Биотрансформация:

една история за дрожди, хмел и ензими

Изследване на нови начини

за постигане на страхотен вкус и аромат в бирата

От Joan Montasell, Lellemand Brewing

Кой не е чувал за биотрансформацията?

В наши дни тази дума е разпространена по целия свят и е станала част от речника на крафт пивоварите. Но дали биотрансформацията, тази сложна материя, е наистина позната и разбирана? Наистина ли тя оказва въздействие върху бирите ни? И може би най-важния въпрос – как можем да се възползваме от нея?

Биотрансформацията се дефинира като „химическа модификация, която даден организъм извършва спрямо химично съединение“. Въпреки, че този термин е по-често използван във фармакологията и токсикологията, от пивоварна гледна точка той се отнася до взаимодействието на две съставки, използвани в производството на бира, а именно: дрождите и хмела.

В тази статия ще разгледаме в детайли ролята на тези две съставки в биотрансформацията, както и използването на екзогенни ензими с цел повлияване на аромата и вкуса, които хмелът привнася в бирата.

Ролята на хмела.

Добре известно е, че хмелът има съществено значение за производството на бира, най-вече поради приноса му към аромата и горчивината на бирата. Наред с водата, целулозата и различни протеини, химическият състав на хмела включва и съставки като танини (полифеноли), хмелови смоли и масла, всяка от тях определяща органолептичния профил на крайния продукт – бирата (Таблица 1).

Полифеноли: Те също играят важна роля в пивоварния процес, допринасяйки за небиологичната мътност (протеин-полифенолно взаимодействие). Въпреки, че могат да бъдат открити и в малца, те съставляват до 4% от общото тегло на изсушените хмелови шишарки. Количеството им зависи от сорта хмел, района, в който е култивиран, техниката на прибиране на реколтата и степента на стареене.

Хмелови смоли: Също като етеричните масла, смолите се намират в лупулиновите жлези на шишарките на женските растения. Съставени са главно от твърди и меки смоли, в които се съдържат горчивите киселини. В общи линии един от най-специфичните вкусове, свързан с бирата, е горчивината, която се дължи на изометризираните молекули на алфа-киселините, образувани по време на кипене на пивната мъст, познати като изо-алфа-киселини.

Хмелови масла: Съдържанието на етерични масла в хмела е много ниско, но те допринасят в изключителна степен за ароматния профил на бирата. Това се дължи на ниския сензорен праг на летливите вещества, особено на тиолите (сярна група хмелни масла), които са доловими дори при много ниски концентрации. В зависимост от сорта, концентрацията на масла в изсушения хмел е между 0,5% и 3%, представени в сложен състав от почти 1000 съединения от широк спектър химически класове.

Хмеловите масла се класифицират в три групи: въглеводородна, кислородна и сярна фракции. В последните години за основен „виновник“ за хмеловия вкуса на бирата се счита линалолът – монотерпинов алкохол от кислородната фракция. Независимо от това, ароматът и вкусът на хмел в бирата са резултат от взаимодействията на много съединения и синергиите между тях и не трябва да се приписват, нито да се свързват с едно единствено вещество.

Според Kiyoshi Takoi, когато линалолът присъства в по-големи концентрации, хмеловите масла като гераниол и бета-цитронелол взаимодействат с него синергично, влияейки върху цялостния вкус и допринасяйки в значителна степен за по-осезаемия плодов и цитрусов аромат в бирата.

Хмелът съдържа друга съставка, позната като гликозид, която сериозно допринася за биотрансформацията. По дефиниция гликозидите са молекули, в които захарната молекула е свързана гликозидно с друга молекула. В природата те често се срещат в растенията и в биологично отношение играят различни роли в живите организми, например складиране на химикали или дори транспортиране на въглехидрати през растението и освобождаването им чрез хидролизата.

В пивоварството гликозидите, получени от хмел, се образуват главно от монотерпенов алкохол и въглехидрати, свързани в молекула без аромат и сладост. Освен това се счита, че гликозидно свързаните ароматични съединения на хмела допринасят за хмеловия аромат на бирата.

От 2009 г. насам се наблюдава ясна тенденция към отглеждане на ароматните сортове, за сметка на сортовете с високо съдържания на алфа киселини, при които за същия този период има сериозно намаление (илюстрирано на Фигура 1). Освен това, нивата на търсенето и използването на хмел са се увеличили през последното десетилетие, което предполага, че ароматът на хмел в бирата е атрибут, представляващ все по-голям голям интерес.

Това голямо търсене на ароматни сортове хмел, съчетано с други производствени фактори, накара пивоварите да търсят нови и иновативни начини за подсилване аромата и вкуса на хмел. Или, с други думи казано, биотрансформацията на хмела би могла да се превърне в потенциално решение за оптимизиране използването на хмел чрез промяна на съотношението на специфични ароматни съединения и, по този начин, модифициране на разнообразието от вкусове и аромати в бирата.

Ролята на дрождите.

Без дрожди няма бира! Тези микроорганизми са отговорни за трансформирането на пивната мъст в бира – биохимичен процес, при който настъпва алкохолна ферментация, както и отделяне на въглероден диоксид (CO₂) и ароматни съединения.

Дрождите обаче са много повече от това. През 2003 г. King и Dickinson за първи път описват интересна биотрансформация на хмелни съединения, причинена от дрожди, която има значително влияние върху формирането на вкуса. В допълнение към горното, по време на ферментацията дрождите причиняват поредица от реакции, които модифицират структурата на монотерпеновите алкохоли, и това още веднъж подчертава колко сложна и разнообразна е биотрансформацията.

Според Liu (2015 г.) биотрансформацията на оксидираните терпени обяснява поне отчасти разликите в аромата между суровия хмел и готовата бира, както и някои други летливи вещества, които могат да бъдат открити в бирата. Едно по-скорошно проучване на Sharp от 2017 г. също стига до заключение, че пивоварните дрожди (Saccharomyces spp.) проявяват по-широк спектър от способности за хидролиза на гликозиди, отколкото се е считало преди това.

Други изследвания разкриват значението на дрождите в биотрансформацията, базирано на катализа на гликозидни връзки при производството на охмелени бири.

По време на ферментационния процес, когато клетките са с много висока активност, дрождите по естествен начин извънклетъчно секретират бета-глюкозидазни ензими, като те са отговорни за хидролизната реакция. Фигура 3 показва механизма за делене на неароматно съединение до глюкоза и линалол, получавайки повече ароматни съединения и ферментируеми захари, извлечени от линалилова глюкозидна молекула.

Освобождаването на терпени от гликозиди не е единственото взаимодействие между дрождите и хмела. Има и други примери, както ще покажем по-долу:

Естерификация: По дефиниция естерите представляват връзка между карбоксилната киселина и алкохола. В редица научни изследвания се съобщава, че дрождите имат естеразна активност, което води до естерификация на редица хмелови съединения. Например, гераниолът и цитронелолът, които се срещат в естествена форма в хмела, се трансформират съответно в техните ацетатни форми, геранилацетат и цитронелилацетат.

Тиоли: Известни също като меркаптани, тиолите са семейство от ароматни съединения, естествено съдържащи се в хмела, в свободна форма, или под формата на неароматни нелетливи прекурсори, които могат да се освободят с ензима бета-лиаза.

В наши дни те набират популярност поради приноса им към аромата в бирата, въпреки ниската им концентрация (по-малко от 1% от хмеловите масла), както и ниския праг на възприемане (едва няколко части на трилион или няколко нанограма на литър). Както заявява Shellhammer, "Тиолите са 10 000 пъти по-мощни от гераниола, но те се съдържат в хмела в много малки количества".

Трите най-разпространени тиолови молекули в пивоварството са 3SH (3-сулфанил-хексан-1-ол, известен също 3MH), който дава нотки на цитрусови плодове и грейпфрут, неговата ацетатна форма 3SHA (известна също като 3MH-A), която придава усещане за маракуя и 4MSP (4-метил-сулфанилпентан-2-он, известен също като 4MMP), който е отговорен за аромата на касис.

По време на ферментацията Saccharomyces cerevisiae е в състояние да усвои и раздели изходните вещества, за да отдели свободните тиоли като 4MSP чрез бета-лиазата (Фигура 4). В допълнение, дрождите имат различни способности да освобождават летливите тиоли в зависимост от техния генетичен произход и съответните ензимни дейности.

За разлика от пивоварството, тиолите са добре известни от десетилетия в изследванията, свързани с технологията на виното, което означава, че са необходими повече проучвания, за да се разкрие пълния им потенциал за формиране вкуса на бирата.

Други взаимодействия: Взаимодействието между дрождите и хмела могат да доведат също и до нежелани ефекти, които най-вече зависят от режима на сухо охмеляване по време на ферментацията. Добавянето на хмел в периода на късната ферментация се практикува в много пивоварни, но в тези случаи маята може и да не допринесе за биотрансформацията. В Таблица 2 накратко са обобщени ефектите от сухото охмеляване в зависимост от етапа на влагането му.

Понякога биотрансформацията може да бъде объркана с друг вид взаимодействие с участието на дрождите и хмела, известно като „hop creep“ ефект. Най-общо този феномен представлява повторна ферментация след сухо охмеляване на напълно атенюирана бира (с напълно приключила ферментация) и за първи път се споменава в изследвания, публикувани през 1893 г. от Brown и Morris.

Както беше подробно описано по-горе, глюкозните молекули се освобождават чрез хидролиза на гликозиди, въпреки че това не представлява проблем от гледна точка на пивоварството, тъй като те се метаболизират по време на ферментацията. “Hop creep” ефектът обаче предполага и освобождаване на молекулите на глюкозата чрез действието на амилолитични ензими, естествено съдържащи се в хмела, които имат способността да разграждат неферментируемите въглехидрати (декстринов материал) до ферментируеми захари.

В крафт пивоварството повечето бири са нефилтрирани, което означава, че обикновено все още присъстват свободни дрождеви клетки в крайния продукт. Следователно, комбинацията от свободна глюкоза и клетки на дрождите може да причини ферментация в бутилираната бира, водеща до прегазиране, наличие на диацетил и по-високо съдържание на алкохол, което предразполага към проблем с качеството на по-силно охмелените бири.

Според наскоро лансирано проучване на Stokholm и Shellhammer (2020), има няколко фактора, които биха могли да намалят “hop creep” ефекта, така че да се преодолее този проблем в бирите със сухо охмеляване, сред които: дизайна на рецептите (състав на пивната мъст), избора на щам на дрожди (високо или ниско флокулентни), отстраняване на дрождите по време на сухото охмеляване или методи за контрол на сухото охмеляване (контрол върху време на контакт и температура).

Потенциалът, който дава взаимодействието на дрождите и хмела, придоби все по-голям интерес през последните години, до такава степен, че някои доставчици на дрожди са се насочили да проучат по-добре влиянието на предлаганите на пазара щамове дрожди върху биотрансформацията и въздействието им върху аромата и вкуса на бирата.

Пример за това е показан на Фигура 5, където наличните в търговската мрежа щамове пивоварни дрожди се характеризират с тяхната бета-глюкозидазна активност чрез анализ на секретиран ензим при стайна температура. Въпреки това има и клетъчно-свързани ензими, които също могат да имат принос за биотрансформацията – когато дрождите и хмела са в контакт по време на ферментацията. По отношение на щамовете с горна и долна ферментация, Sharp (2017) стига до заключението, че няма индикации дали лагерните или ейловите проявяват по-висока активност от другите.

Използването на екзогенни бета-глюкозидазни ензими.

В споменатото по-горе изследване, проведено от Sharp и екипа му, са тествани и класирани според способността им за трансформиране на хмелови съединения общо 80 щама. Въпреки че резултатите не са много обнадеждаващи, е проучено и добавянето на чисти ензими, показващи по-интересен потенциал за биотрансформация, в сравнение с естествено продуцираните от дрождите ензими.

Позовавайки се на едно от изследванията си, Shellhammer съобщава, че "ароматът, привнесен от свободния хмел вероятно е около 90% от общия хмелов аромат в бирата, а на гликозидите се падат само 10%". Той също така споменава, че тези гликозиди могат да освободят значителна част от аромата на хмела.

Съвсем наскоро Meiners и Cavanna (2020) също тестваха използването на комерсиални ензими, като бета-глюкозада и бета-лиаза, за стимулират съответно биотрансформацията на терпени и тиоли. Резултатите показаха, че използването на ензими представлява реална възможност за промяна на ароматния и / или вкусовия профил на бири от стила IPA, след коригиране на рецептите по отношение на сортовете и количествата хмел.

Необходими са повече и по-задълбочени изследвания, за да се проучи и разбере сложността на реакциите, свързани с използването на екзогенни ензими и тяхното въздействие върху органолептичния профил на бирата. Освен това е важно също така да се вземат предвид много други фактори, които биха могли да изиграят роля, като например: избора на щама дрожди, годината на реколтата от хмел, сорта, съдържанието на масла, етапът, на който се добавя в мъстта/бирата, времето за контакт на дрождите с хмела, температурата, при която това се случва и т.н.

В заключение, вселената на биотрансформацията наистина е очарователна и правилният подбор на щамовете дрожди, сортовете хмел и съчетаването им, както и добавянето на екзогенни ензими, предлага безкрайни възможности за пивоварите да изследват нови начини за постигане на страхотен вкус и аромат в бирите.

Благодарности

Благодария на екипа за Lallemand Brewing за безкрайната им подкрепа и особено на Chaz Rice (Mascoma) и Tobias Fischborn (Lallemand R&D) за техния принос.

Оригиналната статия може да се намери на адрес: https://online.flippingbook.com/view/268156/ 

Institute of Brewing and Distilling, Brewer and Distiller International, Volume 16, Issue 8 August 2020