DROŻDŻE, ►WINIARSTWO


ROZMNAŻANIE DROŻDŻY

Pracę w gorzelni rozpoczyna się od rozmnożenia czystej kultury drożdży. Czystą kulturą nazywa się drożdże wyhodowane w laboratorium z jednej komórki. Drożdże takie można otrzymać z Ośrodka Kultur Drobnoustrojów Przemysłowych Instytutu Przemysłu Fermentacyjnego w Warszawie lub też z innych placówek naukowych, rap. z Katedry Mikrobiologii Politechniki Łódzkiej.

Placówki naukowe mają kolekcje różnych ras drożdży odznaczających się specyficznymi właściwościami. Są więc rasy drożdży browarnianych, winiarskich, piekarskich, paszowych, gorzelniczych. Wśród drożdży gorzelniczych pewne rasy są bardziej odpowiednie przy przerobie surowców skrobiowych, a inne przy przerobie melasy. W gorzelniach melasowych stosuje się rasy: Gdańsk, 0, Ja, 33, 34 i inne.

W ostatnich latach gorzelnicy coraz częściej stosują rasy drożdży otrzymane na drodze hybrydyzacji, tj. krzyżowania różnych ras. Hybrydy wykazują korzystne właściwości ras wyjściowych. Na przykład hybryd nr 67 otrzymany przez naukowców w ZSRR ze skrzyżowania drożdży rasy Ja z drożdżami piwnymi Saccharomyces carlsbergensis całkowicie odfermentowuje rafinozę, znajdującą się w pożywce melasowej, dzięki temu, że posiada enzym a-galaktozydazę charakterystyczny dla drożdży piwnych. Hybryd ten ma również korzystne cechy drożdży rasy Ja, tj. zdolność rozmnażania się i fermentacji przy stosunkowo wysokim stężeniu cukru i soli nieorganicznych zawartych w melasie.

Drożdże czystej kultury otrzymuje się z placówek naukowych w butelkach (zwykle o poj. 0,25 1) w postaci zawiesiny w 10-procentowym wyjałowionym roztworze cukru. W butelce znajduje się 30-50 cm3 płynu. Można też otrzymać czystą kulturę utrwaloną na skosie agarowym umieszczonym w probówce.

Czystą kulturę drożdży otrzymaną w butelkach rozmnaża się w laboratorium gorzelni. W tym celu do każdej butelki dodaje się, w sposób zabezpieczający warunki aseptyczne, ok. 100 cm3 wysterylizowanej brzeczki melasowej o gęstości ok. 10°Blg, zakwaszonej do l,0°D i zawierającej pożywkę w ilości 0,1% fosforanu amonowego oraz kilka cm3 wyciągu z kiełków słodowych. Butelki wstawia się do termostatu na 12-15 godzin. Temperatura w termostacie powinna wynosić 28-29°C. Następnie zawartość 2 lub 3 butelek przenosi się do jednej kolby Karlsberga. Jest to naczynie cylindryczne o poj. ok. 10 1 wykonane z miedzi lub stali kwasoodpornej.

Do kolby Karlsberga wlewa się 4-5 1 sterylnej brzeczki melasowej o podobnym składzie jak brzeczka dodawana do butelek i wstawia do termostatu na 24 godziny. Zwykle gorzelnia kupuje taką ilość butelek z czystą kulturą, aby można było przygotować drożdże co najmniej w dwu kolbach Karlsberga. Po 24 godzinach drożdże wraz z odfermentowaną brzeczką przenosi się do propagatora o poj. ok. 50 1, nazywanego również małym aparatem Lidnera.

Drożdże piwne dodaje się do brzeczki piwnej w celu wywoływania fermentacji alkoholowej. Zawarta w nich zymaza rozkłada glukozę, fruktozę, sacharozę i maltozę zawarte w brzeczce do etanolu i dwutlenku węgla oraz związków lotnych i nielotnych.

Związki azotowe są niezbędne dla drożdży, głównie do budowy białka komórkowego. Preferowane są sole amonowe, jednak w brzeczce występują one w niewielkich ilościach, stąd tez głównym źródłem związków azotowych w brzeczce są aminokwasy oraz peptydy małocząsteczkowe, około 40-45% związków azotowych pobieranych przez drożdże fermentacji dolnej to aminokwasy. Zawartość aminokwasów w brzeczce jest zależna od przebiegu procesu zacierania jak i aktywności proteolitycznej słodu. Brzeczka 12°Blg powinna zawierać 1,70-1,90 g/dm3 aminokwasów, co odpowiada zawartości wolnego azotu α- amonowego 0,22-0,24 g/dm3.

Przemiany aminokwasów są związane z wytwarzaniem wyższych alkoholi aromatycznych i alifatycznych. Do związków azotowych niezbędnych do wzrostu drożdży obok aminokwasów są zasady azotowe: puryny i pirymidyny, konieczne do syntezy kwasów nukleinowych. Brzeczka posiadająca 12°Blg zawiera 3,50mg/dm3.

Do odpowiedniego funkcjonowania enzymów komórka potrzebuje odpowiednich jonów:

Tabela 1. Sposób absorbcji aminokwasów przez drożdże.

Grupa

Okres pobierania

Aminokwasy

A

Absorbowane natychmiast i zużywane podczas pierwszych 20 h fermentacji

Kwas glutaminowy, glutamina, kwas asparaginowy, asparagina, seryna, treonina, lizyna, arginina

B

Adsorbowane stopniowo podczas całej fermentacji

Histydyna, walina, metionina, leucyna, izoleucyna

C

Adsorbowane po dłuższym czasie

Glicyna. fenyloalaninę, tyrozyna, tryptofan, alanina, NH4+

D

Nieistotna absorpcja netto

prolina

Pod względem botanicznym drożdże należą do grupy grzybów i dzieli się je na dwie podgrupy tworzące  i nie tworzące zarodniki.

Drożdże piwowarskie należące do gatunku Saccharomyces nie tworzą zarodników. Ich kształt jest owalny o średnicy 9-12 µm i powierzchni około 150 µm2. Dodatek gęstwy drożdżowej do brzeczki w ilości 0,5l/hl daje ich stężenia 15 mln komórek /cm2.

Komórka drożdżowa zbudowana jest z protoplazmy oraz błony otaczającej. Protoplazma składa się z cytoplazmy i karioplazmy. W cytoplazmie zlokalizowane są mitochondria, mikrosomy pełniące istotną rolę w życiu komórki.

Błona komórkowa stanowi 19% suchej masy komórki i składa się z glukaniu, białek i lipidów. Półprzepuszczalność błony komórkowej pozwala na regulowanie przenikania przez nią substancji odżywczych. Zawarte w błonie enzymy tj.permeazy w znacznym stopniu ułatwiają przenikanie odpowiednich związków przez błony.

Tabela 2. Skład chemiczny suchych drożdży wg. W. Dylkowskiego:

Składniki

Zawartość %

Woda

75

Związki azotowe

5-60

Cukrowce

15,37

Tłuszcz

2-12

Związki mineralne

6-12

Tabela 3. Skład popiołu wg. W. Dylkowskiego przedstawia się następująco:

Składniki

Zawartość %

P2O5

50-55

K2O

21-36

CaO

3-10

MgO

1-7

Na2O

1-3

SiO2

0,9-1,3

Fe2O3

0,5-0,7

SO3

0,3-0,7

Tabela 4. Zawartość witamin w drożdżach (w µg/g s.m) wg W. Dylkowskiego jest następująca:

Witamina

Zawartość

Tiamina

50-360

Ryboflawina

25-80

Amid nikotynowy

300-1000

Pantotenian wapnia

70-120

Kwas foliowy

3-80

Kwas p-aminobenzoesowy

9-102

Pirydoksyna

25-100

Biotyna

0,3-5

Mezoinozyd

2700-5000

Cholina

2500-10000

Rozmnażanie drożdży odbywa się przez pączkowanie. Proces zafermentowania dzieli się na 3 fazy:

Optimum wzrostu drożdży wynosi 25-30°C. Przy temperaturze powyżej 40°C wzrost drożdży ulega całkowitemu zahamowaniu.

Jeśli w środowisku występuje odpowiednia ilość nienasyconych kwasów tłuszczowych, to do rozwoju drożdży nie jest konieczny tlen.

Cechy drożdży browarniczych

W browarnictwie stosuje się drożdże fermentacji dolnej Saccharomyces carlsbergensis (Saccharomyces uvarum), które mają zdolność do fermentacji w temperaturze 5-10°C i pod koniec fermentacji ulegają osadzaniu na dnie fermentatora.

Drożdże fermentacji górnej Saccharomyces cerevisiae fermentują w temperaturze 15-25°C i zbierają się najczęściej na powierzchni brzeczki. Drożdże fermentacji dolnej dzięki zawartości enzymu melibiozy posiadają zdolność do fermentacji rafinozy.

Wymagania jakościowe drożdży

Zarówno drożdże dolnej jak i górnej fermentacji składają się z rasy drożdży pylastych i gruzełkowatych (kłaczkujących).

Drożdże pylaste występują w postaci pojedynczych rozproszonych komórek utrzymujących się w stanie zawieszenia w fermentującym piwie. Fermentują z większa siłą niż drożdże kłaczkujące

Drożdże gruzełkowate w większej ilości osadzają się na dnie fermentatora po zakończonej fermentacji.

Propagacja drożdży- jest to proces polegający na rozmnażaniu drożdży czystej kultury wychodząc z jednej komórki. W celu uzyskania odpowiedniej populacji żywych drożdży zdolnych do zafermentowania i przeprowadzenia (w założonym czasie i z założonym efektem) fermentacji określonej wielkości nastawu).

Proces propagacji polega na doprowadzeniu niewielkiej ilości - około 50 cm3sterylizowanego moszczu zaszczepionego czystą kultur drożdży. Propagacja zachodzi w urządzeniach zwanych propagatorami.

Źródło: Władysław Dylkowski- Browarnictwo WSiP. Warszawa; Encyklopedia Techniki- Przemysł Spożywczy. WNT. Warszawa;Włodzimierz Bednarski, Arnold Repsa-Biotechnologia żywnosci. WNT. Warszzawa

DROŻDŻE PIWOWARSKIE   stosuje się w celu przeprowadzenia fermentacji alkoholowej. Głównym pożywieniem dla drożdży są cukry zawarte w brzeczce. W wyniku fermentacji cukrów powstaje alkohol etylowy oraz produkty uboczne (wyższe alkohole, estry, kwasy, związki siarkowe i inne), które mają decydujący wpływ na smak i zapach piwa, czyli tzw. bukiet piwa. Do syntezy białek i tworzenia enzymów przy rozmnażaniu komórek, a więc rozwoju biomasy, drożdże wykorzystują wolne aminokwasy zawarte w brzeczce. Brzeczka zawiera również niezbędne dla komórek drożdżowych związki mineralne, będące źródłem fosforu, siarki, potasu i magnezu. Ważnymi mikroelementami dla drożdży są m.in.: żelazo, miedź i mangan, a szczególnie cynk. Niedostatek mikroelementów w brzeczce powinien być uzupełniany. W piwie wykryto już ponad 800 substancji pochodzących ze słodu, chmielu i innych surowców. Znacząca ich część jest syntetyzowana przez drożdże lub też jest tworzona przy ich udziale. Dla ponad 220 substancji udało się już ustalić próg wyczuwalności smakowej i zapachowej. Na ilość i rodzaje wydzielanych z drożdży do piwa substancji mają wpływ różne czynniki, np. stosowany szczep i stan fizjologiczny drożdży, skład chemiczny brzeczki oraz warunki fermentacji.  
Poszczególne rasy i szczepy drożdży charakteryzują się różnymi cechami fizjologicznymi i fizykochemicznymi, a więc zdolnościami do tworzenia specyficznych enzymów i specyficznych przemian biochemicznych (metabolizm drożdży). Technologicznie użyteczne cechy drożdży uzyskuje się poprzez selekcjonowanie szczepów lub ich ulepszanie. Najnowsze osiągnięcia nauki w zakresie cech technologicznych drożdży uzyskuje się dzięki zastosowaniu do badań metod inżynierii komórkowej i inżynierii genetycznej. Inżynieria genetyczna zajmuje się m.in. przenoszeniem i wykorzystywaniem materiału genetycznego o określonych właściwościach, zawartego w DNA, z jednych organizmów żywych do drugich, które tych cech nie mają. Pierwsze próby ulepszania technologicznych cech drożdży piwowarskich drogą genetyczną odnotowano w 1978 r. Obecnie w piwowarstwie wykorzystuje się już szczepy drożdży, które zostały ulepszone (zmodyfikowane) przy udziale metod inżynierii genetycznej.  

CECHY DROŻDŻY PIWOWARSKICH 
Drożdże piwowarskie (Saccharomyces cerevisiae) dzieli się ogólnie na szczepy tzw. fermentacji dolnej i fermentacji górnej. Technologicznie różnią się tym, że d r o ż d ż e d o l n ej fe r m e n t a cj i są przystosowane do niższych temperatur (5 -13°C) i pod koniec procesu osiadają na dnie naczynia. D r o ż d ż e gór n e j f e r m e n t a c j i fermentują w temperaturach wyższych (15 -25°C), a podczas fazy burzliwej zbierają się głównie w górnej warstwie, tworząc kożuch. Inną cechą różnicującą jest zdolność do fermentacji rafinozy. Drożdże dolnej fermentacji zawierają enzym melibiazę i w związku z tym mogą fermentować rafinozę w całości. Drożdże górnej fermentacji nie zawierają tego enzymu i dlatego fermentują rafinozę w 1/3, a więc tylko cząsteczkę fruktozy. Piwo wyprodukowane przy użyciu drożdży górnej fermentacji ma wyższą zawartość ubocznych produktów fermentacji, głównie wyższych alkoholi i estrów, oraz intensywniejszy zapach. Do produkcji piwa w Polsce powszechnie stosuje się drożdże dolnej fermentacji. Drożdże górnej fermentacji stosowuje się do produkcji piwa angielskiego, niektórych gatunków piwa belgijskiego, niemieckiego (pszeniczne Weissbier, Kolschbier) i innych. 
Inny podział, dotyczący przede wszystkim drożdży dolnej fermentacji, rozróżnia rasy kłaczkujące i pyliste. Zdolność drożdży do kłaczkowania (flokulacji) jest głównie cechą genetyczną. Nadmierne kła c z k o w a n i e d r o ż d ż y powoduje przedwczesną sedymentację i zakończenie fermentacji, co utrudnia uzyskanie wysokiego stopnia odfermentowania. D r o ż d ż e p y l i s t e utrzymują się dłużej w fermentującym piwie i są zdolne do uzyskania w tych samych warunkach większego stopnia odfermentowania niż drożdże kłaczkujące. Po zakończeniu fermentacji komórki drożdży powinny ulegać sedymentacji.

Przy wyborze szczepów drożdży piwowarskich należy kierować się następującymi kryteriami:

 OTRZYMYWANIE DROŻDŻY NASTAWNYCH 


Drożdże nastawne powinny pochodzić z czystej kultury drożdży. 
C z y s t ą  ku 1 t u r ą nazywamy drożdże rozmnożone w sposób sterylny z jednej komórki określonego szczepu drożdży charakteryzującego się pożądanymi cechami technologicznymi. Czynność rozmnażania drożdży - p r o p a g a c j ę przeprowadza się w specjalnych urządzeniach - p r o p a g a t o r a c h. Dla zachowania standardu jakości piwa (cech powtarzalnych) należy stosować zawsze ten sam wybrany szczep czystej kultury drożdży, który zaadaptował się w istniejących warunkach browaru. Zakupu czystej kultury drożdży określonego szczepu dokonuje się przeważnie w postaci skosu agarowego w Kolekcji Czystych Kultur Drobnoustrojów, podając nazwę i numer szczepu. W Polsce Kolekcja Kultur Drobnoustrojów jest zlokalizowana m.in. w Zakładzie Mikrobiologii Technicznej Instytutu Biotechnologii Przemysłu Rolno-Spożywczego w Warszawie, gdzie znajduje się kilkadziesiąt różnych szczepów drożdży piwowarskich. Kolekcja ta jest członkiem światowej federacji Kolekcji Kultur Drobnoustrojów.

Rozmnażanie drożdży w browarze do ilości drożdży nastawnych przeprowadza się w dwóch etapach:

Na rysunku poniżej przedstawiono schemat rozmnażania czystej kultury drożdży w laboratorium.

Kolejne etapy szczepienia czystą kulturą są następujące: