Лекции по "Биотехнологии"

ЛЕКЦИЯ № 5

БИОТЕХНОЛОГИЯ ПИВОВАРЕНИЯ

Получение напитков путем спиртового брожения — одно из древнейших бродильных производств. Первыми из таких напитков были, видимо, вино и пиво. До появления работ Пастера в конце XIX в. о сути протекающих при брожении процессов и их механизмах было известно очень мало. Пастер показал, что брожение без доступа воздуха осуществляется живыми клетками дрожжей, при этом сахар превращается в спирт и углекислый газ. Тогда же было показано, что брожение осуществляется под действием каких-то веществ, находящихся внутри дрожжевых клеток.

Одно из главных нововведений в области микробиологии брожения было предложено Хансеном, работавшим в исследовательском центре Карлсберг в Копенгагене с дрожжами дикого типа. При производстве пива эти дрожжи доставляли массу неудобств. Хансен выделил чистые культуры дрожжей и использовал их в пивоварении; тем самым он стал пионером применения таких культур при производстве пива.

Алкогольные напитки получают путем сбраживания сахар-содержащего сырья, в результате которого образуются спирт и углекислый газ. Сбраживание осуществляется дрожжами рода Saccharomyces. В одних случаях используется природный сахар (например, содержащийся в винограде, из которого делают вино), в других сахара получают из крахмала (например, при переработке зерновых культур в пивоварении). Наличие свободных сахаров обязательно для спиртового брожения при участии Saccharomyces, так как эти виды дрожжей не могут гидролизовать полисахариды. В производстве спиртных напитков применяют штаммы дрожжей Saccharomyces cerevisiae или S. carlsbergensis. Различие между ними заключается в том, что S. carlsbergensis могут полностью сбраживать раффинозу, a S. cerevisiae к этому не способны.

Для осуществления спиртового брожения при пивоварении прежде всего необходимо, чтобы в пивоваренном сырье образовался сахар. Традиционным источником нужных для этого полисахаридов всегда был ячмень, но в качестве дополнительных используются и другие виды углевод-содержащего сырья. И сегодня ячменный солод составляет основу пива.

Ячменный солод и другие компоненты измельчают и смешивают с водой при температуре до 67 °С. В ходе перемешивания природные ферменты ячменного солода разрушают углеводы зерна. На заключительной стадии раствор, называемый суслом, отделяют от нерастворимых остатков. Добавив хмель, его кипятят в медных котлах. Для производства пива с определенным содержанием алкоголя сусло после кипячения доводят до нужной плотности. Удельная плотность сусла определяется содержанием экстрагированных сахаров, подлежащих сбраживанию. По истечении определенного времени брожение заканчивается, дрожжи отделяют от пива и выдерживают его некоторое время для созревания. После фильтрации и других необходимых процедур пиво готово.

Начатое по инициативе Хансена использование индивидуальных штаммов дрожжей в пивоварении сегодня стало нормой: это культуры S. cerevisiae и S. carlsbergensis. Первые представляют собой дрожжи поверхностного и глубинного брожения: они применяются в производстве эля. Вторые — дрожжи глубинного брожения, их используют в производстве легкого пива. Хотя генетика дрожжей развивается уже в течение многих лет, мы лишь недавно научились осуществлять селекцию дрожжей, используемых в производстве пива. По мере углубления наших знаний о свойствах дрожжей и тех качествах, которые они придают конечному продукту, все успешнее идет работа по выведению новых штаммов пивных дрожжей. В конечном счете мы сможем создать штамм, позволяющий получить идеальный пивной продукт. Требования к таким идеальным дрожжам будут, естественно, зависеть от способа сбраживания и желаемых качеств пива.

К числу наиболее важных свойств дрожжей относятся продуктивность, способность формировать осадок, сбраживать мальтотриозу и т. д. Принимаются во внимание и вкусовые качества получающегося пива, т. е. образование веществ, ответственных за их формирование. Ранее основным способом получения штаммов, дающих продукт нужного качества, был их отбор из существующих пивных дрожжей. Вести отбор было выгоднее, чем заниматься гибридизацией, отчасти из-за малой способности пивных дрожжей к спорообразованию и низкой жизнеспособности аскоспор. В каждом аске образуется от одной до четырех спор, но не все они освобождаются при созревании. Дрожжи из рода Sacharomyces размножаются в основном вегетативно. При этом за счет множественного латерального почкования формируются сферические, эллипсоидные или реже цилиндрические дочерние клетки.

Поскольку для развития технологии пивоварения могут понадобиться штаммы дрожжей, отличающиеся по свойствам от обычно используемых, придется прибегнуть к гибридизации. Основным вкладом биотехнологии в пивоваренную промышленность будет создание штаммов дрожжей, способных давать пиво с желаемыми свойствами.

Пиво – общее наименование всех солодовых и родственных спиртных напитков на зерновой основе, включая эль, портер, стаут и солодовый напиток, получаемых без перегонки, путем брожения.

Пиво отличается от виноградного вина прежде всего тем, что его основой служат зерна хлебных растений, содержащие крахмал (а не природный сахар, как в виноградном соке), и крахмал сначала надо превратить в сахар, чтобы мог происходить процесс брожения. Это превращение чаще всего включает переход крахмала ячменных зерен в мальтозу (солодовый сахар), декстрины (продукты частичного расщепления крахмала) и другие продукты.

Солод

Основное сырье для производства пива — светлый солод, используемый для получения практически всех типов пива: от светлого типа Пилзнер (Pilsner) до темного, почти черного пива типа Стаут (Stout).

Специальные солода по назначению делятся на две группы:

К первой группе относятся солода технологического назначения, применение которых направлено на ускорение процессов затирания. В эту группу входят высокоферментативный солод, кислый солод и солод короткого ращения.

Во вторую группу входят ячменные солода, предназначенные для корректировки вкуса, запаха и цвета пива, определяющие сортовые особенности пива. К ним относятся темные, карамельные, обжаренные солода, а также редко применяемые в отечественном пивоварении меланоидиновый, томленый, rН и ржаной солод. К этой же группе можно отнести светлый и темный пшеничные солода, которые используются для получения оригинального пива как низового, так и верхового брожения. Кроме того, для корректировки вкуса и цветности пива используются различные препараты из солода (солодовые и ржаные экстракты, солодовая мука), жженый яч¬мень, красящее пиво и колер.

Качество светлого солода оценивают по органолептическим, физическим, механическим, физиологическим и химическим (технохимическим) показателям. Органолептические характеристики, используемые в России, — внешний вид, цвет, запах и вкус; из физико-механических показателей определяется: проход через сито с отверстиями 2,2х20 мм, массовая доля сорной примеси, количество мучнистых и стекловидных зерен. С помощью физико-химических методов непосредственно в солоде изучают содержание массовой доли влаги, белка, экстракта в сухом веществе тонкого помола, разницу в массовых долях экстрактов тонкого и грубого помолов. При затирании оценивают продолжительность осахаривания, а в конгрессном сусле определяют цвет, кислотность, прозрачность сусла и содержание в нем растворимого белка. На основании полученных данных по содержанию азота в сусле и солоде рассчитывают число Кольбаха. В соответствии с полученными данными светлый солод относят либо к солоду высокого качества, либо к солоду 1 и 2 классов (ГОСТ 29294-92).

Вода

основным компонентом пива, содержание которого превышает 90% его массы, - вода и поэтому ее следует отнести к основному виду технологического сырья. При этом необходимо иметь в виду, что вода, используемая в производстве пива, не является чистым химическим веществом; она характеризуется определенными органолептическими и физико-химическими свойствами, которые существенно.

Хмель

Использование хмеля в пивоварении связано главным образом с тем, что он придает пиву специфический горький вкус (за счет того, что альфа-кислоты во время кипячения сусла с хмелем изомеризуются в растворимые изо-альфа-кислоты) и аромат, который сообщают пиву эфирные масла хмеля. Хмель участвует в коагуляции белков при кипячении сусла и обладает бактериостатическими свойствами, Хмель представляет собой вьющееся многолетнее двудомное растение. Для пивоварения используют женские неоплодотворенные шишки сорта хмеля обыкновенного (Homulus Lupulus L). Самая ценная часть хмеля - лупулон, который представляет собой клейкие зернышки (желестки), находящиеся на внутренней стороне прилистников. Лупулон содержит ароматические и специфические горькие вещества, благодаря которым хмель нашел применение в пивоварении. Во время хранения хмеля лупулон осмоляется, изменяется его окраска и состав. Лупулон свежего хмеля блестящий, от светло-желтого до золотистого цвета; лупулон старого хмеля - красно-коричневого цвета, без блеска и запаха.

Химический состав хмеля

В хмеле содержатся такие важные для пивоварения компоненты, как горькие хмелевые смолы, эфирные масла и дубильные вещества. Шишки хмеля содержат также небольшое количество липидов и восков, сахаров, пентозанов, витаминов и органических кислот.

Химический состав высушенных хмелевых шишек (в среднем) следующий:

• вода -10-14%;

• клечатка - 12-16%;

• азотистые вещества - 15-24%;

• безазотистые экстрактивные вещества - 25-30%;

• зола - 6-9%;

• хмелевые смолы - 10-20%;

• альфа-кислоты - 2-16%;

• бета-фракция - 6-9%;

• гамма-твердые смолы - 2-3%;

• полифенольные (дубильные) вещества - 2-5%;

эфирные масла - 0,2-3,8%.

ХМЕЛЕВАЯ ГОРЕЧЬ И ХМЕЛЕВЫЙ АРОМАТ

Согласно классификации горьких веществ хмеля, они подразделяются на мягкие смолы (альфа-горькие кислоты - гумулоны, и бета-горькие кислоты - лупулоны), неспецифические мягкие смолы (резупоны) и твердые смолы. Среди них следует выделить альфа-горькие кислоты, и в частности такие аналоги, как гумулон - основной носитель горечи, и когумулон, который негативно влияет на восприятие горечи пива. Уровень когумулона в альфа-кислотах определяется сортовыми особенностями хмеля (таблица 1) и не должен превышать по представлениям В. Кунце (2001) 25% от содержания альфа-кислот в хмеле. Горечь пива может быть связана также с полифенолами хмеля, которые экстрагируются при кипячении сусла с хмелем, но в отличие от изо-альфа-кислот придают пиву вяжущий вкус. Отрицательным фактором также является влияние полифенолов на повышение цветности сусла при кипячении и способность их связываться с солями железа, в результате чего пена приобретает коричневый цвет. Вместе с тем дубильные вещества, содержащиеся в хмеле, имеют положительные свойства. К ним следует отнести высокую реакционную способность полифенолов хмеля, в результате чего кипячении сусла образуются крупные частицы хорошо оседающего бруха.

ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ПИВОВАРЕНИЯ

Главная стадия приготовления пивного сусла - затирание зернопродуктов. Целью затирания является перевод из солода и несоложеных материалов в водный раствор растворимых и нерастворимых частей зернопродуктов, составляющих экстракт сусла и пива. Экстрактивные вещества зернопродуктов переходят в сусло путем преимущественно биохимических процессов, поскольку в ячмене и солоде они находятся в виде высокомолекулярных соединений - биополимеров. При солодоращении в зернах накапливаются гидролитические ферменты, для которых экстрактивные вещества являются субстратами. Биохимические превращения основных биополимеров солода (крахмала и белка) в процессе проращивания ячменя носят поверхностный характер и лишь подготавливают их структуру для ферментативного гидролиза в более благоприятных условиях - при затирании. Растворимые вещества ячменя и солода, в том числе продукты гидролиза при проращивании, при затирании с водой переходят в раствор путем экстрагирования. Водный экстракт отфильтровывают и кипятят с хмелем. После кипячение сусло отстаивается (отделение бруха), охлаждается и перекачивается в бродильное отделение. Наиболее длительные стадии приготовления пива - сбраживание сусла и созревание пива. При сбраживании пивного сусла происходят преимущественно биохимические процессы и в меньшей степени физико-химические и химические. От интенсивности этих процессов зависят не только продолжительность приготовления пива в целом, но и органолептические показатели продукта и стойкость его при хранении. Основными результатами сбраживания пивного сусла являются снижение концентрации сусла, образование основных и побочных продуктов брожения, флокуляция дрожжей, снижение рН и rН2, повышение температуры. Состав сусла во время брожения изменяется за счет сбраживания cахаров, потребления веществ сусла на построение новой массы дрожжей, выделения в среду веществ дрожжами в процессе их жизнедеятельности . Основополагающую роль в биохимических превращениях при брожении пивного сусла и дображивании молодого пива играют дрожжи. Метаболическая активность пивоваренных дрожжей тесно связана с их физиологическим состоянием. Знание закономерностей роста и развития дрожжей, их взаимосвязи с внешней средой позволяет управлять жизнедеятельностью микроорганизмов, создавать основу для повышения эффективности производства пива и улучшения его качества. 

ДРОЖЖИ

Пиво является продуктом биохимической деятельности дрожжей. Наряду с составом сусла и технологическими условиями дрожжи играют ответственную роль в ходе процессов на всех стадиях производства пива и влияют на качество получаемого продукта. Важное значение для производства пива имеют физиологическое состояние дрожжей и условий их деятельности. Saccharomyces cerevisiae штаммы дрожжей верхового и низового брожения хотя и относятся согласно современной классификации к одному роду и виду Saccharomyces cerevisiae, имеют существенные различия по морфологическим, физиологическим и ряду производственно важных признаках. Пивоваренные дрожжи, сбраживающие моносахара и мальтозу, делят на две группы:

Верховые дрожжи сбраживают раффинозу на одну треть и образуют на поверхности сбраживающейся жидкости неосаждающуюся суспензию, имеющую вид плотной пены. Поэтому дрожжи этой группы получили название верховых, а пиво, для производства которого их применяют, называют пивом верхового брожения. Однако при использовании современных технологий при получении пива верхового брожения этот признак отсутствует: дрожжи в конце брожения оседают на дно аппарата. Процесс брожения верховыми дрожжами ведут при температуре 10—25 °С, при температуре ниже 10 °С он прекращается, после чего дрожжи оседают на дно.

Низовые дрожжи сбраживают раффинозу полностью. После сбраживания дрожжи осаждаются в виде хлопьев и оседают на дно бродильного аппарата. Поэтому их называют низовыми дрожжами, а получаемое пиво - пивом низового брожения. Сбраживание низовыми дрожжами протекает при температуре 6-8 °С и прекращается при О °С. Отличия физиологии поведения дрожжей обеих групп заключаются в следующем. Предполагают, что клетки верховых дрожжей и пузырьки углекислого газа несут противоположные электрические заряды, поэтому взаимно притягиваются. У низовых дрожжей с пузырьками углекислого газа предполагается одинаковый заряд, так что они взаимно отталкиваются. Основной отличительной особенностью разных групп дрожжей является их способность сбраживать раффинозу. Из ферментов, гидролизующих раффинозу, в ферментной системе низовых дрожжей находятся инвертаза и мелибиаза, а у верховых -  только инвертаза. В связи с этим верховые дрожжи сбраживают раффинозу только на треть. Инвертаза гидролизует трисахарид раффинозы до моносахарида фруктозы и дисахарида мелибиозы, который далее может быть расщеплен только мелибиазой, содержащейся в низовых дрожжах, до глюкозы и галактозы. Кроме того, у низовых дрожжей в отличие от верховых нет фермента сукцинат-дегидрогеназы (янтарной дегидрогеназы), который функционально связан с цитохромом с и дыхательным ферментом Варбурга. Этим объясняется меньшая способность к размножению у низовых дрожжей, чем у верховых.