«Совершенствование технологии пивоварения на основе регуляции физиолого-биохимических свойств дрожжей с использованием биостимуляторов и адсорбентов» тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.07, доктор наук Пермякова Лариса Викторовна

• Пермякова Лариса Викторовна
• доктор наук
• 2019

Оглавление диссертации доктор наук Пермякова Лариса Викторовна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Обоснование необходимости управления биотехнологическими свойствами дрожжевой культуры

1.2 Способы улучшения физиолого-биохимических и технологических свойств дрожжей Засскаготусез cerevisiae

1.3 Характеристика отдельных добавок и препаратов для стимулирования жизнедеятельности дрожжевой культуры

1.3.1 Влияние кислорода, как одного их факторов среды, на обменные процессы дрожжей

1.3.1.1 Стерины: биосинтез и функции в клетке

1.3.2 Молочная сыворотка

1.3.3 Природные цеолитсодержащие туфы

1.3.4 Панты

1.3.5 Кислоты цикла трикарбоновых кислот

1.3.7 Циклодекстрины

ГЛАВА 2 ОРГАНИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА, ОБЪЕКТЫ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Организация проведения исследований

2.2 Объекты и материалы исследований

2.3 Методы исследований

ГЛАВА 3 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РЕГУЛЯЦИИ ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ПИВНЫХ ДРОЖЖЕЙ ПОСРЕДСТВОМ МОДИФИКАЦИИ СОСТАВА ПИТАТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ

3.1 Анализ причин необходимости повышения жизненной активности пивных дрожжей

3.2 Классификация препаратов и добавок для стимулирования жизнедеятельности дрожжей

3.3 Научная концепция регулирования физиолого-биохимической активности дрожжевой культуры

3.3.1 Характеристика основных элементов подсистемы «факторы

воздействия»

ГЛАВА 4 ПОВЫШЕНИЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЙ И БИОХИМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ПИВНЫХ ДРОЖЖЕЙ ЗА СЧЕТ МОДИФИКАЦИИ СРЕДЫ ХРАНЕНИЯ И ФЕРМЕНТАЦИИ БИОСТИМУЛИРУЮЩИМИ ДОБАВКАМИ И ПРЕПАРАТАМИ 111 4.1 Разработка способов снижения потребности пивных дрожжей в кислороде

4.1.1 Разработка способа активации пивных дрожжей путем аэрообработки

4.1.1.1 Потребность различных рас дрожжей в кислороде и особенности его расходования

4.1.1.2 Содержание стеринов у различных штаммов пивных дрожжей Saccharomyces cerevisiae

4.1.1.3 Влияние условий аэрации дрожжей на биосинтез стеринов

и бродильную активность культуры

4.1.1.4 Изменение активности некоторых ферментов дрожжей в процессе предферментационной аэрообработки

4.1.1.5 Особенности процессов при сбраживании пивного сусла активированными дрожжами

4.1.1.6 Эффективность предферментационной аэрообработки для дрожжей разных штаммов и в зависимости от кратности ее применения

4.1.1.7 Производственные испытания способа аэрообработки пивных семенных дрожжей

4.1.2 Снижение потребности пивных дрожжей в кислороде с использованием автолизата микробной массы

4.2 Применение пищевых подкормок на стадиях хранения семенных дрожжей и подготовки инокулята к ферментации сусла

4.2.1 Оценка воздействия среды и длительности хранения на физиологическое состояние и активность ферментов пивных дрожжей

4.2.2 Влияние пищевых подкормок на состав среды хранения, физиолого-биохимические характеристики дрожжей и процесс сбраживания сусла

4.2.3 Анализ основных характеристик дрожжей и процесса сбраживания пивного сусла инокулятом после кратковременной активации пищевыми подкормками

4.3 Разработка способа повышения физиолого-биохимической активности пивных дрожжей с применением молочной сыворотки

4.3.1 Влияние обработки дрожжей молочной сывороткой на их физиологические и биохимические показатели

4.3.2 Испытание способа активации пивных дрожжей с использованием молочной сыворотки в условиях производства

4.3.3 Воздействие роторно-пульсационной обработки в средах с молочной сывороткой на биотехнологические характеристики пивных дрожжей и процесс сбраживания сусла

4.4 Регуляция физиолого-биохимических функций активности пивных дрожжей с использованием природных минералов

4.4.1 Особенности отдельных характеристик дрожжевой культуры в процессе хранения в различных средах с природными цеолитсодержащими туфами

4.4.2 Разработка способа активации пивных сухих дрожжей минерально-органической подкормкой

4.4.2.1 Оценка воздействия пищевых подкормок и минеральной добавки на физиолого-биохимические показатели сухих дрожжей

и процесс ферментации пивного сусла

4.4.2.2 Эффективность действия комбинированной минерально-органической подкормки на активность ферментов, физиологическое состояние дрожжей и сбраживание среды

4.4.2.3 Влияние кратности применения минерально-органической подкормки на процессы, происходящие при ферментации среды

4.4.2.4 Практическая реализация способа активации сухих пивных дрожжей минерально-органической подкормкой

4.5 Разработка способа активации пивных дрожжей ультрадисперсным порошком пантов северных оленей

4.6 Применение смеси кислот цикла Кребса в сверхмалых дозах для

активации культуры пивных дрожжей

ГЛАВА 5 ПОВЫШЕНИЕ ЖИЗНЕСПОСОБНОСТИ ДРОЖЖЕЙ ПОСРЕДСТВОМ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ИЗ КУЛЬТУРАЛЬНОЙ СРЕДЫ ИНГИБИРУЮЩИХ КОМПОНЕНТОВ

5.1 Использование природных цеолитсодержащих туфов для удаления пестицидов и микотоксинов из жидких пищевых сред

5.2 Оценка процесса ферментации пивного сусла и качества готового пива, полученного с применением природных минеральных сорбентов

5.3 Разработка способа повышения качества пива с использованием

циклодекстринов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Том

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ А Методы выделения стеринов из дрожжей и

определения пестицида у-ГХЦГ и микотоксина афлатоксина В1

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Математическая обработка результатов исследований.. 6 ПРИЛОЖЕНИЕ В Акты производственных апробаций и внедрения результатов диссертационной работы в учебный процесс, технологические

инструкции, протоколы испытаний

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Расчеты экономической эффективности от внедрения

способов подготовки дрожжей к сбраживанию сусла

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Авторские свидетельства и патенты

ПРИЛОЖЕНИЕ Е Описание конструкции роторно-пульсационного аппарата

Введение диссертации (часть автореферата) на тему ««Совершенствование технологии пивоварения на основе регуляции физиолого-биохимических свойств дрожжей с использованием биостимуляторов и адсорбентов»»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования и состояние проблемы

В соответствии с «Доктриной продовольственной безопасности Российской Федерации», утвержденной указом Президента РФ 30 января 2010 г. № 120, а также постановлениями Правительства РФ «Стратегия развития пищевой и перерабатывающей промышленности Российской Федерации до 2020 года» (от 17 апреля 2012 г. № 559-р) и «О Государственной программе развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 годы» (от 14 июля 2012 г. № 717) приоритетными направлениями развития различных отраслей агропромышленного комплекса и, в частности, пищевой промышленности являются повышение качества, безопасности и конкурентоспособности выпускаемой продукции, стабильность внутренних источников продовольственных и сырьевых резервов (что позволяет свести к минимуму или полностью устранить применение импортного сырья и материалов), использование современных достижений научно-технического прогресса, в том числе новых био- и нанотехнологий, решение проблем утилизации отходов путем их глубокой переработки и повторного вовлечения в хозяйственный оборот вторичных ресурсов, эффективное расходование топливно-энергетических материалов, снижение рисков экологического характера. Все вышеизложенное непосредственно касается и производства пива, как одной из отраслей пищевой промышленности.

В пивоварении длительность приготовления напитка, а также его качество, включая органолептические показатели и стойкость при хранении, в значительной степени определяются интенсивностью протекания процессов главного брожения и созревания продукта.

Основополагающая роль в биохимических превращениях при получении пива на стадиях ферментации сусла и выдержки молодого напитка отводится дрожжам. Управление физиолого-биохимической активностью дрожжевой

культуры является основой для дальнейшего повышения эффективности производства и улучшения качественных показателей выпускаемой продукции.

В настоящее время эта задача становится ещё более актуальной в связи с внедрением современных технологий (высокоплотного пивоварения, сбраживания среды в аппаратах большой единичной мощности), способствующих высокому риску возникновения стрессовых факторов у дрожжей; с расширением сети пивоварен малой и средней мощности, работающих с препаратами сухих активных дрожжей с низкой жизнеспособностью; использованием основного сырья недостаточно высокого качества, а также широким применением заменителей солода, разнообразных вспомогательных материалов. Неблагоприятное воздействие на дрожжи оказывают примеси и чужеродные соединения, содержащиеся в сырье, технологических добавках, оборудовании, компоненты самого пивного сусла (полифенолы, высокомолекулярные белки). Необходимо принять во внимание и изменчивость рынка пива в зависимости от разных причин, и, в связи с этим, нестабильность работы ведущих цехов предприятия, что также отражается на состоянии дрожжевой культуры.

Вследствие этого разработка научно обоснованных способов и приемов регуляции физиолого-биохимических функций дрожжей в пивоварении с использованием новых источников органических и неорганических соединений, причем природного происхождения, для корректировки производственного процесса, стабильного его протекания и получения готового продукта с соответствующими стандарту физико-химическими и органолептическими показателями не вызывает сомнений и является актуальной.

Степень разработанности темы исследований

Существенный вклад в изучение особенностей метаболизма дрожжей Saccharomyces cerevisiae, регулирования обменных процессов дрожжевой культуры, разработку интенсифицированных режимов ферментации пива и других продуктов брожения, повышения их качества в прошлом и в настоящее время внесли отечественные исследователи: Весел ов И .Я., Коновалов С. А., Яровенко B.JL, Грачева И.М., Калунянц К.А., Жвирблянская А.Ю., Исаева B.C.,

Лисюк Г.M., Иванова JI.A., Гернет М.В., Меледина Т.В., Помозова В.А., Римарева JI.B., Косминский Г.И. и зарубежные ученые: Boulton С., David М.Н., Kirsop В.Е., Anderson R.G., Stewart G.G., Kunze W., Narziß L., Annemulier G. h др.

Активизирующее воздействие на физиолого-биохимические характеристики дрожжевой культуры в случае ее ослабления может осуществляться различными технологическими мероприятиями, в частности корректировкой состава среды ферментации или хранения дрожжей. При этом выделяют два направления - за счет обогащения среды недостающими химическими соединениями, либо путем извлечения каких-либо ингибирующих культуру компонентов.

В практике пивоварения, виноделия, в спиртовой, дрожжевой промышленности одним из широко используемых средств изменения физиологических и технологических свойств дрожжей является применение так называемых подкормок для дрожжей. Препараты обладают достаточно высокой эффективностью действия, однако производятся они чаще всего за рубежом, и в составе многих из них присутствуют минеральные компоненты в виде химических солей и синтетические витамины, что с точки зрения гигиенической безопасности не всегда оправдано.

Наряду с подкормками, выпускаемыми в промышленных масштабах, рекомендуются к применению и другие стимуляторы и активаторы метаболизма дрожжей и, тем самым, ускорения технологических процессов и повышения качества готового продукта. Основным сырьем для получения ростовых веществ и биостимуляторов для дрожжей является, в большинстве случаев, растительное, микробное, реже животное.

Используемые и предлагаемые приемы минимизации негативного воздействия неблагоприятных факторов на дрожжи, повышения их жизненной активности, и источники необходимых дрожжевым клеткам соединений далеко не исчерпали все возможности. Поиск новых резервов биостимулирующих компонентов ориентирован на отечественное природное сырье, на расширение путей утилизации вторичных материальных ресурсов ряда отраслей пищевой промышленности, изыскание других областей применения уже известных

материалов. Все это с полным правом можно отнести к продукции пантового оленеводства, цеолитсодержащим туфам, отходам молочного производства (сыворотке), циклодекстринам, продуктам метаболизма живых клеток (кислотам цикла Кребса). Именно данные препараты и материалы наиболее перспективны в плане эффективности биологического действия на микробную клетку и, следовательно, совершенствования технологического процесса, включая обеспечение выпуска безопасной продукции высокого качества.

Цель и задачи диссертационного исследования

Основная цель настоящей работы - научное обоснование и разработка способов ускорения процессов получения пива с улучшенными качественными показателями готового напитка на основе управления физиолого-биохимическими функциями дрожжей посредством корректировки состава питательной среды.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

■ провести сравнительный анализ и систематизацию способов и приемов регулирования физиолого-биохимических и функционально-технологических свойств дрожжей ЗассЬаготусея сеге\\н\ае с использованием химических добавок с разработкой классификации препаратов с учетом химической природы, структурных и технологических характеристик;

предложить и обосновать концепцию регуляции физиолого-биохимических функций дрожжей для интенсификации производства пива и повышения качества готового напитка на основе применения биостимуляторов и адсорбентов и разработать структуру ее реализации;

теоретически обосновать выбор источников биостимулирующих соединений и адсорбентов (стабилизаторов) и механизмы их действия на физиологическую и биохимическую активность дрожжей;

■ определить потребность различных рас пивных дрожжей в кислороде и оценить взаимосвязь данного показателя со стериногенезом дрожжевых клеток;

■ разработать способы снижения потребности дрожжей в кислороде на основе предферментационной аэрообработки инокулята, а также использования

автолизата микробной массы с повышенным содержанием факторов анаэробного роста;

■ оценить изменение физико-химических показателей среды инкубации (воды, молодого пива, пивного сусла) пивных семенных дрожжей и физиологических, технологических и биохимических характеристик микробной культуры в процессе ее хранения;

■ разработать способы поддержания или активизации физиологе -биохимических функций жидких разводок и сухих препаратов дрожжей после регидратации путем корректировки состава питательной среды биостимуляторами (традиционными пищевыми подкормками, молочной сывороткой, природными цеолитсодержащими туфами, ультрадисперсным порошком пантов, минерально-органической подкормкой, смесью кислот цикла Кребса) при индивидуальном и совместном применении, а также с тепловым и роторно-пульсационным воздействием;

■ предложить способы повышения жизненной активности пивных дрожжей посредством извлечения ингибирующих компонентов из воды и пивного сусла с использованием адсорбентов (стабилизаторов);

■ оценить влияние предлагаемых биостимуляторов и адсорбентов на показатели физиологического состояния, активность основных клеточных ферментов дрожжевой культуры;

■ провести оценку воздействия добавок и препаратов на физико-химические, химические и органолептические характеристики сусла и пива;

■ определить оптимальные и рациональные параметры использования биостимуляторов и адсорбентов;

■ апробировать предлагаемые способы и приемы в производственных условиях; разработать техническую документацию для их промышленного применения; рассчитать экономическую эффективность от внедрения предложенных технических решений.

Научная концепция исследования. Разработка подходов и приемов стимуляции физиолого-биохимической активности дрожжевой культуры путем

целенаправленной модификации состава питательной среды с использованием природных источников неорганических и органических соединений и адсорбентов (стабилизаторов).

Научная новизна полученных результатов. С учетом химической природы, структурных и технологических характеристик впервые предложена классификация препаратов и добавок, изменяющих физиологические, биохимические, технологические свойства дрожжей посредством модифицирования состава питательной среды.

Концептуально обоснована регуляция физиолого-биохимических функций дрожжевой культуры на основе использования корректирующих состав среды суспендирования и ферментации биостимуляторов и сорбентов, предложена структура ее реализации в производстве пива с целью совершенствования технологии и улучшения качественных показателей напитка.

Впервые проведена градация используемых в отечественном пивоварении рас дрожжей низового брожения по потребности в кислороде и установлена корреляция между данным показателем и количеством синтезируемых клетками стеринов.

Выявлены закономерности изменения физиолого-биохимических и технологических характеристик пивных дрожжей на стадиях хранения, предферментационной подготовки, брожения сусла в результате воздействия биостимуляторов (кислорода, молочной сыворотки, природных цеолитсодержащих туфов месторождений Сибири, ультрадисперсного порошка пантов, минерально-органической подкормки, кислот цикла Кребса в виде смеси в сверхнизких концентрациях) как индивидуально, так и в сочетаниях совместных, и в комбинации с физическими методами обработки (температурной, роторно-пульсационной). Обосновано и предложено использование традиционных пищевых подкормок, помимо брожения, на иных стадиях: хранения и подготовки дрожжей к ферментации среды.

Показана возможность стимулирования жизнедеятельности дрожжей и интенсификации главного брожения с обеспечением стабильного качества

готовой продукции варьированием состава производственных сред (воды, пивного сусла) за счет извлечения ингибирующих микробную популяцию компонентов природными алюмосиликатами и циклодекстринами в виде смеси гомологов.

Получены регрессионно-статистические модели зависимостей:

• величины бродильной активности дрожжей от длительности аэрации и анаэробной выдержки на этапе предферментационной подготовки;

• концентрации нежизнеспособных клеток от параметров роторно-пульсационного воздействия на дрожжи;

• активности ферментов мальтазы и зимазы от дозы цеолитсодержащего туфа (шивыртуина) при инкубации дрожжей в пивном сусле и молодом пиве;

• количества извлекаемых токсичных соединений (хлорорганического пестицида линдана и микотоксина афлатоксина В1) из пивного сусла туфом пегасином в щелочной модификации от объема обработанной среды.

Теоретическая и практическая значимость. Теоретическая ценность диссертационной работы состоит в обосновании приемов повышения эффективности производства пива за счет применения биостимулирующих добавок и сорбентов, изменяющих состав среды жизнедеятельности пивных дрожжей ЗассЬаготусея сеге\\н\ае и, тем самым, способствующих регуляции физиолого-биохимической активности культуры.

Практическое значение работы заключается в разработке способов предферментационной подготовки пивных дрожжей (семенных и регидратированных сухих препаратов) и приемов корректировки состава среды хранения, инкубации и ферментации, позволяющих управлять наиболее длительными технологическими процессами пивоварения с одновременным улучшением физико-химических, химических и органолептических характеристик готового напитка.

Результаты исследований по регуляции жизненной активности дрожжевой культуры прошли производственную проверку и использованы при составлении технологических инструкций:

• по предварительной аэрообработке семенных дрожжей (испытания на Кемеровском и Омском пивзаводах);

• по производству пива с использованием дрожжей, активированных в молочной сыворотке (ТИ 91 84-065-02068315-20020); по изготовлению пива с применением природного цеолитсодержащего туфа пегасина (испытания на базе предприятий «Новокемеровский пивобезалкогольный завод», «Кемеровский пивзавод», г. Кемерово);

• по подготовке регидратированных сухих пивных дрожжей путем обработки минерально-органической подкормкой (ТИ 91 94-001-98397101-2011, апробация на ООО «Арта», г. Новосибирск), смесью кислот цикла Кребса (испытания на ООО «Продлюкс», г. Кемерово)

С учетом существующих на заводах схем экономический эффект от внедрения способа активации инокулята молочной сывороткой составит 51,62 млн руб. в год на 1,0 млн дал товарного пива, использование предварительной аэрообработки дрожжей обеспечит увеличение на 4 % в год выпуска пива при естественном насыщении сусла воздухом, а взамен аэрации сусла - сокращение расхода электроэнергии в стоимостном выражении в 3 раза.

Результаты диссертационной работы могут быть использованы не только на предприятиях по выпуску пива, но и в смежных отраслях бродильной промышленности: спиртовой, дрожжевой, при производстве кваса.

Новизну технических решений подтверждают авторские свидетельства СССР (2) и патенты РФ (4), практическую значимость диссертационной работы -акты производственных испытаний, разработанные технологические инструкции.

Теоретические положения и результаты, полученные в ходе проведения экспериментов, включены в лекционные курсы, в методические разработки для проведения лабораторных и практических занятий, в практику учебно- и научно-исследовательских работ при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Продукты питания из растительного сырья», аспирантов, обучающихся по направлению 19.06.01 и научным специальностям 05.18.07, 05.18.15 в ФГБОУ ВО «Кемеровский государственный университет», кроме того, в учебные планы и

программы дополнительного профессионального образования и повышения квалификации специалистов различных отраслей бродильной промышленности.

Методология и методы исследований. Основой методологии исследований является комплекс методов познания: теоретических, эмпирических, практических, базирующихся на естественнонаучных закономерностях. Исследования проводили согласно методологии, в основу которой положен системный анализ. В работе применяли общепринятые и современные инструментальные методы анализа дрожжей, сусла, пива.

Соответствие темы диссертации паспорту научной специальности. Тема и содержание диссертационной работы соответствуют пп. 1, 4, 5, 14 паспорта специальности 05.18.07 - «Биотехнология пищевых продуктов и биологических активных веществ».

Основные положения, выносимые на защиту:

классификация препаратов и добавок, модифицирующих биотехнологические функции дрожжей посредством варьирования состава среды инкубации;

- обоснование концепции регуляции физиологе-биохимической активности пивных дрожжей ЗассЬаготусея сеге\\н\ае с использованием биостимуляторов и сорбционных (стабилизирующих) материалов и структура ее реализации;

закономерности изменения активности отдельных ферментов, физиологических и технологических характеристик пивных дрожжей (семенных, регидратированных сухих), качественных показателей сусла и пива в результате корректировки состава среды биостимуляторами и адсорбентами;

- способы, снижающие потребность пивных дрожжей низового брожения в кислороде, разработанные с учетом установления взаимосвязи между потребностью культуры в кислороде и синтезом стеринов;

- оптимальные и рациональные параметры и режимы применения биостимуляторов и адсорбентов на этапах хранения пивных дрожжей, подготовки их к введению в сусло, при брожении, на стадии получения среды ферментации.

Степень достоверности результатов работы подтверждается анализом научно-технической и патентной литературы, многочисленными экспериментальными исследованиями, применением современных и принятых в отрасли методов, лабораторного оборудования и измерительных приборов, статистической и математической обработкой полученных результатов, публикацией и обсуждением основных положений диссертационной работы в научных изданиях, включая рецензируемые журналы.

Апробация результатов исследования. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях (научных, научно-практических) Всесоюзных, Всероссийских, Международных (1986-2018 г.г.), семинарах (2002 г.), конвентах и форумах (2013 г.) в г.г. Москве, Санкт-Петербурге, Воронеже, Кемерово, Новосибирске, Красноярске, Барнауле, Бийске, Челябинске, Магнитогорске, Тольятти, Калининграде, Могилеве, Минске.

Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации, состоит в выборе направления исследования, в проведении патентно-информационного поиска, постановке и проведении экспериментальных исследований, в анализе и обобщении результатов, их статистической и математической обработке. Автором разработана техническая документация, проведена работа по патентованию разработок, апробация предложенных технических решений в производстве. Представленная работа - обобщение результатов многолетних исследований теоретического и прикладного характера, выполненных лично автором или при его непосредственном участии.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 79 научных работ, в том числе 1 монография, 16 статей в журналах, входящих в перечень рецензируемых ВАК, получено 2 авторских свидетельства и 4 патента на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация изложена в двух томах. Первый том включает введение, 5 глав, заключение, библиографический список из 478 источников, изложен на 381 странице текста, содержит 57 таблиц и 89 рисунков. Второй том состоит из 6 приложений, объемом 54 страницы.

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Обоснование необходимости управления биотехнологическими свойствами дрожжевой культуры

Важнейшие показатели качества такого напитка, как пиво, определяются соответствием его физико-химических характеристик, органолептических свойств, уровня безопасности установленным требованиям [66, 281], и являются факторами, формирующими конкурентоспособность данного продукта на рынке.

Потребительские свойства пива в огромной степени, наряду с солодом, его заменителями и хмелем, а также эффективность технологического процесса зависят от интенсивности обменных процессов дрожжевой культуры. Физиолого-биохимическое состояние дрожжей и способность их адаптации к условиям конкретной среды существенно влияют на скорость и глубину сбраживания экстракта сусла, образование как основных продуктов спиртового брожения (этилового спирта и диоксида углерода), так и вторичных и побочных компонентов, формирующих вкусоароматический профиль готового напитка, его микробиологическую и коллоидную стабильность [13, 24, 73, 81, 146,163,232,461].

Биосинтетические процессы, протекающие в дрожжевой клетке, чрезвычайно лабильны и достаточно легко поддаются регуляции. Поэтому, зная зависимость между конкретными условиями окружающей среды и теми или иными сторонами жизнедеятельности дрожжевой культуры, можно целенаправленно регулировать ее рост, развитие и обмен веществ. Создание и поддержание определенных условий культивирования дрожжей позволяет управлять ходом ферментационного процесса.

Важными параметрами ведения процесса ферментации питательной среды в оптимальном режиме и, следовательно, получения готового продукта хорошего качества являются: выбор подходящей расы дрожжей; доступность чистой культуры дрожжей (ЧКД); условия выращивания ЧКД; микробиологическая

безопасность; концентрация дрожжевых клеток при засеве; физическое состояние культуры; флокуляционная способность; состав сбраживаемой среды; снабжение клеток кислородом; температура осуществления процесса; конструктивные особенности оборудования для сбраживания сусла [13, 14, 81, 139, 151, 195, 196, 293, 318, 323, 341, 355, 360, 393, 400, 422, 449, 455, 471].

Рассмотрим некоторые вышеуказанные аспекты подробнее.

Физическое состояние дрожжевой культуры оценивают по жизнеспособности и жизненной активности [13, 24, 139, 174, 193, 195, 395, 429], отличающиеся тем, что первый показатель указывает на процентное соотношение живых (жизнеспособных) и мертвых клеток в дрожжевой биомассе, второй -характеризует метаболическую активность дрожжевой клетки и способность культуры противостоять стрессовым факторам.

В процессе производства в зависимости от принятой технологии разведения чистой культуры, осуществления брожения сусла, съема, хранения и подготовки к следующему циклу ферментации дрожжи подвергаются различным видам неблагоприятных воздействий. Выделяют стрессовые факторы, связанные с составом среды (концентрацией сухих веществ, кислорода, содержанием спирта, углекислоты, дефицитом питательных компонентов, наличием токсичных веществ) и с условиями проведения вышеперечисленных процессов (температурным режимом, осмотическим и гидростатическим давлением). Исходя из этого, дрожжи испытывают следующие виды стресса: осмотический, этанольный, окислительный, температурный, гидростатический, механический.

Вычленяют и другие типы физиологического состояния организма под влиянием неблагоприятных причин, не обозначенные специальными терминами. Из них стоит отметить ингибирующее действие высокой концентрации ионов водорода при кислотной промывке дрожжей с целью их обеззараживания. Характеристика различных стрессовых факторов достаточно полно изложена в литературе [13, 24, 193, 329, 351, 390, 411, 420, 421, 456, 457, 460].

Факторы стресса вызывают разноплановую ответную реакцию со стороны клетки [13, 390, 411, 420, 421]. При пассивной реакции происходит подавление

клеточных функций на длительное время, может произойти гибель дрожжей, что, в конечном счете, негативно отражается на процессе ферментации среды и качестве готового продукта (его вкусе, аромате, стойкости). Активная реакция проявляется в том, что непродолжительное действие стрессового фактора приводит к индуцированию механизмов, способных в большей или меньшей степени ограничить неблагоприятное влияние такого фактора. В качестве примера можно привести возрастание скорости брожения после кратковременного воздействия на дрожжи высокой температуры [57, 98, 121, 169, 446].

Выбор расы дрожжей определяет как характер и стабильность протекания наиболее длительных стадий производства пива - главного брожения и дображивания, так и образование веществ, отвечающих за вкус и аромат готового продукта ферментации.

В настоящее время в различных отраслях бродильной промышленности -спиртовой, винодельческой, пивоваренной, при получении кваса - широкое применение находят препараты активных сухих дрожжей [13, 43, 78, 92, 160, 167, 193, 248, 254, 255, 260, 272, 367, 380, 429, 442]. Что касается производства пива, такие дрожжи преимущественно востребованы на минизаводах и предприятиях средней мощности.

При производстве препаратов сухих микроорганизмов важно создать условия, способствующие сохранению жизненной активности культуры после сушки и обводнения. С этой целью используются способы высушивания в «мягком» режиме, созданы новые резистентные штаммы, разработаны защитные культуральные среды.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Пермякова Лариса Викторовна, 2019 год

/ // ■с

/ V

} //

> У

г

0 1 2 3 4 5 6 7 Длительность брожения, сут. —•—контроль —а— аэрация сусла ■ обработка дрожжей

Рисунок 25 - Изменение в процессе сбраживания пивного сусла содержания побочных продуктов: а) высших спиртов, б) ацетальдегида,

в) диацетила, г) ацетоина

Динамика образования ацетальдегида (рисунок 25, б) совпадает с характером кривых размножения дрожжей. Аэрация сусла усиливает процесс синтеза уксусного альдегида. Максимальное его количество, образующееся в данном варианте, на 14 % больше, чем в контроле, в то время как при обработке дрожжей это увеличение составляет лишь 5 %. В последнем случае быстрее наступает и редукция ацетальдегида по сравнению с другими вариантами. В молодом пиве, полученном с использованием аэрообработанных дрожжей, на 6-е сутки содержание уксусного альдегида на 9 и 33 % меньше, чем соответственно в контроле на 7-е сутки и в образце с аэрацией сусла на 6-е сутки.

Повышенная концентрация ацетальдегида в варианте с аэрацией сусла является нежелательной, т.к. данный метаболит придает пиву незрелый привкус.

Условия снабжения дрожжей кислородом влияют на динамику изменения диацетила при брожении (рисунок 25, в). Аэрация инокулята приводит к более раннему увеличению (на 2-е сутки) содержания диацетила и последующей быстрой его редукции. На 6-е сутки брожения количество диацетила равно содержанию этого метаболита в контроле на 7-е сутки. При аэрации сусла скорость накопления этого вицинального дикетона гораздо меньше и редукция его наступает позже. Однако к окончанию брожения концентрация диацетила находится на уровне контрольного образца.

Известно, что редукция диацетила - ферментативный процесс, катализируемый диацетилредуктазой. Наряду с этим ферментом, в реакции восстановления диацетила принимает участие и алкогольдегидрогеназа [358]. Возможно, быстрая редукция диацетила в образце с обработанными дрожжами связана с высокой активностью АДГ в клетках.

Максимальное накопление ацетоина при аэрации сусла и в контрольном варианте происходит на 3-й сутки брожения, а при аэрообработке инокулята на сутки раньше (рисунок 25, г). Во всех опытных образцах ацетоина образуется на 9-17 % больше, чем в контроле, но к завершению процесса брожения количество метаболита достигает уровня последнего.

Экспериментальные данные свидетельствуют, что стимулирование обменных процессов дрожжей за счет их аэрации перед введением в среду ферментации приводит к повышенному образованию высших спиртов, диацетила, ацетальдегида, однако количество образующихся метаболитов меньше, чем при использовании аэрации сусла. В связи с этим предферментационная обработка инокулята является более предпочтительной для интенсификации процесса сбраживания пивного сусла и качества готового напитка.

Изменение физико-химических показателей сусла в зависимости от способа обеспечения дрожжей кислородом

Об интенсивности протекания процессов главного брожения можно судить и по изменению физико-химических показателей сусла.

Как и следовало ожидать, аэрация сусла приводит к увеличению окислительно-восстановительного потенциала (ЕЙ) (таблица 19). Значение ЕЙ в этом образце на 21 % выше, чем в контроле. На более высоком уровне по сравнению с другими вариантами находится ЕЙ в аэрированном сусле и в ходе всего процесса сбраживания за счет большей концентрации кислорода в среде. Однако величина редокс-потенциала (гН2) в данном образце сусла уже на 1-2 сутки незначительно отличается от значения этого показателя в контроле и в образце с обработанными дрожжами. Это связано не только с разным содержанием кислорода, но и с изменением рН, который влияет на степень ионизации веществ в среде.

Таблица 19 - Изменение окислительно-восстановительного потенциала (ЕЙ) и редокс-потенциала (гН2) среды при различных способах снабжения дрожжей кислородом

Показатель Вариант Длительность брожения, сут

0 1 2 4 7

ЕЬ, мВ Контроль 214 197 168 125 55

Аэрация сусла 260 218 191 142 71

Аэрообработка дрожжей 214 194 163 122 48

гН2 Контроль 18,33 17,20 15,63 13,72 10,85

Аэрация сусла 19,97 17,40 15,86 13,80 11,12

Аэрообработка дрожжей 18,33 16,95 15,20 13,41 10,46

Дополнительное снабжение дрожжей кислородом существенно снижает рН (таблица 20), особенно в образце с аэрацией сусла. Величина рН, которая была

достигнута в контроле (4,48) к 7-м суткам главного брожения, в варианте с аэрацией сусла получена уже на 5-е сутки, а при обработке дрожжей - на 6-е сутки. Эти результаты согласуются с данными авторов [402, 422], которые отмечают более заметное смещение рН в кислую область при возрастании кислорода в среде культивирования микроорганизмов.

Таблица 20 - Физико-химические показатели сусла в динамике главного

брожения при различных способах снабжения дрожжей кислородом

Показатель Вариант Продолжительность брожения, сут

0 1 2 3 4 5 6 7

рН Контроль 5,50 5,20 5,05 4,92 4,86 4,70 4,63 4,48

Аэрация сусла 5,50 4,95 4,70 4,64 4,52 4,46 4,40 4,33

Аэрообработка дрожжей 5,50 5,13 4,86 4,79 4,66 4,60 4,50 4,41

Кислотность, к. ед. Контроль 2,30 2,32 2,35 2,39 2,41 2,43 2,45 2,46

Аэрация сусла 2,30 2,37 2,40 2,45 2,50 2,52 2,54 2,56

Аэрообработка дрожжей 2,30 2,35 2,39 2,44 2,48 2,50 2,52 2,53

Цвет, ц. ед. Контроль 1,25 1,19 1,07 0,99 0,93 0,87 0,81 0,79

Аэрация сусла 1,25 1,16 1,02 0,93 0,88 0,83 0,79 0,74

Аэрообработка дрожжей 1,25 1,18 1,04 0,95 0,90 0,85 0,80 0,76

Аэрация сусла способствует и быстрому нарастанию титруемой кислотности, что, очевидно, связано с усилением конструктивного обмена дрожжей.

Интенсивное кислотонакопление в опытных образцах приводит и к более значительному по сравнению с контролем снижению цвета молодого пива (таблица 20).

Все наблюдаемые изменения физико-химических показателей бродящей среды при аэрообработке дрожжей и сусла также являются свидетельством ускорения процессов, идущих на стадии главного брожения.

Влияние различных способов снабжения дрожжей кислородом

на качество готового пива

Хорошо известно о негативном воздействии кислорода воздуха на качество готового пива, приводящего к изменению вкуса и аромата напитка вследствие окисления горьких веществ хмеля и полифенолов, ухудшению пеностойкости, возникновению пастеризационного привкуса. Кроме того, воздух, находящийся в пиве, играет роль в появлении помутнений как биологического, так и коллоидного характера, тем самым способствуя снижению стойкости - одного из важнейших показателей качества готового напитка [163, 184, 198, 232, 402, 412, 426]. Наиболее опасен воздух, попадающий уже в готовое пиво при передаче его на сепарирование, фильтрование, непосредственно в ходе этих операций, при поступлении в сборник фильтрованного пива и розливе. В литературе практически отсутствуют данные о роли аэрации сусла при брожении в возникновении коллоидного помутнения в пиве.

Основная задача данного этапа исследований заключалась в сравнительном анализе влияния способов обеспечения дрожжей кислородом на коллоидную стойкость пива и другие показатели качества напитка.

Полученные в ходе главного брожения образцы молодого пива (опытные после 6-и и контрольный - после 7-и суток) ставили на дображивание, процесс которого осуществляли при температуре 2-3 °С в течение 21 суток.

Из результатов таблицы 21 видно, что использование аэрации сусла перед введением дрожжей приводит к повышенному по сравнению с другими вариантами образованию метаболитов в готовом пиве. В случае аэрообработки дрожжей накопление продуктов, отрицательно влияющих на вкус и аромат напитка, происходит в значительно меньшей степени, что положительно сказывается на его органолептических характеристиках.

Таблица 21 - Показатели качества готового пива при различных способах снабжения дрожжей кислородом

Показатели Вариант

контроль аэрация сусла аэрообработка дрожжей

Спирт, % масс. 2,92 3,05 2,98

Степень сбраживания действительная, % 51,4 53,7 52,2

рН 4,44 4,41 4,38

Кислотность, к. ед. 2,51 2,62 2,63

Цвет, ц. ед. 0,76 0,71 0,74

Ацетальдегид, мг/дм'' 7,4 8,4 6,5

Диацетил, мг/дм'' 0,44 0,53 0,33

Ацетоин, мг/дм"' 1,21 1,44 1,17

Высшие спирты, мг/дм"' 81 99 85

Пенообразование, мм 40 38 42

Пеностойкость, мин 3,8 3,6 3,8

Стойкость непастеризованного пива, сут 7 7 7

Большое значение для качества пива имеет коллоидная стойкость готового напитка. В процессе главного брожения и дображивания происходит снижение концентрации полифенолов, которое в контроле составляет 26 %, а в опытных вариантах - 29-30 % по отношению к исходной величине (таблица 22). Содержание полифенолов в образцах готового пива, полученных с использованием обработанных дрожжей и аэрированного сусла на 4-5 % меньше, чем в контрольном варианте. Подобная закономерность прослеживается и в изменении антоцианогенов. Количество их в контрольном пиве выше на 6-9 %, чем в опытных образцах.

На коллоидную стойкость значительное влияние оказывают и полипептиды, особенно имеющие высокое сродство к полифенолам. В процессе приготовления пива происходит снижение высокомолекулярных азотистых веществ (фракция А белка по Лундину), которое в большей степени заметно в опытных образцах

(таблица 22), особенно при использовании аэрации сусла. В этом случае снижение фракции А по сравнению с исходной величиной составляет 58 %, в то время как в контроле и в образце с обработанными дрожжами соответственно 45 и 52 %. В готовом пиве опытных вариантов содержание высокомолекулярных белков на 1323 % меньше, чем в контрольном. Исходя из этого, можно предположить, что предферментационная обработка дрожжей и аэрация сусла окажут положительное влияние на коллоидную стойкость готового напитка.

Таблица 22 - Показатели пива, характеризующие склонность напитка к коллоидному помутнению

Вариант Общие полифенолы, мг/дм3 Антоцианогены, мг/дм3 Таниновый показатель, ед. опт. плот. Фракция А "3 белка, мг/100 см Тест 2/1, ед. опт. плот. Холодная муть, ед. опт. плот.

Исходное сусло 273 156 0,48 19,0 0,56 0,40

Молодое пиво

Контроль (7 сут) 235 134 0,39 13,5 0,41 0,35

Аэрация сусла (6 сут) 220 120 0,35 8,7 0,37 0,30

Аэрообработка дрожжей (6 сут) 229 128 0,37 10,2 0,39 0,32

Готовое пиво

Контроль 202 121 0,31 10,4 0,38 0,31

Аэрация сусла 191 110 0,27 8,0 0,31 0,25

Аэрообработка дрожжей 194 114 0,29 9Д 0,36 0,29

Наиболее адекватную информацию о состоянии коллоидных систем пива и о склонности его к помутнению дают методы, основанные на определении интенсивности помутнения напитка на холоде - тест 2/1 и показатель «холодная муть» [232]. Для образцов молодого и готового пива, полученных с использованием аэрации сусла и обработанных дрожжей, характерны низкие значения этих показателей по сравнению с контролем.

Приведенные результаты свидетельствуют, что, несмотря на различный начальный уровень кислорода в среде, опытные образцы молодого и готового пива по величине показателей, характеризующих склонность напитка к коллоидному помутнению, близки между собой. Вероятно, начальная концентрация кислорода в сусле не оказывает значительного влияния на коллоидную стойкость пива вследствие его быстрого потребления дрожжами. Меньшая концентрация полифенолов и высокомолекулярных белков в опытных образцах связана, очевидно, с опосредованным действием кислорода, интенсифицирующего обменные процессы в дрожжевых клетках данных вариантов на стадии главного брожения. Это приводит к более высокому содержанию спирта и продуктов метаболизма дрожжей, низким значениям рН. Повышенная кислотность в опытных вариантах влияет на дисперсность и растворимость белков, способствуя выделению их в осадок. Вместе с белковыми веществами осаждается и часть дубильных соединений. Кроме того, полифенолы могут вступать в реакции с альдегидами, кетонами, спиртовыми группами, концентрация которых при брожении в опытных образцах выше, чем в контроле, что приводит к изменению свойств дубильных веществ. В результате у полифенолов в большей степени проявляется способность к поликонденсации и полимеризации, укрупнению их молекул и выпадению в осадок. Это, в свою очередь, стабилизирует коллоидный состав пива.

Стойкость всех исследуемых образцов готового пива была одинаковой и составила 7 дней.

Одной из характеристик качественного пива является способность к пенообразованию. По величине этого показателя пиво, полученное с использованием обработанных дрожжей, близко к контрольному, в то время как в образце с аэрацией сусла несколько ниже пенообразование и меньше пеностойкость (таблица 21). Возможно, это связано с большим удалением из напитка высокомолекулярных белков, играющих важную роль в образовании прочной пены [24, 37, 184, 309].

Обобщая вышеприведенные результаты исследований, можно заключить, что дополнительное снабжение дрожжей кислородом как на стадии подготовки инокулята, так и при аэрации сусла, позволяет получить готовое пиво, характеризующееся по ряду косвенных показателей меньшей склонностью к коллоидному помутнению. Однако, в связи с тем, что аэрация сусла приводит к повышенному образованию метаболитов клеток, отрицательно влияющих на вкус и аромат напитка, предферментационная обработка дрожжей с точки зрения качества является предпочтительней.

4.1.1.6 Эффективность предферментационной аэрообработки для дрожжей разных штаммов и в зависимости от кратности ее применения

Как было показано в п. 4.1.1.1, различные расы пивных дрожжей отличаются по потребности в кислороде. Использование для сбраживания среды штаммов дрожжей с низкой и умеренной потребностью в кислороде, и накапливающих значительное количество стеринов, возможно, позволит исключить аэрацию сусла перед введением в него инокулята, так как в первом случае она нежелательна, а во втором, с точки зрения физиологии дрожжей, не обязательна.

Была исследована эффективность кратковременной аэрации на стадии подготовки инокулята на качественные показатели дрожжей, имеющих низкую и умеренную потребность в кислороде.

В работе использовали производственные пивные дрожжи штаммов 11 и 776 шестой-седьмой генераций, относящиеся по потребности в кислороде соответственно к 1-й и 2-й группе. Аэрообработку семенных дрожжей и процесс сбраживания пивного сусла проводили при тех же параметрах, что и в случае расы 8(а) М. Для сбраживания использовали сусло с содержанием кислорода 4±0,5 мг/дм3.

В динамике брожения определяли убыль экстрактивных веществ среды и концентрацию дрожжевых клеток во взвешенном состоянии. На основании полученных кривых размножения и изменения массовой доли сухих веществ рассчитывали среднее время генерации, выход клеток, скорость сбраживания и точку флокуляции.

Из характеристики технологических свойств исследуемых штаммов дрожжей (таблица 23) видно, что предферментационная обработка культуры интенсифицирует процесс сбраживания экстракта сусла и размножение клеток, причем в большей степени эффект активации проявляется для расы 776, обладающей умеренной потребностью в кислороде. Так, например, если время сбраживания 1 % экстракта для этой расы уменьшилось на 29 % по отношению к контролю, то для штамма 11 - на 23 %. Сокращение времени генерации для этих рас дрожжей соответственно равно 27 и 25 %.

Таблица 23 - Влияние аэрообработки на технологические характеристики

дрожжей

Раса дрожжей Вариант Время сбраживания 1 % экстракта, ч Время генерации, ч Выход клеток, млн кл/см3 Точка флокуляции, %

11 Контроль 22 40 37,5 19,8

Опыт 17 30 40,0 17,9

776 Контроль 24 63 28,2 25,6

Опыт 17 46 31,3 22,0

Использование обработанных дрожжей приводит к увеличению выхода клеток (на 7-11 %) и снижению точки флокуляции, которое для штамма 11 составляет 10 %, а для штамма 776 - 14 % в сравнении с контролем.

Экспериментальные данные позволяют сделать вывод, что аэрообработку дрожжей на стадии подготовки инокулята можно использовать как один из способов активации их жизнедеятельности, эффективность действия которого возрастает по мере увеличения потребности культуры в кислороде.

Из литературы известно, что у дрожжей, растущих в анаэробных условиях, уже через 4-6 клеточных генераций развивается потребность в молекулярном кислороде [129]. Содержание липидов и жирных кислот в каждой последующей генерации уменьшается. При повторном брожении недостаток стеринов и фосфолипидов с ненасыщенными жирными кислотами снижает структурную стабильность микробной плазмы клетки, способствует увеличению количества жирных кислот с незначительной молекулярной массой, что приводит к меньшей устойчивости дрожжей к этанолу. Кроме того, часть жирных кислот переходит в пиво, ухудшая его физико-химические и органолептические характеристики.

Представляло интерес выяснить число циклов брожения, в течение которых у дрожжей, подвергнутых предферментационной обработке, сохраняется пониженная потребность в кислороде.

Постановка эксперимента заключалась в следующем. Производственные дрожжи расы 8(а) М шестой генерации подвергали аэрообработке в оптимальных условиях, описанных ранее. Сбраживание 11 %-го сусла в первом цикле осуществляли исходной культурой клеток без аэрации (контроль) и обработанной дрожжевой суспензией (опыт). По окончании процесса ферментации снятые дрожжи сразу же вводили в следующий цикл брожения. При этом дрожжи опытного образца повторной аэрации не подвергали. Сусло в контрольном и в опытном вариантах воздухом не насыщали (концентрация кислорода,

-5

растворенного естественным путем, составляла 4±0,5 мг/дм ). В динамике брожения определяли концентрацию клеток во взвешенном состоянии, массовую долю сухих веществ и спирта.

Как видно из полученных данных (таблица 24), в первом цикле брожения предферментационная обработка дрожжей обеспечивает более интенсивное размножение клеток, сбраживание экстрактивных веществ среды и накопление спирта по сравнению с контролем, что может быть свидетельством снижения потребности клеток в кислороде.

Повторное брожение с использованием дрожжей контрольного образца характеризуется меньшим приростом биомассы (на 36 %) в сравнении с первым

циклом, значительным снижением скорости сбраживания сухих веществ и образования этилового спирта.

В опытном образце значения исследуемых показателей ниже, чем в первом цикле, но, все же, они остаются на более высоком уровне, чем в контроле при повторном брожении. И хотя интенсификации обменных процессов в опытном варианте уже не происходит, можно сказать, что эти дрожжи еще сохраняют низкую потребность в кислороде, чего нельзя отметить в контрольном образце.

Таблица 24 - Эффективность аэрообработки дрожжей в зависимости от

кратности ее применения

Показатель Вариант Продолжительность брожения, сут

0 1 2 3 4 5 6 7

I цикл брожения

Концентрация дрожжей, млн кл/см3 Контроль 20,0 29,6 45,8 51,7 50,3 20,9 19,5 13,3

Опыт 20,0 42,0 54,1 56,5 40,3 25,1 18,4 12,0

Видимый экстракт, % Контроль 11,0 10,5 9,4 7,9 6Д 5,2 4,8 4,4

Опыт 11,0 10,4 9,3 7,4 5,9 4,8 4,4 4,3

Спирт, % масс. Контроль - - 0,29 0,87 1,68 2,46 2,65 2,76

Опыт - - 0,51 1,32 2,07 2,60 2,79 2,83

II цикл брожения

Концентрация дрожжей, млн кл/см3 Контроль 20,0 22,3 37,6 44,2 23,0 15,6 11,2 9,8

Опыт 20,0 32,3 40,8 49,5 34,7 18,2 13,3 10,5

Видимый экстракт, % Контроль 11,0 10,6 10,0 9,2 7,8 6,8 6,3 5,9

Опыт 11,0 10,5 9,8 8,9 7,3 5,8 5,2 4,6

Спирт, % масс. Контроль - - 0,25 0,66 1,29 1,68 1,80 1,85

Опыт - - 0,45 1,03 1,68 2,17 2,48 2,64

Таким образом, эффект снижения потребности в кислороде, полученный на стадии предферментационной обработки, сохраняется у дрожжей в течение двух циклов брожения.

4.1.1.7 Производственные испытания способа аэрообработки пивных семенных дрожжей

Производственную апробацию получения пива с применением дрожжей, подвергнутых аэрообработке, осуществляли в условиях Кемеровского и Омского пивзаводов. В качестве контрольных использовали те способы обеспечения дрожжей кислородом, которые были приняты на каждом из этих предприятий: на первом заводе - за счет естественного растворения воздуха в сусле (1 вариант); на втором - путем аэрации сусла до введения в него дрожжей (2 вариант). В опытных образцах в обоих случаях использовали неаэрированное сусло и дрожжи, подвергнутые аэрообработке.

Для сбраживания применяли охмеленное пивное сусло, полученное по технологии сорта «Жигулевское» и дрожжи расы 11 пятой и восьмой генерации. Предферментационную обработку дрожжевой культуры проводили при следующих параметрах: соотношение дрожжи-молодое пиво 1:2, длительность аэрации 30 минут, выдержка без доступа воздуха в герметично закрытом монжю 2,5 ч, температура обработки 1-2 °С. Введение дрожжей в сусло осуществляли из

-5

расчета 20 млн кл/см сусла. Главное брожение и дображивание вели по режиму для данного сорта пива.

Результаты производственных испытаний представлены в таблице 25 и 26, акты промышленной апробации приведены в приложении В.

Из полученных данных (таблица 25) видно, что предварительная обработка дрожжей усиливает процесс размножения клеток. Причем в опытных образцах (Оь О2) максимальное накопление клеток наблюдается на одни сутки раньше по сравнению с контрольными. Прирост биомассы в опыте 1 больше в 2,9 раза по отношению к исходному засеву, в контроле 1 - в 2,6 раза, однако в контроле 2 и опыте 2 значения данного показателя оказались сопоставимы (3,5 раза).

Таблица 25 - Показатели, характеризующие размножение дрожжей

и интенсивность сбраживания пивного сусла в условиях производства

Завод Показатель Образец Продолжительность брожения, сут

0 1 2 3 4 5 6 7

Кемеровский (1 вариант) Концентрация дрожжей, млн кл/см3 К1 20,0 25,0 36,0 48,3 51,5 45,2 39,3 33,5

01 20,0 24,3 48,5 58,4 50,0 43,8 36,2 31,0

Бродильная активность, г С02/г СВ дрожжей К1 0,52 0,56 0,69 0,70 0,57 0,55 0,53 0,51

01 0,63 0,78 0,86 0,80 0,64 0,58 0,56 0,54

Видимый экстракт, % К1 10,9 10,3 9,3 8,0 6,7 5,4 4,7 4,6

01 10,9 10,4 8,0 6,2 5,1 4,8 4,5 4,4

Омский (2 вариант) Концентрация дрожжей, млн кл/см3 к2 20,0 41,5 52,3 62,7 69,2 56,5 38,1 31,0

о2 20,0 46,7 58,1 70,0 61,5 58,3 41,2 33,2

Бродильная активность, г С02/г СВ дрожжей к2 0,42 0,49 0,54 0,61 0,49 0,33 0,28 0,20

о2 0,54 0,59 0,65 0,70 0,56 0,36 0,27 0,22

Видимый экстракт, % К2 11,0 10,4 10,2 9,87 8,39 7,69 5,99 4,58

02 11,0 10,3 9,5 8,56 7,67 6,51 5,12 4,32

Сравнивая бродильную активность дрожжей опытных и контрольных образцов, можно отметить, что на протяжении всего периода ферментации величина ее в дрожжах, подвергнутых аэрообработке, выше, чем у неаэрированных клеток. Максимальное значение бродильной активности дрожжей опытных вариантов на 15-23 % больше контрольных и в опыте (1) достигается на сутки раньше своего контроля.

Аэрообработка инокулята интенсифицирует процесс сбраживания экстрактивных веществ сусла, что более заметно проявляется в первом варианте. Массовая доля сухих веществ, полученная в опытном образце (1) на 6-е сутки, достигается в контрольном позже - на 7-е сутки. Во втором варианте сокращение длительности главного брожения не столь существенно и составляет приблизительно 12 часов.

После окончания брожения молодое пиво направляли на дображивание при температуре 1-2 °С в течение 21 суток. В таблице 26 представлены физико-химические показатели готового пива, полученного в производственных условиях при разных условиях снабжения дрожжей кислородом.

Таблица 26 - Показатели качества готового непастеризованного пива,

полученного в условиях производства

Показатель Кемеровский завод (1 вариант) Омский завод (2 вариант)

К1 О1 к2 о2

Спирт, % масс. 2,84 2,93 2,89 3,05

Степень сбраживания действительная, % 50,3 52,7 51,8 52,9

рН 4,41 4,33 4,42 4,35

Кислотность, к. ед. 2,10 2,16 2,15 2,28

Цвет, ц. ед. 1,31 1,25 0,84 0,77

Ацетальдегид, мг/дм3 1,6 1,4 2,5 1,7

Диацетил, мг/дм3 0,59 0,40 0,52 0,35

Ацетоин, мг/дм"' 2,41 2,13 2,16 1,82

Высшие спирты, мг/дм"' 72 67 78 62

Пенообразование, мм 34 39 35 38

Пеностойкость, мин 3,4 3,6 3,6 3,8

Стойкость пива, сут 7 7 7 7

Анализируя результаты, следует отметить, что все опытные образцы (Оь О2) напитка характеризовались повышенной концентрацией этанола и меньшим содержанием высших спиртов, диацетила, ацетоина и ацетальдегида по сравнению с контрольными образцами. Данная тенденция особенно проявилась в экспериментальном пиве второго варианта, что положительно сказалось на его вкусо-ароматических достоинствах.

Различий в показателе стойкости как в первом, так и во втором варианте не наблюдалось. По дегустационной оценке опытный образец пива в первом

варианте находился на уровне контрольного (24,0 и 23,8 балла), а во втором -превосходил его по органолептическим характеристикам (24,6 балла против 23,3).

Таким образом, производственные испытания способа аэрообработки дрожжей перед введением в среду сбраживания подтвердили результаты, полученные в лабораторных условиях, и позволили сделать следующие выводы.

Предферментационная обработка дрожжевой суспензии приводит к повышению ее бродильной активности на 21-29 % по сравнению с исходными дрожжами, способствует умеренному увеличению биомассы клеток.

Скорость и степень сбраживания пивного сусла обработанными дрожжами выше, чем в случае применения неаэрированного сусла и необработанных дрожжей. При этом процесс главного брожения можно сократить на одни сутки. По сравнению с аэрацией сусла предферментационная обработка дрожжей сокращает длительность главного брожения в меньшей степени - примерно на 12 часов.

Пиво, изготовленное с использованием активированных дрожжей, характеризуется меньшей концентрацией побочных продуктов, негативно влияющих на вкус и аромат готового напитка, что подтверждается органолептическим анализом.

Все вышеперечисленное свидетельствует о том, что применение дрожжей, подвергнутых аэрообработке перед введением в среду сбраживания, позволяет исключить аэрацию сусла или использовать только тот уровень растворенного кислорода, который обеспечивается за счет естественного насыщения воздухом. В этом случае интенсификация обменных процессов дрожжей идет без ухудшения качества готового пива.

На основании проведенных исследований влияния аэрации на стадии подготовки инокулята на физиолого-биохимические показатели культуры и процесс сбраживания сусла был разработан способ подготовки дрожжей к ферментации среды (приложение В).

Для осуществления аэрообработки используют дрожжи либо после хранения (не более 2-х суток), либо непосредственно после окончания процесса

главного брожения. В случае необходимости (если это предусмотрено технологическим процессом на конкретном предприятии), дрожжи очищают на вибросите, промывают биологически чистой водой, при обнаружении инфицирования обрабатывают кислотами. Затем дрожжи смешивают (при хранении под слоем воды ее предварительно сливают) с молодым пивом в соотношении 1:2. Дрожжевую суспензию аэрируют стерильным сжатым воздухом, поступающем от компрессора, через барботер, при температуре 1-2 °С (20-30 минут). Проаэрированную дрожжевую суспензию выдерживают в течение 2,0-2,5 часов без доступа воздуха в закрытом сборнике. Дрожжи вводят в сусло с

3 3

учетом разбавления их молодым пивом: 1,5 дм /100 дм сусла, что соответствует

3 3 3

0,5 дм густых дрожжей на 100 дм среды, либо из расчета 20 млн кл/см сусла.

Внедрение предложенного способа не требует существенных изменений аппаратурной схемы производства пива и обеспечит увеличение на 4 % в год выпуска продукции при естественном насыщении сусла воздухом, а в случае замены аэрации среды - сокращение расхода электроэнергии в стоимостном выражении в 3 раза (результаты расчета даны в приложении Г).

На способ подготовки дрожжей к сбраживанию пивного сусла получено авторское свидетельство СССР № 1349240 [17] (без опубликования в открытой печати).

4.1.2 Снижение потребности пивных дрожжей в кислороде с использованием автолизата микробной массы

Уменьшить потребность дрожжей в кислороде и создать условия для синтеза стеринов и ненасыщенных жирных кислот в клетках культуры возможно не только аэрацией сусла или инокулята. Другой путь решения этой проблемы -увеличение количества в среде культивирования непосредственно самих факторов

анаэробного роста [146, 224, 226, 229], что особенно важно при замене солода несоложеным сырьем в больших количествах.

В частности, известны такие способы обогащения пивного сусла липидными компонентами, как внесение липазы на стадии затирания [146], препаратов (автолизатов, термолизатов, ферментолизатов) из дрожжевой биомассы или других видов сырья [67, 71,81, 192, 220, 229].

Данные препараты получают плазмолизом дрожжей с дальнейшим распадом белков протоплазмы под действием собственных ферментов клетки или специально вводимых ферментных препаратов. Автолизаты характеризуются широким комплексом биологически активных веществ, синтезированных самой клеткой в процессе роста [56, 67, 194, 255, 328]. Однако нужно отметить, что в случае использования автолизатов дрожжей происходит оптимизация состава среды культивирования в большей степени по различным группам азотистых веществ, и значительно меньше - по липидным составляющим. Это не в полной мере обеспечивает нормальный уровень размножения дрожжей, необходимую степень сбраживания пива в условиях низкой концентрации кислорода в среде ферментации при эксплуатации закрытых систем осветления и охлаждения сусла, бродильных аппаратов большой единичной мощности.

Существует множество приемов и методов получения автолизатов из микробной биомассы: в присутствии хлорида натрия, суперфосфата, молочнокислых бактерий и т.д. [192, 328, 398].

Нами предложен способ обогащения пивного сусла факторами анаэробного роста дрожжей, интенсификации главного брожения при низком уровне кислорода в среде, повышения качества готового пива путем использования специально подготовленного автолизата [18, 224].

Автолизат готовили следующим образом: избыточные пивные дрожжи разбавляли водой (1:1), продували сжатым воздухом 20-40 минут при температуре 2 °С, выдерживали суспензию 24 ч при 50 °С и затем стерилизовали под давлением 0,1 МПа в течение 30 мин. Готовый препарат вводили в охлажденное охмеленное сусло в количестве 2-6 % к объему среды. Параметры

обработки и доза автолизата являются оптимальными и определены в ранее проведенных исследованиях.

Аэрация дрожжей, идущих на приготовление автолизата, нужна для синтеза в клетках стеринов и ненасыщенных жирных кислот. Последующее внесение автолизата из таких дрожжей в сусло обогащает его необходимыми липидными соединениями, что гарантирует нормальную жизнедеятельность дрожжей в среде с низким содержанием кислорода.

Был изучен процесс ферментации пивного сусла с автолизатом, приготовленным разными способами: с использованием аэрации дрожжей и без нее. Сбраживание сусла с экстрактивностью 11 % осуществляли дрожжами расы 8(а) М при температуре 6-8 °С. Для получения автолизата был взят этот же

-5

штамм дрожжей. Концентрация кислорода в сусле - 4±0,5 мг/дм .

Варианты сравниваемых образцов приведены в таблице 27, а показатели сусла и готового пива - на рисунке 26 и 27.

Таблица 27 - Варианты сбраживания сусла с использованием различных

автолизатов дрожжей

Вариант Аэрация дрожжей при получении автолизата Доза внесения автолизата, % к объему среды Аэрация сусла перед введением дрожжей

Контроль - - без аэрации

Опыт 1 20 мин 6 без аэрации

Опыт 2 40 мин 2 без аэрации

Опыт 3 30 мин 4 без аэрации

Опыт 4 без аэрации 4 без аэрации

Опыт 5 - - с аэрацией

Добавление в сусло автолизата из биомассы, предварительно подвергнутой продувке воздухом (опыт 1 - опыт 3), позволяет достичь большего уровня в среде по отношению к контролю требующихся дрожжам стеринов (в 1,2-2,4 раза), ненасыщенных жирных кислот (на 61-92 %), а также азота аминокислот (на 715%) (рисунок 26). Это, в свою очередь, способствует лучшему размножению

культуры, что приводит к ускорению процесса главного брожения на 1-1,5 суток и достижению нужной степени сбраживания экстрактивных веществ сусла (рисунок 27, а) без ухудшения качества готового напитка (рисунок 27, б, в).

контроль отгьпЦ оньп 2 опыт 3 опыт 4 опыт 5 □ кислород О сгеринь; ИННЖК Наминный ¿'¡от -107

Рисунок 26 - Содержание кислорода, стеринов, ненасыщенных жирных кислот (ННЖК) и аминного азота в сусле с добавлением или без внесения автолизата дрожжей

Пиво опытных образцов 2, 4, 5 характеризовалось устойчивостью к образованию помутнений на уровне контрольного варианта, в то время как готовый напиток 1 и 3 имел значение этого показателя на одни сутки больше (таблица 28).

Таблица 28 - Влияние различных способов получения автолизатов дрожжей на пенообразование и стойкость готового пива

Показатели Вариант

контроль опыт 1 опыт 2 опыт 3 опыт 4 опыт 5

Высота пены, мм 35 42 41 42 38 39

Пеностойкость, мин 3,6 4,5 4,2 4,4 3,9 3,8

Стойкость непастеризованного пива, сут 7 8 7 8 7 7

а)

контроль опыт 1 опыт 2 опыт 3 опыт 4 опыт 5

□ спирт, % об. □ кислотность, к. сд. □ цвет, ц. ед.

□ высшие спирты !О1 □ ацетальдегид Шдиацетил-10 1

Рисунок 27 - Величина (а) действительной степени сбраживания (в скобках - фактическое время брожения, сут.), б) отдельные показатели качества готового пива и в) содержание летучих продуктов в напитке

Все опытное пиво в зависимости от варианта отличалось от контрольного повышенным пенообразованием (на 3-7 мм) и пеностойкостью (на 2-9 мин).

При производстве пивного сусла с внесением автолизата, полученного из дрожжевой суспензии, предварительно подвергнутой аэрации в течение менее 20

минут, и введенного в количестве менее 2 % к объему среды, не происходило сокращения длительности главного брожения. В том случае, когда автолизат готовили из дрожжей, обработанных воздухом более 60 минут, и вносили в сусло в количестве более 6 % к его объёму, наблюдалось ухудшение качества готового напитка.

На способ изготовления пивного сусла с повышенным содержанием факторов анаэробного роста дрожжей получено авторское свидетельство СССР №1778173 [18].

Проведенные исследования по разработке способов снижения потребности пивных дрожжей в кислороде позволяют сделать следующие выводы.

Недостаток необходимых клетке стеринов и ненасыщенных жирных кислот можно восполнить различными приемами. Один путь - создание условий для синтеза данных липидных компонентов посредством аэрации сусла или инокулята.

Изучение потребности в кислороде дрожжей, используемых в отечественном пивоварении, выявило, что исследуемые штаммы обладают низкой (11, Р, 41, 7Г № 126), умеренной (70, 776) и высокой (8 (а) М, Б-Львовская, 44) потребностью в данном компоненте среды. Установлено, что дрожжи, имеющие низкую и умеренную потребность в кислороде, синтезируют больше стеринов.

Показано, что подготовка дрожжей перед введением в сусло путем 20-30-тиминутной аэрации и последующей анаэробной выдержки в течение 2-3 ч при температуре 2-4 °С приводит к увеличению в клетках стеринов в 4-7 раз и, тем самым, существенно снижает их потребность в кислороде. Бродильная активность инокулята при этом увеличивается на 15-20 %.

Наиболее благоприятной средой инкубации дрожжей при аэрообработке является молодое пиво, что подтверждается результатами исследований интенсивности стеринообразования, активности отдельных ферментов подготовительной стадии брожения, гликолиза и цикла трикарбоновых кислот.

Изменение физиолого-биохимических функций дрожжей в зависимости от условий снабжения клеток кислородом свидетельствует о целесообразности

аэрации ииокулята в сравнении с аэрацией сусла, т.к. в первом случае интенсификация обменных процессов культуры приводит к меньшему образованию метаболитов, что положительно сказывается на вкусоароматических характеристиках напитка.

Эффект снижения потребности в кислороде сохраняется у дрожжей в течение двух циклов брожения. Предферментационная аэрообработка инокулята может быть использована и как способ активации жизнедеятельности дрожжей с низкой и умеренной потребностью в кислороде.

Производственные испытания подтвердили, что предложенный способ снижения потребности пивных дрожжей в кислороде путем предварительного насыщения инокулята кислородом воздуха в среде молодого пива с последующей выдержкой без кислорода воздуха позволяет исключить аэрацию сусла, не ухудшая при этом протекание процессов главного брожения и качество готового пива.

Другим путем обеспечения дрожжевых клеток нужными липидными соединениями является обогащение самой сбраживаемой среды факторами анаэробного роста за счет использования специально подготовленного автолизата. Введение препарата в количестве 2-6 % к объему сусла способствует оптимизации состава среды как по липидным, так и другим составляющим вносимой добавки, что приводит к ускорению процесса главного брожения в условиях низкой концентрации кислорода в среде, повышению качества готового продукта.

4.2 Применение пищевых подкормок на стадиях хранения семенных дрожжей и подготовки инокулята к ферментации сусла

4.2.1 Оценка воздействия среды и длительности хранения на физиологическое состояние и активность ферментов пивных дрожжей

Важным этапом в процессе ведения дрожжевой культуры в производстве является ее хранение и подготовка к следующему циклу брожения [24, 81, 146, 195, 196, 341]. Условия выполнения данных операций не всегда удовлетворяют необходимым требованиям, что приводит к ухудшению состояния дрожжей, отрицательно влияет на процесс сбраживания пивного сусла и, в конечном итоге, на физико-химические и органолептические показатели готового пива.

В производственной практике в качестве среды хранения семенных дрожжей можно использовать воду, пивное сусло, молодое пиво [24, 81, 139, 184, 195, 196]. Однако в литературе отсутствуют исследования по сравнительной эффективности этих сред суспендирования дрожжей и процессам, происходящим при длительном хранении культуры.

Исходя из этого, была сформулирована задача данного этапа работы -оценить изменение отдельных показателей как среды хранения инокулята, так и самой культуры, и предложить рациональные условия содержания дрожжей до начала ферментации сусла.

Постановка эксперимента в лабораторных условиях заключалась в следующем. Производственные дрожжи расы С34 третьей-седьмой генерации, снятые после окончания брожения, смешивали с разными средами (водой, охмеленным пивным суслом экстрактивностью 11 % или молодым пивом) в соотношении 1:1 и хранили при температуре 2-4 °С от 2-х до 4-х суток.

Влияние дрожжей на состав среды в процессе хранения оценивали по изменению рН, кислотности, аминного азота (рисунок 28).

О 1 2

Продолжительность хранения.

сут.

40

н 35 о „

30 25 20 15 10 5

и

г; о

б)

I

0 1 2 Продолжительность хранения, сут.

В)

Продолжительность хранения,сут. ■ вода ■ молодое пиво □ сусло

Рисунок 28 - Изменение показателей среды в процессе хранения дрожжей: а) рН, б) кислотность, в) аминный азот

Характер трансформирования исследуемых показателей связан с тем, в какой среде хранят дрожжи. Нахождение дрожжей под слоем воды в течение двух суток приводит к резкому снижению рН (на 2 ед. в сравнении с исходной величиной), значительному возрастанию кислотности и появлению аминокислот в среде инкубации.

При использовании молодого пива и охмеленного сусла происходит наоборот - повышение рН, причем в большей степени (на 0,9 ед.) при хранении дрожжей в пиве. Кислотность среды увеличивается - в первом случае в 2,1 раза, во втором - в 2,7 раза по отношению к начальному значению.

Наблюдается нарастание аминного азота в среде хранения - более существенное при нахождении дрожжей под слоем молодого пива, чем сусла (соответственно на 71 и 44 % по сравнению с исходной величиной).

Происходящие изменения, очевидно, связаны с потерей проницаемости клеточной оболочки дрожжей в неблагоприятных условиях, и начавшимся автолизом. Результатом этих процессов является выделение в среду содержащихся в клетках веществ (белков, аминокислот, ферментов, жирных кислот и др.), которые впоследствии негативно влияют на фильтруемость пива, его коллоидную стабильность и пеностойкость [24, 81, 139, 184, 195, 196].

Оценка физиологического состояния дрожжей в процессе хранения свидетельствует (рисунок 29), что из всех исследуемых сред наиболее отрицательное воздействие на культуру оказывает вода. Количество клеток с гликогеном и почкующихся в сравнении с исходной величиной снижается на 50 %, а содержание мертвых клеток возрастает на 40 %. Это объясняется отсутствием в данной среде инкубации питательных веществ, а также быстрым расходованием запасов внутриклеточного гликогена на поддержание жизнедеятельности клетки.

Самая благоприятная среда суспендирования дрожжей - пивное сусло. Хранение культуры в течение первых двух суток приводит к увеличению в 2 раза клеток с гликогеном и почкующихся, и резкому сокращению (на 36 %) клеток нежизнеспособных. Полноценность состава среды, включающей необходимое количество углеводов, азотистых веществ, микроэлементов, витаминов, обеспечивает рост и размножение дрожжевой культуры.

Однако дальнейшее нахождение биомассы под слоем сусла без смены среды приводит к ухудшению исследуемых показателей. Особенно значительные изменения наблюдаются в содержании клеток с гликогеном: к четвертым суткам инкубации их количество достигло исходного значения. Вероятная причина этого то, что дрожжи при высокой концентрации биомассы в среде за достаточно короткий период времени сбродили сахара сусла, а образовавшиеся продукты метаболизма начали оказывать свое неблагоприятное влияние на жизненную активность культуры.

2

0

;

1

и

Р

о

45 40 35 30 25 20 15 10 5

а

/ V \

/ х \

А А \

/V т

1 —< -- _

1-1 II ---д

к

I. 3

м Ю

9 о

о н

е с

а чо

й ° н о

а

0 12 3 4 Длительность хранения, сут.

р 3

£Ъ о

а .г

93

Е г

и

70 65 60 55 50 45 40 35 30 25

40 35 30 25 20 15 10 5

0 12 3 Длительность хранения, сут.

В)

______г

ЕГ —л—

/

-__1'

X

0 12 3 4

Длительность хранения, сут. вода со сменой —□— пиво со сменой пиво без смены —а— сусло со сменой сусло без смены

Рисунок 29 - Влияние среды хранения на количество дрожжевых клеток а) с гликогеном, б) почкующихся, в) мертвых

о

Аналогична суслу, но менее выражена, трансформация физиологических показателей дрожжей, хранящихся под слоем молодого пива. В первые сутки хранения количество клеток с гликогеном возросло на 55 % по отношению к начальной величине, почкующиеся практически не изменились, содержание мертвых клеток снизилось на 40 %. Далее эти показатели ухудшаются, что особенно наглядно проявляется в увеличении нежизнеспособных клеток.

В молодом пиве в сравнении с суслом питательных веществ недостаточно, хотя еще имеются несброженные сахара, аминокислоты, но в то же время содержится спирт, побочные продукты, подавляющие в определенной степени размножение и развитие дрожжей.

На состояние дрожжевой культуры оказывает влияние периодическая смена среды в процессе хранения. Обращает на себя внимание изменение в меньшей степени качественных показателей дрожжей при ежедневной смене среды, чем при хранении культуры постоянно под слоем однотипной среды (рисунок 29).

Одним из важнейших технологических показателей дрожжей является их способность к флокуляции. Считается, что если объем осадка через 10 минут

-5

отстаивания дрожжевой суспензии больше 5 см , то клетки хорошо флокулируют,

-5

если меньше 5 см , то клетки оседают слабо [303].

Была определена флокуляционная способность дрожжей различных генераций и разных сроков хранения под слоем молодого пива в условиях пивзавода, причем температура в дрожжевом отделении составляла 6 °С.

Результаты свидетельствуют (таблица 29) о более медленном оседании клеток при длительном хранении дрожжей, что наглядно видно на примере 8-й генерации, хранившейся 4 и 7 суток. Важно отметить, что на флокуляцию отрицательно влияет также высокая температура хранения культуры.

Таблица 29 - Флокуляционная способность дрожжей (раса С34)

в зависимости от генерации и длительности хранения

Генерация дрожжей Срок хранения, сут Длительность осаждения, мин

3 5 10

Объем осадка, см3

8' 4 4,0 4,2 4,6

8" 7 3,2 3,4 3,6

9 7 3,4 3,6 4,2

Использование таких дрожжей для сбраживания сусла может быть причиной плохого осветления пива и дальнейших проблем с его фильтрованием, биологической и коллоидной стойкостью. Кроме того, практика действующих пивзаводов подтверждает данный факт и показывает, что применение некоторых импортных рас дрожжей (например, 308, 129, 34), особенно в режиме теплого

брожения, приводит к плохому оседанию клеток в конце процесса ферментации [393].

Помимо этого, при длительном хранении дрожжевой культуры в отсутствии индуцирующих концентраций мальтозы или ассимилируемого азота происходит потеря мальтозопермеазной активности, отвечающей за перенос мальтозы внутрь клетки для последующего ее расщепления. В подобных условиях длительность брожения увеличивается на время, необходимое клетке для синтеза новых ферментов.

Анализ влияния среды хранения на активность некоторых ферментов (мальтазы, зимазы) дрожжей (раса 129 третьей-седьмой генерации) показывает следующее (рисунок 30).

12 3 4 Длительность хранения, сут.

60

=t о 50

3 а 40

£

п 30

-а

5 20

X

03 = 10

1 0

к

VJ \

\

>

1 2 3 4 5 Длительность хранения, сут.

■вода

молодое пиво

■пивное сусло

Рисунок 30 - Влияние среды хранения на активность ферментов дрожжей: а) мальтазы, б) зимазы

В водной среде и в молодом пиве мальтазная активность клеток снижается, причем в первом случае изменения более выражены. На третьи сутки хранения дрожжевой биомассы под водой активность данного фермента составляет лишь 27 % от исходной величины, в то время как при хранении под слоем молодого пива 73 %.

Иной, синусоидальный, характер имеет мальтазная активность клеток при использовании в качестве среды инкубации пивного сусла. После некоторого снижения активность мальтазы возрастает и достигает своего максимума на вторые сутки хранения дрожжей. В этой точке активность фермента на 27 % больше, чем в исходной культуре. Дальнейшее пребывание дрожжей в сусле снижает их ферментативную активность, однако, несмотря на это, значение ее все же выше, чем в дрожжах, находившихся под водой и молодым пивом.

Известно [81, 123, 174, 445], что а-глюкозидаза - адаптивный биокатализатор, то есть наличие его в клетке связано с присутствием в среде необходимого субстрата. Учитывая этот факт, возможно следующее объяснение изменения активности этого фермента в различных средах.

Уменьшение активности фермента при инкубировании дрожжевой культуры в воде связано с отсутствием в ней субстрата - мальтозы.

Менее выраженное в сравнении с водой понижение активности а-глюкозидазы в дрожжах, хранившихся под слоем молодого пива, определяется, вероятно, инициирующим действием присутствующих в данной среде Сахаров в небольшом количестве, декстринов, минеральных соединений, витаминов. Однако, наличие в пиве спирта и побочных продуктов брожения, приводит, по-видимому, к ингибированию активности фермента.

Полноценный состав пивного сусла, в частности углеводный (включая субстрат мальтозу), способствует в полной мере проявлению активности исследуемого фермента. Последующее снижение мальтазной активности, очевидно, связано с негативным влиянием образовавшихся при длительном хранении дрожжей продуктов обмена веществ как на саму клетку, так и ее биокатализаторы.

При хранении дрожжей в разных средах изменение зимазной активности, как и мальтазной, имеет неоднозначный характер.

Вода и молодое пиво, как среды инкубации, уменьшают активность зимазного комплекса дрожжевых клеток, причем более существенно это проявляется в первом случае: на 3-й сутки активность снизилась на 46 % по

отношению к исходной величине, во втором - на 34 %. При всем том, что биокатализаторы спиртового брожения всегда присутствуют в клетке вне зависимости от наличия в питательной среде субстрата [81, 123], дефицит последнего в рассматриваемых средах, очевидно, отражается на активности ферментов.

У дрожжей, находившихся под слоем пивного сусла, максимум активности зимазы достигается на 3-4 сутки. Дальнейшее хранение культуры способствует спаду активности катализатора, но в меньшей степени, чем при суспендировании в других средах.

Понижение активности зимазы на первые сутки хранения во всех исследуемых средах можно объяснить, по-видимому, адаптацией дрожжевой культуры к среде инкубации.

Таким образом, результаты эксперимента позволяют сделать вывод о целесообразности кратковременного (не более 1-2 суток) хранения семенных дрожжей при рекомендуемой температуре 2-4 °С в среде молодого пива или сусла без существенного ухудшения их физиологического состояния и ферментативной активности. В случае нестабильной работы предприятия и наличия перерывов в работе варочного отделения, что может привести к увеличению длительности сроков хранения дрожжей, необходимо периодически (не реже одного раза в два дня) обновлять среду, в которой находится дрожжевая биомасса.

4.2.2 Влияние пищевых подкормок на состав среды хранения, физиолого-биохимические характеристики дрожжей и процесс сбраживания сусла

Во многих случаях (при переработке солода невысокого качества, применении несоложеного сырья, получении высокоплотных сортов пива, чрезмерном обессоливании технологической воды и др.) дрожжевая культура

может испытывать нехватку микроэлементов, витаминов, азотистого питания, влияние различных стрессовых факторов [13, 81, 174, 195, 196, 341].

В настоящее время для компенсации недостатка необходимых дрожжам веществ и сглаживания стрессов предлагаются специальные препараты («подкормки для дрожжей», «питание для дрожжей»), как однокомпонентные, так и многокомпонентные, содержащие аминокислоты, витамины, минеральные вещества [160, 475-478]. Характеристика некоторых подкормок приведена в п. 1.2 (таблица 1).

В литературе имеется достаточно информации по применению пищевых подкормок на стадии ферментации сусла [53, 83, 92, 141, 160, 161, 176, 248, 254, 291, 300], но практически отсутствуют работы по использованию данных препаратов на этапе хранения дрожжевой культуры для поддержания ее в состоянии замедленной целенаправленной жизнедеятельности, а также при подготовке инокулята к сбраживанию питательной среды с целью интенсификации этого процесса.

Задача данного этапа работы - изучение влияния пищевых подкормок на различные аспекты жизнедеятельности семенных дрожжей на стадии их хранения и ферментации сусла.

Для оценки воздействия подкормок на состав среды хранения применяли препараты «Хай-Вит» и «Истекс». Семенные дрожжи (раса С34 четвертой и пятой генерации) смешивали со средой (суслом, молодым пивом, водой) в соотношении 1:1, добавляли подкормки в виде водных растворов 0,1 %-й концентрации из

-5

расчета 4,0 г/100 дм (рекомендуемая производителями дозировка 1,0-4,0 г/100

-5

дм сусла) и выдерживали в течение двух суток при 2-4 °С. Контролем служили дрожжи, хранящиеся в соответствующей среде без внесения препаратов.

Результаты исследований представлены на рисунках 31 и 32.

Полученные данные свидетельствуют, что в опытных вариантах дрожжей, хранившихся с внесением препаратов, показатели среды суспендирования трансформируются несколько в большей степени, чем в контроле (без использования препаратов).

7.5 7.0 6.5 I 6.0

о.

5.5 5.0 4.5 4.0

¡¡¡¡Щ

и ■ Л Л ■ I

7.0

МОП1