Drożdże oraz inne gatunki wy korzystywane przy fermentacji piwa

Drożdże oraz inne gatunki wykorzystywane przy fermentacji piwa

„Udomowienie drożdży”, czyli historia fermentacji

Niektórzy historycy uważają, że cywilizacja powstała z chęci… picia piwa. Badacze spekulują, że zmodyfi kowaliśmy nasz styl życia z kultury zbieracko-łowieckiej na bardziej osiadłą w celu rozwinięcia rolnictwa, które dostarczyło surowców do warzenia piwa. A piwa nie ma bez drożdży. Nie ma piwa – nie ma cywilizacji. Można wysnuć stwierdzenie, że wszystkie osiągnięcia ludzkości zawdzięczamy właśnie im – drożdżom. Człowiek mniej lub bardziej świadomie wykorzystuje drożdże od co najmniej 10.000 lat! Najstarsze i najlepiej udokumentowane źródła informujące o uprawie jęczmienia pochodzą ze starożytnej Mezopotamii, na terenie której odnaleziono gliniane tabliczki ze wskazówkami o siewie jęczmienia i użyciu go (wraz z ziarnem pszenicy) do produkcji chleba oraz napoju alkoholowego nazywanego murri. Jasne jest,

Mateusz Gulej

że ówczesny człowiek nie mógł mieć świadomości istnienia mikroskopijnych organizmów, które przeprowadzają fermentację – starożytni piwowarzy i winiarze polegali na tych naturalnych źródłach, a więc drożdżach znajdujących się na powierzchni dodawanych surowców oraz tych unoszących się w otaczającym powietrzu.

Przez większość historii, fermentacja była boską tajemnicą i częścią obrzędów religijnych, a narzędzia browarnicze z czasem stawały się rodowymi skarbami. Ludzie zaczęli określać pianę, która w magiczny sposób pojawiała się na powierzchni piwa, boskim błogosławieństwem i z czcią przenosili ją do innego naczynia, aby rozpocząć kolejną fermentację.

Naukowcy są przekonani, że browarnicy zaczęli ponownie wykorzystywać drożdże z partii do partii w XII wieku, rozpoczynając proces ich „udomawiania”. Piwowarzy ponownie wykorzystywali drożdże z udanych warek, a pozbywali się ich z tych niesmacznych, czym nieświadomie nie tylko selekcjonowali drożdże ale także wpływali na genetyczne ich różnicowanie. Zanim mikroskopy pozwoliły nam zobaczyć drożdże, nikt nie wiedział dokładnie, co dzieje się podczas fermentacji. Kiedy Bawarczycy stworzyli prawo czystości piwa Reinheitsgebot w 1516 r., zakazując warzenia piwa z czegokolwiek innego niż z wody, słodu jęczmiennego i chmielu, wykluczyli drożdże z listy składników, ponieważ nie mieli pojęcia że istnieją.

W 1680 roku, ponad sto lat po wejściu w życie prawa czystości, Anton van Leeuwenhoek jako pierwszy zaobserwował pod mikroskopem, że drożdże składają się z małych, wzajemnie połączonych elementów. Co ciekawe, nie uznał ich za organizm żywy. Zresztą nic dziwnego, w tamtych czasach najczęściej przyjmowaną teorią fermentacji było stwierdzenie, że jest to proces spontaniczny - reakcja chemiczna wywołana kontaktem z powietrzem - a drożdże są chemicz-

Rysunek 1. Komórki drożdżowe pod mikroskopem optycznym – na niebiesko wybarwione błękitem metylenowym martwe komórki drożdżowe, jasne to komórki żywe. [eurekabrewing.com]

nym produktem ubocznym. Potrzeba było kolejnego stulecia, gdy pod koniec XVIII wieku słynny francuski chemik i fizyk, Antoine-Laurent Lavoisier opisał chemiczny charakter fermentacji jako części cukru zamieniającego się w dwutlenek węgla i alkohol. Jednak naukowcy nadal nie stwierdzili związku między drożdżami a przemianą cukru w etanol. Dopiero w połowie XIX wieku ojciec mikrobiologii Louis Pasteur ustalił w serii eksperymentów, że drożdże są żywym mikroorganizmem. Aż ciężko uwierzyć, ale dopiero niecałe 200 lat temu rozpoczęliśmy proces poznawania fermentacji, co otworzyło drogę do precyzyjnej kontroli przemiany cukru w alkohol. Dalsze prace Louisa Pasteura udowodniły wpływ bakterii na choroby piwa oraz ugruntowały wiedzę dotyczącą higieny i sterylizacji. Doprowadziło to również do powstania odrębnego kierunku nauki jakim jest biochemia. Nie będzie przesadą sugerowanie, że Pasteur dokonał największych postępów w historii piwa i że te przełomy, wraz z kilkoma innymi, doprowadziły do ważnych postępów dla całej cywilizacji.

Lagerowa rewolucja

Niektóre browary przyjęły wyniki obserwacji Pasteura i zaczęły oczyszczać swoje kultury drożdży oraz coraz bardziej dbać o higienę. Jednym z takich browarów był Carlsberg w Danii. Laboratoria Carlsberg, pod kierownictwem Emila Christiana Hansena, wyizolowały pierwszy szczep drożdży lagerowych i wprowadziły go do świata piwowarstwa 12 listopada 1883 r. Jego naukowa nazwa brzmiała Saccharomyces carlsbergensis lub Saccharomyces uvarum (obecnie S. pastorianus), ale większość piwowarów nazywa je po prostu „drożdżami lagerowymi”. Hansen był również pierwszym, który opracował technikę izolacji czystych kultur, której nadal używamy w laboratoriach mikrobiologicznych. Hansen nie tylko był w stanie

Image by Tibor Janosi Mozes from Pixabay

Piwowar produkuje brzeczkę, a drożdże tworzą piwo

Drożdże są niezbędne dla piwa – bez nich piwo by nie powstało. Piwo to dzieło fermentacji drożdżowej – piwowar dostarcza im tylko półproduktu, czyli brzeczki. Bez względu na to, jakiego rodzaju piwo piwowar produkuje, to drożdże odpowiadają za lwią część jego smaku i zapachu a ich rola sprowadza się do czegoś znacznie istotniejszego niż przemiana cukrów w alkohol i dwutlenek węgla. Pamiętajmy, że piwo to napój alkoholowy nie poddawany procesowi destylacji – a więc efekty pracy drożdży (produkcja, przemiana czy degradacja różnego rodzaju związków) pozostaną w zabutelkowanym czy zakegowanym piwie. To dlatego w technologii piwowarskiej szczególną uwagę poświęca się właśnie drożdżom.

wyhodować nowe drożdże lagerowe w czystej postaci, ale nauczył się je przechowywać przez długi czas na specjalnie opracowanych podłożach brzeczkowo-agarowych. Dzięki tym zabiegom możliwe stało się transportowanie i przechowywanie drożdży. Ale dlaczego piwa lagerowe tak szybko upowszechniły się w browarach na całym świecie i trafiły w gusta piwoszy? Otóż historycznie starsze piwa górnej fermentacji bywały mniej lub bardziej zakażone – nawet jeśli zaraz po produkcji były smaczne, to niestety psuły się dość szybko. Dla XIX wiecznych piwnych konsumentów piwa lagerowe były prawdopodobnie pierwszymi „czystymi” piwami wyprodukowanymi w oparciu o te same kultury drożdży. Technologia produkcji lagerów (piw dolnej fermentacji) wymuszała użycie niższej temperatury fermentacji, co skutkowało ograniczeniem rozwoju bakterii i dzikich drożdży. Piwa lager miały dłuższy termin przydatności do spożycia, co spowodowało zwiększenie obszaru dystrybucji a tym samym wzrost sprzedaży – końcowo aspekt ekonomiczny nakłonił browary do przestawienia się na nowy gatunek drożdży.

Drożdże górnej i dolnej fermentacji. Jakie powinny być idealne drożdże piwowarskie?

W przemyśle piwowarskim stosuje się głównie dwa gatunki drożdży – Saccharomyces cerevisiaie – drożdże górnej fermentacji oraz Saccharomyces pastorianus (wcześniej nazywane S. carlsbergenis czy S. uvarum ). Drożdże te nie różnią się od siebie morfologicznie – pod mikroskopem nie odróżnimy ich od siebie – ich przemysłowe szczepy są starannie wyselekcjonowane i opisane. Żadne z nich nie wytwarzają zarodników, nie wykazują też procesu płciowego. Z uwagi na długi okres przebywania w brzeczce fermentacyjnej, na skutek adaptacji do warunków środowiska, są to szczepy zdolne do fermentacji cukrów nawet w obecności tlenu cząsteczkowego. Różnice pomiędzy tymi gatunkami (i to dość znaczne) odnajdziemy w szeregu cech fizjologicznych. Drożdże górnej fermentacji mają silniej rozwinięty system oddechowy i w ich metabolizmie udział tego rodzaju oddychania jest intensywniejszy (dlatego też namnażają się intensywniej). Różnice odnajdziemy też w zapotrzebowaniu na czynniki wzrostowe, szybkość wzrostu, zdolności do flokulacji, asymilacji związków azotowych, rodzaju i ilości produktów ubocznych oraz odporności na utworzone metabolity (np. etanol, estry czy alkohole wyższe).

Drożdże S. Pastorianus (w większości) mają unikatową cechę całkowitego metabolizowania trisacharydu rafinozy (liniowo złożonego z galaktozy-glukozy-fruktozy). Do pełnej fermentacji tego cukru potrzebne są dwa rodzaje enzymów, kodowane przez geny nazwane raf1, raf2 i raf3. Drożdże dolnej fermentacji posiadają komplet tych genów, natomiast drożdże górnej fermentacji nie – fermentują rafinozę tylko w 1/3, wykorzystując jedynie fruktozę. Drożdże dolnej fermentacji

mają więc zdolność głębszego odfermentowania brzeczki piwo-

warskiej. Główną różnicą jest również temperatura fermentacji: drożdże dolnej fermentacji przeprowadzają ją w temperaturze 5-12oC, zachowując pewną aktywność w nawet w temperaturze bliskiej 0oC, podczas gdy drożdże górnej fermentacji wolą wyższe temperatury 14-23oC, a poniżej 14 stopni są niemal nieaktywne. Kolejną ważną cechą są zdolności flokulacyjne, a więc zjawisko zlepiania się komórek i opadania na dno zbiornika. Stwierdzono, że zdolności te są związane z występowaniem i aktywnością genów flo1-flo5, których więcej znaleziono wśród drożdży dolnej fermentacji. Mityczną cechą odróżniającą te drożdże ma być również fermentacja w górnych (dla S. cerevisiae) bądź dolnych (dla S. pastorianus) partiach zbiornika – ale nie jest to do końca prawda. Drożdże górnej fermentacji faktycznie mają zdolność do intensywniejszej fermentacji (a co za tym idzie produkcji CO2) i wiele z nich unosi się w gęstej pianie na szczycie zbiornika, ale zarówno jedne jak i drugie drożdże pracują w całej objętości zbiornika, sedymentując w ostatnich fazach fermentacji i podczas leżakowania.

Z technologicznego punktu widzenia można wyszczególnić cechy wzorcowych drożdży piwowarskich: •   duża szybkość wzrostu oraz wydajność produkcji biomasy (zapewniającą 3-krotny wzrost biomasy podczas propagacji) •   zdolność do prowadzenia szybkiej fermentacji cukrów brzeczki

Cecha

Temperatura fermentacji Szybkość wzrostu Szybkość fermentacji Zdolności flokulacyjne Poziom odfermentowania Ilość produkowanych ubocznych metabolitów

Drożdże górnej fermentacji

14-23OC

Drożdże dolnej fermentacji

5-12OC (nawet do 0OC)

Tabela 1. Ogólne porównanie fizjologicznych cech drożdży górnej i dolnej fermentacji

wysoka czystość mikrobiologiczna populacji i żywotność komórek dobra stabilność cech morfologicznych i fizjologicznych w ciągu 12-16 generacji uzdolnienia flokulacyjne, właściwa szybkość osadzania się komórek – wolniejsza w czasie fermentacji głównej i dofermentowania, a szybsza podczas leżakowania wytwarzaniem związków smakowych i zapachowych, warunkujących odpowiedni bukiet piwa*

*Każdy styl wymaga użycia odpowiedniego szczepu drożdży

Tak naprawdę idealny szczep drożdży nie istnieje – piwowarskie drożdże różnią się diametralnie w obrębach dwóch wyżej wymienionych gatunków ale niewiele mniejsze różnice odnajdziemy pomiędzy dwoma odmiennymi szczepami. Mało tego – ten sam szczep drożdży da nam w efekcie inne piwo w zależności od wielu różnych czynników środowiskowych, tj. temperatury, gęstości brzeczki, dostępności składników odżywczych, ilości tlenu, pH, stężenia komórek w ml brzeczki, rodzaju zbiornika fermentacyjnego i wielu innych. A szczepów drożdży piwnych odnajdziemy setki! Od ilości zmiennych może naprawdę rozboleć piwowara głowa, dlatego wielu producentów drożdży (suchych czy płynnych) stara się im pomóc, sugerując pewne warunki fermentacji. Nic jednak nie zastąpi doświadczenia browarnika, który dobrze poznał dany szczep drożdży, używanych w tej samej infrastrukturze danego browaru.

W książce An Analysis of Brewing Techniques Gorge Fix postarał się podzielić świat szczepów drożdży piwowarskich w zależności od charakterystyki aromatów, które produkują. Drożdże górnej fermentacji podzielił na te o profilu Czystym/Neutralnym, Słodowym/Estrowym oraz Specjalnym. Drożdże dolnej fermentacji zaś posortował na Wytrawne/ Świeże oraz Pełne/Słodowe. Podział ten stanowi duże uproszczenie, ale pozwala odnaleźć się początkującym piwowarom w meandrach mnogości piwowarskich szczepów drożdżowych.

Ale to nie wszystko: piwowarzy mogą mieszać ze sobą różne szczepy drożdży i to w różnych momentach fermentacji – będzie to skutkowało unikatowymi efektami, nie do uzyskania przy użyciu jednego, czystego szczepu. Dzięki takim technikom można uzyskać np. wysoką owocowość drożdży estrowych z wytrawnością szczepów neutralnych.

Rysunek 2. Butelki z namnożonymi drożdżami w skali laboratoryjnej. [materiały własne]

Grupa szczepów drożdży górnej fermentacji wg. G. Fixa

Czyste/Neutralne

Czyste/Neutralne (hybrydowe)

Słodowe/Estrowe (owocowe)

Charakterystyka

Bardzo popularne w USA, mało wrażliwe na zmiany temperatury i stabilne w kolejnych pokoleniach. Produkują niedużo estrów i alkoholów fuzlowych. Ujawniają bardziej charakter innych surowców (chmielu, słodu). Fermentują zazwyczaj nieco wolniej od estrowych szczepów, średnio flokulują – dzięki czemu uzyskujemy dobrze zharmonizowane piwa (odleżakowane). Mają tendencję do produkcji lotnych związków siarkowych w stresujących warunkach (podwyższona/niska temperatura, wysokie ciśnienie, niedobór składników odżywczych)

W rzeczywistości biologicznie rzecz ujmując, nie są to hybrydy (jakimi są prawdopodobnie drożdże lagrowe), ale często są nazywane tak przez piwowarów. Ich szczególną cechą jest nadzwyczaj niska temperatura fermentacji jak dla drożdży górnej fermentacji, wynosząca nawet 12-13oC. Tradycyjnie używane były do piw typu Kölsch albo Altbier. Bardzo niska estrowość i fenolowość. Fermentują dość niespiesznie, równie wolno opadają, ale finalnie skutecznie. Możliwa jest produkcja większej ilości lotnych związków siarkowych, ale na niższym poziomie niż w lagerach.

Tradycyjne szczepy dla piwowarstwa brytyjskiego. Fermentują szybko, podobnie szybko aglomerują i sedymentują na dno zbiornika. Efektem ich pracy są piwa bogate w owocowe nuty estrowe, ale również mogą być nieco niedoleżakowane (maślany zapach diacetylu), raczej nie spotyka się u nich nadprodukcji lotnych związków siarkowych. Drożdże te mogą dać piwa o nutach miodu, śliwek, cytrusów i ogólnie ujętej drożdżowości.

Specjalne (fenolowe) Bardzo charakterystyczne drożdże znane przede wszystkim z tradycyjnych niemieckich niefiltrowanych piw pszenicznych (Hefeweizen), ale odnaleźć je można także w piwach belgijskich (piwa trapistów). Fenole to dość duża grupa związków opartych o pierścień benzenowy z grupą hydroksylową -OH. Związek ten jest wykorzystywany jako odkażacz, gdy występuje w większych stężeniach to często kojarzy się konsumentom z zapachem medycznym. Na szczęście w stężeniach mniejszych nadaje nut przyprawowych, korzennych (goździkowych). Najlepiej sprawdzają się w otwartych zbiornikach fermentacyjnych, skąd mogą ulatywać większe ilości związków siarkowych produkowanych przez te drożdże. Flokulują słabo, pozostając w toni, co stanowi charakterystyczną cechę piw pszenicznych.

Tabela 2. Charakterystyka szczepów drożdży górnej fermentacji wg. G. Fixa

Komercjalne przykłady

Fermentis SafaleTM US-05

WyestTM: 1056 (American Ale) 1272 (American Ale II) 2565 (Kölsch) 1007 (German Ale)

WyestTM: 2565 (Kölsch) 1007 (German Ale)

Fermentis SafaleTM S-04

WyestTM: 1968 (London ESB) 1028 (London Ale) 1084 (Irish Ale) 1187 (Ringwood Ale)

Fermentis SafaleTM WB-06 T-58

WyestTM: 3068 (Weihenstephan Wheat) 3333 (German Wheat) 3638 (Bavarian Wheat) 3787 (Belgian Trappist Ale) 1214 (Belgian Abbey Ale)

Drożdże do produkcji piw nisko- i bezalkoholowych

Istnieją różnego rodzaju metody produkcji piw nisko- i bezalkoholowych. Najmniej wymagającą technologicznie, bez znaczących dodatkowych kosztów sprzętowych, ale jednocześnie najbardziej wymagającą z punktu widzenia procesowego, jest metoda użycia specjalnych gatunków drożdży o obniżonej produkcji etanolu. Metodami screeningowymi odnaleziono gatunki i szczepy drożdży, które charakteryzują się mniejszą atenuacją fermentacji od tradycyjnych drożdży piwowarskich. Co ciekawe, niektóre z tych drożdży uchodzą za drobnoustroje powodujące zakażenia i przegazowania napojów – np. Sacchcaromyces ludwigii. Drożdże te mają najczęściej ograniczoną lub wręcz niemożliwą asymilację cukrów złożonych (nie produkują glikozydaz). Drożdże te fermentują jedynie cukry proste, czego efektem jest niskie odfermentowanie w granicach 10-20%, co w specyficznych warunkach pozwala uzyskać <0,5% alkoholu objętościowo (warunku niezbędnego dla piw bezalkoholowych wg polskiego prawa akcyzowego). Drożdże te produkują też związki aromatyczne, ale w innych stężeniach i o innym profilu niż drożdże piwowarskie. Produkują też duże ilości kwasu mlekowego, co nieraz jest pozytywnym efektem (piwa pszeniczne, piwa kwaśne), ale w niektórych przykładach mogą zaburzyć profil sensoryczny takiego napoju.

Drożdże dzikie i inne organizmy

Swoisty renesans przechodzą piwa tzw. spontanicznej fermentacji, czyli tradycyjnych piw belgijskich warzonych po dziś dzień we flamandzkich browarach nazywanych żywymi muzeami. W produkcjach piw typu Lambik, bo o nich mowa, piwowarzy nie dodają

Grupa szczepów drożdży dolnej fermentacji wg. G. Fixa

Wytrawne/świeże

Charakterystyka

Fermentujące powoli, podobnie harmonizują bukiet wolniej od drożdży górnej fermentacji. Od szczepów „słodowych” charakteryzuje je głębsze odfermentowanie, przez co piwa są bardziej orzeźwiające i świeże. Znane są z tego, że produkują duże ilości lotnych związków siarkowych, co skutkuje zapałczano-jajecznym zapachem ze zbiorników fermentacyjnych w browarze – nie należy się go obawiać, drożdże w większości redukują te związki bądź ulatniają się wraz z opuszczającym fermentor dwutlenkiem węgla. Bardzo niska zawartość owocowych estrów, fenoli i alkoholi wyższych skutkuje czystym profi lem klasycznego lagera. Wykorzystywany w amerykańskich, skandynawskich i niemieckich jasnych piwach dolej fermentacji.

Pełne/słodowe Podobnie wolno fermentujące, ale nie produkujące tak dużej ilości związków siarkowych. Mają za to tendencję pozostawiania niewielkich ilości diacetylu (maślanego akcentu, znanego z czeskich lagerów). Odfermentowują nieco słabiej, zachowując delikatną słodową słodycz i wyższą pełnię. Produkuję też nieco więcej estrów, dlatego nadają się do czeskich i niemieckich karmelowych i ciemnych lagerów.

Tabela 3. Charakterystyka szczepów drożdży dolnej fermentacji wg. G. Fixa

Komercjalne przykłady

Fermentis Safl agerTM W-34/70

WyestTM: 2007 (Pilsen Lager)

Fermentis Safl agerTM S-23

WyestTM: 2278 (Czech Lager)

Rysunek 3. Film mikrobiologiczny na powierzchni fermentującego spontanicznie piwa. [materiał własny]

drożdży w ogóle! Te same zasiedlają brzeczkę w momencie kiedy ta chłodzona jest w miedzianych płytkich wannach, często znajdujących się na drewnianych poddaszach, w których aż roi się od drobnoustrojów. Finalnie do brzeczki z powietrza oraz drewnianych naczyń, w których fermentuje Lambik, trafi ają drożdże Saccharomyces cerevisiae, które nadal pozostają głównymi konsumentami cukrów z brzeczki, ale także dzikie drożdże Brettanomyces – odpowiedzialne za nietypowe i zaskakujące nuty skóry garbarskiej, wiejskiej stodoły czy końskiej derki. Piwa dzikie znane są z kwaśnego smaku, który jest efektem pracy wielu bakterii kwasu mlekowego z gatunku Lactobacillus, Lactococcus, Pediococcus a nawet Acetobacter – które w obecności tlenu mogą dodać octowego sznytu. Ta naturalna fermentacja ma oczywiście swoje minusy – nigdy do końca nie wiadomo co będzie jej efektem, profi l tych piw nie zawsze trafi a w gusta szerokiego grona odbiorców a fermentacja może trwać nawet kilka lat, nierzadko kończąc się utylizacją nieodpowiedniej partii wyrobu.

Literatura

1. Bednarski W., Fiedurek J. Podstawy biotechnologii przemysłowej. 2007, WNT,

Warszawa 2007. 2. Fix G. J. An Analysis of Brewing Techniques. 1998. Brewers Publications. Boulder. 3. Palmer J. How To Brew – Everything you need to know to brew right the fi rst time. 2006. Brewers Publications. Boulder 4. Tonsmeire M. American Sour Beer: Innovaitive

Techniques for mixed Fermentations. 2014.

Brewers Publications. Boulder 5. White C., Zainsaheff J. Yeast – The

Practical Guide to Beer Fermentation. 2010. Brewers Publications. Boulder