МИКРОБИОЛОГИЯ Учебное пособие - 2012
ГЛАВА 15. МИКРОБИОЛОГИЯ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
15.9. МИКРОБИОЛОГИЯ ПИВА
Пиво изготовлялось уже древнейшими культурными народами. В найденных документах Шумерского государства за 3 тыс. лет до н. э. сообщалось о приготовлении напитка, который может рассматриваться как древняя форма нынешнего пива. Древние египтяне, греки, римляне и германцы готовили неохмеленное пиво преимущественно из ячменя, пшеницы и других хлебных злаков, а для вкуса и аромата добавляли сосновые побеги и другие ароматические вещества. Хмель начали применять в пивоварении только в IX в. Охмеленное пиво готовили в это же время в Сибири, затем в Киевской и Новгородской Руси.
15.9.1. Пивные дрожжи
Главная роль в пивоварении принадлежит пивным дрожжам. Процесс брожения происходит под действием ферментов дрожжей, катализирующих расщепление углеводов сусла с образованием этилового спирта, диоксида углерода и побочных продуктов, формирующих вкус и запах готового пива. К побочным метаболитам дрожжей относят высшие спирты, ацетальдегид, ацетоин, диацетил, этилацетат, n-пропанол, изобутанол и др.
В пивоварении применяют дрожжи вида Saccharomyces cerevisiae низового и верхового брожения. Дрожжи низового брожения, развиваясь в сбраживаемом сусле, агрегируются в виде хлопьев и оседают на дно бродильного аппарата, образуя плотный осадок. Дрожжи низового брожения хорошо бродят при низких температурах: 5—10 °С. При температуре около 0 °С брожение прекращается.
Дрожжи верхового брожения поднимаются на поверхность сусла и скапливаются там в виде слоя пены. Процесс брожения ведут при температуре 12—25 °С; при температуре ниже 10 °С он прекращается.
Характерной особенностью дрожжей низового брожения является их способность сбраживать наряду с глюкозой, фруктозой, мальтозой, сахарозой также трисахарид раффинозу. В ферментной системе низовых дрожжей имеются инвертаза и мелибиаза, тогда как у верховых дрожжей присутствует только инвертаза. В связи с этим верховые дрожжи сбраживают раффинозу только на 1/3.
Дрожжи, используемые в пивоварении, должны обладать следующими свойствами: быстро и глубоко сбраживать сусло, давать высокую полноту осветления при низкой температуре; сообщать пиву выраженный аромат и мягкий вкус. В настоящее время среди чистых культур пивных дрожжей имеется много разновидностей, которые называют расами или штаммами. При выборе штамма дрожжей для производства пива важное значение имеют их морфологические и физиологические особенности. На отечественных пивоваренных предприятиях используют следующие штаммы низовых дрожжей Saccharomyces cerevisiae: 129,148, 338, 34/70, Rh и верховых: W 210 — для эля и W 68 — для пшеничного пива.
Морфологические свойства. Форма и размер дрожжевых клеток непосредственно связаны с их физиологическим состоянием, возрастом и составом среды. Если поддерживать условия культивирования дрожжей постоянными, то размеры и форма клеток становятся типичными для данного штамма. Размер большинства клеток пивных дрожжей составляет (9—11) х (5—8) мкм. Различия в форме отдельных клеток обусловлены изменением условий культивирования: состава среды, температуры, наличия вредных примесей и т. п. Здоровые дрожжи всегда наряду с крупными клетками содержат мелкие клетки. Форма мелких клеток обычно круглая, крупных — овальная или продолговатая.
Структура цитоплазмы клеток зависит от возраста клетки и наличия в среде кислорода. У «дышащих» клеток в аэробных условиях цитоплазма однородна и не содержит включений. У «бродящих» клеток в анаэробных условиях наблюдаются вакуоли.
Физиологические свойства.
1. Скорость размножения дрожжей имеет большое значение, так как брожение начинается лишь после накопления в сусле определенной концентрации клеток. Нормальным в производстве пива считается 3—4-кратное увеличение биомассы дрожжей в период главного брожения. Если при введении в сусло число клеток дрожжей составляет (7—10) х 106 в 1 см3, то в период наиболее активного брожения их число достигает (30—70) х 106.
2. Флокуляционная способность — это свойство дрожжей объединяться в мелкие хлопья и оседать в конце главного брожения. Флокуляционная способность дрожжей зависит от их генетических особенностей, состава сусла, температуры брожения, степени аэрации. Флокуляционная способность дрожжей понижается в сусле с высоким содержанием сбраживаемых сахаров, при интенсивной аэрации, низкой засевной норме дрожжей, высокой температуре брожения.
По флокуляционной способности различают хлопьевидные и пылевидные дрожжи. Хлопьевидные дрожжи низового брожения в конце главного брожения слипаются в комки (флокулы) и оседают на дно в виде плотного осадка. Дрожжи верхового брожения всплывают на поверхность в виде «шапки». Подъем дрожжей верхового брожения происходит в результате того, что после окончания почкования дочерние клетки не отделяются от материнских, а образуют скопления, которые выносятся пузырьками СО2 на поверхность бродящей среды. Хлопьевидные дрожжи образуют флокулы, когда сусло еще не полностью сброжено, следствием чего является хорошее осветление молодого пива.
Пылевидные дрожжи в течение всего процесса брожения остаются во взвешенном состоянии и оседают в виде жидкого супообразного осадка. Они дают меньший прирост биомассы, подвержены автолизу, но обладают большей бродильной активностью и полнее сбраживают сусло.
3. Бродильная активность — важное биологическое свойство пивных дрожжей.
Главным показателем, характеризующим бродильную активность дрожжей, является степень сбраживания сусла. По этому показателю все дрожжи можно условно разделить на 3 группы:
✵ слабосбраживающие — степень сбраживания сусла менее 80 %;
✵ среднесбраживающие — 80—90 %;
✵ сильносбраживающие — 90—100 %.
Бродильную активность дрожжей определяют различными способами: по конечной степени сбраживания; по количеству выделившегося диоксида углерода в единицу времени; по количеству образовавшегося этанола; по количеству сахара, сброженного в единицу времени (кинетика брожения).
Конечную степень сбраживания определяют в зависимости от начального и конечного содержания сухих веществ в сусле по формуле:
где Е — содержание сухих веществ в исходном сусле; е — содержание сухих веществ в сброженном сусле.
Конечную степень сбраживания определяют 2 раза в месяц, особенно при переходе на новое сырье.
Большое значение для бродильной активности дрожжей имеет их физиологическое состояние: возраст, условия предыдущего хранения, упитанность, жизнеспособность.
4. Потребность в кислороде у разных штаммов пивных дрожжей различна и может колебаться от 2 до 30 мг/л и более. Она зависит от условий их предварительного выращивания. Если дрожжи до брожения длительное время находились в контакте с кислородом, то они могут расти и вызывать брожение независимо от содержания кислорода в сусле. При использовании осадочных дрожжей, полученных после брожения, необходимо обеспечивать кислородом свежее сусло, поступающее в бродильные аппараты.
Для осуществления главного брожения подготовленное сусло перекачивают в бродильный аппарат и вводят в него чистую культуру (ЧК) дрожжей или семенные дрожжи. ЧК дрожжей разводят с целью увеличения биомассы сначала на лабораторной стадии, а затем на цеховой стадии в аппарате ЧК для получения массы дрожжей, задаваемой в бродильный аппарат.
Семенные дрожжи — это дрожжи, осевшие в бродильных аппаратах, которые собирают и используют для последующих производственных циклов несколько раз. Дрожжи каждого цикла брожения называются дрожжами той или иной генерации. Предварительно дрожжи очищают, пропуская их через вибрационное сито, где клетки отделяются от крупных белковых хлопьев и остатков хмелевых веществ. После очистки дрожжи направляют в специальные емкости, заливают их 2—3-кратным количеством воды, охлажденной до 0—2 °С, и тщательно перемешивают. Через 2—3 ч после отстаивания мутную воду сливают, после чего дрожжи хранят под слоем воды с указанной температурой не более 4—5 сут, причем 1—2 раза в сутки воду с поверхности заменяют свежей.
При наличии в семенных дрожжах значительного количества посторонних микроорганизмов их подвергают очистке. Дрожжи, хранившиеся несколько суток, активируют путем смешивания с аэрированным суслом с температурой 15—17 °С в соотношении 1:1, а затем добавляют 1/3—1/4 холодного сусла. Повторно используемые генерации дрожжей должны удовлетворять следующим требованиям: количество мертвых клеток дрожжей должно быть не более 5 %; упитанность дрожжевых клеток по гликогену — не ниже 70 %; присутствие бактерий — не более 0,5 %, присутствие клеток диких дрожжей не допускается.