Сульфосоединения в пиве Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 663.4

Сульфосоединения в пиве

Т. В. Меледина, д-р техн. наук, проф.; О. Б. Иванченко, канд. биол. наук, доцент Санкт-Петербургский университет низкотемпературных и пищевых технологий А. Т. Дедегкаев, канд. техн. наук ОАО «Пивоваренная компания «Балтика»

Ключевые слова: диоксид серы; сероводород; диметилсульфид; тиолы пива. Keywords: sulfur dioxide; hydrogen sulfide; dimethyl sulfide; thiols beer.

В пиве содержится более 200 сульфо-соединений, относящихся к различным химическим классам. Некоторые из них являются неотъемлемой частью нормального запаха пива, однако большинство этих веществ в концентрациях, превышающих порог ощущения, представляют собой нежелательные компоненты пива, так как придают ему неприятные запахи (табл. 1 [1]). Среди этих соединений выделяют сульфид водорода, диметилсульфид и 3-метил-2-бутен-1-тиол. Это связано с тем, что их концентрация в продукте может значительно превышать порог ощущения, а следовательно, негативно сказываться на сенсорном профиле пива (табл. 2 [2]). В свою очередь, интерес к диоксиду серы объясняется его антиоксидантными свойствами, которые способствуют продлению сроков хранения продукта.

Сероводород обладает низким порогом ощущения (8 мкг/л) и в зависи-

мости от концентрации придает пиву запах сероводорода, или тухлых яиц. В основном синтез сульфида серы связан с ростом и размножением дрожжей.

Диоксид серы определяет анти-оксидантные свойства пива, однако концентрация этого вещества в пиве не должна превышать 25 мг/л, в противном случае в продукте появляется запах серы (спичечной головки). Кроме того, следует иметь в виду, что, по данным ФАО / ВОЗ, приемлемая ежедневная норма диоксида серы составляет 0,7 мг/кг массы тела.

Диметилсульфид — нежелательный (off-Flavour) компонент большинства сортов пива. Он придает напитку запах вареных овощей и злаков, в частности запах кукурузы. Его концентрация в продукте не должна превышать 40-50 мкг/л.

3-Метил-2-бутен-1-тиол относится к соединениям off-Flavour, так как имеет очень неприятный запах, который на-

поминает запах скунса. Причем порог ощущения его очень низок — 4 нг/л. В пиве, которое хранится без доступа света, обычно содержится 1-4 нг/л, в то время как в «засвеченном» пиве — 0,01-1,5 мкг/л [3, 4].

Часть 1.

Диоксид серы и сероводород

Диоксид серы и сероводород имеют общие биосинтетические пути. Основное их количество, выявляемое в пиве, образуется в результате метаболизма дрожжей. Кроме того, эти соединения в незначительных концентрациях могут синтезироваться на этапе получения сусла, а также при контаминации пива некоторыми бактериями.

Биосинтетические пути образования

Биосинтез диоксида серы и сероводорода дрожжами осуществляется двумя путями [5]. Первый путь связан с расщеплением органических компонентов сусла, таких, как серосодержащие аминокислоты, в первую очередь метионин, глутатион, тиамин (витамин В1), S-метилметионин (витамин и), диметилсульфид, диметилсульфоксид и т. д. На долю серосодержащих органических соединений приходится около 60% сульфосоединений сусла [6].

Второй путь представляет собой ряд последовательных превращений, исходным компонентом которых являются неорганические серосодержащие питательные вещества, в частности ионы

Таблица 1

Компонент пива Класс по терминологии ЕВС Влияние на пиво Ассоциативный термин (привкус и запах)

Сульфид водорода 0721 При низких концентрациях придает пиву свежий аромат; off-Flavour при высоких концентрациях Сероводород, вареные яйца, тухлые яйца

Диоксид серы (свободный) 0710 Присутствует во всех сортах пива, продукт метаболизма дрожжей off-Flavour при высоких концентрациях Сульфитный, запах спичечной головки, маскирует запах карбонилов

3-Метил-2-бутен-1-тиол 0724 off-Flavour Засвеченный, скунс

2-Меркапто-3-метилбутанол 0722 То же Луковый

Меркаптан/этилмеркаптан 0722 Стоки, вонючий

Метиональ (3-метилтиопропионовый альдегид) 073 Вареный картофель, сусловой

Метионол 07 Редис

Метантиол 07 Гниение

ДМС (диметилсульфид) 0732 Нормальный компонент некоторых сортов светлого лагерного пива, off-Flavour в большинстве сортов пива Вареные овощи, сладкая кукуруза

ДМДС (диметилдисульфид) 0726 off-Flavour Вареная капуста, резина

ДМТС (диметилтрисульфид) 0736 Определяет серный запах сортов светлого лагерного пива, off-Flavour при высоких концентрациях Луковый, чесночный, вареные овощи

Р-Ментан-8-тиол-3-он 0810 Присутствует в некоторых сортах эля, off-Flavour для остальных сортов, признак легкого окисления пива Кошачий

Таблица 2

Компонент, концентрация Концентрация серы, мкг/л Происхождение

порог ощущения содержание в пиве

Сульфид водорода (свободный), мкг/дм3 4*_8** 0-20 Сырье, штамм дрожжей, режим брожения, физиологическое состояние дрожжей, контаминация бактериями

Диоксид серы, мг/л:

свободный связанный 7 25 < 10 Условия аэрации, влажность солода, окисление сусла, подкисление затора, ускоренное брожение, штамм дрожжей

3-Метил-2-бутен-1-тиол, мкг/л 0,004 0,001-0,005 при хранении в темноте; 0,01-1,5 при хранении на свету Деградация изогумулона в присутствии сульфида водорода, образуется вследствие отщепления радикала от боковой цепи изо-А-кислоты хмеля, условия хранения — длительное взбалтывание

2-Меркапто-3-метилбутанол, мкг/л Менее 1 —

Меркаптан/Этилмеркаптан, мкг/л 1,7 0-1 Продукты метаболизма серосодержащих аминокислот; инфицирование дрожжей некоторыми видами термобактерий

Метиональ (3-метилтиопро-пионовый альдегид), мкг/л 0,1-0,25 2-50 Сырье, технология затирания, дрожжи

Метионол, мкг/л 1200 2-50 В результате химической и биохимической деградации метионина

Метантиол, мкг/л 0,02-41 2-12 То же

ДМС (диметилсульфид), мкг/л 25*-33** 10-200 Сорт ячменя, солод, технология кипячения сусла с хмелем, режим хранения семенных дрожжей, интенсивность брожения; контаминация бактериями

ДМДС (диметилдисульфид), мкг/л 3-50 0,3-7,5 В результате химической и биохимической деградации

ДМТС (диметилтрисульфид), мкг/л 0,1 0,05-0,3 Образуется из серосодержащих аминокислот при кипячении сусла, содержится в хмелевом масле

Р-Ментан-8-тиол-3-он, нг/л 15 — Контаминация несоложеного материала

* [1]; ** [2].

сульфата, большая часть которых поступает с водой при затирании солода.

На рис. 1 показаны пути превращения сульфата в серосодержащие аминокислоты, биосинтезу которых предшествует образование диоксида серы и сероводорода.

Согласно схеме сульфат с помощью специфической пермеазы с затратой энергии переносится из питательной среды в клетки дрожжей, где расщепляется сначала до сульфита, а затем до сульфида, который, в свою очередь, принимает участие в биосинтезе серо-

содержащих аминокислот: цистеина, метионина и S-аденозилметионина. В этом процессе также участвуют аспарагиновая кислота и оксиацетил-серин.

Регуляция метаболизма сульфата включает ингибирование по типу об-

Сульфат

АТФ РО,3

I

АТФ-сульфурилаза

Аденозин-5-фосфосульфат

АТФ АДФ

2

Аденозин-

5-фосфосульфат-киназа

3-Фосфоаденозин-5-фосфосульфат НАДФН

АДФ + НАДФ+ Редуктаза

Сульфит

НАДФН НАДФ

О-Ацетилсерин

ТА

а-Кето-р-метилвалериановая кислота

Аспарагиновая кислота а,р-Дигидрокси-

р-метилвалериановая Аспартокиназа кислота

р-Аспарагилфосфат

I

а-Ацето-а-гидроксибутановая кислота

Редуктаза

Сульфид

ь

Аспарагин-р-полуальдегид

О-Ацетилгомосерин - Гомосерин

а-Кетобутановая кислота

А

Гомосерин

Гомосерин Фосфорная кислота

Пируват

3-Аденозилметионин

Рис. 1. Пути потребления сульфатов в дрожжевой клетке [5]

ратной связи ферментной активности и подавление проявления активности соответствующего гена (рис. 2). В частности, S-аденозилметионин подавляет транскрипцию всех ферментов, участвующих в усвоении сульфата и расщеплении его до сульфида. Таким образом, развитие дрожжей в условиях высоких концентраций метионина уменьшает образование сульфита. Напротив, присутствие в среде треонина усиливает образование сульфита ингибированием фермента аспартаткиназы по типу обратной связи таким образом, что происходит снижение пула О-ацетилгомосерина. В результате наблюдается падение уровня метионина и снижение подавляющего эффекта, вызванного этим метаболитом. В свою очередь, изолей-цин по типу обратной связи ингиби-рует усвоение треонина [7].

Сульфид серы, так же как и сульфит, является промежуточным соединением в биосинтезе серосодержащих аминокислот (см. рис. 1 и 2), при этом цистеин способствует синтезу H2S, в то время как присутствие метионина, напротив, задерживает его образование. Такой же эффект достигается в присутствии витаминов В6 и В Помимо метионина и цистеина в образовании сульфида серы могут участвовать некоторые аминокислоты, которые не содержат серу (см. рис. 1).

5°4

МЕТ3

APS

МЕТ14

SO2 Гомосерин

МЕТ10 МЕТ2

Y H2S О-Ацетилгомосерин МЕТ25 1 Гомоцистеин

МЕТ6 STR4

Метионин Цистатионин

Рис. 2. Гены, кодирующие сульфатный метаболический путь S. cerevisiae: МЕТ 2 — гомосеринацетилтрансфераза; МЕТ 3 — АТФсульфурилаза; МЕТ 6 — гомоцистеинметил-трансфераза; МЕТ 10 — сульфитредуктаза; МЕТ 14 — АРSкиназа; МЕТ 25 — О-ацетил-серинсульфгидраза; STR 4 — цистатионин, APS — аденозин-5-фосфат [8]

10 -| 9 -8 -7 -6 -5 -4

3 -2 1 -0

0

48 ■Щ 72 ■Щ 96 120 144 1 Время брожения, ч

— штамм № 2 - штамм № 7 - штамм № 95

Рис. 3. Содержание SO2 при сбраживании сусла разными штаммами дрожжей [11]

Влияние контаминирующей микрофлоры. Биосинтез диоксида серы и Н^ при восстановлении сульфатов происходит не только в результате жизнедеятельности дрожжей, но и при размножении микрофлоры, контамини-рующей пиво. В частности, содержание Н^ во много раз может превышать порог ощущения в случае инфицирования пива бактериями рода Pectinatus.

Неметаболические пути образования. Соединения SO2 и Н^ могут также образовываться в реакциях деградации аминокислот при затирании, однако их концентрации заметно снижаются во время кипячения сусла. Кроме того, SO2 содержится в мальтоз-ном сиропе, который в настоящее время широко используют в технологии плотного пивоварения.

Регулирование синтеза диоксида серы

Необходимость регулировать уровень диоксида серы в пиве связана, с одной стороны, с тем, что его высокие концентрации отрицательно сказываются на органолептических характеристиках напитка. С другой стороны, диоксид серы вследствие своих анти-оксидантных свойств способствует вкусовой стабильности продукта в процессе хранения, предохраняя его от отрицательного влияния растворимого кислорода и некоторых карбонильных соединений.

Роль дрожжей. Образование диоксида серы зависит от штамма дрожжей, их физиологического состояния и нормы введения при брожении сусла [9,10]. Большинство штаммов дрожжей синтезируют диоксид серы в пределах от 4 до 10 мг/л, при этом образование сульфита происходит в четыре стадии [11]. На первой стадии брожения (за-бел) синтез сульфитов подавляется

ввиду высокого уровня метионина и треонина в сусле. На второй стадии, совпадающей с периодом активного роста и размножения дрожжей (низкий белый завиток), снижение содержания метионина и треонина, связанное с синтезом биомассы, инициирует образование сульфитов и диоксида серы. На третьей стадии (высокий завиток) размножение дрожжей прекращается, активность и количество сульфитре-дуктаз снижаются, вследствие чего в пиве накапливаются сульфиты. На четвертой стадии (дображивание) уменьшается концентрация свободного SO2 и SO3-2, обусловленное, с одной стороны, взаимодействием с карбонильными соединениями, с другой — имеет место удаление диоксида серы из пива вместе с углекислым газом. Динамика SO2 в ходе брожения определяется штаммовыми особенностями дрожжей (рис. 3).

Помимо генетических характеристик дрожжей на синтез диоксида серы большое влияние оказывает их физиологическая активность, которая изменяется с увеличением количества генераций. В частности, синтез SO2 возрастает с повышением номера генерации, при этом увеличивается время, в течение которого пиво остается устойчивым к окислению (табл. 3 [8, 12]). Интенсификации биосинтеза диоксида серы также способствует голодание дрожжей перед их внесением в сусло [11].

Влияние режима затирания. Режим затирания солода определяет состав сусла и, следовательно, влияет на биосинтез диоксида серы при брожении пива. Это следует из результатов исследований И.Г. Вишнякова с соавторами [13], которые изучали влияние пяти технологических режимов затирания на содержание диоксида серы в пиве,

24

192

216

Таблица 3

№ генерации Содержание SO,, мг/л Время окисления, мин

0 (чистая культура) 1,5 50

1 1,7 60

2 2,5 70

3 3,0 81

Таблица 4

№ режима затирания Параметры процесса

Контроль Затирание начинали с 52 °С

1 Затирание начинали при 52 °С, во время фильтрования затора вносили молочную кислоту для получения величины рН сусла 5,2

2 Затирание начинали при 52 °С, вносили галлотаннин

3 Затирание начинали при 52 °С в промывные воды, во время фильтрования затора вносили ортофосфорную кислоту для получения величины рН сусла 5,2

4 Затирание начинали при 52 °С, вносили метабисульфит

5 Затирание начинали с 62 °С, длительность выдержки в вирпуле — 10 мин

Рис. 4. Содержание SO2 в пиве в зависимости от режима затирания (номера режимов затирания соответствуют номерам, приведенным в табл. 4)

сброженном дрожжами Saccharomyces cerevisiae штамма 34/70 (табл. 4). Во всех вариантах длительность кипячения сусла с хмелем составляла 60 мин, а выдержка сусла в вирпуле (осветление сусла) — 30 мин, за исключением пятого варианта.

Как видно на рис. 4, больше всего SO2 в пиве содержится в том случае, когда процесс затирания начинают при 65 °С [13], т. е. минуют протеоли-тическую стадию, в процессе которой накапливаются аминокислоты. В этом же варианте менее всего выражены окисленные тона пива после его искусственного старения (рис. 4).

Влияние физико-химических условий ведения процесса брожения. Уменьшению концентрации диоксида серы в пиве способствуют увеличение интенсивности аэрации сусла и повышение концентрации в нем липидов, содержащихся в осадке холодных взвесей. Эта взаимосвязь может быть объяснена более интенсивным ростом дрожжей во время брожения и использованием для этих целей как аминокислот, так и сульфатов.

Повышение уровня диоксида серы происходит при сбраживании плотного сусла. Существует положительная корреляция между количеством сульфита, образующегося при брожении, и концентрацией сусла. В связи с этим при сбраживании сусла с низким содержанием сухих веществ с целью повышения стабильности вкуса пива недостаток сульфитов восполняется путем добавления в пиво сульфитов и бисульфитов натрия или калия, а также метабисульфитов. Эти соединения широко используют в виноделии [14].

Регулирование синтеза сульфида водорода

Влияние штамма дрожжей. Биосинтез сульфида водорода — генетически закрепленный признак [15]. В течение процесса брожения кинетика се-

роводорода при использовании различных штаммов практически одинакова, причем максимальная концентрация достигается в период интенсивного размножения дрожжей [16]. Отличия заключаются в максимальной концентрации, которая достигается в период размножения дрожжей и в скорости снижения уровня Н^ при созревании (дображивании) пива. При этом на конечное содержание сульфида водорода практически не влияет максимум его концентрации, достигнутый в процессе главного брожения (рис. 5 и 6).

Влияние числа генераций семенных дрожжей и длительности хранения пива. Увеличение количества генераций семенных дрожжей приводит к снижению пика биосинтеза И^ (рис. 7). В результате при использовании чистой культуры дрожжей пиво характеризуется серным запахом, который, однако, при хранении исчезает вследствие окислительно-восстановительных процессов, которые протекают в напитке (рис. 8). Но при этом может появиться неприятный запах, связанный с образованием летучих низкомолекулярных меркаптанов (см. табл. 2)

Влияние физико-химических условий ведения процесса брожения. Сероводород — летучее вещество, которое частично удаляется с поднимающимися пузырьками диоксида

350 -Г

300 -

250 -

ЦТ"

ш 200 -

и

т 150 -

*

а: 100 -

13

50 -

0 -1-

1 2 3 4 5 6 Время брожения, сут

— 34/70 Штамм Д — Штамм С — Штамм Т

7

Рис. 5. Кинетика содержания Н^ в пиве при использовании различных штаммов дрожжей в первые семь дней брожения (главное брожение) [16]

Рис. б. Кинетика Н^ в пиве при использовании

различных штаммов дрожжей в последние дни брожения (дображивание) [16]

5 • 2010

ПИ]

НАПИТКИ

Время брожения, сут — 0 - 2 - 6

Рис. 7. Кинетика Н^ в пиве при использовании штамма 34/70 различных генераций [16]

12 -г-11 -■10

=с~ 9

ТС 5

и

I 8

I 7

6------------------------------------------------------------------------------------

5 -I-1-1-1-1

0 2 4 6 8

Время хранения, мес - Штамм Д — Штамм С

Рис. 8. Кинетика Н^ в процессе хранения пива,

полученного при использовании различных штаммов дрожжей (температура хранения 20 °С [17])

углерода при брожении и созревании пива. Поэтому чем интенсивнее происходит брожение, тем меньше остается Н^ в пиве. Следовательно, интенсификация процесса роста и размножения дрожжей за счет аэрации сусла и повышения температуры при его сбраживании будет способствовать более интенсивному удалению сульфида серы из бродящего пива. И напротив, недостаточная аэрация приведет к повышению концентрации сероводорода в пиве. Наличие воздуха в ходе добра-живания может не только повлиять на коллоидную и вкусовую стабильность пива, но также увеличить концентрацию Н^. В сусле, содержащем большое количество бруха, концентрация сероводорода возрастает.

Концентрация сероводорода в пиве возрастает в том случае, когда клетка испытывает стресс. Это имеет место при резких колебаниях температуры либо при внесении клеток в сусло с высокой массовой долей сухих веществ (более 13%) и связано, по всей видимости, с увеличением мертвых клеток и их автолизом [18].

Влияние состава засыпи. В связи с тем что образование сульфида водорода связано с метаболизмом аминокислот, его синтез будет зависеть от химического состава сусла, который, в свою очередь, определяется содержанием в сырье (солоде, несоложеных материалах) некоторых аминокислот, и прежде всего серосодержащих, режимом затирания и кипячения сусла. Также имеет значение наличие в сусле факторов роста. Так, недостаток или отсутствие факторов роста (витаминов, аминокислот, микроэлементов) может привести к повышению концентрации Н^ в бродящем сусле, что прежде всего связано с автолизом дрожжей. Имеются сведения о том,

что H2S также образуется при затирании и кипячении сусла [19].

Таким образом, содержание H2S в пиве зависит от состава сусла, но больше всего его образование связано с ростом и размножением дрожжей. Следовательно, штаммовые особенности и физиологическое состояние дрожжей играют решающую роль.

ЛИТЕРАТУРА

1. Simpson, B. The beer flavor handbook./B. Simpson, J. Mairs // Chinnor, UK, 2-nd edition. — 2002. — version 2.1. — 2000-2005. — 69 s.

2. Jackson, J. F. Analysis of taste and aroma /J. F. Jackson, H. F. Linskens, R. B. Inman // Molecular methods of plant analysis. — v. 21. — Springer. Verlag. — Berlin — Heidelberg — New York. — 269 p.

3. Ангер, Х.-М. Сенсорный анализ B. W./ Х.-М. Ангер // Мир пива. — 2004. — № 4. — С. 43-45.

4. Вкусоароматические стандарты пива Brauwelt // Мир пива. — 2003. — № 1. — С. 42-44.

5. Boulton, C. Brewing yeast and fermenta-tion./С. Boulton, D. Quain // — Blackwell Science Publishers, 2001. — 656 p.

6. Mandl, B. Mineral matter, trace elements, organic and inorganic acids in hopped worts/B. Mandl // Proceedings of the European Brewery Convention Symposium Monograph. — 1974. — № 1. — P. 23-38.

7. Gyllang, H. Regulation of sulphur dioxide formation during formation/H. Gyllang, M. Wingc, C. Korch // Proceedings of the 22nd Congress of the European Brewery Convention. Zurich. — 1989. — P. 347-354.

8. Прист, Ф. Дж. Микробиология пива/ Ф. Дж. Прист, Й. Кэмпбелл; пер. с анг.; под общ. ред. Т. Мелединой и Тыну Сойдла. — СПб.: Профессия, 2005. — C. 68-110.

9. Hansen, J. Genetic control of sulphite production in brewer's yeast/J. Hansen, M. C. KiellandBrandt // Proceedings of the 25th Congress of the European Brewery Convention. Brussels. — 1995. — P. 319-328.

10. Hansen, J. Inaclivation of МЕТ 10 in brewer's yeast specifically increases SO2 formation during beer production./J. Hansen, M. C. KiellandBrandt // Nature Biotechnology. — 1996. № 14. — Р. 1587-1591.

11. Басаржова, Г. Влияние штамма дрожжей на сенсорную стабильность пива // Пиво и жизнь. — 2003. (www.propivo.ru).

12. Foster, C. Proc. Eur. Brew. Conv. Cong-ress./C. Foster, W. Back. — 1999. — S. 727734.

13. Меледина, Т. В. Влияние режимов затирания на биосинтез SO2 в процессе брожения пива/Т. В. Меледина, Е. А. Нестеренко, И. Г. Вишняков // Известия СПбГУНиПТ. — 2009. — № 2. — С. 26-28.

14. Меледина, Т. В. Сырье и вспомогательные материалы в пивоварении/Т. В. Меледина. — СПб.: Профессия, 2003. — 304 с.

15. Romano, P. Suzzi G. Production of hydrogen sulphide by different yeast strains during fermentation/P. Romano, G. Suzzi // Proceedings of the 22nd Institute of Brewing Convention (Australia&New Zealand Section), Melbourne. — 1992. — P. 96-98.

16. Вишняков, И. Г. Повышение стабильности светлого пива путем регулирования серосодержащих компонентов: автореф. канд. техн. наук/И. Г. Вишняков. — СПб., 2009. — 15 с.

17. Лебедева, Е. П. Регулирование вкусо-ароматического состава светлого пива с учетом свойств сырья и ведения технологических процессов: автореф. канд. техн. наук: 05.18.07/Е. П. Лебедева. — СПб., — 2004. — 16 с.

18. Меледина, Т.В. Глицерин — антистрессовый метаболит дрожжей S. cerevisiae/Т.В. Меледина, А. Т. Дедегкаев, Е. П. Лебедева, С. А. Черепанов // Вестник МАХ. — 2005. — Вып. 2. — С. 47-48.

19. Wainwright, T. Production of H2S by yeast; role of nutrients./T. Wanwright // J. appl. Bacteriol. — 1971. — 34 — № 1. — р. 161-171.

Продолжение следует.