Использование сухих микроорганизмов в производстве кваса

DOI:

Одной из важных стадий производства кваса является сбраживание квасного сусла. В результате брожения образуется этиловый спирт, как основной продукт, а также ряд вторичных, побочных продуктов брожения, участвующих в формировании органолептических характеристик кваса. Ключевую роль в этом играет выбор микроорганизмов.

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License

В настоящее время в производстве напитков брожения используются различные микроорганизмы, постоянно ведется поиск новых культур, не используемых ранее в предлагаемых областях бродильных производств [1–6]. Для квасо-варения также актуальна данная проблема. Предлагаются к использованию не только традиционные сбраживающие микроорганизмы, но новые, имеющие определенные преимущества, в том числе сухие сбраживающие культуры [7–9]. Кроме этого, постоянно ведутся исследования в области улучшения качественных и технологических характеристик сбраживающих микроорганизмов [10, 11–20].

Выбор сбраживающей культуры обуславливается их бродильной активностью, адаптивностью к сбраживаемой среде, способностью к флокуляции, формированию вкусовых и ароматических соединений в напитке, а также возможностью введения в действующие предприятия пивобезалкогольной отрасли.

Классическая технология кваса предусматривает использование при брожении комбинированной закваски, приготовленной из молочнокислых бактерий и квасных дрожжей. Данный вариант имеет определенные преимущества – с одной стороны, с технологической точки зрения, возможна интенсификация процесса сбраживания за счет синергического эффекта взаимодействия двух культур, с другой – возможность получения напитка с высокими органолептическими характеристиками. Однако кроме преимуществ данный способ сбраживания имеет некоторые недостатки – трудоемкость подготовки комбинированной закваски, ее хранения, а также опасность возникновения инфицирования производства молочнокислыми бактериями.

Использование в технологии кваса сухих микроорганизмов решает описанные выше проблемы, в целом упрощает производственный цикл с технической и экономической сторон, а подбор микроорганизмов и создание оптимальных условий для их жизнедеятельности – размножения, в целом физиологического состояния, метаболических процессов, позволит улучшить органолептические показатели кваса. Нами предлагается использовать сухих микроорганизмы разных производителей в производстве кваса на основе зернового сырья, оценить возможность их применения в технологии кваса по технологическим показателям сброжи-ваемого кваса, физиологического состояния дрожжей в процессе брожения, качественным показателям готового кваса.

Цель работы – исследовать возможность использования сухих хлебопекарных дрожжей в производстве кваса, оценить процесс брожения предложенными микроорганизмами.

Материалы и методы

Объектами исследований являлись солод, сухие хлебопекарные дрожжи, квас. Предмет исследования – физиологическое состояние дрожжей (общее количество клеток в среде, количество мертвых клеток и клеток с гликогеном), органолептические и физико-химические показатели кваса.

Материалами исследования являлись ячменный солод, ржаной ферментированный солод, ржаной неферментированный солод, сухие хлебопекарные дрожжи «Fermipan brown», «Nevada», «Saf-instant», «Saf-levur».

Ячменный и ржаной солода использовались в технологии кваса как основное сырье на стадии приготовления квасного сусла. Качественные показатели соложеного сырья и сухих хлебопекарных дрожжей представлены в таблицах 1 и 2.

Представленные в таблице 1 данные по соложеному сырью демонстрируют высокие качественные и технологические показатели, отвечающие требованиям стандарта, а также требованиям к солоду, используемому в производстве напитков брожения, в данном случае отражающиеся в достаточно высоком уровне ферментативной активности, необходимой для адекватного проведения процесса приготовления квасного сусла, в частности затирания.

Таблица 1.

Качественные показатели солодов

Table 1.

Quality indicators of malts

Показатель Index	Содержание в солоде | Malt content
	ячменный barley	ржаной неферментированный unfermented rye	ржаной ферментированный fermented rye
Массовая доля влаги, % | Mass fraction of moisture, %	5.0±0.1	7.1±0.1	7.0±0,1
Массовая доля экстракта в сухом солоде, % Mass fraction of extract in dry malt, %	79.7±0.1	80.5±0.1	84.7±0.1
Массовая доля белка, % | Mass fraction of protein, %	11.3±0.1	9.4±0.1	8.3±0.1
Массовая доля крахмала, % | Mass fraction of starch, %	51.4±0.1	52.5±0.5	51.1±0.5
Амилолитическая активность, ед./г Amylolytic activity, units/g	316.0±0.1	165.2±0.1	145.7±0,1
Протеолитическая активность, ед./г Proteolytic activity, units/g	60.7±0.1	28.2±0.1	24.4±0,1
Цитолитическая активность, ед./г | Cytolytic activity, units/g	-	258.1±0.1	227.6±0.1

Таблица 2.

Качественные показатели сухих хлебопекарных дрожжей

Table 2.

Quality parameters of dry baker's yeast

Показатель | Index	Значение | Value
	«Saf-instant»	«Saf-levur»	«Fermipan brown»	«Nevada»
Массовая доля влаги, % | Mass fraction of moisture, %	7.5±0.1	7.4±0.1	6.9±0.1	7.1±0.1
Подъемная сила дрожжей, мин | Yeast lifting power, min	47±1	49±1	55±1	52±1
Зимазная активность, ед./г | Zymase activity, units/g	52.4±0.1	53.3±0.1	43.1±0.1	66.2±0.1
Мальтазная активность, ед./г | Maltase activity, units/g	10.5±0.1	11.5±0.1	12.8±0.1	8.4±0.1

Результаты комплексной оценки по качественным и технологическим показателям в соответствии с требованиями стандарта и технологии, представленные в таблице 2, дают основание предполагать о возможности использования выбранных микроорганизмов в производстве кваса. Приоритетными показателями выбора данных дрожжей являлись зимазная и мальтазная активности, отвечающие за сбраживание глюкозы и мальтозы соответственно. Уровень ферментативной активности свидетельствует о высоком качестве дрожжевых культур.

Методы исследования:

– оценка качества солода и кваса – традиционные методы оценки качества сырья, полупродуктов и готовых напитков в пивобезалкогольной отрасли;

– оценка качества сушеных хлебопекарных дрожжей по показателям массовой доли влаги и подъемной силы – методы, предусмотренные стандартом; зимазная и мальтазная активности – поляриметрическим методом по изменению угла поворота плоскости поляризации реакционной среды до и после действия ферментов на субстрат;

– общее количество дрожжевых клеток и их физиологическое состояние – микроскопированием.

8,5

Результаты и обсуждение

Поскольку основной целью исследования являлась оценка возможности использования сушеных дрожжей в производстве кваса, то эксперимент был построен следующим образом. Готовили квасное сусло на основе описанных в разделе 3 солодов и затем подвергали его сбраживанию сухими дрожжами, контролируя при этом снижение массовой доли сухих веществ в сбраживаемой среде, а также физиологическое состояние дрожжей.

Квасное сусло готовили настойным способом – смешивали все солода в соотношении 2:2:1 ячменный: ржаной неферментированный: ржаной ферментированный при гидромодуле 1:4 и выдерживали в течение 30 минут на паузах затирания 52, 63 и 70 °C, затем доводили до 78 °C и фильтровали. Дрожжи перед использованием подвергали обводнению в течение 1 часа при 30 °C, а затем вносили в квасное сусло в количестве 20 млн кл./см3. Брожение проводили при температуре 28–30 °С в течение 24 часов.

На рисунке 1 представлена информация по снижению экстракта при брожении, на рисунке 2, динамика накопления дрожжевой биомассы в сбраживаемой среде.

7,5

6,5

5,5

0   3   6   9   12  15  18  21  24

Продолжительность брожения, ч

Fermentation time, h

4,5

Продолжительность брожения, ч

Fermentation time, h

-X- Saf-instant                  Saf-levur

Fermipan brown          Nevada

Рисунок 2. Рост биомассы дрожжей

Figure 2. Growth of yeast biomass

—X— Saf-instant

Saf-levur

Fermipan brown

Nevada

Рисунок 1. Динамика брожения

Figure 1. Fermentation dynamics

Из представленных данных рисунков 1 и 2, прежде всего, видно, что все предложенные к использованию сухие хлебопекарные дрожжи с технологической точки зрения можно считать пригодным в производстве кваса. Все образцы за отведенный период брожения, предусмотренный классической технологией, достигли требуемого уровня снижения сухих веществ на 2,2–2,4%. При этом отмечено, что для выполнения данной технологической задачи потребовалось для некоторых вариантов всего 15–18 часов.

Так образцы кваса, сброженные хлебопекарными дрожжами Saf-instant и Saf-levur, брожение которых происходило практически одинаково, к 18 часам сбраживания достигли уровня сухих веществ 5,7%, а образец кваса, сброженный дрожжами Nevada, за этот же период брожение достиг уровня сухих веществ 5,2%, что в данном случае является «перебродом», поскольку снижение сухих веществ более чем на 2,5% приводит к повышенному содержанию спирта, недопустимого стандартом. В связи с этим брожение кваса дрожжами «Nevada» следует остановить через 15 часов от начала процесса. Менее выраженное в сравнении с описанными выше образцами брожение проходило в случае использования сухих дрожжей «Fermipan brown». Только к 20 часам брожения массовая доля сухих веществ в квасе достигла уровня 5,8%. Тем не менее, это является допустимой продолжительностью для процесса брожения поскольку

Что касается накопления дрожжевой биомассы, то следует отметить общую тенденцию накопления дрожжей в максимальном их количестве через несколько часов адаптационного периода и снижения количества дрожжевых микроорганизмов в среднем через 3–5 часов нахождения их концентрации на пике. При этом самым быстрым образцом сухих дрожжей, прошедший максимально быстро период адаптации, является образец «Nevada», максимальное количество дрожжевой биомассы которых составило 66 млн. кл./см3 к 12 часам брожения. Дрожжи «Saf-instant» и «Saf-levur» одинаковым образом накапливали свою биомассу в сбраживаемой среде – через 9 часов адаптационного периода ускорилось размножение дрожжей и 15–18 часам процесса их накопление стало максимально. Дрожжи «Fermipan brown» дольше всех остальных сбраживающих микроорганизмов адаптировались к среди и накапливали свою биомассу. Так только через 20 часов брожения произошел их пик размножения, в то время как для остальных микрокультур на данном этапе происходило уже их отмирание.

На рисунках 3 и 4 представлены данные по физиологическому состоянию хлебопекарных дрожжей в период брожения с тем же интервальным периодом контроля.

Продолжительность брожения, ч Fermentation time, h

0   3   6   9   12  15  18  21  24

Продолжительность брожения, ч Fermentation time, h

Saf-instant

Saf-levur

-X— Saf-instant

Saf-levur

—ж— Fermipan brown

Nevada

Fermipan brown

Nevada

Рисунок 3. Динамика накопления мертвых клеток

• Figure 3.    Dynamics of dead cell accumulation

Рисунок 4. Динамика накопления клеток с гликогеном

• Figure 4.    Dynamics of accumulation of cells with glycogen

Представленные результаты оценки физиологического состояния дрожжей демонстрируют факт их адаптивности к предложенной среде – квасное сусло на основе ячменного и ржаного солодов. Имеющаяся начальная концентрация мертвых клеток в диапазоне 2,4–3,0% для всех образцов дрожжей находится на низком уровне и свидетельствует о высоком исходном качестве всех дрожжевых культур и наличии большого количества жизнеспособных клеток. В целом отмечена общая динамика в начальный период времени (период адаптации) снижения количества мертвых клеток за счет их размножения и через определенный интервал их резкое увеличение, что является естественным в период затухающей фазы брожения.

Результаты, представленные на рисунке 4, свидетельствуют об оптимальном составе среды, содержаний все необходимые питательные компоненты, позволяющем дрожжам накапливать резервные вещества. При этом процентное содержание дрожжевых клеток с гликогеном во всей биомассе достигает в пик брожения уровня 74–81% для всех образцов дрожжей.

В целом процесс брожения протекал свойственным ему образом. Размножение дрожжей и их пребывание в активном состояние наблюдалось визуально по распределению микроорганизмов в сбраживаемой среде, образованию диоксида углерода и пены на поверхности кваса. В конце брожения дрожжи оседали по-разному. Так микроорганизмы «Nevada» к концу сбраживания начинали оседать на дне, наблюдалось осветление кваса. Дрожжи «Saf-instant» и «Saf-levur» к 24 часам процесса также понемногу оседали, не так выраженно, как в случае с дрожжами «Nevada», но тем не менее визуально было видно, что процесс брожения завершается. Дрожжи «Fermipan brown» в меньшей степени были готовы к осаждению, складывалось впечатление, что для них процесс брожения может еще продолжаться.

По завершении 24 часов сбраживания все образцы кваса охлаждали при температуре 2–4 °С в течение 12 часов, снимали с дрожжевого осадка, и проводили оценку их качества. Результаты исследования представлены в таблице 3, свидетельствующие о соответствии полученных значений по определяемым показателям требованиям нормативного документа.

Таблица 3.

Показатели качества кваса

Table 3.

Kvass quality indicators

	Образец | Sample
Показатели | Index	Saf-instant	Saf-levur	Fermipan brown	Nevada
Массовая доля сухих веществ, % | Mass fraction of dry matter, %	5.8±0.1	5.8±0.1	6.0±0.1	5.6±0.1
Кислотность, к.ед. | Acidity, k.unit.	3.1±0.1	3.1±0.1	2.8±0.1	3.2±0.1
Объемная доля этилового спирта, % | Volume fraction of ethyl alcohol, %	1.1±0.1	1.1±0.1	1.0±0.1	1.2±0.1

С точки зрения оценки образцов кваса по органолептическим показателям следует отметить некоторые отличия образов друг от друга по вкусо-ароматическим характеристикам, а также накоплению углекислого газа. Так:

• –    образец 1 имел выраженный гармоничный полный вкус и аромат, свойственные квасу, достаточно насыщен углекислым газом;

• –    образец 2 имел схожие органолептические характеристики с образцом № 1, по вкусу был более резкий;

• –    образец 3 отличался от остальных образцов небольшой дрожжевой горечью во вкусе, возможно, вызванной недостаточно полным осаждением дрожжей после брожения ввиду их активного состояния в конце брожения, а также слабо выраженным насыщением диоксидом углерода, что также следует рассматривать как результат незавершенного брожения;

• –    образец 4 отличался хорошими органолептическими характеристиками – гармоничным

полным вкусом, с фруктовым привкусом, чистым, свежим, свойственный квасу ароматом, выраженной насыщенностью углекислым газом, хорошей резкостью.

Заключение

Проведенные исследования подтверждают возможность получения кваса с высокими показателями качества на основе зернового сырья с использованием сухих хлебопекарных дрожжей, что дает ряд преимуществ в производстве кваса, в том числе упрощение технологической линии, удобство использования и хранения дрожжей, исключение риска инфицирования производства. Сухие хлебопекарные дрожжи не требуют длительной подготовки перед использованием, квасное сусло на основе зернового сырья удовлетворяет их потребности в питании, что отражается в их хорошем физиологическом состоянии и активном брожении кваса. Предложенный способ сбраживания кваса без капитальных затрат может быть внедрен в пивобезалкогольные предприятия.