeast in brewing]. Moscow, Pishchevaia promyshlennost', 1979, 246 p.
7. Konovalov S.A. Biokhimiiadrozhzhei [Yeast Biochemistry]. Moscow, Pishchevaia promyshlennost', 1980, 271 p.
8. Narcissus L. Tekhnologiia prigotovleniia susla [The technology of preparation of wort]. Moscow, 2003, 365 p.
9. Iarovenko V.L. Tekhnologiia spirta [Alcohol technology]. Moscow, Kolos, 1999, 446 p.
10. Beili Dzh., Ollis D. Osnovybiokhimicheskoiinzhenerii [Basics of Biochemical Engineering]. Moscow, Mir, 1989, 692 p.
11. Panova T.M., Kochergina O.A., Drozdova N.A. Praktikum obshchaia biologiia I mikrobiologiia po vypolneniiu laboratornykh rabot dlia studentov, obuchaiushchikhsia po napravleniiu bakalavriata i magistratury «Biotekhnologiia» [Workshop on General Biology and Microbiology on the performance of laboratory work for students studying in the bachelor's and master's degree program «Bio-technology»]. Ekaterinburg, Ural'skii gosudarstvennyi lesotekhnicheskii universitet, 2014, 110 p.
12. Kaluniants K.A. Khimiia soloda i piva [Malt and Beer Chemistry]. Moscow, Agropromizdat, 2010, 176 p.
13. Meledina T.V. Syr'e i vspomogatel'nye materialy v pivovarenii [Raw aterials and auxiliary materials in brewing]. Saint Petersburg, Professiia, 2003, 304 p.
14. Khorunzhina S.I. Biokhimicheskie i fiziko-khimicheskie osnovy tekhnologii soloda i piva [Biochemical and physical-chemical basis of malt and beer technology]. Moscow, Kolos, 2009, 312 p.
15. Kotik O A., Korolkova N.V., Kolobaeva A.A., Panina E.V. Tekhnolo-giia brodil'nykh proizvodstv [Technology of fermentation]. Voronezh, Voro-nezhskii gosudarstvennyi agrarnyi universitet, 2017, 139 p.
16. Kunze W. Tekhnologiia soloda i piva [Technology brewing and malting]. Saint Petersburg, Professiia, 2013, 912 p.
Получено 29.10.2020
Об авторах
Васильева Алина Аркадьевна (Екатеринбург, Россия) - магистрант кафедры химической технологии древесины, биотехнологии и наноматериа-лов, Уральский государственный лесотехнический университет (620100, г. Екатеринбург, ул. Сибирский тракт, 37/5; e-mail: [email protected]).
Кутпанова Татьяна Сериковна (Екатеринбург, Россия) - магистрант кафедры технологий целлюлозно-бумажных производств и переработки полимеров, Уральский государственный лесотехнический университет (620100, г. Екатеринбург, ул. Сибирский тракт, 37/5).
Панова Татьяна Михайловна (Екатеринбург, Россия) - старший преподаватель кафедры химической технологии древесины, биотехнологии и нанома-териалов, Уральский государственный лесотехнический университет (620100, г. Екатеринбург, ул. Сибирский тракт, 37/5; e-mail: [email protected]).
About the authors
Alina A. Vasileva (Yekaterinburg, Russian Federation) - Undergraduate Student, Department of chemical technology of wood, biotechnology and nano-materials, Ural State Forest Engineering University (37/5, Siberian tract str., Yekaterinburg, 620100; e-mail: [email protected]).
Tatyana S. Kutpanova (Yekaterinburg, Russian Federation) - Undergraduate Student, Department of Technology pulp and paper industries and polymer processing, Ural State Forest Engineering University (37/5, Siberian tract str., Yekaterinburg, 620100).
Tatyana M. Panova (Yekaterinburg, Russian Federation) - Senior Teacher, Department of chemical technology of wood, biotechnology and nanomaterials, Ural State Forest Engineering University (37/5, Siberian tract str., Yekaterinburg, 620100; e-mail: [email protected]).
