Образование побочных продуктов брожения при высокоплотном пивоварении Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

Образование побочных

продуктов брожения

при высокоплотном пивоварении

Е. Д. Фараджева, Н. А. Колнышенко

Воронежская государственная технологическая академия

В условиях современного производства актуально внедрение интенсивной технологии высокоплотного пивоварения, сущность которого состоит в том, что приготовляется пивное сусло с концентрацией сухих веществ 14-23 %, которое сбраживается, дображивается, и зрелое пиво доводится специально подготовленной водой до стандартной концентрации начального сусла. Использование этого способа позволяет увеличить мощность действующих заводов на 25-50 % при незначительных капитальных затратах на подготовку воды и существенной экономии топливно-энергетических ресурсов.

Приготовление сусла с повышенной концентрацией сухих веществ осуществляется двумя способами: из ячменных и солодовых сиропов и традиционным способом с использованием в основном высококачественного солода. В последнем случае часто используют повышенное количество сахара или углеводсодержащих сиропов на стадии кипячения сусла с хмелем.

Высококонцентрированное сусло относится к трудносбраживаемым средам из-за повышенного осмотического давления, отрицательно влияющего на жизнедеятельность дрожжей, и высокого уровня алкоголя. Поэтому к дрожжам предъявляют особые требования: они должны обладать высокой бродильной активностью, иметь хорошую флокуляционную способность, накапливать как можно меньше метаболитов, нежелательных для вкуса и аромата.

Исследованиями В. С. Исаевой, Т.И. Филимоновой, О. А. Борисенко, К. В. Кобелева доказана перспективность рас 11, 34, Ил.

Результатом сложных биохимических процессов, происходящих при брожении и дображивании пива, является получение продукта определенных состава, вкуса и аромата. Вкус и аромат пива во многом определяется летучими побочными продуктами брожения, к которым относятся высшие спирты, диацетил, альдегиды, эфиры, кислоты, сернистые соединения и др. Находясь в пиве в незначительных количествах, они оказывают значительное влияние на его органолептические показатели. Определенные сочетания этих веществ создают специфические вкус и аромат напитка.

Однако повышенные концентрации побочных продуктов брожения вызывают посторонние привкусы и запахи. При излишнем накоплении высших спиртов в пиве появляются цветочный, травянистый и картонный привкусы, а также оттенок горечи и плесени. Карбонильные соединения придают пиву зеленый, травянистый, маринадный, царапающий вкус или острый привкус химиката. При высоком содержании сернистых соединений пиво приобретает дрожжевой, овощной, окисленный, пастеризационный и так называемый «солнечный» привкус. Большое значение для формирования органолептических свойств пива имеют эфиры этилового и высших спиртов. Они являются положительными компонентами пива, но превышение оптимальных концентраций выражается в леденцовом и фруктовом аромате или в терпком привкусе и горечи.

Особое место в производстве пива занимает диацетил, при изменении содержания которого появляются масляный, медовый, конфетный ароматы. Большинство исследователей считают, что содержание диаце-тила в готовом пиве не только определяет его вкусовые особенности, но и характеризует направленность, глубину и завершенность технологического процесса, а также может служить критерием процесса созревания пива.

Летучие побочные продукты брожения могут образовываться как при размножении дрожжей, так и в процессе гликоли-тического превращения углеводов в этанол. По количеству накопления высшие спирты занимают первое место после этилового спирта и углекислоты. К основным высшим спиртам, насчитывающим около 50 наименований, относят изоамилол, фенилэтанол, изобутанол и 1-пропанол, составляющие более 75 % от общего количества всех спиртов. По данным Эрли-ха, основное количество высших спиртов образуется из аминокислот, главным образом лейцина, изолейцина, триптофана и тирозина. При брожении одновременно протекают процессы декарбоксилирова-ния и гидролитического дезаминирова-ния аминокислот. При этом углеводная часть молекулы аминокислоты образует спирт, отвечающий по своему строению

исходной аминокислоте, но содержащий на один углеродный атом меньше.

Работами И. Я. Веселова установлено, что высшие спирты образуются в анаэробных условиях вторично из кетокислот в результате реакции переаминирования, причем кетокислоты поставляются из цикла спиртового брожения (пировиноград-ная кислота), а источником аминокислот могут быть среда или же внутриклеточные белки и свободные аминокислоты.

В настоящее время обосновывается теория, согласно которой химизм образования высших спиртов увязывается с общим обменом веществ, включающим обмен как азотистый, так и углеводный. С этой теорией связана схема И. М. Грачевой, по которой в процессе размножения дрожжи используют интермедиаты цикла Кребса и гликолиза в качестве основы для биосинтеза необходимых аминокислот. При этом происходит переами-нирование с одновременным декарбок-силированием. Центральное звено этого процесса — образовавшаяся в результате гликолиза пировиноградная кислота, которая вступает в реакции аминокислотного обмена (переаминирование с аминокислотами) и превращается в а-аланин, участвующий в реакции пластического обмена клетки. При такой взаимосвязи углеводного и белкового обмена нет прямо пропорциональной зависимости между потреблением аминокислот из среды и продукцией высших спиртов.

На каждые 100 мг высших спиртов примерно 25 мг образуется из сахаров, 15 мг — по схеме Эрлиха из соответствующих аминокислот и 60 мг — из других аминокислот в результате трансаминиро-вания.

Пивоваренные дрожжи в процессе сбраживания сусла синтезируют ряд органических кислот: уксусную, пировино-градную, молочную, яблочную и др. Сложные эфиры образуются из высших спиртов и органических кислот как продукт жизнедеятельности дрожжей в результате реакций, катализируемых эстеразами дрожжей. Сложные эфиры накапливаются также при биосинтезе в дрожжевых клетках. И. Я. Веселов считал, что образование эфиров легче происходит по реакции между альдегидами как исходными продуктами для образования кислот и высших спиртов. Сложные эфиры образуются также из пи-ровиноградной кислоты при взаимодействии ацетил-кофермента А дрожжевой клетки и спиртов.

Из карбонильных соединений при брожении образуются альдегиды, кето-ны, дикетоны и оксикетоны (диацетил и ацетоин).

Альдегиды образуются несколькими путями: при декарбоксилировании ке-токислот, при синтезе высших спиртов из аминокислот, при окислении спиртов как ферментативным, так и химическим

Таблица 1

Показатель Концентрация начального сусла, %

11 16 22,5

Содержание сбраживаемых углеводов, г/100 см3 8,2-8,7 12,6-13,5 18,2-19,5

Отношение сахара к несахару 1:0,32-1:0,41 1:0,26-1:0,35 1:0,21-1:0,26

Конечная степень сбраживания, % 76-81 73-79 74-78

Содержание растворимого азота, 1-10"3 г/100 см3 83-94 118-129 138-153

Содержание аминного азота, 110-3 г/100 см3 22-25 31-35 33-39

Таблица 2

Содержание, мг/дм3 Раса дрожжей

8а(М) 37 Н 41

Высшие спирты:

1-бутанол 2,7 1,9 0,9 3,5

изобутанол 26,2 19,7 18,2 32,3

1-пропанол 14,9 16,8 13,1 20,6

изоамилол 69,6 57,4 41,8 73,2

гексанол 1,4 1,7 0,9 1,5

гептанол 1,1 1,4 1,8 2,6

фенилэтанол 26,3 21,7 18,6 30,9

Эфиры:

этилацетат 42,7 36,8 33,6 47,3

изоамилацетат 4,8 3,2 2,9 5,2

этилбутират 0,19 0,12 0,09 0,24

Ацетоин 4,6 3,7 2,9 5,6

Диацетил 0,35 0,22 0,17 0,45

Ацетальдегид 16,3 12,7 11,9 18,6

Диметилсульфид 0,12 0,07 0,05 0,15

способами. Из альдегидов преобладает ацетальдегид, придающий пиву незрелый вкус.

Пировиноградная кислота при брожении превращается в ацетомолочную кислоту с последующим ее декарбоксилирова-нием в ацетоин. Окисление ацетоина в диа-цетил катализирует ацетоиндегидрогеназа с коферментом NADH2, восстановление ацетоина в 2,3-бутандиол — бутиленгли-

кольдегидрогеназа и NADH2. Количество диацетила и ацетоина в ходе брожения возрастает, а затем постепенно снижается. В зависимости от условий в пиве преобладает или окисление, или восстановление ацетоина.

На накопление побочных продуктов брожения в пиве большое влияние оказывает раса используемых дрожжей. Полагают, что механизм образования этих веществ у всех рас дрожжей аналогичен, но биосинтез продуктов брожения у каждой отдельной расы по-разному индуцируется соответствующими ферментными системами, что определяется генетической

120

41 8а(М) 37 Н

Рис. 2. Накопление эфиров

в зависимости от расы дрожжей

природой дрожжей. В результате в пиве, сброженном различными расами дрожжей, накапливается различное количество соединений, отличающихся по качественному составу.

Нами были проведены исследования по выбору рас дрожжей и их дозировок с целью интенсификации сбраживания высокоплотного сусла и улучшения качества получаемого пива. Опыты проводили на пивном сусле с начальной концентрацией 11 (контроль), 16 и 22,5 %. Высококонцентрированное сусло приготавливали из солода первого класса с применением 20 % сахара, добавляемого при кипячении

с хмелем. Применяли настойный способ затирания. Основные показатели сусла указаны в табл. 1.

Технологические режимы брожения — классические. Использовали за-севные дрожжи рас 8а(М), 37, 41 и Н (последняя раса была получена в Воронежской государственной технологической академии).

Результаты влияния расы дрожжей на накопление побочных продуктов и дегустационную оценку пива, полученного из 16 % сусла, представлены в табл. 2 и на рис. 1-3.

Максимальное количество побочных продуктов брожения образуют расы 41 и 8а (М), минимальное — Н и 37. Содержание этих соединений коррелирует с дегустационной оценкой. Пиво, полученное с применением рас Н и 37, по составу побочных продуктов имеет незначительные отличия, характеризуется высокими вку-

Оценка, баллы Э 5 0 5 С —

41 8а(М) 37 Н

Рис. 3. Дегустационная оценка

совыми качествами. Поэтому их можно рекомендовать для высокоплотного пивоварения.

Дальнейшие исследования проводили с использованием выбранных рас дрожжей. Для интенсификации брожения с целью сокращения технологического цикла предварительными опытами были определены оптимальные дозы засевных дрожжей: для 14-16 % сусла — 40 млн, 17-19 % — 50 млн, для 20-23 % — 60 млн клеток/ см3.

Влияние концентрации начального сусла на брожение и содержание побочных продуктов представлено в табл. 3.

Таблица 3

Показатель Концентрация начального сусла, % |

11,0 16,0 22,5

Длительность брожения, сут 7 9 12

Количество вносимых дрожжей, млн клеток/см3 20 40 60

Коэффициент размножения 4,1 2,4 1,6

Содержание в молодом пиве, мг/дм3

Высшие спирты 97 148 212

Ацетоин 8,5 10,3 14,2

Диацетил 0,47 0,62 0,89

Содержание в готовом пиве до разведения, мг/дм3

Высшие спирты 73 127 176

Ацетоин 2,7 4,3 7,1

Диацетил 0,12 0,24 0,37

Диметилсульфид 0,07 0,13 0,26

Содержание в готовом пиве после разведения, мг/дм3

Высшие спирты 82 87

Ацетоин 0,14 0,17

Диацетилл 2,9 3,4

Диметилсульфид 0,09 0,12

Дегустационная оценка, баллы 23 22

Таблица 4

Содержание в готовом пиве до разведения, мг/дм3

Готовое пиво разводили умягченной и сатурированной до 0,4 % СО2 водой. При выбранных дозировках засевных дрожжей рас Н и 37 обеспечивается накопление основных побочных продуктов в количествах, позволяющих после разбавления высокоплотного пива получить готовое пиво с высокими дегустационными показателями.

На жизнедеятельность дрожжей большое влияние оказывает содержание кислорода в сбраживаемой среде. В начале главного брожения для увеличения прироста биомассы дрожжей проводится аэрация сусла (до содержания 6-8 мг/дм3 О2), а иногда и дрожжи перед высевом в сусло также аэрируют.

При высокоплотном пивоварении рекомендуется аэрацию проводить дважды: при подаче сусла на брожение и в ходе главного брожения, когда достигается потребление дрожжами 1/3 экстракта, обычно через 3-4 сут. Это позитивно влияет на продолжительность процесса и ка-

чественный состав побочных продуктов. Влияние аэрирования на скорость брожения и состав побочных продуктов показано в табл. 4.

Двухразовое аэрирование сокращает продолжительность брожения 16 % сусла — на 2 сут, содержание высших спиртов уменьшается на 20,6 %, ацетои-на — на 13,1 %, диацетила — на 11,1 %, ацетальдегида — на 12,3 %, диметилсуль-фида — на 18,2 %.

Таким образом, расы дрожжей 37 и Н можно рекомендовать для сбраживания высокоплотного сусла. Двухразовое аэрирование бродящего сусла позволяет уменьшить содержание в готовом пиве и продолжительность главного брожения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Филимонова Т. И., Борисенко О. А., Рыжова Т. П., Кобелев К. В. Расы дрожжей для сбраживания плотного сусла//Пиво и напитки. 2004. № 1.

2. Нарцисс Л. Вкус пива и технологические факто-ры//Мир пива. 1996. № 2.

3. Меледина Т. В. Роль штаммовых характеристик дрожжей в формировании вкуса и аромата пи-ва//Мир пива. 1997. № 1.

4. Фараджева Е. Д., Ерошкина Е. В. Значение расы дрожжей в формировании вкуса и аромата пи-ва//Пиво и напитки. 1999. № 1.

5. Ringholt M. Weltweit akzeptiert//Brauwelt. 2000. № 30/31.

6. Хорунжина С.И. Биохимические и физико-химические основы технологии солода и пива. — М.: Колос, 1999.

7. ЕрмолаеваГ.А. Справочник работника лаборатории пивоваренного предприятия. — СПб.: Профессия, 2004.

8. Киселева И.В., Пучкова Е.А., Гернет М.В., Лаврова В. Л., Кобелев К. В. Способ интенсификации процесса сбраживания сусла//Пиво и напитки. 2004. №2. &

Новая книга

Генетически модифицированные источники пищи: оценка безопасности и контроль

под общей редакцией

акад. РАМН В.А. Тутельяна

Современная наука вооружила человечество инструментами для решения задачи увеличения производства сельхозпродукции. Генная инженерия дала возможность перейти от хаотичных опытов растениеводов по поиску полезных мутаций для достижения нужных человеку свойств к направленному воздействию с этой целью на геном. Генно-инженерно-модифицированные растения обладают повышенной продуктивностью, пролонгированным сроком хранения, устойчивостью к различным природным и антропогенным факторам.

Новая книга «Генетически модифицированные источники пищи: оценка безопасности и контроль», подготовленная большим коллективом авторов, представляет собой первое в мире издание, суммирующее результаты конкретных исследований по медико-биологической оценке безопасности 12 видов генетически измененных культур.

В книге изложены принципы создания генно-инженерно-модифицированных растений, проанализировано их мировое производство и подробно освещены вопросы законодательного регулирования производства и оборота пищевых продуктов из ГМО растительного происхождения. Приведены результаты исследований ряда генно-инженерно-модифицированных культур. Анализ токсикологических, аллергологических, иммунологических, морфологических данных, пищевой ценности, химического состава и других параметров позволил Госсанэпиднадзору РФ выдать этим ГМ-культурам санитарно-эпидемиологические заключения, согласно которым они разрешены для применения в пищевой промышленности и реализации населению без ограничений.

Подробно освещена система контроля за пищевой продукцией из ГМО, приведены результаты пострегистрационного мониторинга таких продуктов, осуществляемого с 2001 г. В частности, установлено, что в продукции, декларированной как «продукт, произведенный из ГМО», количество рекомбинант-ной ДНК составляло 0,9-37 %. В то же время практически все продукты переработки сои импортного производства, представленные на внутреннем продовольственном рынке, справедливо декларированы как продукты «без ГМО», так как содержание рекомбинантной ДНК в них не превышает 0,1-0,9 %о, что соответствует уровню технически неустранимой примеси.

Согласие компаний, позволивших опубликовать результаты своих исследований по ГМО, и большой труд авторского коллектива позволили выпустить уникальное издание. У специалистов появилась возможность оперировать строгими научными фактами и обсуждать проблему ГМО на основе достоверной научной информации. &

Аэрирование

Показатель одноразовое двухразовое

Концентрация начального сусла, %% 16 10

Количество засевных дрожжей, млн клеток/см3 40 40

Коэффициент размножения 2,6 3,5

Длительность брожения, сут 9 7

Высшие спирты 141 112

Ацетоин 3,8 3,3

Диацетил 0,27 0,24

Ацетальдегид 14,6 12,8

Диметилсульфид 0,11 0,09