ВЛИЯНИЕ ТИАМИНА И РИБОФЛАВИНА НА ЧИСТУЮ КУЛЬТУРУ ДРОЖЖЕЙ ПРИ БРОЖЕНИИ ПИВНОГО СУСЛА Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

ТЕХНОЛОГИЯ

УДК 663.45

DOI: 10.24411/2072-9650-2020-10027

Влияние тиамина и рибофлавина на чистую культуру дрожжей при брожении пивного сусла

А.Н. Макушин, канд. с.-х. наук

Самарский государственный аграрный университет Д.В. Зипаев*, канд. техн. наук; А.Н. Кожухов

Самарский государственный технический университет

Дата поступления в редакцию 15.07.2020 Дата принятия в печать 18.09.2020

* dvz7@mail.ru

© Макушин А.Н, Зипаев Д.В, Кожухов А.Н, 2020

Реферат

Использование дрожжей играет ключевую роль в технологии получения пива или пивных напитков. Большое значение при культивировании Saccha-romyces cerevisiae имеет создание благоприятных условий для роста и размножения, основополагающим которых служит питательная среда. В отечественной и зарубежной литературе приводится множество различных вариантов использования питательных сред для разведения чистой культуры пивоваренных дрожжей. Ученые используют различные новые компоненты для создания новой или совершенствования уже существующей питательной среды. Цели использования данных приемов культивирования могут быть самые разнообразные. В одних случаях это может быть получение продуктивных штаммов культуры пивоваренных дрожжей, а в других создание условия для лучшего сбраживания пивного сусла в производственных условиях. Авторами была реализована попытка использования тиамина и рибофлавина в качестве подкормок для выращивания штамма Saflager S-23 вида Saccharomyces cerevisiae. В ходе проведения исследований установлено, что оптимальная дозировка витаминов составляет 4%. При использовании витаминов Bj и B2 в концентрации 4% экстрактивность начального сусла составляет 12,0 и 11,35%, соответственно, а доля видимого экстракта напитка - 9,51 и 11,35%.

Ключевые слова

культивирование; пивной напиток; пивоваренные дрожжи; питание; рибофлавин; рост; тиамин. Цитирование

Зипаев Д.В, Кожухов А.Н, Макушин А.Н. (2020) Влияние тиамина и рибофлавина на чистую культуру дрожжей при брожении пивного сусла //Пиво и напитки. 2020. № 3. С 28-31.

Influence of Thiamine and Riboflavin on Pure Yeast Culture Düring the Fermentation of Beer Wort

A.N. Makushin, Candidate of Agricultural Science Samara State Agrarian University

D.V. Zipaev*, Candidate of Techical Science; A.N. Kozhukhov Samara State Technical University

Received: July 15,2020 Accepted: September 18,2020

* dvz7@mail.ru

© Makushin A. N, Zipaev D. V., Kozhukhov A. N, 2020

Abstract

The use of yeast plays a key role in the technology of beer or beer drinks. Of great importance during the cultivation of S.cerevisiae is the creation of favorable conditions for growth and reproduction, of which the nutrient medium is fundamental. The domestic and foreign literature provides many different options for the use of culture media for breeding a pure culture of brewing yeast. Scientists use various new components to create a new or improve an existing nutrient medium. The purposes of using these cultivation techniques can be very diverse. In some cases, this can be the production of productive strains of brewing yeast culture, and in others, the creation of conditions for better fermentation of beer wort in a production environment. We have made an attempt to use thiamine and riboflavin as top dressing for the cultivation of strain Saflager S-23 of the species Saccharomyces cerevisiae. In the course of research it was found that the most optimal dosage of vitamins is 4%. When using vitamins and B2 at a concentration of 4%, the extract of the initial wort is 12.0 and 11.35%, respectively, and the proportion of the visible extract of the drink is 9.51 and 11.35%.

Key words

cultivation; beer drink; brewing yeast; nutrition; riboflavin; growth; thiamine. Citation

Zipaev D. V, Kozhukhov A.N, Makushin A.N. (2020) Influence of Thiamine and Riboflavin on Pure Yeast Culture During the Fermentation of Beer Wort // Beer and Beverages = Pivo i Napitki. 2020. No. 3. P. 28-31.

ПИВО и НАПИТКИ / BEER and BEVERAGES

3•2020

Введение. Обязательным условием получения высококачественных пивных напитков с отличными органолептическими свойствами и высокой биологической стойкостью служит микробиологическая чистота пивоваренного производства, а также использование различных дополнительных компонентов (подкормок, витаминов и др.), улучшающих качество проведения процесса брожения пивного сусла [1].

Необходимый объем дрожжей для проведения брожения может быть получен при разведении чистой культуры дрожжей.

Основные факторы, играющие важную роль для выращивания дрожжей — наличие кислорода, аминокислот, микроэлементов и витаминов. Витамины — коферменты клеток дрожжей, поэтому их использование положительно влияет на рост используемой культуры пивоваренных дрожжей и на процесс брожения сусла.

Цель настоящей работы — изучение влияние тиамина и рибофлавина на чистую культуру пивоваренных дрожжей при проведении стадии брожения пивного сусла.

Объекты и методы исследований. Исследования проводили в лабораторных условиях факультета пищевых производств Самарского государственного технического университета.

Тиамин — активатор брожения пивного сусла, участвующий в культивировании биомассы культуры пивоваренных дрожжей, его содержание в клетке составляет от 8 до 15 мг/100 г сухого вещества [2].

В свою очередь, рибофлавин активирует кислород, участвует в синтезе биомассы культуры, активно принимает участие в процессе метаболизма дрожжей, его содержание составляет 5-6 мг/100 г сухого вещества [3].

Использование витаминов В1 и В2 обусловлено тем, что они представляют собой активные центры декар-боксилазы и дегидрогеназы, которые принимают участие на 1 этапе спиртового брожения пивного сусла при декарбоксилировании пировиноград-ной кислоты в ацетальдегид [4].

В опытах применяли штамм пивоваренных дрожжей низового брожения Saflager S-23. Данный штамм дрожжей, относящийся к виду БассИа-romyces cerevisiae, способен оседать в конце брожения на дно цилиндроко-нического танка.

В основе опытов по изучению влияния витаминов на чистую культуру дрожжей (ЧКД) на стадии брожения сусла лежит классическая схема разведения ЧКД, представленная на рис. 1. Разведение проводят в лабораторных условиях, принцип его заключается в том, что активные дрожжевые клетки изолируют и размножают в стерильных условиях для получения дрожжей с правильным метаболизмом, которые используют непосредственно в процессе брожения сусла. Они обеспечат нормальное брожение и, как следствие, хорошее качество готового напитка. Отличие заключается в применении витаминов и аэрации на каждом этапе разведения ЧКД.

Классическая схема включает в себя подготовительный этап и пять этапов разведения.

Подготовительный этап. За 2 сут до начала пересева культуры на скошенный сусло-агар готовят стерильные пробирки с ватно-марлевыми тампонами. Пробирки заливают расплавленным сусло-агаром в количестве 7 мл и устанавливают с не застывшей средой под углом 10-15° по отношению к рабочей поверхности стола для получения скошенной ага-ризированной среды. Затем пробирки с косяками переносят в термостат с температурой 25±1 °С для проверки стерильности залитой среды и ее подсушивания. На 1-е сут производится пересев дрожжей петлей с косяков, содержащих нативную культуру, в пробирки с заранее подготовленной скошенной средой.

1 этап. На 2-е сут в варочном отделении лаборатории технологии бродильных процессов отбирают 20 л сусла плотностью 11-12 %. В колбу на 250 мл переносят 30 мл сусла, в колбу на 1000-180 мл сусла, в колбу на 2000 мл — 1000 мл сусла, в колбу на 18 л — 18 л. Подготовленные колбы с суслом закрывают ватно-марлевыми пробками и автоклавируют в течение 20 мин при температуре 12 °С.

2 этап. На 3-и сут в стерильной зоне лаборатории микробиологии и биотехнологии в пробирки с культурой на скошенном агаре добавляют по 5 мл стерильного сусла, готовую взвесь из полученной культуры переносят в колбу на 250 мл, далее закрывают от света фольгой и оставляют для культивирования в боксе ЧКД в нормальных условиях при температуре 20±1 °С в течение 24 ч.

Рис. 1. Классическая схема разведения чистой культуры дрожжей (20 °С, 10 мин, 120 мин-1)

3 этап. На 4-е сут в стерильных условиях культуральную жидкость в колбе на 250 мл гомогенизируют в шейкере при скорости 40 колебаний в мин, затем производят определение концентрации дрожжевых клеток в 1 мл суспензии и количества почкующихся клеток в камере Горяева. После чего содержимое колбы вместимостью 250 мл переливают в колбу объемом 1000 мл, оборачивают ее фольгой и оставляют в боксе ЧКД для дальнейшего процесса культивирования.

4 этап. На 5-е сут культуральную жидкость в колбе вместимостью 1000 мл при таких же условиях гомогенизируют в шейкере, определяют показатели качества дрожжевых клеток, и, соблюдая условия стерильности, культуру переносят в колбу объемом 2000 мл.

5 этап. На 6-е сут осуществляют те же манипуляции, что и на предыдущем этапе, однако, затем содержимое переносят в колбу на 18 л, куда добавляют подкормку для дрожжей и проводят аэрацию при температуре 20 °С в течение 10 мин при 120 мин-1 [5].

Проведение исследований включает в себя два опыта:

• разведение чистой культуры дрожжей с добавлением витамина В1 (тиамин) (рис. 2);

• разведение чистой культуры дрожжей с добавлением витамина В2 (рибофлавин) (рис. 3).

Каждый из этих опытов включает четыре варианта эксперимента: разведение по классической схеме (контроль); разведение ЧКД с добавлением витамина в концентрации 2, 4 или 8 %.

Витамин В1 (тиамин) (С12Н17Ы^) относится к серосодержащим. Это бесцветное кристаллическое вещество с запахом дрожжей, хорошо растворим в воде. Достаточно устойчив и термостабилен в окружающей среде. В отличие от щелочной и нейтраль-

3•2020

ПИВО и НАПИТКИ / BEER and BEVERAGES

Рис. 2. Схема разведения чистой культуры дрожжей с применением тиамина (20 °С, 10 мин, 120 мин-1)

ной среды в кислой способен выдерживать нагревание до 140 °С.

Витамин В2 (рибофлавин) (С12Н2ОН4О6) хорошо растворим в воде. Имеет желтую окраску, а по агрегатному состоянию представляет собой кристаллическое вещество. При воздей-

0,03 л 0,18 л 1 л 18 л

Рис. 3. Схема разведения чистой культуры дрожжей с применением рибофлавина (20 °С, 10 мин, 120 мин-1)

ствии УФ-излучения разрушается с образованием биологически неактивных соединений (в щелочной среде — люмифлавин, а в кислой или нейтральной — люмихром). В основе его биологического действия лежит наличие активных двойных связей

в циклической структуре, которые принимают участие в различных химических реакциях. Превращение рибофлавина в лейкосоединение происходит благодаря присоединению водорода по месту его двойных связей. Последнее, отдавая при соответствующих условиях водород, снова переходит в рибофлавин, приобретая окраску. Точка плавления рибофлавина составляет 274...282 °С.

Результаты и их обсуждение. При проведении исследований на каждой стадии разведения определяли показатели качества: концентрацию дрожжевых клеток в 1 мл суспензии, число почкующихся дрожжевых клеток, а также применяли аэрацию в течение дня (каждый час по 10 мин) с помощью шейкера-инкубатора CEROTOMATIS.

100 л 90 80 70 60 50 : 40 " 30 20 10

0,03 1 2

Объем ЧКД, л

♦ Контроль —И— 2 % А 4 % —1

Рис. 4. Кривая роста дрожжей по концентрации клеток при добавлении тиамина

- 8 %

70 -т

* 60 4

О си

* 50 -

303"

^ 20 -

0 С

1 10 -

Д

0 .

0,03 1 2 5

Объем ЧКД, л

Рис. 5. Кривая роста дрожжей по количеству почкующихся клеток при добавлении тиамина

tD

Я И

0,03 1 2

Объем ЧКД, л

♦ Контроль —и— 2 % А 4 % —;

Рис. 6. Кривая роста дрожжей по концентрации клеток при добавлении рибофлавина

8 %

80 -г—

а? 70-------

от

! 60 —

X

55 50-------

н н

| 40-------

К X

! 30--2

I? 20-------

П

С5

I 10-----------------------------------------------------------------------------------

0 -I-1-1-1-

0,03 1 2

Объем ЧКД, л

Рис. 7. Кривая роста дрожжей по количеству почкующихся клеток при добавлении рибофлавина

8 %

* 40-

30 ПИВО и НАПИТКИ / BEER and BEVERAGES

3•2020

ISSN 2072=9650

На рис. 4 и 5 представлены результаты эксперимента, в котором использовали тиамин (витамин В1).

В результате анализа полученных данных установлено, что увеличение концентрации клеток (90 млн/мл) происходит при концентрации тиамина 4 %. Это говорит о том, что применение 4 % витамина улучшает физиологическое состояние дрожжей, вследствие чего происходит их увеличение на 20 % по сравнению с контрольным образцом. В свою очередь, при 2 % концентрации витамина происходит медленное развитие дрожжевых клеток, вследствие нехватки питательных веществ, а при концентрации витамина 8 %, наоборот, наблюдается угнетение дрожжевых клеток из-за избытка питательных веществ в пивном сусле.

Доля почкующихся клеток уменьшается при концентрации тиамина 4 %, с ростом концентрации клеток. Это говорит о том, что применение витаминов интенсифицирует процесс брожения, вследствие чего дрожжи быстрей достигают предельной концентрации (60 %), что приводит к резкому снижению почкования.

На рис. 6 и 7 представлены результаты эксперимента, при котором в качестве добавки использовали рибофлавин (витамин В2).

Анализ полученных экспериментальных данных показал, что увеличение концентрации дрожжевых клеток происходит в контрольном варианте и при концентрации рибофлавина 4 %, и составляет 78 и 103 млн/мл, соответственно. Это свидетельствует о том, что применение 4 % рибофлавина улучшает физиологическое состояние дрожжей, вследствие чего происходит их увеличение.

С ростом концентрации клеток при 4 % добавке рибофлавина скорость числа почкующихся клеток уменьшается по сравнению с другими вариантами опыта. Это говорит

Таблица 1

Экстрактивность начального сусла с добавлением тиамина

Вариант разведения ЧКД Начальное сусло, % Видимый экстракт, %

Классическая схема (контроль) 12,65 10,42

С добавлением витамина, %:

2 12,17 9,57

4 12,00 9,51

8 11,70 9,07

Таблица 2

Экстрактивность начального сусла с добавлением рибофлавина

Вариант разведения ЧКД Начальное сусло, % Видимый экстракт, %

Классическая схема (контроль) 12,50 10,0

С добавлением витамина, %:

2 12,21 9,40

4 11,35 9,32

8 11,21 9,12

о том, что применение витаминов интенсифицирует процесс брожения, вследствие чего концентрация дрожжей быстрее достигает предела, а процесс почкования замедляется.

В табл. 1 и 2 представлены результаты определения экстрактивности начального сусла и видимого экстракта при получении светлого сорта пивного напитка.

Результаты исследований показывают, что экстрактивность уменьшается с увеличением доз внесения тиамина и рибофлавина в каждом из вариантов опыта.

По результатам проведенных исследований можно заключить, что кривые роста дрожжей при добавлении тиамина и рибофлавина отражают рост общего количества клеток при их концентрации 4 % на всех этапах эксперимента. Кроме того, данная концентрация витаминов В1 и В2 служит предельной для процесса почкования культуры. Данные факты свидетельствуют об улучшении физиологического состояния дрожжей и достижении предельной их концентрации при использовании витаминов в процессе брожения пивного сусла.

ЛИТЕРАТУРА

1. Алексеева, Н. П. Все о пиве / Н. П. Алексеева. — СПб.: Профессия, 2006. — 576 с.

2. Меледина, Т. В. Физиологическое состояние дрожжей / Т. В. Меледина, С. Г. Давы-

денко, Л. М. Васильева. - СПб.: ИТМО, 2013. - 48 с.

3. Мартынов, А.А. Применение активаторов брожения «ВИТОЛ» в пивоваренной промышленности / А. А. Мартынов // Пиво и напитки. - 2011. - № 1. - С. 18-19.

4. Меледина, Т.В. Дрожжи Saccharomyces cerevisiae морфология, химический состав, метаболизм / Т. В. Меледина, С. Г. Да-выденко. - СПб.: ИТМО, 2015. - 88 с.

5. Котенко, Э. А. Особенности дрожжей / Э. А. Котенко. - М.: Вокруг света, 2004. -395 с.

REFERENCES

1. Alekseeva NP. Vse o pive [All about beer]. Saint-Petersburg: Professiya; 2006. 576 p. (In Russ.)

2. Meledina TV, Davy'denko SG, Vasil'eva LM. Fiziologicheskoe sostoyanie drozhzhej [Physiological state of yeast]. Saint-Petersburg: ITMO; 2013. 48 p. (In Russ.)

3. Marty'nov AA. Primenenie aktivato-rov brozheniya «VITOL» v pivovarennoj promy'shlennosti [Application of VITOL fermentation activators in the brewing industry]. Pivo i napitki [Beer and beverages]. 2011;1:18-19. (In Russ.)

4. Meledina TV, Davy'denko SG. Drozhzhi Saccharomyces cerevisiae morfologiya, ximi-cheskij sostav, metabolism [Saccharomyces cerevisiae yeast morphology, chemical composition, metabolism]. Saint-Petersburg: ITMO; 2015. 88 p. (In Russ.)

5. Kotenko EA. Osobennosti drozhzhej [Features of yeast]. Moscow: Vokrug sveta; 2004. 395 p. (In Russ.) <S

Авторы Authors

Макушин Андрей Николаевич, канд. с.-х. наук Andrey N. Makushin, Candidate of Agricultural Science

Самарский государственный аграрный университет, Samara State Agrarian University,

446442, Россия, Самарская обл., г. Кинель, 1 Uchebnaya Str., Ust-kinelsky, Kinel, Samara region, 446442, Russia,

п. г. т. Усть-Кинельский, ул. Учебная, д. 1, mak13a@mail.ru

mak13a@mail.ru Dmitriy V. Zipaev, Candidate of Technical Science;

Зипаев Дмитрий Владимирович, канд. техн. наук; Aleksandr N. Kozhukhov

Кожухов Александр Николаевич Samara State Technical University,

Самарский государственный технический университет, 244 Molodogvardeyskaya Str., Samara, 443100 Russia,

443100, Россия, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 244, dvz7@mail.ru, sandro_2@mail.ru

dvz7@mail.ru, sandro_2@mail.ru

3•2020

ПИВО и НАПИТКИ / BEER and BEVERAGES