Определение рациональных параметров акустической обработки с целью активации пивных дрожжей

В бродильных производствах, в том числе, в пивоварении актуальными являются задачи повышения бродильной активности дрожжей и/или интенсификация накопления их биомассы. Для их решения в настоящее время предлагаются различные способы, одним из которых может быть предварительная обработка волновыми или полевыми воздействиями. Ранее в наших исследованиях была показана принципиальная возможность интенсификации развития дрожжевых популяций за счет предварительной обработки звуком слышимого диапазона. Данная статья посвящена изучению влияния параметров акустической обработки на характеристики процесса культивирования дрожжей: прирост общего титра клеток, доля нежизнеспособных клеток, убыль веса среды культивирования. Определяли эффективность обработки засевных дрожжей Saccharomyces cerevisiae (Saflager W34/70) звуком слышимого диапазона, варьируя параметры акустического воздействия: частоту звука, продолжительность обработки, амплитуду, расстояние от источника звука до обрабатываемого объекта (навески сухих дрожжей). Обработанными и необработанными звуком дрожжами засевали модельные среды (стерилизованные 5 %-ные растворы сахарозы) и вели культивирование при температуре 21-26ºС без принудительного перемешивания в течение 4 сут. Сразу после засева и ежедневно в процессе культивирования определяли контролируемые показатели. Рациональными параметрами предварительной акустической обработки засевных дрожжей были признаны: частота звука 2765 Гц, продолжительность 30 мин, амплитуда 100 % при мощности 2 Вт, расстояние между источником звука и навеской дрожжей 5 см. В условиях экспериментов в опытных вариантах убыль веса питательной среды была в 1,5-2,3 раза больше, а процент нежизнеспособных клеток на 5-30 % меньше по сравнению с контролем. Общий титр клеток в опытных образцах был равен контрольному или на 5-10 % ниже. На основании полученных результатов был сделан вывод о том, что предварительная акустическая обработка, проведенная в рациональных условиях, позволяет интенсифицировать утилизацию компонентов питательной среды клетками популяции пивных дрожжей. Это создало предпосылки для апробации предлагаемого способа активации пивных дрожжей в условиях, приближенных к производственным.

1. Бодрова, О. Ю., & Кречетникова, А. Н. (2007) Ультразвуковая обработка засевных дрожжей в технологии спирта. Производство спирта и ликероводочных изделий, 3, 26-29.

2. Карпенко, Д. В., & Беркетова, М. А. (2012). Изучение влияния акустических колебаний на качество пивоваренного ячменного солода. Пиво и напитки: безалкогольные, алкогольные, соки, вино, 5, 14-16.

3. Карпенко, Д. В., Тихонова, Т. А., Ходарев, К. К., Овчинников, Ю. Б., & Безгубов, В. В. (2015). Способ активации амилолитического ферментного препарата. Пиво и напитки: безалкогольные, алкогольные, соки, вино, 4, 42-44.

4. Кошова, В., Яжло, В., Каплуненко, В., & Огородник, Ю. (2015). Increase of fermentative activity of brewing yeast using zinc nanoaquachelate. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4, 10 (76), 40-44. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2015.47888.

5. Alexander, W. G., Peris, D., Pfannenstiel, B. T., Opulente, D. A., Kuang, M., & Hittinger, C. T. (2016). Efficient engineering of marker-free synthetic allotetraploids of Saccharomyces. Fungal genetics and biology, 89, 10–17. https://doi.org/10.1016/j.fgb.2015.11.002

6. Anghel, N. (2019). Spruce bark polyphenols as metabolic booster for yeast development. Cellulose Chemistry and Technology, 53 (9-10), 925-928. https://doi.org/10.35812/CelluloseChemTechnol.2019.53.89.

7. Belenikina, N., Strakhovskaya, M., & GYa, F. (1991). Near-UV activation of yeast growth. Journal of photochemistry and photobiology B: Biology, 10 (1-2), 51-55. https://doi.org/10.1016/1011-1344(91)80211-Y.

8. Bleoanca, I., & Bahrim, G. E. (2013). Overview on Brewing Yeast Stress Factors. Romanian Biotechnological Letters, 18 (5), 8559-8572.

9. Bryant, N. (2019). The effect of alcohol and bitterness levels on brewing yeast viability. Master’s Theses. California Polytechnic State University, San Luis Obispo. Retrieved from https://digitalcommons.calpoly.edu/theses/1995

10. Cheeke, J., & David, N. (2002). Fundamentals and Applications of Ultrasonic Waves. Boca Raton, Fla., USA: CRC Press, 462 p.

11. De Nicola, R., & Walker, G. M. (2009). Accumulation and cellular distribution of zinc by brewing yeast. Enzyme and Microbial Technology, 44 (4), 210-216. https://doi.org/10.1016/j.enzmictec.2008.11.008.

12. De Nicola, R., & Walker, G. M. (2011) Zinc Interactions with Brewing Yeast: Impact on Fermentation Performance. Journal of the American Society of Brewing Chemists, 69 (4), 214-219. https://doi.org/10.1094/ASBCJ-2011-0909-01.

13. Gibson, B., Geertman, J.-M., Hittinger, C., Krogerus, K., Libkind, D., Louis, E., Magalhães, F., & Sampaio, J. (2017). New yeasts-new brews: Modern approaches to brewing yeast design and development. FEMS Yeast Research, 17 (4), fox038. https://doi.org/10.1093/femsyr/fox038.

14. Gorter de Vries, A. R., Pronk, J. N., & Daran, J.-M. (2019). Lager brewing yeasts in the era of modern genetics. FEMS Yeast Research, 19 (7). https://doi.org/10.1093/femsyr/foz063.

15. Heard, G. M., & Fleet, G. H. (1988). The effects of temperature and pH on the growth of yeast species during the fermentation of grape juice. Journal of Applied Bacteriology. 65 (1). 23-28. https://doi.org/10.1111/j.1365-2672.1988.tb04312.x

16. Hinchliffe, E. (1989). The genetic improvement of brewing yeast. Biochemical Society transactions, 16 (6), 1077-1079. https://doi.org/10.1042/bst0161077.

17. Iattici, F., Catallo, M., & Solieri, L. (2020). Designing New Yeasts for Craft Brewing: When Natural Biodiversity Meets Biotechnology. Beverages. 6 (1), 3-23. https://doi.org/10.3390/beverages6010003.

18. Jenkins, C. L., Kennedy, A. I., Hodgson, J. A., Thurston, P., & Smart, K. (2003). Impact of serial repitching on lager brewing yeast quality. Journal of the American Society of Brewing Chemists, 61 (1), 1-9. https://doi.org/10.1094/ASBCJ-61-0001

19. Karabín, M., Jelínek, L., Kotrba, P., Cejnar, R., & Dostálek, P. (2017). Enhancing the performance of brewing yeasts. Biotechnology Advances, 36 (3), 691-706. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2017.12.014

20. Karpenko, D. V., Gernet, M. V., Krjukova, E. V., Gribkova, I. N., Nurmukhanbetova, D. E., & Assembayeva, E. K. (2019). Acoustic vibration effect on genus Saccaromyces yeast population development. News of the Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan. Series of geology and technical sciences, 4 (436), 103-112. https://doi.org/10.32014/2019.2518-170X.103

21. Kopecka, J., Němec, M., Matoulková, D., Čejka, P., Jelinkova, M., Felsberg, J., & Sigler, K. (2015). Effect of Growth Conditions on Flocculation and Cell Surface Hydrophobicity of Brewing Yeast. Journal of the American Society of Brewing Chemists, 73 (2), 143-150. https://doi.org/10.1094/ASBCJ-2015-0324-01.

22. Krogerus, K., Magalhães, F., Vidgren, V., & Gibson, B. R. (2017). Novel brewing yeast hybrids: creation and application. Applied Microbiology and Biotechnology, 101 (1), 65-78. https://doi.org/10.1007/s00253-016-8007-5.

23. Libkind, D., Hittinger, C., Valério, E., Gonçalves, C., Dover, J., Johnston, M., Gonçalves, P., & Sampaio, J. (2011). Microbe domestication and the identification of the wild genetic stock of lager-brewing yeast. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 108 (35), 14539-14544. https://doi.org/10.1073/pnas.1105430108.

24. Liu, C., Li, Q., Niu, C., Tian, Y., Zhao, Y., & Yin, X. (2018). The use of atmospheric and room temperature plasma mutagenesis to create a brewing yeast with reduced acetaldehyde production: A brewing yeast with low acetaldehyde from ARTP technology. Journal of the Institute of Brewing, 124 (3), 236-243. https://doi.org/10.1002/jib.498.

25. Liu, Z., Zhang, G., & Sun, Y. (2008). Mutagenizing brewing yeast strain for improving fermentation property of beer. Journal of bioscience and bioengineering, 106 (1), 33-8. https://doi.org/10.1263/jbb.106.33.

26. Michel, M., Kopecká, J., Meier-Dörnberg, T., Zarnkow, M., Jacob, F., & Hutzler, M. (2015). Screening for new brewing yeasts in the non-Saccharomyces sector with Torulaspora delbrueckii as model. Yeast, 33 (4), 129-144. https://doi.org/10.1002/yea.3146.

27. Muthu, M., Gopal, J., Chun, S., Vimala, A., Jeevanandam, M., & Paul, D. (2018). Pertinency of Pulsed Sonication for Activating Commercial Yeast Clusters. Journal of Cluster Science, 29 (10), 641–648. https://doi.org/10.1007/s10876-018-1376-4.

28. №é Arroyo-López, F., Orlić, S., Querol, A., & Barrio, E. (2009). Effects of temperature, pH and sugar concentration on the growth parameters of Saccharomyces cerevisiae, S. kudriavzevii and their interspecific hybrid. International Journal of Food Microbiology, 131 (2-3), 120-127. https://doi.org/10.1016/j.ijfoodmicro.2009.01.035

29. Powell, C. D., Quain, D. E., & Smart, K. A. (2003). The impact of brewing yeast cell age on fermentation performance, attenuation and flocculation. FEMS Yeast Research, 3 (2), 149-157. https://doi.org/10.1016/S1567-1356(03)00002-3

30. Selecky, R., Smogrovicova, D., & Šulak, M. (2005). Low-Alcoholic Beer Production Using Mutant Brewing Yeast. Kvasny Prumysl, 51 (7-8), 235-239. https://doi.org/10.18832/kp2005012.

31. Smart, K. (2017). Yeast Stress and Brewing Fermentations. In N. A. Bokulich, & Ch. W. Bamforth (Eds.), Brewing Microbiology: Current Research, Omics and Microbial Ecology (pp. 29-52). Poole, UK: Caister Academic Press. https://doi.org/10.21775/9781910190616.02.

32. Somani, Bealin-Kelly, F., Axcell, B., & Smart, K. (2013). Impact of Storage Temperature on Lager Brewing Yeast Viability, Glycogen, Trehalose, and Fatty Acid Content. Cerevisia, 38 (2), 55. https://doi.org/10.1016/j.cervis.2013.09.017.

33. Vukosavljević, V. D., Pajovic-Scepanovic, R., Matijašević, S. M., & Maletić, R. O. (2016). Fermentation activity of yeast in pinot noir must. Romanian Biotechnological Letters, 21 (2), 11337-11345.

34. Zhuang, S., Smart, K., & Powell, C. (2017). Impact of Extracellular Osmolality on Saccharomyces Yeast Populations during Brewing Fermentations. Journal of the American Society of Brewing Chemists, 75 (3), 244-254, https://doi.org/10.1094/ASBCJ-2017-3505-01.