Главное брожение

Дрожжевые клетки могут расти в относительно простой среде, используя в качестве сбраживаемых сахаров глюкозу, фруктозу, галактозу, сахарозу, мальтозу, мальтотриозу. Источником азота, необходимого при синтезе белков, для них служит аммоний, мочевина или аминокислоты. Кроме того, для размножения дрожжей необходимы фосфаты, сульфаты, хлориды, кислород, а также ряд ионов металлов – калия, магния, кальция, железа, меди, цинка и марганца. Большинство штаммов дрожжей нуждаются в одном или нескольких витаминах.

Сусло, приготовленное из высококачественно солода, в достаточной мере обеспечивает дрожжи всем необходимым, кроме кислорода, так как после продолжительного кипячения его содержание падает. Аэрация перед  задачей дрожжей (или в процессе внесения) является первейшей обязанностью пивовара.  Использование солодовых экстрактов с добавками различных углеводов, может привести к недостатку питания. В большинстве случаев проблемы неполного сбраживания возникают вследствие остановки роста дрожжей вызванной нехваткой витаминов, микроэлементов, источников азота, или  плохой аэрацией.

Основная задача пивного брожения – это преобразование сбраживаемых сахаров в этиловый спирт и двуокись углерода, в результате чего и происходит превращение сусла в пиво. Скорость и характер протекания этого процесса определяет время необходимое для главного брожения и достижения окончательной концентрации в пиве спирта и других важных компонентов будущего напитка. Состав сусла может быть различным в зависимости от компонентов используемых пивоваром: солодов засыпи, экстрактов, дополнительных сахаров. В том случае, когда затор готовят только с использованием солода, имеется следующее содержание углеводов в процентах от общего экстракта (примерно):  гексозы (глюкоза и фруктоза) – 9%, сахароза – 6%, мальтоза – 41%, мальтотриоза – 14%,  мальтотетроза – 6% и декстрины – 22%. Интенсивность брожения зависит от скорости поступления сбраживаемых сахаров в клетки. Потребление начинается с глюкозы, далее утилизируются другие углеводы в приведенной выше последовательности. Декстрины (и мальтотетроза) не усваиваются пивными дрожжами.

Итак, главное брожение – после непродолжительной фазы задержки (лаг-фазы) необходимой дрожжам для перестройки своего обмена веществ к новым условиям, начинается питание и размножение клеток (фаза логарифмического роста – лог-фаза). Под действием глюкозы свежего сусла, потребление дрожжами мальтозы и мальтотриозы прекращается, не смотря на присутствие этих соединений. Их поглощение возобновится, когда концентрация глюкозы станет меньше 0.5% масс. (примерно через 24 часа брожения). Мальтоза и мальтотриоза активно транспортируются внутрь клетки, где гидролизуются до глюкозы. Содержание мальтозы в сусле начинает резко падать после 24 часов брожения, а сбраживание заканчивается в течение примерно 70 часов. Брожение мальтотриозы продолжается даже спустя 120 часов, хотя концентрация этого соединения существенно снижается. Содержание мальтотетрозы не изменяется до конца брожения.

Необходимо отметить одну особенность поведения дрожжей. Она может представлять интерес для пивоваров, активно использующих глюкозу в качестве весомой добавки к солодовому экстракту. Высокая начальная концентрация этого моносахарида задерживает достижения той точки в цикле брожения, когда происходит переключение на потребление мальтозы (мальтозная лаг-пауза) или такое переключение не происходит вовсе (прекращение брожения).

Главное брожение характеризуется бурным выделением углекислого газа, что легко заметить по пузырькам, интенсивно образующимся в гидрозатворе бродильной емкости. Концентрация дрожжевых клеток в миллилитре пива достигает 100 млн клеток. Лог-фаза заканчивается спустя, примерно, 40 часов с момента начала брожения, и дрожжи переходят в стационарную фазу.

Наконец, на третий-пятый день (в зависимости от состава сусла, штамма и нормы задачи), питательные вещества сусла заканчиваются и культурные дрожжи начинают садиться на дно ферментера. Интенсивность выделения СО₂ при этом существенно уменьшается, что сказывается на скорости образования пузырьков в ГЗ.Через несколько дней в миллилитре пива может остаться менее 1 млн. дрожжевых клеток. Еще через неделю иные культурные дрожжи в пиве можно будет найти лишь с применением специальных методик: фильтрования или центрифугирования. Дело в том, что хорошие дрожжи должны очень хорошо оседать. Сказанное относиться и к низовым дрожжам к дрожжам для эля.

Главное брожение начинается с размножения клеток. На этой стадии дрожжи активно усваивают аминокислоты сусла – отни­мают аминогруппу (-NH₂), необходимую для строительства клеточных белков, – в результате остаютсяорганические кислоты (это так называемые нелетучие кислоты). Одновременно происходит потребление сахаров. В начальной стадии брожения присутствие кислорода  делает этот процесс более эффективным с энергетической точки зрения, чем последующее анаэробное спиртовое брожение. Наличие кислорода также необходимо клеткам для синтеза ряда веществ – важнейших компонентов клеточных мембран, и по этой причине жизненно необходимых для роста и размножения. Синтез белков и спиртовое брожение, взаимосвязанные процессы. По исчерпанию источников азота в сусле способность клеток к утилизации сахаров быстро падает независимо от их присутствия в среде.

Метаболизм дрожжей приводит к появлению самых разнообразных вкусов и ароматов молодого пива, которые должны исчезнуть в процессе созревания. Ответственными за эти букеты являются альдегиды (карбонилы) и вицинальные дикетоны (диацетил и пентандион). Важнейший альдегид – ацетальдегид, который образуется в первые 48 часов брожения. Соединение придает пиву «зеленую», «травянистую» ноту (некоторые авторы говорят о привкусе «подвала» или «подземелья»). В дальнейшем, на заключительном этапе брожения и в процессе дображивания, карбонилы вступают в реакции с другими веществами, главным образом диоксидом серы, и образуют соединения без вкуса и запаха. Содержание ацетальдегида падает и составляет 8-10 мг/л (при пороге вкусового восприятия 20 мг/л). Диоксид серы вырабатывается дрожжевыми клетками на заключительных стадиях брожения.

Кетоны образуются в два этапа. При синтезе аминокислот дрожжи выделяют в сусло сложные вещества–предшественники (ацетогидроксикислоты), из которых вне клетки формируются диацетил и пентандион. Диацетил вследствие низкого порогового значения восприятия – 0.10-0.12 мг/л, явным образом сообщает пиву негативный привкус от сладкого до противного. Пентандион (с высоким порогом 0.6-0.9 мг/л) оказывает гораздо меньшее влияние. Образование предшественников зависит от температуры брожения, количества и расы дрожжей.

При низких температурах максимальная концентрация этих веществ достигается на третьи сутки брожения и составляет 0.6-1.8 мг/л, снижаясь к моменту перекачки пива на дображивание до 0.3-0.6 мг/л. Прежде чем приступать к охлаждению в фазе созревания необходимо выждать понижения концентрации до 0.10-0.12 мг/л. Расщепление  образовавшихся при этом кетонов (диацетила и пентандиона) осуществляется ферментативным путем внутри дрожжевых клеток. Скорость этого процесса существенно выше скорости самопроизвольного образования диацетила и пентандиона, которая, поэтому, является определяющим параметром при созревании пива.  В домашнем пивоварении с его высокими температурами брожения, о содержании кетонов можно не беспокоиться, их самопроизвольный синтез и расщепление дрожжами в основном закончиться в течение нескольких дней с момента засева дрожжей.

На этапе главного брожения образуются вещества – компоненты аромата и вкуса готового пива. Это высшие спирты (сивушные масла) и эфиры. Существует несколько путей синтеза высших спиртов, но 80% процентов образуется на стадии главного брожения в результате усвоения дрожжами аминокислот сусла или (большая часть) в ходе внутриклеточного синтеза белков. Содержание высших спиртов колеблется от 60 до 150 мг/л, (при низовом брожении и низких температурах от 60 до 90 мг/л). Дрожжи верхового брожения образуют существенно больше этих соединений, причем пылевидные продуцируют их меньше чем хлопьевидные. В сусле из бедного белком или слабо растворенного солода (или с использованием несоложеного сырья) всегда образуется больше высших спиртов. Чрезмерно высокое содержание аминокислот, также способно привести к усиленному образованию этих соединений. Дображивание незначительное увеличивает концентрацию,  на 5-15 мг/л.

Ароматические высшие спирты способны влиять на вкус и аромат пива. Содержание фенилэтилового спирта, который придает специфический «цветочный» привкус, составляет от 10 до 20 мг/л. Триптофол обладает слабым горьким, при больших концентрациях фенольным вкусом, его содержание составляет 0.15-0.50 мг/л (при теплом брожении 0.5-4.0 мг/л). Тиросол характеризуется более интенсивной горечью и слегка желчным привкусом, его содержание в пиве 3-6 мг/л.

Сложные эфиры являются важнейшими участниками формирования аромата. Считается, что их синтез протекает внутри дрожжевой клетки с участием кислот и соответствующих спиртов с помощью фермента алкоголь-ацилтрансферазы. (В клетке содержится также фермент эстераза, способный гидролизовать эфиры). В пиве было выделено около шестидесяти различных соединений этого типа, однако существенное влияние на вкус и аромат имеют только шесть. При созревании взаимодействие высших спиртов и кислот продолжается, содержание и тех и других падает, но появляются новые эфиры, среднее количество которых может возрасти вдвое (от 30 до 200% для различных видов).

Значение органических кислот заключается в возможности образования с их участием сложных эфиров. К летучим органическим кислотам относятся уксусная (в пиве содержиться 20-150 мг/л) и муравьиная (20-40 мг/л), образующиеся в результате расщепления глюкозы. Нелетучие кислоты – пировиноградная (40-75 мг/л), яблочная (60-100 мг/л), лимонная (110-200 мг/л), молочная (40-80 мг/л), – образуются в результате спиртового брожения, а также в процессе дезаминирования аминокислот (смотри выше).

Содержание уксуснокислых эфиров составляет в пиве низового брожения 15-40 мг/л (в пиве верхового брожения больше). При этом на этилацетат приходиться 12-35 мг/л (так как этиловый спирт является доминирующим), а метилацетат присутствует лишь в незначительных количествах (1-8 мг/л). Изомилацетат  (1-5 мг/л) при превышении порогового значения восприятия (5 мг/л, а по некоторым данным – 1.6 мг/л) придает пиву отчетливый фруктовый привкус. В формировании аромата пива участвуют также этиловые эфиры других органических кислот, например «яблочный эфир» и другие.

Несколько слов необходимо сказать о соединениях серы. В отличие от SO₂, о котором речь шла выше, сероводород, оказывает на вкус лишь негативное влияние, благодаря своему неприятному запаху. Однако избыточное выделение Н₂S в пиве из соложеных материалов наблюдается лишь в редких случаях, к тому же это соединение достаточно летучий газ, который удаляется из ферментера вместе с углекислотой во время главного брожения и его содержание в пиве (менее 0.5 мг/л) оказывается ниже порога чувствительности.

Содержание диметилсульфида (ДМС) не связано с деятельностью дрожжей, оно обусловлено качеством солода, способом затирания и продолжительностью кипячения сусла. Снижение присутствия этого соединения достигается применением качественного сырья, отварочного метода затирания и продолжительного кипячения.

Таким образом, вкусо-ароматический профиль готового пива определяется наличием довольно большого количества различных веществ – продуктов жизнедеятельности дрожжевых клеток, которые синтезируются и усваиваются ими на различных стадиях жизненного цикла.  От того насколько удачно процессы аэрации и бурного роста дрожжевой массы, анаэробного сбраживания сахаров сусла и созревания пива четко разграничены во времени зависит успех всего процесса производства, и вкусовые качества готового продукта.  Именно по этой причине необходимо задать в сусло достаточное количество дрожжей (около 10 млн клеток на 1 миллилитр). Только при таком условии размножение клеток закончится быстро, и они начнут расщеплять диацетил уже на стадии главного брожения, прежде чем опустятся на дно ферментера. Вот почему нельзя допускать аэрацию сусла при розливе, уже после завершения созревания пива, но об этом немного позже, не будем забегать вперед.

Не трудно догадаться, что появление в пиве посторонних микроорганизмов, со своим метаболизмом питательных веществ и своим особым набором продуктов жизнедеятельности, способно существенно изменить картину вкусового и ароматического профиля. В этой связи самое время вспомнить о контаминантах, которые все же смогли попасть в бродильную емкость. Не нужно думать, что в меньшинстве они обречены. Микробы могут спокойно питаться, и размножаться. Причем если культурные дрожжи почкуются каждые 90-180 минут, то бактерии делятся (при этом их число удваивается) каждые 20 минут (через шесть часов одна особь способна дать полумиллионное потомство). При этом размножение культурных дрожжей заканчивается с исчезновением кислорода в сусле (часов через сорок с момента начала брожения), а многим контаминантам кислород не нужен вовсе и они прекрасно множатся, пока есть сахара и источники азота, которыми еще богато молодое пиво.

Дикие дрожжи – собратья микроскопических пивоваров, –  оседают очень плохо, им не привили таких качеств. В отличие от культурных дрожжей, некоторые «дикие» штаммы, например, рода Pichia могут размножаться в анаэробных условиях. В борьбе за выживание эти одноклеточные грибы обладают и другими преимуществами. Например, близкие «родственники» пивных дрожжей дикие штаммы рода Saccharomycess имеют более простой, чем их культурные сородичи обмен веществ и, следовательно, более высокую скорость усвоения питательных сахаров сусла, и большую продуктивность при размножении. «Дикие» дрожжи Dekkera bruxelensis способны вытеснить популяцию культурных дрожжей даже во время главного брожения.

Необходимо помнить и о бактериях, например о лактобациллах – верных спутниках человека. Среди молочнокислых бактерий выделяются весьма мелкие и слабо оседающие экземпляры – педиококи. Лактобациллы, конечно, предпочитают более обильный рацион, чем тот который остается после главного брожения, но пивовары часто сами «исправляют» – добавляют праймер (раствор глюкозы для карбонизации пива), как это рекомендуют руководства по домашнему пивоварению.

Таким образом, напрашивается вывод, что нельзя пренебрегать никакими мерами, направленными на снижение вероятности попадания опасных контаминантов в пиво. Относительно малое их число способно породить большие проблемы. Даже на этапе главного брожения, когда сусло содержит большое количество культурных дрожжей, популяция контаминантов может успешно развиться параллельно, а при определенных условиях достичь численного перевеса над популяцией дрожжей. Последствия для пива будут крайне неприятны – нарушения вкуса, от весьма заметных до фатальных. В некоторых случаях возможна полная остановка брожении.