Влияние ультразвука на пивоваренные дрожжи

Дрожжи являются удобным объектом для исследования. Основными требованиями к дрожжам в бродильной промышленности является высокая бродильная активность, скорость размножения и глубокая степень сбраживания. Одной из важных задач производства пива – повышение физиологической активности дрожжей с целью сокращения сроков брожения.

Активирование дрожжей перед введением в сусло осуществляется двумя методами: физическим и химическим. Химическая активация дрожжей , включает использование антимикробных препаратов, ферментных препаратов, специальных подкормок для дрожжей, минеральных веществ (Zn, Fe, Cu, Se), витаминов. Физическая активация дрожжей включает: воздействие температурой, оптическое излучение, ультрафиолет, магнитное поле, постоянный электрический ток, электромагнитное поле, электролиз, гидроионизацию, аэроионизацию, комплексную электронно-ионную обработку, ультразвук [1–3, 6–8].

Ультразвук – это звуковые волны, имеющие частоту выше 20 000 Гц. Частота ультразвуковых колебаний, применяемых в промышленности и биологии, чаще всего лежит в диапазоне от нескольких десятков кГц до единиц МГц.

Ультразвук обладает широким спектром действия на микроорганизмы: от стимулирующего до дезинтегрирующего. Дезинтеграция клеток дрожжей ультразвуком способствует выходу в экстракт биологически активных веществ [4]. Применение ультразвуковых установок на пивоваренных заводах позволяет значительно сократить расход хмеля. Кроме всего прочего пастеризацию пива и соков можно также выполнять с использованием ультразвука – как один из видов холодной пастеризации [5, 9–12].

Материалы и методы

Для исследования были выбраны сухие пивные дрожжи верхового брожения Saccharomyces cerevisiae , Fermentis, Safale T-58, France.

На первоначальном этапе исследования 1 г сухих дрожжей разводили в 200 мл лабораторного сусла, приготовленного по стандартной технологии. Выдерживали 30 мин при температуре 20 °С. Количество живых клеток составило 1×10 ⁶ /1 мл. Полученную дрожжевую суспензию помещали в ультразвуковую установку и подвергали ультразвуковому воздействию при частоте колебаний 44 кГц. В процессе воздействия каждую минуту с 1 по 20, и 25, 30, 35 мин измеряли температуру и изучали выживаемость клеток дрожжей по проценту мертвых клеток. Одновременно из каждого образца выводили чистую культуру путем высева на сусло-агар.

Обработку после 20 мин проводили с шагом в 5 мин, так как температура среды превысила 37 °С.

Результаты

В полученных образцах проводили замер температуры каждую минуту (таблица 1).

Из таблицы 1 видно, что при воздействии ультразвука идет нагрев среды на 1 °С в 1 мин, и к 40-й мин обработки среда достигает температуры 57 °С. Изучали процент мертвых клеток в обработанной среде (рисунок 1).

Таблица 1.

Влияние продолжительности воздействия ультразвука (УЗ) на температуру дрожжевой суспензии

Table 1.

The effect of the duration of exposure to ultrasound (US) on the temperature of the yeast suspension

Продолжительность воздействия УЗ, мин Duration of exposure US, minutes	Температура, °С Temperature, °С	Продолжительность воздействия УЗ, мин Duration of exposure US, minutes	Температура, °С Temperature, °С
1	18	12	29
2	19	13	30
3	20	14	31
4	21	15	32
5	22	16	33
6	23	17	34
7	24	18	35
8	25	19	36
9	26	20	37
10	27	30	47
11	28	40	57

Рисунок 1. Влияние продолжительности ультразвукового воздействия на выживаемость дрожжей

Figure 1. Effect of duration of ultrasonic exposure on yeast survival

В результате проведенного эксперимента установлено, что начиная с 5-й мин обработки процент мертвых клеток превышает допустимые нормы. Для стадии выращивания дрожжей процент мертвых клеток не должен превышать 10%.

Дрожжи, обработанные ультразвуком в течение 1-10 мин (опыт 1–10), служили в качестве засевных на этапе сбраживания пивного сусла. Брожение проводили при температуре 22 °С. В процессе брожения контролировали убыль СО 2 весовым методом (рисунок 2) и изучали морфологические признаки дрожжей: общее количество клеток, количество почкующихся клеток, клеток с гликогеном (рисунки 3–5).

При сбраживании пивного сусла бродильная активность увеличилась на 36% в опыте 2 при обработке засевных дрожжей ультразвуком в течение 2 мин. Остальные образцы незначительно отличались от контроля первые 72 ч брожения и теряли бродильную активность после 80 ч брожения.

Ультразвуковая обработка дрожжей в течение 2 мин способствует максимальному приросту биомассы, почкующихся клеток и клеток с гликогеном.

Массовую долю этилового спирта, массовую долю экстракта, экстрактивность начального сусла в готовых образцах пива изучали на анализаторе спиртосодержащих напитков «Колос-2» (таблица 2).

^^^^^™Контроль{Control} ^^^^^w123 <    4  ^^^^^™ 5  ^^^^^м 6  ^^^^^м 7  ^^^^^м 8  ^^^^^м 9  ^^^^^м 10

Рисунок 2. Изменение бродильной активности дрожжей в процессе сбраживания пивного сусла дрожжами, обработанными ультразвуком

Figure 2. Change in the fermentative activity of yeast during fermentation of beer wort with ultrasound-treated yeast

Duration of fermentation, hours

^^^^^^^е Контроль {Control} ^^^^^^^е 1  ^^^^^^^^^ 2  ^^^^^^^^^ 3  ^^^^^^^» 4  ^^^^^^^^^ 5  ^^^^^^^^^ 6  ^^^^^^^^^ 7  ^^^^^^^^^89^^^^^^^^^ 10

Рисунок 3. Изменение количества почкующихся клеток в процессе сбраживания пивного сусла дрожжами, обработанными ультразвуком

Figure 3. Change in the number of budding cells during fermentation of beer wort with ultrasound-treated yeast

Duration of fermentation, hours

^^^^^^^е Контроль {Control} ^^^^^^^е 1  ^^^^^^^^^ 2  ^^^^^^^^^ 3  ^^^^^^^е 4  ^^^^^^^е 5  ^^^^^^^» 6  ^^^^^^^е 7  ^^^^^^^е89^^^^^™ 10

Рисунок 4. Изменение общего количества клеток в процессе сбраживания пивного сусла дрожжами, обработанными ультразвуком

Figure 4. Change in the total number of cells during the fermentation of beer wort by ultrasound-treated yeast

Продолжительность брожения, ч

Duration of fermentation, hours

^^^^^^^е Контроль {Control} ^^^^^^^е 1   ^^^^^^^е 2  ^^^^^^^» 3  ^^^^^^^е 4  ^^^^^^^е 5  ^^^^^^^е 6  ^^^^^^^е 7  ^^^^^^^е89^^^^^ 10

Рисунок 5. Изменение количества клеток с гликогеном в процессе сбраживания пивного сусла дрожжами, обработанными ультразвуком

Figure 5. Change in the number of cells with glycogen during the fermentation of beer wort with ultrasound-treated yeast

Таблица 2.

Физико-химические показатели готовых образцов пива

Table 2.

Physico-chemical characteristics of finished beer samples

Образец Sample	Температура Temperature	Спирт, % Alcohol, %	Экстракт, % Extract, %	Плотность Density	Спирт, об% Alcohol, vol%	ЭНС ENS	Дейст. ст. сбраж. Deyst. st. brazh
Контроль Control	21	3,29	7,35	1,0214	4,26	13,7	46,2
1	21	3,30	7,35	1,0206	4,27	12,8	46,3
2	21	3,60	7,35	1,0205	4,31	12,8	46,9
3	21	3,28	7,36	1,0220	4,24	13,6	46,1
4	21	3,17	7,35	1,0207	4,14	12,8	46,0
5	21	2,95	7,35	1,0164	3,92	13,7	45,7
6	21	2,86	7,35	1,0220	3,83	13,6	45,1
7	21	2,83	7,35	1,0222	3,80	13,6	44,9
8	21	2,11	7,36	1,0023	3,07	13,7	43,9
9	21	2,02	7,35	1,0221	3,00	13,5	42,7
10	21	1,98	7,35	1,0218	2,96	13,2	41,5

Одновременно из каждого образца выводили чистую культуру путем высева на сусло-агар. На рисунках 6, 7 представлены результаты контрольного и опытного образца с использованием дрожжей, обработанных ультразвуком в течение 2 мин.

Рисунок 6. Контрольный образец засевных дрожже

Figure 6. Control sample of seed yeast

Рисунок 7. Образец 2 засевных дрожжей

Figure 7. Sample 2 seed yeast

Заключение

В результате проведенных исследований установлено, что содержание мертвых клеток в образцах, обработанных ультразвуком, достигает 100% на 17-й мин воздействия ультразвука, а температура к 40-й мин обработки достигает 57 °С. Таким образом, проводить обработку более 5 мин нецелесообразно. В результате проведенных исследований становлено, что ультразвуковая обработка дрожжей в течение

• 2    мин способствует максимальному приросту биомассы, почкующихся клеток и клеток с гликогеном и улучшает органолептические и физико-химические показатели готового пива.

Исследования проведены на приборе ультразвуковой обработки модели VGT-800, а также на приборе «Колос-2» в лаборатории Башкирского государственного аграрного университета.