Кто портит пиво: что домашним пивоварам нужно знать о посторонних микроорганизмах

Типы брожения

При сбраживании углеводородов и других веществ образуются по отдельности или в смеси: этанол, молочная кислота, муравьиная кислота, янтарная кислота, ацетон, углекислый газ, водород и прочее. В зависимости от того, какие продукты преобладают или являются характерными, различают типы брожения.

Чаще всего встречаются:

1. Спиртовое брожение – процесс превращения микроорганизмами сахара в этиловый спирт и углекислый газ. Типичные возбудители спиртового брожения – некоторые виды дрожжей (Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces uvarum, Schizosaccharomyces pombe) и бактерии (Erwinia amylovora, Sarcina ventriculi, Zymomonas mobilis). Этанол способны образовывать мезофильные бактерии: Leuconostoc mesenteroides, Lactococcus lactis, Clostridium sporogenes, Spirochaeta aurantia. Термофильные бактерии:Thermoanaerobacter ethanolicus, Clostridium thermohydrosulfuricum.
2. Молочно-кислое брожение – превращение молочно-кислыми бактериями сахара в молочную кислоту. Наряду основным продуктом в большем или меньшем количестве есть и побочные продукты.
3. Пропионово-кислое брожение – процесс превращения сахара или молочной кислоты и ее солей в пропионовую и уксусную кислоты с выделением воды и углекислого газа. Некоторые пропионово-кислые бактерии способны образовывать и другие кислоты (муравьиную, янтарную). Данный тип брожения является одним из важных процессов при созревании сычужных сыров. Кроме того, пропионовая кислота и ее соли являются ингибиторами мицелиальных грибов и используются для предотвращения плесневения семян и других продуктов.
4. Масляно-кислое брожение – сложный процесс превращения сахара в анаэробных условиях масляно-кислыми бактериями с образованием масляной кислоты, углекислоты и водорода. Побочные продукты масляно-кислого брожения: бутиловый спирт, ацетон, этиловый спирт, уксусная кислота. Масляно-кислые бактерии широко распространены в природе. Встречаются они в илистых отложениях водоемов, в скоплениях разлагающихся растительных остатков, в различных пищевых продуктах.
5. Муравьино-кислое брожение – характерным, но не главным продуктом такого типа брожения, является муравьиная кислота. Одновременно с ней выделяются многие другие продукты. Поэтому такой тип брожения называют брожением смешанного типа. Этот тип брожения характерен для энтеробактерий, принадлежащих к семейству Enterobacteriaceae. К их числу относятся: Escherichia coli, Proteus vulgaris, Enterobacter cloacae, Serratia marcescens, Erwinia amylovora.

Пути образования пирувата из углеводорода

Образование пирувата из углеводородов происходит как серия последовательных реакций. Это катаболические реакции. Они являются общими, как для брожения, так и для аэробного дыхания.

У микробов известно три пути образования пирувата из углеводородов:

1. Путь Эмбдена — Мейергофа — Парнаса, фруктозо-фосфатный или гликолиз. Сначала был обнаружен у дрожжей, в мышцах животных, впоследствии — у бактерий. Он характерен для облигатных и факультативных анаэробов.
2. Окислительный пентозофосфатный, гексозофосфаиные или схема Варбурга — Диккенса — Хореккера. Он осуществляется у многих организмов, как у прокариот, так и у эукариот.
3. Путь Энтнера — Дудорова или КДФГ-путь (2-кето-З-дезокси-б-фосфоглюконат-путь). Он найдет только у отдельных групп микроорганизмов, в основном принадлежащих к анаэробным бактериям.

Пути образования пирувата из углеводорода

Образование пирувата из углеводородов происходит как серия последовательных реакций. Это катаболические реакции. Они являются общими, как для броженияБрожение – одна из основных форм катаболизма, представляющая собой окислитель…, так и для аэробного дыханияАэробное дыхание – основной процесс катаболизма (энергетического метаболизма)….

У микробов известно три пути образования пирувата из углеводородов:

1. Путь Эмбдена – Мейергофа – Парнаса, фруктозо-фосфатный или гликолиз. Сначала был обнаружен у дрожжей, в мышцах животных, впоследствии – у бактерийБактерии объединены в царство Eubacteria или Bacteria. Царство делят на несколько типов: Гр…. Он характерен для облигатных и факультативных анаэробовАнаэробы – это микроорганизмы, в том числе бактерии, энергетические процесс….
2. Окислительный пентозофосфатный, гексозофосфаиные или схема Варбурга – Диккенса – Хореккера. Он осуществляется у многих организмов, как у прокариот, так и у эукариот.
3. Путь Энтнера – Дудорова или КДФГ-путь (2-кето-З-дезокси-б-фосфоглюконат-путь). Он найдет только у отдельных групп микроорганизмов, в основном принадлежащих к анаэробным бактериямБактерии объединены в царство Eubacteria или Bacteria. Царство делят на несколько типов: Гр….

Какими устройствами можно поддержать оптимальную температуру браги

Каких-то специализированных решений пока что нет, поэтому будем пользоваться смекалкой и опытом других самогонщиков. Ниже будут описаны три самых известных способа, которые помогут вам сохранить содержимое бродильной ёмкости в определенных условиях.

Аквариумный водонагреватель с терморегулятором

Только не смейтесь, он действительно эффективно работает. Выставляем необходимые градусы, опускаем на дно бродильной ёмкости и отслеживаем температуру самой браги. Она будет немного выше за счёт активных химических реакций, поэтому лучше уменьшить мощность на 2–3 градуса.

Электрогрелка для пояса

Принцип действия следующий: обматываем грелку вокруг бродильной ёмкости, выставляем необходимые градусы и включаем. В холодном помещении, может быть, она и не решит всей проблемы, но эффект от неё будет 100%.

Подогреваемый коврик

В данном случае бродильная ёмкость просто ставится на подогреваемое местечко и тепло идёт от пола. Учитывая то, что холод опускается, а тепло поднимается, нагревать жидкость снизу является очень правильным решением.

«Горячий» способ

Особенность «горячей» методики — возможность не только остановить процессы брожения, но также уничтожить все вредоносные микроорганизмы (например, плесневые грибы), которые подчас появляются в приготовляемом дома алкоголе. Еще одно преимущество — увеличение срока хранения вина после прохождения им термической обработки.

Однако важно придерживаться следующих норм:

• Температура воды, которые будет использоваться для пастеризации винной емкости, должна лежать в диапазоне от пятидесяти пяти до семидесяти градусов (используйте термометр).
• Нагревать напиток нужно более четверти часа.
• Сразу после термической обработки необходимо остудить вино.
• Не забудьте плотно прикрыть емкость.

После обработки «теплом» нужно оставить вино в прохладном месте примерно на четырнадцать дней, притом оно обязательно должно быть «изолировано» — герметично закупорено.

Как рассчитать размер и количество бродильных сосудов

1. Расчет размера ферментеров

Основным показателем, определяющим полезный объем бродильных емкостей, является плановый дневной объем производства сусла. Это означает объем сусла, который мы варим в течение 24 часов за один варочный день. Обычно мы не варим сусло каждый день — хотя бы один день в неделю проводится санация варочного цеха.

Правило: Мы выбираем следующий более высокий объем бродильных сосудов в зависимости от объема суточной партии сусла.

Пример: Мы планируем выпустить три партии сусла в течение одного дня пивоварения в варочном цехе объемом 2.5 HL. 3 x 2.5 = 4.5 HL. Нам нужен ферментационный сосуд объемом не менее 4.5 HL. У нас нет контейнера с объемом 4.5 HL в типовом ряду, поэтому мы выбираем контейнер с объемом 5 HL.

Расчетный эффективный объем бродильных чанов рассчитан как на основное брожение, так и на созревание пива, поскольку мы всегда закачиваем весь объем основного бродильного аппарата в один вторичный бродильный чан.

2. Расчет количества ферментеров

Среди показателей, определяющих количество бродильных чанов для первичной ферментации, есть время основной ферментации суточной партии сусла и количество дней варки, которые будут происходить в течение этого времени.

Правило: Количество емкостей для основной ферментации должно быть, по меньшей мере, таким же, как и количество дней, в течение которых варка происходит в течение одного периода основной ферментации. Типы бродильных чанов выбираются в соответствии с типом брожения отобранного пива (цилиндрические конические резервуары CCT или открытые бродильные чаны OFV для всех нижних ферментированных сортов пива или CCT для всех верхних сброженных сортов пива).

Пример: Мы планируем производить пиво 1x еженедельно ферментированное сверху с основным временем ферментации 6 дни и два раза в неделю пиво нижнего брожения с основным временем ферментации 12 дней. Отсюда следует, что для первого пива нам нужен только один сосуд для брожения, потому что мы планируем только один пивоваренный день в дни 6 его времени брожения. Напротив, при приготовлении второго пива в течение 12-дней времени ферментации существует четыре варочных дня, поэтому нам нужно 4 штук сосудов для ферментации. Для первого пива нам нужны либо цилиндрически-конические резервуары (CCT), либо открытые бродильные чаны (OFV). Для второго пива мы должны выбрать только цилиндрически-конические резервуары (CCT), потому что этот тип пива не рекомендуется ферментировать в открытом контейнере. В целом наша пивоварня нуждается в 5 шт. Бродильных чанов для основного брожения с объемом, рассчитанным в соответствии с предыдущим текстом. Рекомендованный портфель ферментеров для первичной ферментации будет: 1 шт. ОФВ + 4 шт. CCT или 5 шт. CCT для обоих сортов пива.

Примечание: Рекомендуемая продолжительность брожения является основной частью каждого рецепта для выбранного типа пива. Тем не менее, реальное время основной ферментации может быть на один или два дня больше или меньше, что обусловлено рядом факторов, таких как жизнеспособность дрожжей, качество солода, атмосферное давление, температура окружающей среды и другие факторы. В действительности для каждой партии только основной пивовар решает вопрос о прекращении первичной ферментации в соответствии с результатами измерения сброженного экстракта по ареометру. По указанным выше причинам мы рекомендуем рассчитать время основного брожения как минимум на два дня дольше, чем указано в рецепте. На практике это обычно означает, что мы рекомендуем иметь еще один контейнер для брожения в пивоварне в качестве резерва. Игнорирование этой рекомендации может привести к отсутствию бродильных емкостей и снижению планируемой производственной мощности.

Важность сжигания сахара при работе дрожжевых грибков

Замечено, что внутри каждого тельца дрожжевого грибка содержится жидкость, которая и названа дрожжевым соком. В этом соке содержатся особые вещества, прежде называвшиеся ферментами, а теперь называемые энзимами. Эти энзимы, действуя на сахар и другие углеводы, и производят то частичное сжигание их, о котором говорилось выше, выделяют тепло, необходимое для жизни дрожжей, и те вещества, которые нам желательны.

Таких энзимов уже в настоящее время изучено много видов, ибо у каждого вида грибков, бактерий и других организмов имеется свой собственный энзим. Так, у дрожжевых грибков, вызывающих спиртовое брожение, в соке содержится энзим, названный алкоголязой, который, действуя на сахар, содержащийся в фруктовом соке, превращает его в спирт и углекислый газ. Это превращение сахара в спирт и называется спиртовым брожением.

Кроме спиртового брожения, в фруктовом соке может возникнуть и брожение иного характера. Так, если в сок попадут бактерии и грибки, превращающие сахар в уксусную кислоту, то и происходит брожение уксуснокислое

Это брожение важно при производстве уксуса

Молочнокислое брожение, при котором образуется молочная кислота, необходимо при заквашивании кормов, капусты, для квасоварения и др. Масляно-кислое брожение, при котором образуется масляная кислота, вызывает прогорклость коровьего масла, и др.

Стадии брожения

Схематично брожение представляется в двух стадиях.

Первая стадия — это превращение глюкозы в пируват (пировиноградную кислоту). Эта стадия включает разрыв углеродной цепи глюкозы с одновременным отщеплением двух пар атомов водорода. Она составляет окислительную часть брожения и может быть схематично изображена следующим образом:

C6h22O6→ 2CH3COCOOH + , где

C6h22O6 — углеводород;

2CH3COCOOH — пируват;

— водород, принимаемый акцептором.

Вторая стадия брожения — восстановительная. В процессе данной стадии атомы водорода используются для восстановления пировиноградной кислоты или образованных из нее соединений. При различных типах брожений вторая стадия протекает специфическим для данного типа образом.

Молочнокислое брожение

Молочнокислые бактерии подразделяют на 2 группы — гомоферментативные и гетероферментативные. Гомоферментативные бактерии (например, Lactobacillus delbrückii) расщепляют моносахариды с образованием двух молекул молочной кислоты в соответствии с суммарным уравнением:

C₆H₁₂O₆ = 2CH₃CHOH·COOH.

Гетероферментативные бактерии (например, Bacterium lactis aerogenes) ведут сбраживание с образованием молочной кислоты, уксусной кислоты, этилового спирта и CO₂, а также образуют небольшое количество ароматических. веществ — диацетила, эфиров и т.д.

При молочнокислом Б. превращение углеводов, особенно на первых этапах, близко к реакциям спиртового Б., за исключением декарбоксилирования пировиноградной кислоты, которая восстанавливается до молочной кислоты за счёт водорода, получаемого от НАД-Н. Гомоферментативное молочнокислое Б. используется для получения молочной кислоты, при изготовлении различных кислых молочных продуктов, хлеба и в силосовании кормов в сельском хозяйстве. Гетероферментативное молочнокислое Б. происходит при консервировании различных плодов и овощей путём квашения.

Возбудители спиртового брожения

Наиболее энергичными возбудителями спиртового брожения являются дрожжи Saccharomyces cerevisiae (рис. 21). Они очень широко распространены в природе и встречаются в почве, в воздухе, на фруктах, винограде, ягодах, особенно в летнее время.

Кроме дрожжей, возбуждать спиртовое брожение способны и отдельные представители плесневых грибов, дрожжеподобные организмы и некоторые бактерии. Спиртовое брожение, возбуждаемое плесневыми грибами и бактериями, протекает с иными количественными соотношениями между основными и побочными продуктами, а также с образованием таких веществ, которые не возникают при брожении, возбуждаемом дрожжами.

При недостатке кислорода спиртовое брожение наблюдается в клетках высших растений. При неправильном хранении сырья на приемной площадке консервного завода (навалом, без достаточной вентиляции и при высокой температуре) в растительных клетках наблюдается переход от нормального аэробного дыхания к анаэробному дыханию, при котором расщепление сахара протекает с образованием спирта и CO2. Свойства плодов и овощей при этом резко ухудшаются. Растительные клетки становятся дряблыми, изменяется химический состав сока. От сохраняемой массы сырья начинает исходить «спиртовой» запах. В конечном итоге значительное накопление спирта приводит к отмиранию растительных тканей. Плоды и овощи утрачивают естественный иммунитет и легко подвергаются микробиальной порче.

Брожение

Брожение — одна из основных форм катаболизма, представляющая собой окислительно-восстановительный процесс, приводящий к образованию аденазинтрифосфорной кислоты (АТФ). При этом окислителями и восстановителями служат органические соединения, образующиеся в ходе самого процесса брожения.

Брожения вызывают анаэробные бактерии, как облигатные, так и факультативные. Установлено, что брожение осуществляется только в строго анаэробных условиях. Иными словами, брожение — это жизнь без кислорода. По современным представлениям, живые организмы возникли в то время, когда кислорода в атмосфере Земли не было. В этой связи брожение рассматривается, как простейшая форма биологического окисления, обеспечивающая получение необходимой для жизни энергии в анаэробных условиях.

«Холодный» способ

Известно, что остановить дрожжи можно холодом: тогда они перестанут быть активными, а брожение прекратится. Главное преимущество такой методики — отсутствие изменений во вкусе: искусственно затормозив процесс, вы не испортите напиток. Нужно найти прохладное место, температура в котором никогда не опускается ниже четырех градусов. В противном случае сусло может замерзнуть.

Вариантов здесь несколько: можно соответствующим образом настроить холодильник, поставить вино в подвал либо погреб; в осеннее и весеннее время подойдет и обычный балкон либо лоджия. Установив емкость с напитком в подходящем месте, подождите около двадцати дней. Дальше — известный алгоритм: можно слить готовый напиток с осадка. Важный момент: температура в месте, где вы оставите вино, должна быть стабильной; перепады могут привести к тому, что напиток будет безвозвратно испорчен.

Применение ферментации

Молочнокислые бактерии используют в кожевенном производстве. Для выделки некоторых видов меховых шкурок (каракуль, крот, белка) используют их квашение с ржаной мукой или кефиром. Это приводит к размягчению и отслаиванию волокон дермы.

Благодаря молочнокислым бактериям и продуктам их жизнедеятельности получают биоразлагаемый пластик полилактид. Из него, в свою очередь, изготавливают упаковку для пищевых продуктов и медицинские изделия с коротким сроком службы (нити и штифты).

Также они играют важную роль в запасании кормов для скота в виде силоса. Для этого ботву от картофеля, свеклы, кукурузы, люцерны спрессовывают с добавлением муравьиной кислоты. Без доступа воздуха в таком субстрате начинается контролируемый процесс молочнокислого брожения.

В современном мире борьба за чистоту окружающей среды является одной из важнейших задач общества. Процессы сбраживания способны помочь утилизировать отходы животноводства и при этом получить ценный биогаз, который можно использовать для отопления тех же ферм. Для этого используются различные штаммы бактерий на разных этапах его производства. Сначала кислотообразующие бактерии перерабатывают органические вещества в летучие кислоты. А затем метанообразующие бактерии из органических кислот вырабатывают метан. В качестве побочных продуктов в биогазе содержатся сероводород и окись углерода.

История изучения процесса брожения

История открытия спиртового брожения начинается с основателя современной химии, французского ученого Антуана Лавуазье. Он был первым, кто заинтересовался этим процессом. В конце XVIII века парижанин установил, что во время брожения сахар распадается на спирт и углекислый газ.

Позднее еще один француз Жозеф Гей-Люссак выявил, что масса расщепленного сахара равна суммарной массе спирта и углекислого газа.

Одновременно с брожением началось изучение дрожжей. Открыватель одноклеточных организмов нидерландец Антони ван Левенгук помимо инфузорий описал и эти мельчайшие грибы. Затем в тридцатые годы XIX века французский барон Шарль Каньяр де Ла-Тур и немец Теодор Шванн научно доказали тот факт, что дрожжи являются живыми клетками, а брожение — ни что иное, как результат их жизнедеятельности. Однако ведущие химики того времени холодно отнеслись к данному заявлению и опровергли его.

Нельзя не заметить, что история брожения полна имен французских ученых. Так, подробным изучением процесса во второй половине XIX века занялся микробиолог Луи Пастер. Ему удалось доказать, переубедив современников, что брожение — не чисто химический процесс, который может происходить исключительно в присутствии живых микроорганизмов.

Немецкий биохимик Эдуард Бухнер опубликовал в 1897 году работу «О спиртовом брожении без участия дрожжевых клеток». Труд вызвал споры в среде ученых, поэтому Бухнер потратил много времени и сил на подтверждение своей теории. Химику удалось доказать свою правоту: в 1902 году была опубликована статья объемом 15 страниц, в которой он подтвердил совершенные ранее открытия. Неудивительно, что немецкий ученый получил нобелевскую премию.

Препараты активных сухих дрожжей (АСД).

  За рубежом взамен жидких разводок используют препараты активных сухих дрожжей. Применение значительно снижает стоимость приготовления разводки в больших количествах, дает более глубокое выбраживание сахаров и повышает качество виноматериалов.
Применение активных сухих дрожжей при производстве столовых виноматериалов предусматривает следующие показатели: оптимальная доза препарата с 70% жизнеспособных клеток — 1 г/дал; реактивация клеток в виноградном сусле в соотношении 1:10 при температуре 37°С в течение 15 мин; внесение препарата АСД одновременно с заполнением емкости суслом.
При использовании АСД получают разводку с большой концентрацией клеток высокой активности, что свидетельствует о явной возможности обеспечения брожения виноградного сусла на введенной культуре.
В табл. 1 дан перечень рас дрожжей, рекомендуемых для различных условий виноделия.

Таблица 1. ПЕРЕЧЕНЬ РАС ДРОЖЖЕЙ, РЕКОМЕНДУЕМЫХ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ВИНОМАТЕРИАЛОВ

Окончание таблицы 1

“Общими правилами по переработке винограда на виноматериалы” предусматривается брожение для всех типов вин проводить на чистых культурах дрожжей .
В Институте винограда и вина “Магарач” УААН (98600, АР Крым, г. Ялта, Кирова, 31) в лаборатории микробиологии имеется большая коллекция, состоящая из нескольких сот рас дрожжей-сахаромицетов и представителей других родов и видов, выделенных в различных винодельческих районах страны и в зарубежье. По требованию производств институт высылает на винодельческие заводы селекционированные проверенные чистые культуры в пробирках на солодовом скошенном сусле-агаре.

Маслянокислое брожение

Сбраживание углеводов с преимущественным образованием масляной кислоты производят многие анаэробные бактерии, относящиеся к роду Clostridium. Первые этапы расщепления углеводов при маслянокислом Б. аналогичны соответстветственным этапам спиртового Б., вплоть до образования пировиноградной кислоты, из которой при маслянокислом Б. образуется ацетил-кофермент A (CH₃CO-KoA). Ацетил-KoA может служить предшественником масляной кислоты, подвергаясь следующим превращениям:

Маслянокислое Б. применялось для получения масляной кислоты из крахмала.

Ацетоно-бутиловое Б. бактерии Clostridium acetobutylicum сбраживают углеводы с преим. образованием бутилового спирта (CH₃CH₂CH₂CH₂OH) и ацетона (CH₃COCH₃). При этом образуются также в сравнительно небольших количествах водород, CO₂, уксусная, масляная кислоты, этиловый спирт. Первые этапы расщепления углеводов те же, что и при спиртовом Б. Бутиловый спирт образуется путём восстановления масляной кислоты:

CH₃CH₂CH₂COOH + 4H = CH₃CH₂CH₂CH₂OH + H₂O.

Ацетон же образуется декарбоксилированием ацетоуксусной кислоты, которая получается в результате конденсации двух молекул уксусной кислоты. Исследованиями В. Н. Шапошникова показано, что ацетоно-бутиловое Б. (как и ряд др., например пропионовокислое, маслянокислое) в опытах с растущей культурой происходит в две фазы. В первую фазу Б. параллельно с нарастанием биомассы накапливаются уксусная и масляная кислоты; во вторую фазу образуются преимущественно ацетон и бутиловый спирт. При ацетоно-бутиловом Б. сбраживаются моносахариды, дисахариды и полисахариды — крахмал, инсулин, но не сбраживаются клетчатка и гемицеллюлоза. Ацетоно-бутиловое Б. использовалось для промышленного получения бутилового спирта и ацетона, применяемых в химической и лакокрасочной промышленности (см. также Ацетоно-бутиловое брожение и Ацетоно-этиловое брожение).