Питание дрожжей

Здоровье дрожжей

Часто, как производители дистиллятов, мы обнаруживаем, что одним из самых упускаемых из виду моментов при создании качественного виски или зерновых спиртных напитков является питание, необходимое для поддержания здоровья дрожжей Saccharomyces. Частично это объясняется отсутствием понимания более сложных аспектов метаболизма и питания дрожжей. Другая часть заключается в том, что разработка правильной стратегии питания часто может показаться сложной и в краткосрочной перспективе дорогостоящей. В результате многие производители дистиллятов выбирают «обычный» подход к питанию дрожжей, удовлетворяя минимальным требованиям, кажущимися нам правильными.

Имея это в виду, давайте рассмотрим обзор того, что необходимо дрожжам для лучшей работы во время брожения виски и других зерновых спиртных напитков, плюсы и минусы различных решений по улучшению питательного профиля обычных зерновых культур, биохимические пути образования примесей и посторонних привкусов, на которые влияет питание, и как все это можно использовать в вашем процессе для получения более высоких выходов зерновых спиртных напитков более высокого качества.

Что такое питание дрожжей?

В случае виски и спиртных напитков на основе зерна, когда мы говорим о питании, мы, как правило, фокусируемся на углеводах. Мы все знаем, что дрожжи потребляют сахара, высвобождаемые из крахмалов посредством ферментативной активности, и из этого они производят этанол, углекислый газ, больше дрожжевой биомассы и вкусовые конгенеры. Однако мы часто пренебрегаем витаминами, неорганическими ионами и азотом необходимых в сложных химических путях. Эти питательные вещества способствуют общему здоровью дрожжей и приводят к ферментации, которая помогает производить более высокий выход этанола и сложность вкуса с ароматом.

Менее понятными, но чрезвычайно важными аспектами питания дрожжей являются витамины и неорганические ионы. Витамины служат важными регуляторами, выступая в качестве коферментов в многочисленных метаболических процессах. Витамины группы В, в частности, играют жизненно важную роль в качестве молекул-носителей электронов и функциональных групп в различных реакциях окисления/восстановления и карбоксилирования/декарбоксилирования в рамках их метаболических функций. Кроме того, они играют роль в метаболизме жирных кислот, аминокислот, углеводов, холина и выполняют структурную функцию в качестве компонентов мембранных фосфолипидов.

Аналогичным образом, неорганические ионы в форме различных минералов и металлов играют разнообразные роли как основные макро- и микроэлементы с различными функциями, включая клеточную сигнализацию (кальций), осморегуляцию (калий), кофакторы ферментов (магний, цинк, марганец), а также как строительные блоки для нуклеиновых кислот и аминокислот (сера, фосфор).

Возможно, самым важным, но часто недоиспользуемым элементом питания дрожжей является азот. Азот играет две важные роли в метаболизме дрожжей: анаболическую (строительную) роль в биосинтезе белка, ферментов и нуклеиновых кислот и катаболическую (рециркуляционную) роль в синтезе высших спиртов и эфиров. Хотя Saccharomyces cerevisiae не может фиксировать азот непосредственно из воздуха, он может усваивать различные органические и неорганические источники азота. Вместе они называются азотом, усваиваемым дрожжами (YAN).

В зерне азот существует в виде органического азота: источников азота, которые являются частью углеродсодержащей молекулы. К ним относятся свободные аминокислоты и небольшие пептиды, которые называются свободным аминоазотным азотом (FAN). Как правило, большая часть этого органического азота связана в белках и более крупных пептидах, которые должны быть гидролизованы, чтобы быть усвоенными дрожжами. Неорганический азот, который отсутствует в зерновом сырье, относится к более простым соединениям без углерода, таким как аммиак или ионы аммония, которые дрожжи могут легко использовать. Неорганический азот часто включается в промежуточные соединения α -кетокислот для получения аминокислот. В обоих случаях аминокислоты являются не только строительными блоками для дрожжевых белков, но и основным средством транспорта азота в метаболизме дрожжей.

Регулирование питания в бражке

Теперь, когда мы понимаем, что сочетание азота, неорганических ионов и витаминов важно для метаболизма дрожжей, мы можем работать над заполнением пробелов в нашем профиле питания с помощью добавок. Это может быть реализовано в различных формах, как эндогенных, так и экзогенных. Вот некоторые из наиболее распространенных и легкодоступных:

• Соли аммония и фосфаты

Зерно, используемое в производстве спиртных напитков, содержит незначительное количество неорганического азота, поэтому его добавляют экзогенно и чаще всего в форме фосфатных солей, содержащих аммоний, таких как моноаммонийфосфат (МАФ) и диаммонийфосфат (ДАФ). Хотя неорганический азот очень хорош для быстрого инициирования брожения, он часто потребляется слишком легко, оставляя дрожжи в дефиците питания и вяло активными к более поздней части брожения. Это может привести к остановке брожения и/или образованию неприятного привкуса. Напротив, органический азот в форме аминокислот и небольших пептидов усваивается постепенно в течение всего брожения и, таким образом, часто ассоциируется с лучшими показателями брожения.

• Экзогенные протеазы

С учетом ограничений неорганического азота протеазы могут обеспечить более стабильное питание на протяжении всего процесса ферментации. Как упоминалось ранее, азот естественным образом присутствует в сырье на основе крахмала, но его содержание часто недостаточно или недоступно для дрожжей. Протеазы — это ферменты, которые расщепляют белки и полипептиды, присутствующие в зерновых заторах, обеспечивая постепенное высвобождение FAN, что приводит к более быстрой кинетике на протяжении всего процесса ферментации. Кроме того, сахара связаны в белковых матрицах многих зерен, и гидролиз этих матриц может высвобождать сахара, которые в противном случае были бы недоступны для дрожжей. Это может привести к небольшому увеличению выхода, которое может быть не сразу заметно, но накапливаться с течением времени.

Влияние DAP и протеазы на эффективность ферментации, кукурузный SSF (одновременное осахаривание и ферментация)

• Ячменный солод

Солод содержит собственные протеазы и некоторые микроэлементы, которых может не хватать в злаковых зернах. Во время естественных процессов прорастания, протеазы вырабатываются для гидролиза белков семян, что позволяет доставлять незаменимые аминокислоты для роста и развития зародыша. Эти ферменты остаются в солоде после прекращения процесса прорастания и доступны для высвобождения аминокислот для питания дрожжей. Солодовые протеазы имеют узкий оптимальный диапазон активности между  45–65 °C и диапазон pH между 5,0–5,5, что означает, что большая часть протеолитической активности будет происходить до начала ферментации, но будет продолжаться, хотя и медленнее, на протяжении всего процесса, если ячмень не добавляется при высоких температурах приготовления, используемых для разваривания некоторых злаковых зерен. Основным недостатком является то, что белковые паузы занимают время, от 15 до 30 минут, что может накапливаться при выполнении нескольких партий в течение дня.

• Готовые питательные смеси

Азот, ионы и витамины, упомянутые ранее, можно добавлять независимо, в домашних условиях, в качестве питательной смеси. Создание питательных смесей на месте может быть трудоемким, поэтому для винокура может быть выгодно приобрести доступную предварительно приготовленную смесь. Многие коммерческие смеси предназначены для восполнения различных дефицитов питательных веществ. Химически они очень постоянны при условии соблюдения состава, поэтому винокур может получить надежную ферментацию. Для достижения наилучших результатов вам следует определить, где существуют потенциальные слабые стороны вашего текущего сусла, поскольку правильный выбор смеси должен основываться на уникальных проблемах ваших условий и сусла.

Большая часть внимания к выходу этанола в дистиллированных спиртах была сосредоточена на преобразовании сложных углеводов, но простые источники сахара — это не все, что нужно для более быстрой и полной ферментации. Азот является ограничивающим фактором в большинстве ферментаций, а своевременная и достаточная подача азота является одним из основ эффективной ферментации. Большинство “застрявших”, вялых или неполных ферментаций можно объяснить дефицитом азота, поскольку содержание YAN оказывает огромное влияние на скорость ферментации, биомассу и жизнеспособность дрожжей, а также кинетику транспорта сахара во время ферментации. Более того, процесс, посредством которого органический азот высвобождается протеазами, также высвобождает связанные сахара, увеличивая выход. Ключом к последовательной ферментации является управление азотом, при этом более высокие уровни азота соответствуют более быстрой кинетике примерно до 300 ppm YAN, после чего нет никакой дополнительной эффективности.

Влияние органического и неорганического азота на жизнеспособность дрожжей и кинетику брожения

С повышением эффективности выхода и скорости ферментации также появляется дополнительное преимущество в виде снижения риска заражения. Здоровые Saccharomyces являются отличными конкурентами, но недостаточное питание часто может приводить к медленному старту и длительным лаг-фазам, которые могут дать бактериям, диким дрожжам и другим конкурирующим организмам достаточно возможностей для колонизации сусла еще до того, как наши дрожжи успеют обосноваться. Здоровая популяция дрожжей позволяет завершить ферментацию до того, как другие организмы смогут закрепиться. При условии надлежащего питания дрожжи также менее склонны «заглохнуть» до полного сбраживания, тем самым оставляя мало возможностей для конкурентов обосноваться и вызвать нежелательную потерю алкоголя и образование неприятного привкуса.

Как винокуры, мы знаем, что вкус так же важен, как и выход, и многие из конгенеров и предшественников, которые производят дрожжи, необходимы для сложности наших спиртных напитков. Баланс между органическим и неорганическим азотом особенно влияет на производство конгенеров вкуса и аромата. Высшие спирты могут быть желательны в некоторых количествах, в зависимости от стиля и желаемого профиля готового спиртного напитка. Они производятся через путь Эрлиха, который используется дрожжами для расщепления аминокислот, когда азота не хватает. В зависимости от количества и типа присутствующего азота этот путь может быть либо активирован, либо подавлен для производства большего или меньшего количества высших спиртов.

Азот также играет решающую роль в образовании эфиров, напрямую влияя на рост и метаболизм дрожжей. Достаточное количество азота приводит к увеличению производства эфиров, в частности, за счет синтеза необходимых предшественников, таких как ацетил-КоА, ключевой молекулы, участвующей в образовании ацетатных эфиров. Тип источника азота также может влиять на производство эфиров, при этом неорганический азот легче усваивается дрожжами, но органический азот часто приводит к более широкому диапазону профилей эфиров. Имея это в виду, можно манипулировать добавлением азота для получения желаемого профиля вкуса.

Уровни содержания различных компонентов в зависимости от источника азота во время ферментации

Помимо получения желаемых вкусовых и ароматических соединений, правильное питание также необходимо для контроля образования неприятного привкуса. Некоторые из наиболее распространенных конгенеров, связанных с плохим питанием, — это соединения серы и диацетил. Соединения серы часто связаны с сырьем, но также образуются в результате метаболизма дрожжей. Сероводород и диоксид серы являются промежуточными продуктами в образовании аминокислот, таких как цистеин и метионин, а также некоторых коферментов. При отсутствии достаточного количества азота синтез этих соединений замедляется, а сероводород и диоксид серы накапливаются в ферментационной среде, создавая характерный запах тухлых яиц. Они могут дополнительно окисляться с образованием других нежелательных конгенеров, таких как диметилсульфид (ДМС) или диметилдисульфид (ДМДС), связанных с неприятными растительными запахами.

Диацетил — это распространенный привкус, получаемый из α- ацетолактата в результате окисления. Диацетил имеет резкий, маслянистый запах, который невозможно удалить во время простой дистилляции из-за его температуры кипения близкой к этанолу. Однако его образование можно контролировать с помощью питания, поскольку повышение поздней жизнеспособности клеток помогает предотвратить накопление α -ацетолактата, а также снизить уровень диацетила в конечной браге. Использование ферментов, высвобождающих азот, таких как протеазы, или обеспечение брожения достаточным количеством азота может помочь повысить позднюю жизнеспособность клеток за счет поставки незаменимых аминокислот и пептидов на протяжении всего брожения.
Надеюсь, эта статья дала вам некоторые практические идеи для экспериментов и улучшения ваших дистиллятов. Хотя это не исчерпывающее руководство, оно подчеркивает, как сбалансированное питание дрожжей может привести к различным вкусам, более быстрому брожению, более высокому выходу, постоянному качеству и улучшению ароматического профиля напитков. Используя эти принципы в качестве основы в своей практике ферментации, вы сможете усовершенствовать процесс и раскрыть весь потенциал своих спиртных напитков.