ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ СУХИХ ВЕЩЕСТВ В ИСХОДНОМ СУСЛЕ НА ДИНАМИКУ НАКОПЛЕНИЯ ПРОДУКТОВ БРОЖЕНИЯ
И. М. Грачева, Ю. А. Атрушкевич, В. Н. Романенко
Обмен веществ у дрожжей при брожении за последнее десятилетие был предметом многочисленных исследований, и отдельные стороны его изучены с исчерпывающей полнотой [1—8].
Более подробно этот вопрос разбирался в предыдущей статье. В свете этих литературных данных становится ясным химизм отдельных реакций и условия превращения различных веществ, путем синтеза и распада веществ дрожжей, порядок накопления и превращения в среде главных, промежуточных и побочных продуктов сбраживания углеводов.
Цель настоящей работы — выяснить прямое или косвенное влияние углеводов на образование конечных продуктов брожения, а именно: как концентрация сухих веществ в исходном сусле сказывается на накоплении летучих альдегидов, высших спиртов, аминного азота и биомассы. Кроме того, ставился вопрос о влиянии дрожжевой массы в процессе дображивания на изменение побочных продуктов пива и о накоплении продуктов автолиза, связанного с деструктивными процессами во время дображивания при низких температурах. Эти вопросы имеют определенное значение при решении вопросов непрерывных и ускоренных процессов брожения.
Для исследования брали 13%-нее солодовое охмеленное сусло одного затора и доводили плотность его в одном случае до 11 % водой, в другом — добавляли сахарозу до плотности среды 20%. На каждый опыт брали по 250 мл сусла в бутылках емкостью 400 мл. Сусло стерилизовали, охлаждали и засевали чистой культурой дрожжей Saccharomyces carlsbergensis из расчета производственного засева дрожжей, а именно: 0,13—0,14 г сухих дрожжей на 250 мл сусла.
Каждый из вариантов сусла сбраживали в 18—20 параллельных пробах и определяли динамику накопления продуктов брожения. Для этого ежедневно снимали по одной пробе из каждого варианта, пробы центрифугировали, биомассу фиксировали спиртом и высушивали до постоянного веса. В фугате определяли этиловый спирт, летучие альдегиды, высшие спирты и аминный азот по общепринятым методам. Длительность брожения для 11%-ного сусла была принята 9 суток, для 13%-ного сусла — 11 суток, для 20%-ного сусла — 15 суток. Брожение велось в холодильнике при температуре 8—7°.
По окончании главного брожения из каждого варианта составляли по 4 параллельные пробы на выдержку при низких температурах (4— 5º), при этом по 2 пробы ставили непосредственно с осевшими после брожения дрожжами, а 2 другие пробы оставляли после предварительного двукратного фугования без осадочных дрожжей.
По истечении срока выдержки и дображивания (25 дней с начала постановки опыта) пробы снимали и подвергали вышеописанной обработке и анализам.
Для получения чистой культуры посевных дрожжей нами были сделаны последовательные пересевы. Сначала чистую культуру Saccharomyces carlsbergensis 11 высевали на косой сусло-агар, через сутки инкубации при 30° в каждую пробирку (было поставлено 3 параллельных засева) наливали по 10 мл стерильного сусла и брожение проводили в течение 10—12 часов при температуре 20°. Бродящее сусло полностью задавали в колбы с 250 мл уже охмеленного 13%-ного сусла и ставили на сбраживание на 36 часов при 20°, затем все 250 ж/г задавали в 750 мл охмеленного сусла и ставили на брожение при 8—9° на двое суток.
Полученную в большом количестве чистую культуру дрожжей фуговали с соблюдением максимально возможной стерильности, добавляли воду и дрожжи в виде дрожжевой суспензии (разведение 1 :20) в точной дозировке задавали в каждую пробу.
В начале брожения через каждые 8—10 часов все пробы взвешивали и учитывали интенсивность брожения по выделившейся углекислоте.
На основе всех взвешиваний по каждому варианту сусла были получены средние значения по СО2 в течение всего брожения (табл. 1).
Таблица 1. Интенсивность брожения по выделившейся CO2
|
11%-ное сусло |
13%-ное сусло |
20%-ное сусло |
|||
| длительность брожения в часах | количество СО2 в г на 250 мл жидкости | длительность брожения в часах | количество СО2 в г на 250 мл жидкости | длительность брожения в часах | количество СО2 в г на 250 мл жидкости |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 6 | 0 | 10 | 0 | 8 | 0,08 |
| 16 | 0 | 18 | 0 | 14 | 0,20 |
| 24 | 0,10 | 24 | 0,01 | 24 | 0,36 |
| 40 | 0,40 | 34 | 0,03 | 32 | 0,58 |
| 48 | 0,68 | 42 | 0,10 | 38 | 0,78 |
| 54 | 0,91 | 48 | 0,27 | 56 | 1,22 |
| 64 | 1,61 | 58 | 0,85 | 104 | 3,01 |
| 72 | 2,14 | 66 | 1,30 | 128 | 4,30 |
| 78 | 2,40 | 72 | 1,55 | 152 | 5,98 |
| 96 | 3,46 | 90 | 2,52 | 176 | 7,33 |
| 120 | 3,99 | 120 | 3,26 | 200 | 8,21 |
| 168 | 5,40 | 168 | 5,10 | 224 | 8,94 |
| 192 | 5,82 | 192 | 5,74 | 296 | 10,46 |
| 216 | 6,10 | 216 | 6,46 | 326 | 11,27 |
| — | — | 240 | 7,70 | 344 | 11,50 |
| — | — | 264 | 8,25 | 368 | 11,60 |
| — | — | — | — | 392 | 11,80 |
Ежедневно определяли изменения в биомассе дрожжей. Данные о нарастании ее в процессе брожения представлены в таб. 2.
Из данных табл. 2 видно, что нарастание биомассы дрожжей происходит наиболее интенсивно в первые 3—4 суток брожения; в дальнейшем оно идет медленнее и совсем замедляется к концу брожения.
Наиболее наглядно этот процесс можно представить графически (рис. 1). Характер накопления биомассы дрожжей в основном однотипен, и концентрация углеводов в среде существенно не влияет на динамику нарастания дрожжевой массы, однако общее количество дрожжей в каждом варианте несколько варьирует в зависимости от плотности среды.
Чем выше плотность сбраживаемой среды, тем больше дрожжевой массы накапливается в процессе брожения. Так, если мы примем содержание биомассы в 11%-ном сусле в конце брожения за 100%, то в 13%-ном сусле накапливается приблизительно 110,5%, а в 20%-ном сусле — уже 136,6%.
Таблица 2 Динамика нарастания биомассы в процессе брожения
| Длительность брожения в сутках | Количество сухих дрожжей в г на 250 мл сбраживаемой среды | ||
| 11%-ное сусло | 13%-ное сусло | 20%-ное сусло | |
| 0 | 0,1420 | 0,1346 | 0,1345 |
| 1 | 0,3300 | 0,2316 | 0,3320 |
| 2 | 0,5385 | 0,4185 | 0,5195 |
| 3 | 0,7556 | 0,4650 | — |
| 4 | 0,7944 | 0,6679 | 0,6843 |
| 5 | 0,8058 | 0,7738 | 0,6994 |
| 6 | — | — | 0,8393 |
| 7 | 0,8253 | 0,8107 | 0,9105 |
| 8 | 0,8584 | 0,8203 | 1,0061 |
| 9 | 0,8318 | 0,8616 | 1,0473 |
| 10 | — | 0,8890 | — |
| И | — | 0,9190 | — |
| 12 | — | — | 1,0393 |
| 13 | — | — | 1,0562 |
| 14 | — | — | 1,0929 |
| 15 | — | — | 1,0958 |
| 16 | — | — | 1,1364 |
Одновременно с определением биомассы проводили определение сивушного масла в среде. Полученные данные представлены на рис.2. Анализируя эти графики, можно увидеть прямую зависимость между количеством образовавшегося сивушного масла, дрожжевой массой и длительностью брожения.
Чем больше биомасса дрожжей и продолжительность брожения, тем больше сивушного масла накапливается в среде.
Так, при 9-суточном брожении 11%-ного сусла содержание сивушного масла достигает 0,0100 г на 100 мл сбраживаемой среды, при 11-суточном брожении 13%-ного сусла содержание высших спиртов составляет 0,0117 г/100 мл, а для сусла плотностью 20% оно возрастает до 0,0150 г/100 мл сбраживаемой среды.
Дальнейшая выдержка на дрожжах без заметного накопления этилового спирта дала дополнительно значительное накопление сивушного масла, что хорошо согласуется с данными и выводами предыдущей статьи. Результаты опытов» приведены в табл. 3.
Таблица 3. Влияние дрожжевой массы на накопление продуктов обмена в среде при выдержке в течение 25 дней при выдержке в течение 25 дней
|
Показатели в мг/100 мл
|
выдержка в течение 25 дней при выдержке в течение 25 дней |
|||||
| 11 %-ное сусло | 13 %-ное сусло | 20 %-ное сусло | ||||
| на дрожжах | после снятия дрожжей | на дрожжах |
после снятия дрожжей |
на дрожжах |
||
|
Сивушное масло |
10,00 |
11.20 |
11,00 |
13,60 |
14,25 |
17,75 |
|
Летучие альдегиды |
1,20 |
1,18 |
1,42 |
1,69 |
2,50 |
2,83 |
|
Аминный азот |
13,30 |
13,70 |
13,10 |
14,10 |
14,10 |
15,00 |
Как видно из данных табл. 3, дображивание на дрожжах приводило к значительному увеличению сивушного масла в среде, независимо от начальной плотности среды, степени выброда и длительности главного брожения. Во всех трех случаях содержание сивушного масла возрастало приблизительно на 12,0—12,4%.
Содержание летучих альдегидов практически не менялось (11%-ное сусло) или несколько повышалось при выдержке на дрожжах (13- и 20%-ное сусло).
Количество аминного азота незначительно возрастало, возможно, за счет некоторой деградации белка дрожжей в результате самопереваривания голодающих дрожжей при недостатке углеводов. Процесс дображивания в опытах после снятия с дрожжей практически не вызывал резких сдвигов в динамике накопления анализируемых побочных продуктов брожения (табл. 3 и 4).
Суммарные данные по динамике накопления сивушного масла, этилового спирта, альдегидов, биомассы дрожжей и аминного азота в процессе брожения в зависимости от плотности сбраживаемого сусла приведены в табл. 4.
Эти данные позволяют составить некоторое представление о ходе брожения в среде с различным содержанием углеводов. Изменения в содержании летучих альдегидов согласуются с образованием этилового спирта. В первый период брожения во всех трех случаях наблюдается резкий рост альдегидов, достигающий максимума для 11%- и 13%-ного сусла на третьи сутки, а для 20%-ного сусла, процесс сбраживания которого несколько затянулся, — на пятые сутки По мере сбраживания основной массы углеводов уменьшается и содержание альдегидов в среде. Остаточных альдегидов в среде будет тем больше, чем выше плотность сбраживаемого сусла. Так, конечное содержание альдегидов в среде для 11%-ного сусла было 1,20 мг, для 13%-ного сусла — 1,27 мг, а для 20%-ного сусла — 2,60 мг. При увеличении плотности среды до 20% конечное содержание альдегидов возрастает почти в 2,2 раза.
Аминный азот во всех трех вариантах содержался первоначально в сусле почти в одинаковых количествах: 21,0—21,4 лгг/100 мл среды.
В ходе брожения содержание аминного азота падало: так, для 11%-ного сусла на вторые сутки оно достигло 10,5 мг, для 13%-ного сусла на третьи сутки оно упало до 9,8 мг, а для 20%-ного сусла на пятые сутки — до 7,4 мг «а 100 мл.
Это объясняется процессом синтеза основной дрожжевой массы.
И лишь после того как сформировалась основная биомасса дрожжей, проявилась некоторая тенденция к. увеличению в бродящей среде аминного азота, возникающего уже за счет некоторой деградации тех же дрожжей (см. табл. 3 и 4)
На рисунке 3, 4 и 5 изображены кривые изменения пяти наиболее характерных компонентов сбраживаемой среды в период главного брожения, соответственно для 11-, 13-, 20 %-ного сусла. Из кривых 1, 3 и 4 каждого рисунка ясно видно, что с самого начала имеет место резкий прирост сивушного масла, что оно является производным процесса синтеза дрожжевой массы. Основное количество высших спиртов нарастает одновременно с ростом дрожжей, и как только этот рост начинает тормозиться, кривая синтеза высших спиртов также снижается.
..
С процессом нарастания содержания этилового спирта в среде динамика накопления высших спиртов не согласуется, что видно из сопоставления на каждом рисунке кривых 3 и 4, особенно на первой стадии брожения.
Иными словами, нарастание содержания сивушного масла в бродящем субстрате синхронизируется с изменениями биомассы и длительностью брожения и почти не зависит от динамики нарастания в среде этилового спирта.
Выводы
1. Накопление биомассы в некоторой степени зависит от концентрации углеводов в среде; чем она больше, тем интенсивнее нарастает дрожжевая масса, и чем больше продолжительность брожения, тем больше накапливается биомассы.
2. Образование сивушного масла в среде находится в прямой зависимости от скорости нарастания дрожжевой массы, количества ее и длительности брожения.
Косвенно нарастание сивушных масел зависит и от плотности среды и, по-видимому, не зависит от образования этилового спирта. Возможно, в первые сутки образующаяся под действием ферментов пировиноградная кислота в силу каких-то условий не идет на синтез этилового спирта, а вступает в реакцию с аминокислотами, давая начало высшему спирту.
3. Длительная выдержка на дрожжах после окончания главного брожения влечет за собой значительные увеличения содержания сивушного масла в среде на 12—12,5%.
4. Содержание аминного азота резко падает одновременно с ростом биомассы дрожжей, а именно в течение 2—3 суток от начала брожения. В 11%-ном сусле аминный азот падает до 10,5 мг на 100 мл сбраживаемой среды, а в 20% -ном — до 7,4 мг и а 100 мл. В конце главного брожения наблюдается некоторое увеличение количества аминного азота за счет деструктивных процессов.
5. Содержание альдегидов несколько возрастает в первый момент брожения к постепенно снижается к концу главного брожения. Чем выше плотность среды, тем больше содержание альдегидов на первой стадии брожения и тем больше остаточных альдегидов в среде по окончании главного брожения.
6. Сравнительная стабильность обмена веществ в сформировавшейся биомассе дрожжей и независимость интенсивности обмена веществ от скорости и накопления этилового спирта в среде делает весьма реальным способ производства пива, основанный на быстром сбраживании среды при перемешивании, под небольшим вакуумом при температуре 20—18°, с немедленным удалением дрожжей, центрифугированием и заменой их ферментными препаратами, исключающими непропорционально высокое накопление продуктов обмена веществ дрожжей после главного брожения [9].
7. Данные, изложенные в этой и предыдущей статье, показывают возможность сохранения однотипного состава напитков брожения при использовании сред, значительно отличающихся по составу, а также возможность значительного повышения образования высших спиртов при употреблении очень большого количества дрожжей и при быстром брожении в спиртовой промышленности.
