Обзор: биотехнология пива с применением дрожжей рас квейк, особенности производства и новые технологии

Выбор пивных дрожжей на протяжении веков основывался на их важных свойствах: эффективно сбраживать сахара в сусле (мальтозу и мальтотриозу); уменьшать образование фенольного привкуса (важно для светлого пива); и обеспечивать эффективную флокуляцию [1]. Одомашнивание пивоваренных дрожжей, предположительно, произошло из-за частого повторного использования и обмена между пивоварами [2].

По словам К. Хабшида, исторически пивоварни сохраняли эти штаммы – некоторые более 100 лет – постоянно используя их в пивоварении и выпечке хлеба [3].

А. Тяхт утверждает, что при брожении в промышленных масштабах предпочтение отдается использованию заквасочных культур, а не инокулированию, для того чтобы избежать технических проблем, связанных с медленной скоростью брожения, изменчивостью конечного

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

Arustamov Ya.R. et al. Proceedings of VSUET, 2024, vol. 86, no. 1, pp. 173-180

продукта и загрязнением дрожжами, которые могут испортить конечный продукт [4]. Коммерческие штаммы дрожжей являются изоля-тами из среды или были получены в результате селекции, в ходе которых они были отобраны по определенным фенотипическим признакам, таким как эффективное потребление азота [5], быстрая скорость брожения [6] и приятный ароматический профиль [7]. Эти коммерческие штаммы обычно проходили различные этапы одомашнивания, при этом точные условия зависели от методик, применяемых на предприятии [8]. Таким образом, признаки, представляющие промышленный интерес, могут различаться у разных рас, отражая специфику среды их одомашнивания.

Производство пива, особенно крафтового, в последние годы выросло, как и разработка новых продуктов. По этой причине исследования были сосредоточены на отборе дрожжей с хорошей кинетикой брожения, а также пива с выдающимися ароматическими характеристиками. Конечный вкус и аромат пива представляет собой комбинацию сотен активных ароматических соединений, образующихся в основном во время брожения в результате метаболизма дрожжей (высшие спирты, сложные эфиры, альдегиды и вицинальные дикетоны). Аналогичным образом, несколько исследований продемонстрировали потенциал диких дрожжей рода Saccharomyces как в выработке ароматических веществ, так и в производстве полезных соединений, представляющих интерес, таких как мелатонин [9].

Дрожжи Квейк

X. Гейр, пишет, что квейк – это традиционный скандинавский штамм дрожжей, который был использован для сбраживания пива в Швеции, Норвегии и Финляндии на протяжении тысячелетий. Эти дрожжи отличаются высокой термотолерантностью, что позволяет использовать их при более высоких температурах во время брожения. Обычно норвежский фермерский эль производился из ячменного солода и хмелевого сусла. Однако в него также добавляли хвою можжевельника [10–11].

Применение квейк-дрожжей в пивоварении становится все более популярным среди пивоваров во всем мире из-за их уникальных свойств. Квейк-дрожжи могут придавать пиву фруктовые и цитрусовые нотки, а также другие интересные ароматы и вкусы. Они также способны быстро и очень эффективно насыщать пиво CO 2 , что делает процесс производства более быстрым и удобным [12].

По словам Б. Фостера, квейк привлекли внимание пивоваренного сообщества из-за

Эти дрожжи могут храниться в сухом виде длительное время (до 1 года и более), а сусло (с более высокой начальной концентрацией сусла ~19%) обычно выдерживают при температуре 28–40 °C [15]. Нет ничего необычного в том, что время сбраживания часто длится 1–2 дня [16]. Получаемое пиво во многом напоминает светлое пиво, произведенное на Saccharomyces pastorianus (традиционных пивных дрожжах). S. pastorianus , однако, гораздо более чувствителен к температуре, требует более низких температур для брожения (10–15 °C), диацетиловой паузы, более длительного брожения (до 10 дней), а срок созревания – 2–3 недели [17]. Дрожжи квейк гораздо более устойчивы к температуре и спирту (некоторые выдерживают до 16 % об. этанола), требуют меньше времени на брожение, не содержат остатков диацетила и не требуют длительного созревания – характеристики, которые, несомненно, будут интересны пивоваренной промышленности.

Генетика дрожжей квейк

Б. Галлон определил, что последовательности генома шести штаммов квейк идентифицировали их как имеющие смешанное происхождение, причем один родительский штамм происходил из образца «Beer 1», как определено Б. Галлоном [18], а другой – как пока неизвестный родительский. Генетические и фенотипические характеристики выявили общие признаки одомашнивания и перспективные характеристики для производства пива. К ним относятся эффективная флокуляция (>80 % проанализированных штаммов), поддерживаемая повышенными вариациями числа копий (CNV) различных генов FLO, эффективное потребление основных сахаров в сусле с повышенными CNV генов метаболизма мальтозы и мальтотриозы (MAL) и гомозиготные однонуклеотидные полиморфизмы (SNP) с потерей функции в генах (PDC1 и FDC1), ответственных за выработку 4-ви-нилгваякола с фенольным привкусом, что делает их отрицательными по фенольному привкусу (POF). Наконец, фенотипическое тестирование показало устойчивость штаммов квейк к этанолу и термотолерантность, тем самым расширяя потенциальное применение этих дрожжей.

Арустамов Я.Р. и др. Вестник ВГУИТ, 2024, Т. 86, №. 1, Эти штаммы квейк, хотя и тесно связаны филогенетически, генетически и функционально отличаются друг от друга.

Вышеупомянутые исследования брожения проводились при 30 °C. В настоящее время нет более подробной информации о диапазоне температур брожения, при которых различные штаммы квейк эффективно осуществляют брожение. Указанные показатели этанола и термотолерантности свидетельствуют о повышенной способности штаммов квейк бороться со стрессами во время брожения при более высоких температурах, тем самым повышая их потенциал для успешного завершения брожения при более высоких температурах. В настоящее время отсутствует понимание специфической кинетики брожения различных штаммов квейк в более широком диапазоне температур.

Свойства клеток дрожжей квейк

Устойчивость к этанолу и термическому стрессу – полигенные признаки, которые зависят от множества путей борьбы с этим воздействием окружающей среды на дрожжи. Высокие концентрации этанола и температуры нарушают целостность клеточных стенок, текучесть мембран и их целостность, что приводит к утечке клеточного содержимого в окружающую среду и денатурирует структуру белка, что в итоге влияет на его функцию. Вместе эти проблемы нарушают структурную целостность клетки, негативно влияя на ее метаболизм, приводя к снижению клеточной функциональности, что может привести к гибели клеток. Дрожжевые клетки борются с повышением концентрациями этанола или высокими температурами с помощью внутренних механизмов, которые включают стабилизацию клеточных стенок и клеточных мембран и увеличение способности клеток сворачивать белки. С этой целью молекулярные шапероны, такие как белки теплового шока (Hsp), индуцируются стрессом окружающей среды для стабилизации сворачивания белка, тем самым защищая от денатурации с потерей определенных функции. Кроме того, производство и накопление трегалозы, дисахарида глюкозы, который может функционировать как резервированный углевод, образующийся при ограничении потребления глюкозы, индуцируется высокими температурами и, как известно, защищает плазматическую мембрану и белки от воздействия окружающей среды (тепло, холод, этанол) и клеточных стрессов (АФК/окислительный стресс).

Р.С. Магальяес выявил, что внутриклеточные уровни трегалозы контролируются скоординированной регуляцией реакций биосинтеза и гидролиза трегалозы, которые регулируются сигналами питательных веществ и реакциями на стресс в течение жизненного цикла [20]. В ответ на стресс индуцируется биосинтез трегалозы и снижается гидролиз трегалазами, что приводит к накоплению трегалозы внутриклеточно, где, как предполагается, что она связывает и стабилизирует белки и мембраны. Высокоаффинный транспортер трегалозы, Agt1, транспортирует накопленную трегалозу в пе-риплазматическое пространство, где, как предполагается, она связывает полярные головки фосфолипидов во внешнем листочке плазматической мембраны для защиты ее от воздействия окружающей среды [21].

Происхождение

Дрожжи квейк давно известны в Норвегии и других частях Скандинавии. Изначально их использовали как для выпечки хлеба, так и для производства пива. Только многовековой опыт домашних пивоваров, в основном норвежских, которые сохранили традиционные способы приготовления пива, а также штаммы дрожжей, используемые в процессе, привел к их отделению от пива, пивоварни или окружающей среды. Этот район славится традиционными сортами stjørdalsøl, konnjøl и maltøl. Дрожжи квейк внутри своей группы делятся на две отдельные подгруппы. В состав первого входят дрожжи из регионов Гранвин, Странда, Ледал и Восс, тогда как во втором – дрожжи из регионов Сиккилвен, Хорниндал и Стордал. Интересно, что обе группы географически соответствуют северу и югу от ледника Йостедал. Результаты последнего генотипирования были опубликованы в 2018 году. Штаммы дрожжей квейк из девяти различных норвежских источников были охарактеризованы с помощью ПЦР-дактилоскопии, полногеномного секвенирования выбранных штаммов и фенотипического скрининга. Авторы обнаружили, что изученные штаммы квейк генетически отличались от других одомашненных штаммов Saccharomyces [22].

Хранение дрожжей

Дрожжи квейк хранятся очень специфическим способом, а именно на специальных деревянных конструкциях в высушенном виде. Эти деревянные конструкции представляют собой надрезанные бревна или специальные конструкции овальной формы. Такая деревянная

Arustamov Ya.R. et al. Proceedings of VSUET, 2024, vol. 86, no. конструкция погружается в дрожжевой осадок, образовавшийся после брожения, затем в муку или золу и, наконец, высушивается, так что ее можно хранить в течение длительного периода, в течение года или более, в то время как жидкая часть дрожжей будет очень быстро портиться.

Такой метод хранения суспензии означает, что в дополнение к квейк дрожжам в этих конструкциях также могут присутствовать переносимые по воздуху дрожжи и бактерии [23]. Следовательно, в зависимости от региона они могут существенно отличаться от тех, которые были одомашнены и сохранялись в географически изолированных пивоварнях [24].

Характеристики дрожжей

Из-за небольшого количества исследований дрожжей квейк их характеристики до конца еще не изучены. Кроме того, традиционная дрожжевая суспензия, полученная для исследований, очень часто состоит из различных штаммов, обладающих совершенно разными свойствами, что затрудняет как исследование, так и выводы [25]. Часто совместное действие нескольких штаммов бактерий приводит к совершенно иным результатам, чем при использовании одного штамма. Однако большинство штаммов квейк фенотипически отличаются от широко известных и используемых пивных дрожжей (дрожжей высшего брожения).

К. Адаменко утверждает, что отличительными особенностями дрожжей квейк являются сильная флокуляция, высокая скорость брожения, отсутствие фенольного послевкусия, исключительная устойчивость к температуре во время брожения (>30 °C), отсутствие или небольшое количество образующегося 4-ви-нилгваякола (ответственного за аромат гвоздики) и высокая переносимость спирта, а также уникальный профиль вкуса. На развитие таких свойств могло повлиять сухое хранение в вышеупомянутых деревянных конструкциях [26].

Благодаря своим характеристикам штаммы дрожжей квейк могут оказаться весьма полезными в качестве новой группы пивных дрожжей. Выбранные штаммы позволяют сохранить соответствующие физико-химические характеристики пива в стиле New England Pale Ale, которые также характеризуются антиоксидантной активностью, а также новым и интересным профилем летучих соединений и вкусовыми свойствами. Насколько известно, в доступной литературе есть только одна работа, посвященная использованию дрожжей квейк для приготовления крепкого пива, в то время как при их использовании очень важно контролировать процесс приготовления светлого пива. В темных солодах типа стаут соединения реакции Майяра влияют на метаболизм дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Их добавление в технологический процесс влияет как на основные технологические параметры пива, так и на профиль соединений, которые являются побочными продуктами брожения этанолом и влияют на вкусовые качества [27]. Существуют определенные различия в технологии производства темного и светлого пива, которые могут напрямую повлиять на процесс производства пива с использованием дрожжей квейк.

Современные исследования квейк

Целью диссертации И. Тодда, было изучить несколько аспектов дрожжей квейк. Во-первых, были изучены природа и штаммовый состав суспензий квейк, чтобы определить степень вариабельности в пределах определенной культуры. Впоследствии была исследована способность отдельных штаммов квейк переносить стрессоры, присутствующие во время брожения. На основе этого анализа было проведено сравнение эффективности брожения штаммов квейк с современными пивными дрожжами при различных температурах. Это было достигнуто путем оценки хода брожения, а также качественной оценке выработки вкусовых соединений. В рамках этого исследования вклад отдельных изолятов в ферментацию оценивался с использованием различных рас дрожжей квейк, полученных из одной и той же «материнской» культуры [28].

Полученные данные демонстрируют, что дрожжи квейк способны успешно сбраживать при высоких температурах благодаря своей способности переносить целый ряд стрессовых факторов, включая высокую степень врожденной термостойкости. Анализ летучих компонентов показал, что штаммы квейк уникальны и отличаются от других штаммов пивоваренных дрожжей. Анализ индивидуальных штаммов также позволил предположить, что определенные штаммы могут доминировать, потенциально оказывая большее влияние на получаемое пиво как с точки зрения выхода алкоголя, так и с точки зрения производства вкуса.

В диссертации [29] было изучено микробиологическое разнообразие десяти различных видов квейк. Были выделены, секвенированы и идентифицированы штаммы бактерий и дрожжей из четырех квейков: Орьясетер, Гауземель, Оттердал и Гамлегруа. Анализы эукариотической и прокариотической микробиоты были проведены на этих квейк, в дополнение к Espe, Tormodgarden, Midtbust, Ebbegarden, Sigmund и Stalljen. Были изучены антибактериальные эффекты можжевельника в отношении молочнокислых бактерий (LAB) Lactobacillus plantarum, Lb. buchneri и Lb. brevis. Квейкс Орьясетер, Гауземель и Гамлегруа были изучены в ходе исследований роста и метаболизма при температурах 22, 30 и 37 °C. Измерения рН, количества клеток, содержания сахара и ароматических компонентов проводились на 0, 2 и 7 сутки инкубации. Исследуемые дрожжи также использовались при пивоварении в пилотном масштабе. Целью было определить различия как в метаболитах, так и в сенсорных характеристиках между культурами. Брожение проводилось при разных температурах. Три образца (n = 3) 9 сортов пива, четыре образца (n = 4) одного сорта пива и два образца (n=2) одного сорта пива с использованием трех температур брожения 22, 30 и 37 °C были проанализированы с помощью газовой хроматографии HSGC).

Дрожжи Saccharomyces cerevisiae были выделены и идентифицированы методом секвенирования по Сэнгеру в Эрьясетере, Гауземеле, Оттердале и Гамлегруа. Бактерии Lb. plantarum и Acetobacter malorum были выделены и идентифицированы секвенированием по Сэнгеру в Gausemel и Gamlegrua. В квейк были обнаружены варианты последовательности дрожжей S. cerevisiae , полученные в результате анализа микробиоты эукариот. Анализ прокариотической микробиоты показал, что все десять квейк, проанализированных в этом исследовании, содержали бактерии. Наблюдались антибактериальные эффекты экстрактов можжевельника в отношении LAB. Наблюдались различия в содержании летучих компонентов и общего содержания фенола между готовыми сортами пива, как результат различий в температуре брожения, так и в культуре, используемой для проведения брожения.

Вывод этого исследования заключается в том, что айнерлог (сорт пива), приготовленный из веточек и хвои можжевельника, оказывает антибактериальное действие на LAB. Некоторый эффект наблюдался у незрелых ягод. Все десять квейк, включенных в это исследование, состояли из вариантов последовательности S. cerevisiae и вариантов последовательности нескольких бактерий, таких как Acetobacter spp ., Lb. brevis ,

Lb. backii и Lactococcus lactis . Более низкие температуры брожения приводят к повышению общего содержания фенолов и сложных эфиров в пиве, сброженного квейк. Добавление квейк в айнерлог привело к более высокому общему содержанию фенола и более низкому содержанию диацетила и сложных эфиров в готовом пиве. Пиво, ферментированное с квейк, содержит более высокие уровни сложных эфиров и более низкие уровни высших спиртов и диацетила, чем пиво, ферментированное с US-05.

Штамм Voss был получен З. Йернесом из Voss в Норвегии. Было обнаружено, что этот штамм поддерживает широкий диапазон температур брожения от 25 до 40 °C, при оптимальном диапазоне от 35 до 40 °C. При оптимальном диапазоне температур может быть достигнута очень быстрая брожение (обычно 2–3 дня) [30].

Типичная норма задачи составляет 50–100 г/л в зависимости от плотности сусла и требуемого количества сложных эфиров (меньшая норма задачи = больше сложных эфиров). Для пивоварения с высокой плотностью может потребоваться более высокая норма задачи и плотности. Профиль вкуса нейтральный с тонкими фруктовыми нотами апельсина и цитрусовых. Эти дрожжи, как и все квейк, обладают высокой флокулянтностью; характеристика, которая была необходима для непрерывного повторного использования и выживания культур [31].

Чаще всего с использованием этих дрожжей производят фермерский эль, современный и традиционный эль, английский эль и IPA. Дрожжи после брожения можно повторно использовать в течение 5 последующих генераций.

Как и в случае с любым штаммом в сухом виде, регидратацию можно проводить перед задачей. Однако самые исследования показали, что разницы в генерации с регидратацией и без нее нет. Сухие дрожжи можно хранить в оригинальной упаковке в закрытом виде при температуре 5–7 °C до истечения срока годности.

Для оценки различий в профиле летучих соединений темного и светлого пива, сброженного разными штаммами пивных дрожжей, была проведена газовая хроматография с пламенноионизационным определением и газохроматографический масс-спектрометрический анализ восьми сортов пива. Преобладающей группой соединений во всех проанализированных сортов пива были спирты (56,41–72,17 %), затем сложные эфиры (14,58–20,82 %), альдегиды (8,35–20,52 %), терпены и терпеноиды (1,22–6,57 %) и кетоны

(0,42–1,00 %) [32]. Преобладающими высшими спиртами были 2-метилпропан-1-ол, 3-метилбута-нол, фенэтиловый спирт, среди альдегидов фурфурол, деканал, нонанал, а среди сложных эфиров этилацетат, фенилэтилацетат и изоамилацетат. Пиво, ферментированное дрожжами высшего брожения Saccharomyces cerevisiae var. diastaticus, имело самое высокое содержание летучих веществ. Добавление темного солода в процессе варки сусла не повлияло на общее содержание летучих веществ, но для некоторых сортов пива это вызвало изменения в общем содержании сложных эфиров, терпенов и терпеноидов. Различия в общем содержании летучих веществ в пиве, сброженном разными штаммами дрожжей, в основном обусловлены выделяемыми сложными эфирами и спиртами.

Исследователи Калифорнийского университета использовали дрожжи S. kudriavzevii , S. mikatae , S. paradoxus , S. bayanus и S. uvarum для сбраживания сусла в двух образцах, с помощью одного бродильного аппарата и добавлением 10 г/л сухого хмеля. Аналитические измерения проводились каждый день брожения и сравнивались с контрольными образцами SafAle™ US-05 и SafLager™ W 34/70 [33]. Готовое пиво также подвергали сенсорной оценке. Все сорта пива обладали пряными характеристиками, вероятно, из-за присутствия фенолов; сухое охмеление усиливало фруктовые нотки, а также горечь и терпкость. Все виды дрожжей, включенные в это исследование, продемонстрировали большой потенциал для пивоварения.

Квейк в процессе брожения

Генетические исследования показывают, что квейк – это уникальная и древняя группа дрожжей, отличная от других одомашненных штаммов S. cerevisiae . Учитывая возможное дальневосточное происхождение дрожжей квейк, очевидный эндемизм западной Норвегии остается большим парадоксом. Эти находки имеют важные последствия для понимания одомашнивания дрожжей и использования квейк в современной практике пивоварения.

Выбор биологического материала может предложить эффективный метод увеличения концентрации фенольных соединений в пиве и повышения его антиоксидантного потенциала. После первичной и вторичной брожения все сорта пива, ферментированные квейк, имели более высокое или аналогичное содержание фенольных соединений по сравнению с контрольным пивом.

После выдержки в пиве LK, VK2 и FM53 было определено более высокое содержание фенольных соединений по сравнению с контрольным образцом. Дрожжи типа квейк, HVK и FM53, позволили производить пиво с более высокой антиоксидантной активностью, измеренной в анализе DPPH•, по сравнению с контрольным образцом. Самая высокая антиоксидантная способность, измеренная в тесте ABTS•+, была показана для готового пива HVK, тогда как самые высокие значения FRAP были обнаружены для готовых сортов пива FM53 и VK2 [34].

Пиво, сброжженое дрожжами типа квейк, имело различные концентрации идентифицированных летучих соединений по сравнению с контрольным образцом. В образцах LK, FM53 и HVK концентрация летучих соединений была ниже, чем в контрольном пиве, тогда как в пиве VK2 содержание этих соединений было аналогичным. Основные летучие соединения, идентифицированные в ходе исследования, включали этилацетат и гексанат в образце HVK; фенэтиловый спирт в образце пива LK; 2-метилбутанол и 3-метилбутанол в образце VK2; 1-пропанол в образце пива FM53; и, наконец, этилок-таноат и деканоат в контрольном образце US-05 [35].

Группа дегустаторов отдала больше предпочтений пиву, сброженному дрожжами квейк, из-за более интенсивного фруктового аромата. Степень горечи также была оценена более высоко по сравнению с пивом, полученным с помощью коммерческого штамма дрожжей. Пиво, получившее лучшую оценку по вкусу и аромату, было ферментировано с использованием HVK [36].

Заключение

Биотехнология пива с использованием квейк-дрожжей позволяет пивоварам создавать уникальные сорта пива с различными характеристиками. Эти дрожжи могут быть использованы как для традиционных стилей пива, так и для современных экспериментальных рецептов. Их высокая активность и способность работать при различных температурах делают их идеальным выбором для крафтового пивоварения.

Биотехнология пива с использованием квейк-дрожжей предоставляет пивоварам новые возможности для творчества и экспериментов, что способствует развитию индустрии крафтового пивоварения и созданию уникальных и интересных сортов пива для любителей крафта.