Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Аналитический обзор литературы 15
1.1 Обоснование необходимости управления биотехнологическими свойствами дрожжевой культуры 15
1.2 Способы улучшения физиолого-биохимических и технологических свойств дрожжей Saccharomyces cerevisiae 22
1.3 Характеристика отдельных добавок и препаратов для стимулирования жизнедеятельности дрожжевой культуры 29
1.3.1 Влияние кислорода, как одного их факторов среды, на обменные процессы дрожжей 29
1.3.1.1 Стерины: биосинтез и функции в клетке 39
1.3.2 Молочная сыворотка 46
1.3.3 Природные цеолитсодержащие туфы 50
1.3.4 Панты 60
1.3.5 Кислоты цикла трикарбоновых кислот 65
1.3.7 Циклодекстрины 69
Глава 2 Организация эксперимента, объекты, материалы и методы исследования 75
2.1 Организация проведения исследований 75
2.2 Объекты и материалы исследований 77
2.3 Методы исследований 78
Глава 3 Теоретическое обоснование регуляции физиолого-биохимической активности пивных дрожжей посредством модификации состава питательной среды 85
3.1 Анализ причин необходимости повышения жизненной активности пивных дрожжей 85
3.2 Классификация препаратов и добавок для стимулирования жизнедеятельности дрожжей 87
3.3 Научная концепция регулирования физиолого-биохимической активности дрожжевой культуры 94
3.3.1 Характеристика основных элементов подсистемы «факторы воздействия» 108
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 111
4.1.1 Разработка способа активации пивных дрожжей путем аэрообработки 111
4.1.1.1 Потребность различных рас дрожжей в кислороде и особенности его расходования 111
4.1.1.2 Содержание стеринов у различных штаммов пивных дрожжей Saccharomyces cerevisiae 119
4.1.1.3 Влияние условий аэрации дрожжей на биосинтез стеринов и бродильную активность культуры 121
4.1.1.4 Изменение активности некоторых ферментов дрожжей в процессе предферментационной аэрообработки 130
4.1.1.5 Особенности процессов при сбраживании пивного сусла активированными дрожжами 136
4.1.1.6 Эффективность предферментационной аэрообработки для дрожжей разных штаммов и в зависимости от кратности ее применения 160
4.1.1.7 Производственные испытания способа аэрообработки пивных семенных дрожжей 164
4.1.2 Снижение потребности пивных дрожжей в кислороде с использованием автолизата микробной массы 168
4.2 Применение пищевых подкормок на стадиях хранения семенных дрожжей и подготовки инокулята к ферментации сусла 175
4.2.1 Оценка воздействия среды и длительности хранения на физиологическое состояние и активность ферментов пивных дрожжей 175
4.2.2 Влияние пищевых подкормок на состав среды хранения, физиолого-биохимические характеристики дрожжей и процесс сбраживания сусла 182
4.2.3 Анализ основных характеристик дрожжей и процесса сбраживания пивного сусла инокулятом после кратковременной активации пищевыми подкормками 194
4.3 Разработка способа повышения физиолого-биохимической активности пивных дрожжей с применением молочной сыворотки 199
4.3.1 Влияние обработки дрожжей молочной сывороткой на их физиологические и биохимические показатели 199
4.3.2 Испытание способа активации пивных дрожжей с использованием молочной сыворотки в условиях производства 207
4.3.3 Воздействие роторно-пульсационной обработки в средах с молочной сывороткой на биотехнологические характеристики пивных дрожжей и процесс сбраживания сусла 213
4.4 Регуляция физиолого-биохимических функций активности пивных дрожжей с использованием природных минералов 230
4.4.1 Особенности отдельных характеристик дрожжевой культуры в процессе хранения в различных средах с природными цеолитсодержащими туфами 230
4.4.2 Разработка способа активации пивных сухих дрожжей минерально-органической подкормкой 249
4.4.2.1 Оценка воздействия пищевых подкормок и минеральной добавки на физиолого-биохимические показатели сухих дрожжей и процесс ферментации пивного сусла 249
4.4.2.2 Эффективность действия комбинированной минерально-органической подкормки на активность ферментов, физиологическое состояние дрожжей и сбраживание среды 259
4.4.2.3 Влияние кратности применения минерально-органической подкормки на процессы, происходящие при ферментации среды 266
4.4.2.4 Практическая реализация способа активации сухих пивных дрожжей минерально-органической подкормкой 270
4.5 Разработка способа активации пивных дрожжей ультрадисперсным порошком пантов северных оленей 280
4.6 Применение смеси кислот цикла Кребса в сверхмалых дозах для активации культуры пивных дрожжей 294
Глава 5 Повышение жизнеспособности дрожжей посредством извлечения из культуральной среды ингибирующих компонентов 305
5.1 Использование природных цеолитсодержащих туфов для удаления пестицидов и микотоксинов из жидких пищевых сред 305
5.2 Оценка процесса ферментации пивного сусла и качества готового пива, полученного с применением природных минеральных сорбентов 316
5.3 Разработка способа повышения качества пива с использованием циклодекстринов 324
Заключение 330
Список условных обозначений и сокращений 333
Список литературы 333
- Обоснование необходимости управления биотехнологическими свойствами дрожжевой культуры
- Потребность различных рас дрожжей в кислороде и особенности его расходования
- Особенности отдельных характеристик дрожжевой культуры в процессе хранения в различных средах с природными цеолитсодержащими туфами
- Разработка способа повышения качества пива с использованием циклодекстринов
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.
Приоритетными факторами использования сухих дрожжей в сравнении с жидкими разводками являются: простота использования и сокращение времени и затрат труда, что связано с отсутствием необходимости содержать банк чистой культуры дрожжей (ЧКД) и дополнительного оборудования для разведения ЧК; возможность получать за короткий период времени нужный объем инокулята; точный расчет количества вносимых на брожение клеток по весу сухих дрожжей; проведение процесса брожения на чистых культурах, что позволяет обеспечить стабильное протекание основных процессов и получение стандартных физико-химических и органолептических показателей продукта; снижение потерь, связанных с возможными неудачами на этапе разведения и брожения; небольшой вес и объем, что приводит к низким затратам на хранение. При соблюдении температурного режима (меньше 10 С) обеспечивается сохранность гарантированной активности сухих препаратов на протяжении длительного срока - 2-х лет со дня выпуска; разнообразие предлагаемых штаммов для расширения ассортимента выпускаемых напитков (пива, кваса, вина и др.), что, наряду с другими вышеперечисленными факторами, упрощает планирование производства и делает его более гибким к потребностям рынка.
При всех плюсах сухих препаратов дрожжей в практике их применения на предприятиях различного профиля отмечается ряд негативных моментов.
Были зафиксированы случаи, когда при разведении сухих спиртовых дрожжей наблюдалось слабое или полное отсутствие процесса ферментации сусла [157, 248]. Некоторые авторы указывают, что использование активных сухих дрожжей для вторичного брожения в виноделии дает повышенное содержание аминного азота. Процессы при брожении не нарушаются, но ухудшаются органолептические характеристики напитка [43, 442].
Одной из причин неудач при использовании активных сухих дрожжей может быть изначально низкое их качество, обусловленное, например, разгерметизацией упаковки [157, 354].
Одни авторы [157] отмечали значительное падение жизнеспособности сухих препаратов спиртовых дрожжей после вскрытия упаковки производителя и хранения в атмосфере воздуха при 10 С в течение 2 месяцев. В других исследованиях [354] на примере сухих пивных дрожжей показано, что они отличались хорошим микробиологическим качеством, но жизнеспособность их после хранения в течение 6 месяцев снизилась на 1/3, а после 11 месяцев при температуре 3-5 С - до 20 %.
При нарушении герметичности упаковки за счет поступления кислорода происходит активация клеточных ферментов, снижение запаса гликогена, что со временем приводит к потере жизнеспособности дрожжей. Кроме того, необходимо учитывать одну из важнейших особенностей сухих дрожжей -повышенную проницаемость мембран. Это может быть причиной высокой восприимчивости таких дрожжей к наличию в среде различного рода токсикантов [13,193,255].
Данные факты заслуживают особого внимания как технологов-практиков, так и производителей активных сухих дрожжей.
Рост и размножение дрожжей возможны только при условии полноценности питательной среды [13, 28, 35, 81, 123, 292]: наличия в ней источника углерода, выполняющего функции как поставщика нужных для биосинтеза компонентов, так и энергии; усвояемого азота (органического и неорганического), выступающего в роли пластического материала; элементов минерального питания, осуществляющих не только структурную, но и функциональную роль, являясь даже в очень слабых дозах составной частью ферментативных систем, влияя на проницаемость мембран; факторов роста, необходимых клеткам в малых количествах и используемых для синтеза физиологически активных веществ, регулирующих внутриклеточный метаболизм.
Состав среды существования оказывает влияние на физиологическое состояние дрожжевой культуры (в частности, на концентрацию резервных углеводов клетки - гликогена и трегалозы, являющихся индикаторами стресса в случае «голодания» дрожжей), ее технологические характеристики (бродильную активность, способность к флокуляции) [13, 81, 164, 184, 338, 467, 468].
Потребность различных рас дрожжей в кислороде и особенности его расходования
Как было отмечено в обзоре литературы (п. 1.3.1), растворенный в среде кислород, как один из химических факторов воздействия на жизнедеятельность микроорганизмов, оказывает существенное влияние на их метаболизм. У дрожжей, растущих длительное время в анаэробных условиях, развивается значительная потребность в молекулярном кислороде [129, 348, 399, 403]. Поддержание в среде оптимальной концентрации кислорода очень важно для предотвращения нарушения хода ферментации сусла и снижения качественных показателей готового напитка. В связи с этим аэрацию среды целесообразно вести с учетом потребности дрожжей в кислороде.
В данной части работы приведены результаты изучения потребности в кислороде различных штаммов пивных дрожжей низового брожения Saccharomyces cerevisiae, используемых в отечественном пивоварении [293]: 11, 776, 8 (а) М, S-Львовская, 70, 44, 41, Р, 7Г №126.
Выявление потребности дрожжей в кислороде проводили с использованием теста, предложенного Jаkobsen M. [399]. Сущность метода заключается в вычислении показателя «W» (%), являющегося функцией средних значений массовой доли сухих веществ «ЕСР» (%), в период сбраживания 11 %-го охмеленного пивного сусла с 3 по 10 сутки при различном содержании в нем кислорода: 0; 2,0; 5,0 и 20,0 мг/дм3: W = (Еср0 + Еср20) - (Еср2 + Есрз). (3)
Согласно методике дрожжи вводили в сусло из расчета 2,5 г/дм3, брожение осуществляли при температуре 10 С.
Для сбраживания использовали 11 %-е пивное сусло с конечной степенью сбраживания 75,6 %, содержанием аминного азота 22 мг/100 см3, рН 5,5.
Различное содержание кислорода в сусле обеспечивали путем аэрации предварительно деаэрированного сусла, удаление кислорода из которого проводили автоклавированием при давлении 0,1 МПа и пропусканием диоксида углерода в ходе последующего охлаждения. Уровни 5,0±0,5 и 20,0±0,5 мг О2/дм получали путем барботирования соответственно воздуха и кислорода через деаэрированное сусло, а концентрацию 2,0±0,5 мг О2/дм - смешиванием сусла, освобожденного от кислорода и аэрированного до 5,0±0,5 мг /дм3. Начиная с третьих суток брожения по десятые, проводили отбор проб, в которых определяли массовую долю сухих веществ. На 10-е сутки сброженное сусло отделяли от дрожжей центрифугированием, биомассу дважды промывали дистиллированной водой и определяли влажность дрожжей.
В зависимости от величины показателя «W» Jаkobsen M. рекомендует следующую классификацию различных штаммов пивных дрожжей [399]:
1 группа (W 0,4) - низкая потребность в кислороде;
2 группа (0,1 W 0,4) - умеренная;
3 группа (минус 0,2 W 0,1) - высокая;
4 группа (W минус 0,2) - очень высокая.
С уменьшением значения показателя «W» потребность дрожжей в кислороде увеличивается.
В таблице 8 приведены значения «W» для исследуемых рас дрожжей. Исходя из полученных результатов, используемые штаммы могут быть отнесены к первым трем группам по потребности в кислороде. Высокие положительные значения «W» (1-2 группы) указывают на то, что нормальная жизнедеятельность дрожжей возможна при относительно небольшом уровне кислорода в среде, в то время как низкие значения этого показателя (3 группа) свидетельствуют о необходимости дополнительного насыщения сусла воздухом для стимулирования метаболических процессов в клетке.
Влияние уровня кислорода в среде на изменение видимой степени сбраживания на 10-й день брожения для дрожжей различных штаммов представлено на рисунке 9.
Как видно из полученных данных, увеличение концентрации кислорода оказывает положительное влияние на дрожжи, относящиеся к первым двум группам. При этом наибольшая величина степени сбраживания имеет место при содержании кислорода в среде 5,0 мг/дм3. Возрастание концентрации кислорода до 20,0 мг/дм3 приводит к снижению степени сбраживания для дрожжей 1-й группы, что, возможно, связано с ранним наступлением флокуляции [81], либо с инактивацией ферментов гликолиза высоким уровнем кислорода [432, 438].
Для дрожжей 2-й группы при повышении концентрации кислорода свыше 5,0 мг/дм3 не наблюдается стимулирующего влияния на сбраживание экстракта сусла. Дрожжи данной группы нечувствительны к высокому уровню кислорода в среде, и дополнительное насыщение сусла кислородом положительного влияния на процесс главного брожения не оказывает.
Дрожжи, относящиеся к 3-й группе, в интервале значений от 2,0 до 20,0 мг О2/дм? более интенсивно сбраживают углеводы среды. Для них характерно увеличение степени сбраживания с повышением содержания кислорода в сусле, что свидетельствует об их чрезвычайной чувствительности к данному компоненту среды.
Более наглядно влияние уровня кислорода на степень сбраживания представлено на рисунке 10, где приведены результаты расчета по приросту видимой степени сбраживания (ВСС) на 10 сутки ферментации сусла, содержащего соответственно 2,0; 5,0 и 20,0 мг СУдм1, к деаэрированной среде.
При содержании кислорода в среде 2,0 мг/дм увеличение ВСС незначительно, и для большинства штаммов дрожжей находится в интервале 9-18% по отношению к данному показателю, определенному при сбраживании сусла без насыщения воздухом. Возрастание концентрации кислорода до 5,0мг/дм3 дает существенный прирост степени сбраживания (24-54 %). Исключение составляет раса 70, которая в малой степени реагирует на количественные изменения кислорода в среде ферментации.
Высокий уровень кислорода в сусле (20,0 мг/дм ) наиболее четко выявляет потребность в нем исследуемых рас пивных дрожжей. При таком исходном значении кислорода в среде для дрожжей первой группы прирост ВСС по отношению к деаэрированному суслу приблизительно такой же (15-30 %), как и при 2,0 мг О2/дм3, и почти в 1,5 раза меньше, чем при 5,0 мг О2/дм3. Дрожжи, относящиеся ко второй группе, имеют одинаковую величину прироста как при 5,0, так и при 20,0 мг О2/дм , т.е. увеличение концентрации кислорода в среде выше 5мг/дм3 с точки зрения интенсификации сбраживания бесполезно. Разница в видимой степени сбраживания для дрожжей третьей группы по мере возрастания содержания кислорода в сусле продолжает расти.
На рисунке 11 показано влияние начальной концентрации кислорода в среде ферментации на прирост биомассы дрожжей по отношению к деаэрированной среде.
Особенности отдельных характеристик дрожжевой культуры в процессе хранения в различных средах с природными цеолитсодержащими туфами
Для дрожжей источником недостающих неорганических элементов в среде хранения или ферментации могут быть не только пищевые подкормки (см. п. 4.2), но и природные минералы.
Исходя из структурных особенностей и химического состава цеолитсодержащих туфов различных месторождений Сибири (см. п. 1.3.3), проведены исследования по влиянию этих минералов на физиологические показатели и активность отдельных ферментов дрожжевой культуры в процессе ее хранения.
Использовали туфы Холинского, Шивыртуйского, Пегасского месторождений. Цеолиты предварительно были отмыты от пыли, отсушены при температуре 120 С и раздроблены до частиц следующих размеров: 50-140 мкм -пегасин, 50-140 мкм - шивыртуин, менее 50 мкм - холинский минерал.
Постановка эксперимента состояла в том, что дрожжи (раса С34 четвертой-девятой генераций) смешивали со средой (водой, охмеленным пивным суслом экстрактивностью 11 % или молодым пивом) в соотношении 1:1, вносили минеральную добавку в количестве 0,5-4,0 % к объему дрожжевой суспензии и выдерживали при температуре 2-4 С в течение 2-3 суток. В качестве контроля был взят образец дрожжей, хранившихся в среде без внесения цеолита.
Как видно из полученных данных (рисунки 53-55), внесение минералов в среду хранения оказывает положительное влияние на качественные показатели дрожжей. Зависит это как от дозы туфа, так и от состава среды и длительности хранения.
Ранее было показано (п. 4.2.1), что хранение дрожжей под слоем воды, особенно длительное время, отрицательно сказывается на основных физиологических характеристиках культуры. Это подтверждается и в контрольном варианте в данной серии опытов (рисунок 53). Однако минеральные добавки снижают негативное воздействие среды на дрожжи. В опытных образцах с туфами (2-4 % к объему дрожжевой суспензии) к третьим суткам хранения содержание клеток с гликогеном в среднем в 1,9 раза больше, чем в контроле к этому же периоду времени, почкующихся клеток - в 2,5 раза выше, количество нежизнеспособных клеток примерно на 18 % меньше.
Хранение дрожжей в пивном сусле с добавлением туфов повышает эффективность воздействия состава среды на качество культуры (рисунок 54).
Если в контроле содержание клеток с гликогеном к концу хранения возросло незначительно (на 4 %) по сравнению с исходной величиной, то при внесении минеральных добавок прирост составил 9-32 %. На этот же момент времени концентрация почкующихся клеток в контрольном образце увеличивается по отношению к первоначальному значению на 15 %, а с использованием туфов - на 30-85 %. В опытных вариантах происходит существенный спад числа мертвых клеток (на 19-63 %).
Введение минералов в молодое пиво (как среды для хранения дрожжей) изменяет основные физиологические характеристики культуры аналогично предыдущей серии опытов (с суслом), но в меньшей степени (рисунок 55).
Количество клеток с гликогеном возрастает на 15-38 % в сравнении с исходной величиной (в контроле на 8 %), почкующихся клеток - на 15-30 %, в то время как в контрольном варианте происходит снижение этого показателя на 77%.
Наблюдается существенная разница в содержании мертвых клеток. Концентрация их при хранении дрожжей в молодом пиве без цеолита резко возрастает (на 71 % по отношению к исходному значению), но внесение минеральных добавок нивелирует этот процесс, и в опытных образцах прирост нежизнеспособных клеток составляет от 12 до 65 %.
Помимо среды хранения на качественные показатели дрожжей оказывает влияние состав самого минерала. Независимо от используемой среды инкубации значительный прирост клеток почкующихся и содержащих гликоген, а также большее снижение мертвых клеток происходит при добавлении холинского цеолита и шивыртуина в сравнении с пегасином.
Полученные результаты свидетельствуют о позитивном действии природных минералов в виде цеолитсодержащих туфов на физиологическое состояние дрожжевой культуры в процессе ее хранения.
Флокуляция имеет огромное значение в технологии пивоварения, поскольку этот процесс способствует осветлению пива и созданию благоприятных условий для сбора дрожжей в конце главного брожения, а также, в существенной мере, протеканию дображивания и последующего фильтрования готового пива.
На способность дрожжей к флокуляции влияют факторы различного типа: внутренние (генетическая природа дрожжей) и в большей степени внешние (состав среды ферментации, норма введения инокулята, температура главного брожения и дображивания, аэрация и др.) [13, 81, 139, 184, 380, 459]. Представляло интерес изучить воздействие цеолитсодержащих туфов на флокуляционную способность дрожжевой культуры.
В эксперименте применяли дрожжи расы 308 третьей генерации и расы С34 шестой генерации. Минеральные добавки вносили в количестве 3 % к объему дрожжевой суспензии. После каждых суток хранения отбирали пробы дрожжей для оценки способности к оседанию.
Данные таблицы 39 показывают, что внесение минеральных добавок в среду инкубации снижает флокуляцию клеток, что особенно наглядно видно на примере расы С34.
С другой стороны, полноценный состав среды приводит к возрастанию флокуляционной способности, больше всего в контрольном варианте при суспендировании дрожжей в пивном сусле. В последнем случае значение данного показателя возросло в 1,8-2,1 раза соответственно для расы 34 и 308 в сравнении с использованием воды в качестве среды хранения. Однако в образцах с добавлением минералов этот эффект сглаживается и увеличение составляет от 7 до 75 %.
Удлинение срока хранения до двух суток изменяет способность к оседанию дрожжей контрольного образца, преимущественно для расы 308, хранившейся под слоем воды и молодого пива, где происходит возрастание флокуляции в 2,7-2,5 раза соответственно по отношению к первым суткам. В этом же варианте для расы С34 наблюдается обратный процесс: снижение флокуляции на 3-5 % в зависимости от среды инкубации.
Корректировка минерального состава среды за счет внесения природных туфов повышает агглютинацию дрожжей ко вторым суткам выдержки в сравнении с первыми в случае применения холинского цеолита (в среднем на 33%) и пегасина (в среднем на 18 %), но снижает оседание клеток в опыте с шивыртуином (на 9 %).
Наблюдаемые в процессе хранения неоднозначные изменения способности дрожжей к оседанию могут по-разному отразиться на ходе дальнейшего технологического процесса и качестве готового пива: существенное возрастание флокуляции клеток способствует хорошему осветлению пива, но создает условия для недостаточно полного сбраживания экстракта сусла, ухудшения редукции диацетила.
Разработка способа повышения качества пива с использованием циклодекстринов
Исходя из характерной особенности циклодекстринов образовывать комплексы включения с различными веществами, была изучена перспектива применения данных стабилизаторов для улучшения процесса сбраживания пивного сусла и повышения коллоидной стойкости пива за счет связывания высокомолекулярных белков, полифенолов и белково-фенольных комплексов.
В работе использовали смесь гомологов циклодекстринов (а, в и у). ЦД вносили в охмеленное охлажденное пивное сусло, приготовленное по режиму для сорта пива «Жигулевское», в количестве 0,1-5,0 г/100 см3. Дозы ЦД были выбраны на основании предварительных исследований.
В сусло с добавлением смеси ЦД вводили семенные дрожжи расы 11 из расчета 20 млн кл/см и осуществляли процесс брожения при температуре 6-8С. Полученное молодое пиво дображивали в течение 21 суток при 2-3 С.
Для сравнения были взяты следующие образцы: опытные 1, 2, 3 -сбраживание сусла с внесением в него до засева дрожжами смеси а-, в- и у-циклодекстринов в количестве соответственно 0,1; 2,5; 5,0 г/100 см ; контрольный - брожение сусла без использования препарата.
Основные характеристики процесса брожения приведены в таблице 57, показатели качества готового пива представлены на рисунке 89.
Полученные данные (таблица 57) свидетельствуют, что добавление в сусло перед введением дрожжей смеси а-, в- и у-циклодекстринов способствует интенсификации размножения дрожжей, о чем можно судить по максимальному накоплению биомассы: величина этого показателя в опытных образцах 1, 2, 3 соответственно на 14; 32 и 46 % больше в сравнении с контрольным. В этих же вариантах к концу процесса главного брожения дрожжей во взвешенном состоянии было на 21; 38 и 49 % меньше, чем в контроле к этому же моменту времени. Данный факт в дальнейшем положительно отражается на степени осветления готового пива.
Создание благоприятных условий для жизнедеятельности дрожжевой культуры приводит к более глубокому сбраживанию экстрактивных веществ среды. Величина действительной степени сбраживания сусла в опытных образцах на 3-8 % выше и достигнута на 0,5-1,5 суток раньше, чем в контроле.
Готовое опытное пиво характеризуется большим содержанием спирта и более благоприятным составом ароматических веществ (высших спиртов, диацетила) и компонентов, определяющих коллоидную стойкость напитка (антоцианогенов, фракции А белка) (рисунок 89).
Наблюдаемые изменения можно объяснить следующим образом.
Известны работы по исследованию комплексообразования различных веществ фенольной природы (антоцианов, хлорогеновых кислот, резвератрола и др.) с ЦД [12, 142, 280, 473]. В частности показано, что антоцианы образуют относительно устойчивые комплексы с ЦД, находясь в полуацетальной форме, причем устойчивость этих комплексов снижается с удлинением гликозидного радикала. Имеются данные по взаимодействию ЦД с клейковинными белками теста при изготовлении хлеба. Добавление ЦД в тесто повышает его газоудерживающую способность и улучшает адгезионные свойства [252].
Исходя из сказанного, можно предположить, что цикл о декстрины образуют клатраты как с фенольными веществами, так и белками, а также полифенольно-белковыми комплексами сбраживаемой среды, благодаря чему снижается негативное воздействие этих компонентов на дрожжи. Это способствует, тем самым, ускорению процесса сбраживания сусла, улучшению качества готового пива за счет меньшего образования побочных продуктов.
Необходимо отметить изменение цвета опытных образцов пива на 36-47 % в сравнении с контрольным вариантом. В литературе приводятся различные экспериментальные данные по трансформации окраски растворов, полученных с добавлением ЦД. В одних случаях указано на повышение стабильности окраски в присутствии ЦД за счет комплексообразования с цианидином и пеларгонидином [392], в других работах, наоборот, снижение колористической характеристики продукта [368]. Это объясняется как конкретной формой ЦД (а-, в- или у), так и механизмом и прочностью образования комплексов включения.
Также обращает на себя внимание улучшение пенообразования готового напитка опытных образцов. Наиболее вероятно, что присутствие в пиве стабилизатора, в качестве которого выступают ЦД, препятствует слипанию пузырьков пены. ЦД снижают поверхностное натяжение, способствуют образованию пены и удержанию пузырьков СО2. Полифенолы, липиды, спирты и ряд других веществ способны ухудшать пеностойкость. Поэтому, их связывание с ЦД непосредственно в ходе технологического процесса, оказывает положительное влияние на стабильность пены.
Образование комплексов высокомолекулярных азотистых соединений пива с циклодекстринами в определенной степени предотвращает расщепление стимулирующих пенообразование белков протеолитическими ферментами дрожжей, в частности протеазой А, что наблюдается в случае использования ослабленной дрожжевой культуры или при неблагоприятных условиях протекания процесса брожения и созревания пива [163, 184, 195, 196, 341].
Опытные образцы пива отличались большей насыщенностью диоксидом углерода. Если придерживаться физико-химической теории связывания углекислоты, предложенной Ребиндером П.А., то, возможно, сами ЦД, а также их комплексы с высокомолекулярными белками выступают в роли защитных веществ, которые покрывают адсорбционными пленками выделяющиеся пузырьки углекислого газа и не позволяют им слипаться в более крупные агрегаты с последующим распадом. С другой стороны, с позиций теории химических связей, растворенный диоксид углерода в виде угольной кислоты способен образовывать с гидроксильными группами ЦД моно- и диэфиры этой кислоты. Последние обладают высокой химической стойкостью.
Внесение смеси циклодекстринов на стадии сбраживания сусла позволяет снизить количество веществ - потенциальных образователей мути (высокомолекулярных белков и антоцианогенов), посредством связывания их с ЦД, увеличивая тем самым коллоидную стойкость готового напитка. Подтверждением этого является показатель стойкости непастеризованного пива, характеризующийся фактически достигнутым временем (в сутках) отсутствия помутнений в напитке при 20 С. Опытные образцы пива оставались прозрачными на 1-2 дня дольше, чем контрольный.
Более длительная стойкость полученного продукта, по-видимому, связана не только с его коллоидной составляющей, но и биологической. Известны работы [219] по повышению стабильности, в том числе микробиологической, пищевых продуктов при хранении за счет использования циклодекстрин-антимикробных/антиоксидантных комплексов. При этом включение консервантов/антиоксидантов в комплекс с циклодекстрином способствует увеличению их активности по сравнению со свободной формой, повышению растворимости соединения, возможности применения в широком диапазоне рН среды, стабильности химических реагентов в напитках. Возросшая устойчивость может указывать на защиту консерванта/антиоксиданта от ферментативного разрушения, фотохимических реакций или физических факторов (температуры, давления).
В самом пиве имеются вещества, обладающие антисептическими (этиловый спирт, кислоты, диоксид углерода, полифенолы, хмелевые смолы) и антиоксидантными свойствами (дубильные вещества, редуктоны, меланоидины, горькие вещества хмеля). Можно полагать, что наличие в сбраживаемой среде циклодекстринов усиливает действие этих компонентов как на микроорганизмы, так и на легко поддающиеся окислению соединения.
Пиво, полученное с использованием ЦД, отличалось мягким вкусом и тонкой хмелевой горечью, гармоничным ароматом. Очевидно, что ЦД способствуют удерживанию легколетучих веществ, образующихся в процессе брожения и выдержки, что улучшает вкусовые и ароматические характеристики готового напитка.