CC BY
54
Влияние пероксида водорода на устойчивость дрожжей к этанолу
при сбраживании плотного и высокоплотного сусла
Е. О. Чуланов
Московский государственный университет пищевых производств
Современное отечественное производство пива характеризуется интенсивным внедрением технологии плотного или высокоплотного пивоварения. Данный способ производства пива отличается более высокой экономичностью и в то же время рядом технологических сложностей. Одна из ключевых стадий производства пива — сбраживание сусла. В классической технологии плотность начального сусла составляет 10-14 % СВ, в современной плотной и высокоплотной — 18 % СВ и больше, что обусловливает исходное высокое осмотическое давление, ухудшающее состояние и технологически важные характеристики дрожжей. Кроме того, этанольный стресс в конце брожения также играет отрицательную роль в развитии дрожжевой популяции и может привести к недоброду и даже к автолизу.
Высокая концентрация этанола отрицательно влияет не только на дрожжи, но и на контаминанты пивоварения. Отмечено, что колиформы бактерий, наличие которых жестко регламентировано инструкциями, в условиях повышенного содержания этанола (11-12 об. %) погиба-
ют [1]. В данном контексте повышение эта-нольной устойчивости именно дрожжевых клеток наиболее интересно, особенно когда микробиологические показатели производства пива неудовлетворительны.
Существует ряд методов физической предобработки дрожжей. Например, ультразвук позволяет интенсифицировать технологический процесс [2]. Однако большинство из этих методов требуют использования специального дорогостоящего оборудования.
Очевидно, что адаптация дрожжей к стрессовым условиям приведет к лучшим характеристикам технологического процесса. Один из возможных способов предобработки — обработка раствором пе-роксида водорода. Отмечено, что пероксид водорода (10-150 ммоль/дм3) вызывает апоптоз клетки [3] — своего рода самоубийство. С другой стороны, цель апопто-за — удаление поврежденных, слабых клеток. В результате количество жизнеспособных клеток снижается, иногда, в зависимости от условий и концентрации пероксида водорода, значительно. Однако клетки, сохранившие жизнеспособность,
Таблица 1
Концентрация Вариант Клетки дрожжей
этанола, об. % 0 сут, млн/см3 | 4 сут, млн/см3 | Прирост, %
0 Контроль 97 400 312
Опыт 133 450 238
1 Контроль 97 350 261
Опыт 133 400 201
5 Контроль 97 190 96
Опыт 133 250 88
10 Контроль 97 105 8
Опыт 133 220 65
Таблица 2
Концентрация Вариант Жизнеспособные клетки дрожжей
этанола, об. % 0 сут, млн/см3 4 сут, млн/см3 | Прирост, %
0 Контроль 57 281 393
Опыт 57 345 505
1 Контроль 57 213 274
Опыт 57 294 416
5 Контроль 57 101 77
Опыт 57 152 167
10 Контроль 57 35 -39
Опыт 57 90 58
ПИ
НАПИТКИ
5•2008
16
более толерантны, обеспечивают более интенсивное сбраживание сусла, в том числе с высокой концентрацией сухих веществ.
Ранее нами было изучено влияние различных факторов на процесс сбраживания и подобраны оптимальные параметры проведения процесса [4]. Разработанный способ активации посевного материала позволяет интенсифицировать сбраживание как «плотного», 15%-ного, так и «высокоплотного», 20%-ного пивного сусла. Также проведены эксперименты, в которых дрожжи обрабатывали, кроме пероксида водорода, алкилоксибензолами [5]. При сбраживании 16%-ного сусла обработка пе-роксидом водорода была более эффективной «защитой» от осмотического стресса.
В данной статье приведены результаты исследования применения обработки пероксидом водорода для повышения эта-нольной устойчивости дрожжевых клеток. Обработанные дрожжи использовали для сбраживания плотного и высокоплотного сусел. В процессе сбраживания определяли такие характеристики, как количество живых клеток и общий титр дрожжей в сбраживаемой среде. В экспериментах использовали сухие дрожжи Saf Brew S33 и производственные дрожжи расы Rh.
В первом эксперименте проводили 30-минутную выдержку разброженной суспензии дрожжей в растворе пероксида водорода (начальная концентрация пе-роксида водорода в суспензии дрожжей составляла 100 ммоль/дм3). После этого сбраживали образцы сусла концентрацией 15 % СВ, изначально содержавшие различные количества этилового спирта.
После выдержки суспензии дрожжей в растворе пероксида водорода количество жизнеспособных клеток составило 73 % от контроля. Контрольными дрожжами (без обработки) и опытными дрожжами (после обработки раствором перокси-да водорода) засевали 15%-ное сусло с начальным содержанием этанола 0, 1, 5 и 10 об. %.
Сбраживание проводили при температуре 13...14 °С в течение 4 сут, определяя вышеупомянутые показатели сразу после засева сусла дрожжами и по окончании процесса. Полученные результаты приведены в табл. 1 и 2.
Во всех опытных вариантах количество жизнеспособных дрожжевых клеток было выше, чем в соответствующих контрольных. В условиях эксперимента отмечали закономерное снижение прироста числа жизнеспособных клеток дрожжей пропорционально возрастанию исходной концентрации этилового спирта в сусле.
Активирующий эффект обработки за-севных дрожжей пероксидом водорода был тем значительнее, чем выше было исходное содержание этанола в сусле, т.е. чем более сложными были стартовые условия развития популяции. Так, при исходном содержании этилового спирта
в сусле, равном 0 %, число жизнеспособных клеток дрожжей, обработанных Н2О2, после 4 сут было на 22,7 % больше, чем у дрожжей, не подвергнутых обработке. При концентрации этилового спирта 1 об. % такая разница составила уже 38 %, а при 10%-ном содержании этанола — 157 %. В последнем случае контрольные (необработанные) дрожжи продемонстрировали убыль числа жизнеспособных клеток почти на 40 %, тогда как обработанные — прирост на 58 %.
Таким образом, обработка раствором пероксида водорода позволяет существенно повысить устойчивость дрожжей к этанолу, присутствующему в среде в значительных концентрациях. Несмотря на то, что такая обработка снижает число жизнеспособных клеток в засевной суспензии дрожжей и тем самым делает необходимым увеличение расхода последней, в целом применение пероксида водорода в промышленном масштабе экономически оправдано.
Более того, применение пероксида водорода может оказаться целесообразным, по крайней мере, с технологической точки зрения и при сбраживании сусел с умеренной плотностью. В вариантах сусла, исходно не содержащего этилового спирта, дрожжи после обработки Н2О2 развивались значительно более интенсивно, чем необработанные.
При исходном отсутствии этанола в сусле, а также при низком начальном содержании спирта в среде (1 об. %) обработка засевных дрожжей пероксидом водорода в условиях эксперимента не повлияла на степень утилизации сухих веществ сусла — видимый экстракт был одинаковым во всех вариантах, как контрольных, так и опытных. Присутствие этилового спирта в среде с самого начала главного брожения в низких концентрациях (не более 1 %) не влияло на снижение видимого экстракта в отличие от количества жизнеспособных дрожжевых клеток (см. табл. 2).
Повышение исходного содержания этанола существенно изменило ситуацию. При 5%-ной концентрации этилового спирта в контрольном варианте степень утилизации компонентов сусла была на 50 % меньше, чем в варианте, исходно не содержавшем этанола. Использование засевных дрожжей, обработанных перок-сидом водорода, не позволило полностью устранить негативное влияние присутствия 5 об. % этилового спирта, но снижение степени утилизации при этом составило всего 12,5 %.
Присутствие в сусле 10 об. % этилового спирта с самого начала процесса крайне негативно повлияло на все контролируемые в эксперименте показатели процесса брожения, в том числе на утилизацию дрожжами сухих веществ (табл. 3). Так, снижение видимого экстракта в контрольном образце с 10 об. % этанола составило
лишь 15 % по сравнению с вариантом, исходно не содержавшим этилового спирта. Обработка засевных дрожжей раствором пероксида водорода не позволила значительно интенсифицировать брожение — степень утилизации сухих веществ равнялась 25 % от величины этого показателя в варианте без этанола.
Тем не менее на основании результатов рассмотренного эксперимента можно утверждать, что обработка дрожжевой суспензии раствором пероксида водорода позволяет снизить влияние на процесс брожения умеренно неблагоприятных условий.
На следующем этапе нашей работы был изучен вопрос о сохранении повышенной устойчивости дрожжей к осмотическому и этанольному стрессам, обусловленной обработкой посевной суспензии раствором пероксида водорода, в следующей после обработанной генерации.
Для этого суспензию сухих дрожжей Saf Brew S33 обработали раствором перок-сида водорода так же, как в предыдущем эксперименте, и использовали для засева сусла концентрацией 19 % СВ. В контрольном варианте 19%-ное сусло засеяли таким же количеством жизнеспособных клеток дрожжей, не обработанных раствором пероксида водорода. Главное брожение вели в течение 8 сут при температуре 13...14 °С. Из среднего слоя осадочных дрожжей каждого варианта отбирали клетки, которые использовали для засева новых порций сусла с концентрацией 19 % СВ так, чтобы их содержание составило 19 млн/ см3 среды. Главное брожение провели в условиях, описанных выше, определяя содержание видимого экстракта. Результаты приведены в табл. 4.
Анализируя данные, приведенные в таблице, можно сделать вывод о том, что сбраживание сусла дрожжами, предыдущая генерация которых была до начала главного брожения обработана раствором пероксида водорода, протекало в условиях эксперимента более интенсивно, чем в контрольном варианте, сбраживаемом необработанными дрожжами. Кроме того, через 8 сут брожения в опытном варианте содержание жизнеспособных дрожжевых клеток было на 45 % больше, чем в контрольном (абсолютные значения не приводятся).
Аналогичные результаты были получены при проведении эксперимента, в котором для сбраживания сусла в аналогичных условиях использовали производственные дрожжи следующей после обработки генерации.
Однако достигнутое повышение степени сбраживания не может быть признано существенным, особенно учитывая тот факт, что величина видимого экстракта как в контрольном (11,0 %), так и в опытном (10,5 %) вариантах, была очень высокой, что свидетельствовало о незавершен-
Таблица3
Концентрация этанола,об. % Вариант СВ, %
0 Контроль 7,0
Опыт 7,0
1 Контроль 7,0
Опыт 7,0
5 Контроль 11,0
Опыт 8,0
10 Контроль 13,8
Опыт 13,0
Таблица 4
Вариант СВ, %
0 сут 4 сут 8 сут
Контроль 19,0 12,5 11,0
Опыт 19,0 12,0 10,5
ности стадии главного брожения. Таким образом, следует считать, что выраженный технологический и экономический эффект от проведения обработки засевных дрожжей раствором пероксида водорода может быть достигнут только на протяжении цикла брожения, следующего непосредственно после такой обработки.
Регулярная обработка суспензии за-севных дрожжей позволит повысить их устойчивость к высокому содержанию этилового спирта в сбраживаемой среде и, как было установлено ранее [4], высоким концентрациям сухих веществ в начальном сусле. Это, в свою очередь, позволит повысить степень сбраживания плотных и высокоплотных сусел и/или сократить продолжительность стадии главного брожения при производстве плотного и высокоплотного пива.
ЛИТЕРАТУРА
1. Magnus C. A., Ingledew W. M., Casey G. P. High-gravity brewing: influence of high-ethanol beer on the viability of contaminating brewing bacteria//Am-erican society of brewing chemists. 1986. \Ы. 44. No. 4. Р. p. 158-161.
2. Помозова В. А., Пермякова Л. В., Сафонова Е.А., Артемасов В. В. Активация пивных дрож-жей//Пиво и напитки. 2002. № 3. С. 26-28.
3. Ribeiro G. F., Corte-RealM, Johansson B. Characterization of DNA damage in yeast apoptosis induced by hydrogen peroxide, acetic acid, and hyperosmotic shock//Molecular biology of the cell. 2006. Ш. 17. Issue 10, p. 4584-4591.
4. Чуланов Е. О., Карпенко Д. В. Исследование воздействия перекиси водорода на интенсивность сбраживания дрожжами плотного и высокоплотного сусла//Сб. материалов пятой юбилейной школы-конференции с международным участием «Высокоэффекивные пищевые технологии, методы и средства для их реализации». — М., 2007, с. 221-225.
5. Конаныхина И.А., Шаненко Е. Ф., НиколаевЮ. А, Эль-Регистан Г. И. Разработка способов защиты пивоваренных дрожжей от осмотического стрес-са//Хранение и переработка сельхозсырья. 2007. № 3. С. 40 -41. &
