Биотрансформация: история дрожжей, хмеля и ферментов

Пивоварение возникло тысячи лет назад и во все времена славилось разнообразием рецептур и активным развитием технологий. Быстро меняющийся мир, запросы потребителей на разнообразие вкусов и качественный продукт побуждают технологов со всего мира изучать и создавать новые способы достижения высоких вкусовых и ароматических характеристик пива.

Эту статью нам передали представители компании Lallemand. С их благоволения мы перевели для вас материалы научных исследований Джоана Монтаселла (Lallemand Brewing). В конце публикации мы прикрепили для вас оригинальный текст статьи.

Изучение новых способов достижения отличного вкуса и аромата пива

Кто не слышал о «биотрансформации»? В настоящее время это слово распространилось по всему миру и включено в словарь крафтовых пивоваров, но действительно ли этот сложный предмет известен и понятен? Действительно ли этот процесс влияет на наше пиво? И что более важно, какую пользу мы можем извлечь из него?

Биотрансформация определяется как «химическая модификация соединения, производимая организмом». Хотя этот термин обычно используется в фармакологии и токсикологии, с точки зрения пивовара он обозначает взаимодействие двух ингредиентов, используемых в пивоварении: дрожжей и хмеля.

Будет подробно обсуждаться роль обоих ингредиентов в биотрансформации, а также использование экзогенных ферментов, которые влияют на аромат и вкус хмеля в пиве.

Роль хмеля

Хорошо известно, что хмель играет важную роль в производстве пива, в основном из-за его влияния на аромат и горечь. Помимо воды, целлюлозы и различных белков, химический состав хмеля состоит из танинов (полифенолов), хмелевых смол и хмелевых масел, каждый из этих компонентов определяет органолептический профиль получаемого пива (Таблица 1).

Полифенолы хмеля: полифенолы также играют важную роль в процессе пивоварения из-за их вклада в небиологическое помутнение (взаимодействие белок — полифенол). Хотя их также можно найти в солоде, они составляют до 4% от общего веса высушенных шишек хмеля. Их уровень зависит от сорта хмеля, местности произрастания, техники уборки и степени выдержки.

Смолы хмеля: смолы хмеля, а также эфирные масла содержатся в лупулиновых железах женских шишек хмеля. В основном они состоят из твердых смол и мягких смол, содержащих горькие кислоты. В общем, горечь — один из наиболее специфических вкусов, который ассоциируется с пивом, в основном из-за изомеризованных молекул α-кислот, образующихся в процессе кипячения сусла, известных как изо-α-кислоты.

Хмелевые масла: количество эфирных масел, присутствующих в хмеле, очень низкое, но их вклад в профиль аромата пива значительный. Это связано с низким порогом чувствительности летучих веществ, особенно тиолов (серная группа масел хмеля), обнаруживаемых при очень низких концентрациях.

Высушенный хмель содержит от 0,5% до 3% по весу масла в зависимости от сорта, и они присутствуют в сложном составе, включающем до 1 000 соединений, все из широкого диапазона химических классов.

Хмелевые масла подразделяются на три группы: углеводородная фракция, кислородсодержащая фракция и серная фракция. Линалоол, монотерпеновый спирт оксигенированной фракции, в течение нескольких лет считался ключевым индикатором вкуса хмеля в пиве. Тем не менее, хмелевой аромат и привкус пива не следует приписывать или связывать с каким-то одним веществом, поскольку они являются результатом взаимодействия многих соединений и синергии между ними.

По данным Такой и др. (2010), хмелевые масла, такие как гераниол и β-цитронеллол, влияют на общий вкус, тогда как линалоол присутствует в избытке, создавая синергетический эффект, значительно способствуя более ощутимому фруктовому и цитрусовому вкусу пива.

Хмель содержит еще одно соединение, которое также играет важную роль в биотрансформации, известное как гликозид. По определению, гликозиды — это молекулы, в которых молекула сахара гликозидно связана с другой молекулой. В природе они обычно встречаются в растениях, а с биологической точки зрения они играют многочисленные роли в живых организмах, например, накапливают химические вещества или даже транспортируют углеводы через растение и высвобождают их путем гидролиза.

В пивоварении гликозиды, полученные из хмеля, в основном образуются из монотерпенового спирта и углеводов, которые в их объединенном состоянии представляют собой молекулу, не имеющую ни аромата, ни сладости.

Рисунок 1. Тенденции использования сортов хмеля в зависимости от их характеристик

Кроме того, считается, что гликозидно-связанные вкусовые соединения хмеля вносят вклад в хмелевой аромат пива.

С 2009 года наблюдается четкая тенденция к росту высоко-ароматических сортов хмеля, а не сортов с высоким содержанием альфа-кислот, которые за последние десять лет сократились, как показано на Рисунке 1. Кроме того, за последнее десятилетие увеличилось количество более высоких доз хмеля, что связано с ростом интереса к пиву с ярким хмелевым ароматом.

Этот высокий спрос на ароматные сорта, среди других факторов производства, побудил пивоваров искать новые и инновационные способы улучшения аромата и вкуса хмеля. Другими словами, биотрансформация хмеля может стать потенциальным решением для оптимизации его использования за счет изменения соотношения определенных ароматических соединений и, следовательно, изменения разнообразия вкусов и ароматов в пиве.

Роль дрожжей

Нет дрожжей — нет пива. Этот микроорганизм отвечает за превращение сусла в пиво, за биохимический процесс, при котором происходит алкогольное брожение, а также за выделение углекислого газа (CO2) и ароматических соединений.

Рисунок 2. Серия реакций, связанных с дрожжами

Однако дрожжи — это гораздо больше. В 2003 году Кинг и Дикинсон впервые открыли новую биотрансформацию соединений хмеля с дрожжами, которая оказала значительное влияние на формирование вкуса. Кроме того, дрожжи ответственны за серию реакций, изменяющих структуру монотерпеновых спиртов во время ферментации, что показывает, насколько сложна и разнообразна биотрансформация (Рисунок 2).

Согласно Лю (2015), биотрансформация кислородсодержащих терпенов, по крайней мере частично объясняет различия в аромате хмеля между сырым хмелем и готовым пивом, а также некоторыми другими летучими веществами, обнаруженными в пиве. Более недавнее исследование Шарпа (2017) также привело к выводу, что пивные дрожжи (Saccharomyces spp.) обладают более широким спектром способностей к гидролизу гликозидов, чем считалось ранее.

Другие исследования показали важность дрожжей в биотрансформации, основанной на катализе гликозидных связей при производстве хмелевого пива.

Во время ферментации, когда клетки очень активны, дрожжи естественным образом внеклеточно секретируют ферменты β-глюкозидазы, которые отвечают за реакцию гидролиза. На Рисунке 3 показан механизм расщепления неароматического соединения на глюкозу и линалоол с получением большего количества ароматических соединений и сбраживаемых сахаров, полученных из молекулы линалилгликозида.

Рисунок 3. Механизм расщепления неароматического соединения на глюкозу и линалоол

Высвобождение терпенов из гликозидов — не единственное взаимодействие между дрожжами и хмелем, есть и другие примеры, показанные ниже:

Этерификация: по определению сложные эфиры представляют собой связь между карбоновой кислотой и спиртом. В научных исследованиях сообщалось, что дрожжи обладают эстеразной активностью, что приводит к этерификации ряда соединений хмеля. Например, гераниол и цитронеллол, которые в природе содержатся в хмеле, превращаются в их ацетатные формы, геранилацетат и цитронеллилацетат соответственно.

Тиолы: также известные как меркаптаны, тиолы представляют собой семейство ароматических соединений, которые в природе содержатся в хмеле, либо в свободном виде, либо в форме нелетучих предшественников без запаха, которые могут высвобождаться с ферментом β-лиазой.

В настоящее время они набирают популярность благодаря своему вкладу в аромат пива, несмотря на их низкую концентрацию (менее 1% хмелевого масла), а также низкий порог восприятия (частей на триллион или нг/л). Как заявляет доктор Шеллхаммер, «тиолы в 10 000 раз более эффективны, чем гераниол, но они содержатся только в хмеле в небольших количествах».

Три наиболее распространенных молекулы тиола в пивоварении — это 3SH (3-сульфанил-гексан-1-ол, также известный как 3MH), который дает ноты цитрусовых и грейпфрута, его ацетатная форма 3SHA (также известная как 3MH-A), которая дает ноты маракуйи и 4MSP (4-метил-4-сульфанилпентан-2-он, также известный как 4MMP), который отвечает за аромат черной смородины.

Во время ферментации Saccharomyces cerevisiae способен поглощать и расщеплять предшественников с высвобождением свободных тиолов, таких как 4MSP, за счет активности β-лиазы (Рисунок 4).

Рисунок 4: Пример превращения предшественника без запаха в летучий тиол дрожжами

Кроме того, дрожжи обладают разной способностью обнаруживать летучие тиолы в зависимости от их генетического фона и соответствующей ферментативной активности. Тиолы на протяжении десятилетий глубже изучались в винных исследованиях, чем в пивных, что свидетельствует о том, что необходимы дополнительные исследования, чтобы понять их огромный потенциал в отношении пивного аромата.

Другие взаимодействия: взаимодействие дрожжей и хмеля также может привести к нежелательным эффектам, которые в основном зависят от режима сухого охмеления во время ферментации. Добавление хмеля при пост-ферментации практикуется на многих пивоварнях, но дрожжи в этом случае могут не участвовать в биотрансформации. Краткое изложение относительно времени сухого охмеления показано в Таблице 2.

Иногда биотрансформацию можно спутать с другим взаимодействием, в котором участвуют дрожжи и хмель, известным как эффект «ползучести хмеля». Этот феномен подробно описывается как повторное брожение, наблюдаемое в полностью сброженном пиве после сухого охмеления, и его первые исследования были опубликованы в 1893 году Брауном и Моррисом.

Как подробно описано ранее, молекулы глюкозы высвобождаются в результате гидролиза гликозидов, хотя с точки зрения пивовара это не представляет проблемы, поскольку они метаболизируются во время ферментации. Однако эффект «ползучести хмеля» также подразумевает высвобождение молекул глюкозы под действием амилолитических ферментов, естественным образом содержащихся в хмеле, которые обладают способностью расщеплять неферментируемые углеводы (материал декстрина) до сбраживаемых сахаров.

В крафтовом пивоварении большинство сортов пива не фильтруется, а это означает, что некоторые дрожжевые клетки все еще находятся во взвешенном состоянии в конечном продукте. Следовательно, комбинация свободной глюкозы и дрожжевых клеток может привести к брожению в упакованном пиве, что приведет к чрезмерной газированности пива, присутствию диацетила и более высокому содержанию алкоголя, что создает проблему качества для охмеленного пива.

Как недавно было предложено Стокгольмом и Шеллхаммером (2020), существует несколько факторов, которые могут продвигать или уменьшать эффект «ползучести хмеля», чтобы преодолеть эту проблему в пиве с сухим охмелением, включая разработку рецептуры (состав сусла), выбор штамма дрожжей (высокая или низкая флокулентность), его суспензия во время сухого охмеления и метод сухого охмеления (время контакта и температура).

Возможность взаимодействия дрожжей и хмеля вызвала больший интерес в последние годы, и некоторые поставщики дрожжей постарались лучше понять потенциальную ценность коммерчески доступных штаммов дрожжей в влиянии на биотрансформацию и влиянии на аромат и вкус пива.

Рисунок 5: Характеристика активности β-глюкозидазы у штаммов пивных дрожжей Lallemand

Пример этого показан на Рисунке 5, где коммерчески доступные штаммы пивных дрожжей характеризовались их β-глюкозидазной активностью с помощью анализа секретируемого фермента при комнатной температуре. Тем не менее, существуют также связанные с клетками ферменты, которые также могут вносить вклад в биотрансформацию — когда дрожжи и хмель контактируют во время ферментации. Что касается штаммов верхового или низовогого брожения, Шарм и др. (2017) пришли к выводу, что нет никаких свидетельств того, что дрожжи для лагера или эля проявляли более высокую активность, чем другие.

Использование экзогенных ферментов β-глюкозидазы

В том же исследовании, проведенном Шарпом и др., всего были протестированы и классифицированы 80 штаммов дрожжей в соответствии с их способностью трансформировать соединения хмеля. Хотя результаты не были очень обнадеживающими, добавление чистых ферментов также было изучено, показав более интересный потенциал для биотрансформации, чем у ферментов, естественным образом секретируемых дрожжами.

Ссылаясь на одно из своих исследований, Шеллхаммер сообщил, что «свободный хмелевой аромат, вероятно, составляет около 90% от общего хмелевого аромата в пиве, а гликозиды, вероятно, составляют всего 10%». Однако он также упоминает, что значительная часть аромата хмеля может высвобождаться из этих гликозидов.

Совсем недавно Мейнерс и Каванна (2020) также протестировали использование коммерческих ферментов, таких как β-глюкозидаза и β-лиаза, для ускорения биотрансформации терпенов и тиолов соответственно. Результаты показали, что использование ферментов дает реальную возможность изменить аромат и/или вкус IPA, хотя рецепты следует корректировать в зависимости от разновидностей и количества хмеля.

Необходимы дополнительные исследования, чтобы понять сложность реакций, возникающих при использовании экзогенных ферментов, и их влияние на органолептический профиль пива. Кроме того, также важно учитывать многие другие факторы, которые могут иметь значение, такие как выбор дрожжевого штамма, год урожая хмеля, сорт и состав масла, время его добавления, время/температура контакта дрожжей и хмеля.

Подводя итог, можно сказать, что вселенная биотрансформации действительно увлекательна, и правильный выбор штаммов дрожжей, сортов хмеля и их использования, а также добавление экзогенных ферментов дает пивоварам больше возможностей для изучения новых способов достижения великолепного вкуса и аромата в пиве.

Статья написана Джоаном Монтаселом (Joan Montasell), магистром наук и дипломированным пивоваром, Technical Sales Manager’ом компании Lallemand Brewing в Испании и Португалии, и ранее опубликована в журнале Brewer and Distiller International. Оригинал статьи можно прочесть по ссылке.

Материал переведен и опубликован компанией «Стратегия 21». Заказать дрожжи Lallemand вы можете сайте www.s21shop.ru.

Телефон 8 (800) 550-73-12

Instagram

Youtube