Whisky - drożdże i fermentacja - szkiełkiem i okiem

Przygotowanie zacieru, nastawu i wszystko co jest z tym związane
amplexus
40%
40%
Posty: 57
Rejestracja: 2006-05-21, 11:47

Whisky - drożdże i fermentacja - szkiełkiem i okiem

Post autor: amplexus » 2018-01-23, 10:15

Temat może nie tak interesujący jak beczki, ale równie ważny, czyli drożdże i fermentacja. Poniżej tłumaczenie rozdziału 4 z książki "Whisky: Technology, Production and Marketing", wydanie z 2003. W niektórych miejscach składnia może być bardziej angielska niż polska, choć starałem się jak mogłem aby zachować sens. Rozdział zawiera dużą dozę "naukowego bełkotu", jedynie dla prawdziwych hobbystów :wink: , ostrzegam!

Wstęp

W porównaniu z ilością literatury dotyczącej biochemii i mikrobiologii fermentacji piwa i wina lub popularnej literatury na temat samej whisky, niewiele jest naukowych informacji dotyczących fermentacji szkockiej whisky. Prace przeglądowe Berry'ego i Ramsay'a (1983) oraz Korhola i in. (1989) są jednymi z nielicznych dotyczących tego etapu produkcji whisky. Na szczęście przebieg fermentacji jest podobny w browarze i gorzelni, a dużą ilość informacji dla ogólnego zrozumienia procesu fermentacji można znaleźć w literaturze piwowarskiej (patrz, na przykład, Hough i wsp., 1982, Young, 1996, Boulton i Quain, 2001, Slaughter, 2002). Przeglądy te dostarczają już autorytatywnych wyjaśnień dotyczących fermentacji alkoholowej brzeczki na bazie zbóż, dlatego ten rozdział bardziej dotyczy praktycznych różnic między piwowarstwem a fermentacją w gorzelni i nie podejmuje żadnej próby omówienia destylowanych produktów innych niż szkocka whisky.
Zarówno w destylarniach whisky słodowej jak i zbożowej głównymi źródłami kongenerów w new-make'u są:
Słód i destylowane zboża
Lotne składniki strukturalne drożdży
Metabolity drożdży
Mikrobiologiczne zanieczyszczenia fermentacji.

Chociaż bardziej efektywna rektyfikacja ciągła zmniejsza wkład tych czterech czynników smakowych w porównaniu z wpływem późniejszego dojrzewania, to zarówno drożdże, jak i przebieg fermentacji są ważnymi czynnikami przyczyniającymi się do charakteru tych dwóch rodzajów szkockiej whisky. W rzeczywistości jest to zobowiązanie prawne: przepisy wymagają, aby whisky zachowała aromat i smak pochodzący z fermentacji drożdżowej zacieru ze słodu lub zacieranego słodem zacieru zbożowego.


Drożdże do fermentacji alkoholowej

Nazwa ogólna Saccharomyces (łac. grzyb cukrowy) została po raz pierwszy zastosowana przez Meyena w 1838 roku, ale nowoczesna taksonomia drożdży w przemyśle fermentacji alkoholowej wywodzi się w dużej mierze z pracy Hansena w Carlsberg Laboratories w Danii w latach 80. XIX wieku (Barnett i wsp., 1990). Hansen nadał różne nazwy drożdżom zbierającym się w trakcie fermentacji w górnej części fermentora (drożdże z piw brytyjskich, belgijskich oraz z północy Niemiec) - S. cerevisiae, drożdżom zbierającym się w trakcie fermentacji na dnie fermentora, pracującym w niższym zakresie temperatur fermentacji - S. carlsbergensis oraz posiadającym większą tolerancję na alkohol drożdżom winnym z charakterystycznymi elipsoidalnymi komórkami (S. ellipsoideus). Od tego czasu klasyfikacja była często zmieniana, a obecnie wszystkie trzy z tych dawnych gatunków zostały nazwane S. cerevisiae. Chociaż jest to uzasadnione zasadami taksonomii botanicznej (w tym dotyczącej grzybów), to uciążliwe jest, że drożdże o tak różnych właściwościach przemysłowych nie mają oficjalnych nazw, które pozwoliłyby je odróżnić. Fermentujące skrobię dzikie drożdże oraz zanieczyszczenia browarnicze początkowo wyizolowane jako S. diastaticus są teraz również zawarte w S. cerevisiae.

Początkowo piekarze i gorzelnicy whisky z powodzeniem przeprowadzali fermentację, wykorzystując nadmiar drożdży wytwarzanych przez przemysł piwowarski, ale wyhodowanie odmian o ulepszonych właściwościach dla branży piekarniczej pobudziło równoważny rozwój wyspecjalizowanych drożdży gorzelnianych. Oczywiście drożdże typu ale były ważnym składnikiem hybrydy, ale z powodu swych właściwości amylolitycznych zastosowano również S. diastaticus. W przeciwieństwie do prawie kulistych drożdży piwnych, hybrydy gorzelniane mają eliptyczny kształt o wymiarach o długości około 10 mm i średnicy 5 mm. W późniejszych modyfikacjach genetycznych mających na celu stworzenie drożdży piwowarskich o właściwościach amylolitycznych, „fenolowy off-flavour” przeniesiony do hybrydy z S. diastaticus okazał się poważnym problemem. Jego przyczyną była dekarboksylacja pochodnych kwasu cynamomowego, np. dekarboksylacja kwasu ferulowego do 4-winylogwajakolu (4VG), jednak w odniesieniu do smaków pochodzących z torfowanego słodu, 4VG i podobne nuty fenolowe są pożądaną cechą hybrydy gorzelnianej. Z pośród cukrów pochodzących z hydrolizy skrobi, drożdże piwowarskie fermentują tylko glukozę, maltozę oraz maltotriozę. W praktyce wkład S. diastaticus w zdolności fermentacyjne hybrydy ogranicza się do fermentacji maltotetrozy i kilku innych niefermentowalnych di- i trisacharydów pochodzących ze skrobi. Choć jest teoretycznie możliwe stworzenie całkowicie amylolitycznych drożdży, naruszałoby to Scotch Whisky Regulations, które stanowią, że skrobia musi być hydrolizowana przez enzymy pochodzące ze słodu. Zasadnicze cechy drożdży gorzelnianych to:
Dobra produkcja aromatów
Całkowita i szybka fermentacja cukrów brzeczki
Odporność na ciśnienie osmotyczne początkowego stężenia cukru w brzeczce, w nowoczesnej praktyce co najmniej 16% i ewentualnie 20%
Zdolność do fermentacji do 8-10% etanolu w brzeczce.
Brak flokulacji i minimalne pienienie
Zdolność do wzrostu znacznie powyżej 30°C.
Korhola i in. (1989) opisali o drożdże gorzelniane zdolne do fermentacji w 46°C. Cecha ta zmniejsza zapotrzebowanie na energię do podgrzewania zacieru do destylacji. Takie szczepy nie są jednak stosowane w produkcji szkockiej whisky, gdzie maksymalna temperatura wzrostu wynosi około 35°C.


Biochemia drożdży

Najbardziej oczywistym efektem fermentacji jest powstawanie etanolu i dwutlenku węgla, ze stężeniem powstałego alkoholu sięgającym około połowy początkowego stężenia fermentowalnego cukru. Jednakże biologiczną funkcją fermentacji jest dostarczenie energii dla wzrostu drożdży, a zatem nieuchronnie część fermentowalnego cukru jest przekształcana na masę drożdży, a nie na pożądany z komercyjnego punktu widzenia etanol. Głównym problemem gorzelnika jest utrzymanie jakości alkoholu, ale ważnym czynnikiem ekonomicznym jest akceptowalnie wysoki uzysk alkoholu z surowców - a wydajność alkoholu spada wraz ze wzrostem drożdży.
Różne związki organiczne mogą być metabolizowane przez S. cerevisiae w warunkach tlenowych, ale dla fermentacji beztlenowej glukoza lub inny fermentowalny cukier jest podstawowym źródłem zarówno energii, jak i organicznego węgla do budowy nowego materiału komórkowego. Chociaż prawie wszystkie drożdże są zdolne do wzrostu na solach amonowych jako jedynym źródle azotu do syntezy białek (głównie enzymów) i kwasów nukleinowych, w fermentacjach gorzelnianych źródłem azotu są aminokwasy i proste peptydy z brzeczki.
Aby mógł nastąpić wzrost drożdży oraz fermentacja, drożdże wymagają odpowiedniego pH, temperatury i składników odżywczych. Jako grzyby, S. cerevisiae preferują kwaśne pH. Optymalne pH wynosi około 5,0-5,2, ale drożdże gorzelnicze są zdolne do prawidłowego wzrostu w zakresie pH 3,5-6,0. Dla drożdży gorzelniczych stosowanych w Szkocji optymalna temperatura (w sensie najszybszego wzrostu, a zatem najbardziej wydajnej fermentacji) to około 30-33°C. Chociaż drożdże gorzelnicze są zdolne do wzrostu w zakresie 5-35°C, tempo wzrostu w temperaturach poniżej około 25°C jest zbyt wolne dla fermentacji whisky.
Drożdże potrzebują także różnych soli mineralnych, zwłaszcza fosforanów i siarczanów, a wiele jonów metali jest wymaganych w śladowych ilościach jako kofaktory enzymów – najważniejsze z nich to żelazo, potas, mangan i cynk. Zwykle zawartość potrzebnych jonów w brzeczce lub zacierze jest wystarczająca, ale każdy niedobór spowoduje powolną fermentację, ponieważ nie można dodawać pożywek witaminowych ani mineralnych jak w browarze. Biotyna jest jedynym organicznym czynnikiem wzrostu (równoważnym terminowi witamina w żywieniu człowieka), który z pewnością jest wymagany przez drożdże, ale jest obecna w odpowiednim stężeniu w brzeczce destylarni słodowych i zbożowych. Poza tym, większość szczepów S. cerevisiae jest w stanie samemu zsyntetyzować witaminy, których ludzie potrzebują w swojej diecie: pantotenian, ryboflawinę, tiaminę itp. Jednak w warunkach fermentacji beztlenowej drożdże browarnicze i gorzelniane nie są w stanie syntetyzować nienasyconych kwasów tłuszczowych i steroli, które są niezbędnymi składnikami strukturalnymi błon komórkowych. Ponieważ ilości naturalnie obecne w brzeczce są niewystarczające dla wzrostu w warunkach beztlenowych, napowietrzanie brzeczki podczas dodawania drożdży pozwala inokulum drożdżowemu syntetyzować zapas tych związków w warunkach tlenowych.
Kongenery smakowe są produkowane jako produkty uboczne fermentacji cukrów do alkoholu. Chociaż tylko główne rodzaje kongenerów pokazano w tabeli 4.1, wykryto około 400 metabolitów smakowych wytworzonych podczas fermentacji alkoholowej przez drożdże i przyczyniających się do smaku piw, cydrów, win i destylowanych alkoholi. Związki te różnią się pod względem ich znaczenia dla jakości końcowego produktu. Dla dowolnego napoju alkoholowego rzeczywista ilość każdego związku jest mniej ważna niż jego próg zapachu - stężenie wykrywalne przez wyszkolony zespół sensoryczny. Lotność jest jednak również ważna w przypadku destylowanych napojów, a lotność substancji smakowych wpływa na ilość frakcji serca.

tabela 4.1
Obrazek

Fermentowalność brzeczki
Część analizy słodu, jaką jest ocena fermentowalności i tym samym prognozowanie wydajności produkcji alkoholu są również istotne dla etapu fermentacji. Standardowy ekstrakt gorącej wody (metoda 2.15 Baker, 1991) jest wykorzystywany jako brzeczka doświadczalna, która nie jest gotowana w celu zachowania aktywności enzymów słodu podczas fermentacji testowej przy użyciu szczepu M drożdży gorzelnianych. Jest to szczep wprowadzony do szkockich gorzelni whisky w 1952 roku, ale ponieważ późniejsze ulepszone szczepy nadal były nazywane M, stąd jego właściwości nie były stałe przez ostatnie 50 lat. Standardowa metoda określa zastosowanie komercyjnych drożdży M, ale ponieważ niekoniecznie jest to czysta kultura, istnieje pewna korzyść w zastosowaniu gwarantowanej czystej hodowli uzyskanej przez wysiewanie handlowych drożdży M w celu uzyskania pojedynczych kolonii.
Na podstawie zmierzonego spadku gęstości w czasie 44 godzin inkubacji w 33°C można obliczyć procent fermentowalnego ekstraktu. Na tej podstawie można oszacować wydajność alkoholu na tonę słodu - istotny aspekt analizy słodu i zbóż, ale liczba w dużej mierze zależy od wydajności hydrolizy skrobi podczas zacierania i fermentacji.

Budowa drożdży
Najbardziej zewnętrzną warstwą komórki drożdży jest sztywna ściana włóknistych b(1-3) i (1-6)-glukanów z zewnętrzną, bardziej amorficzną warstwą mannanu, głównie a(1-4), ale z łańcuchami bocznymi a(1-2) i a(1-3). Ponieważ blizny pozostawione przez oddzielanie kolejnych pączków składają się z chityny, polimeru N-acetyloglukozaminy, udział chityny rośnie w ściankach starszych komórek. Ściana komórkowa stanowi 15-25% suchej masy komórki i ma wiele funkcji: ochrona fizyczna, stabilność osmotyczna, wsparcie dla enzymów związanych z ścianą (np. inwertaza), adhezja międzykomórkowa (np. flokulacja) i jako bariera o selektywnej przepuszczalności. Chociaż wygodnie jest traktować ścianę jako przepuszczalną dla składników odżywczych i metabolitów, większe cząsteczki polisacharydów i polipeptydów są blokowane przez wielkość porów ściany.
To błona komórkowa (błona cytoplazmatyczna), zapobiega wyciekaniu rozpuszczalnych składników cytoplazmy do otoczenia, ale jest równie skuteczna w przeciwnym kierunku i zapobiega swobodnej dyfuzji składników odżywczych do komórki. Prawdziwa dyfuzja przez błonę, z szybkością określoną przez wielkość cząsteczki, rozpuszczalność w lipidach błony komórkowej i różnicę stężeń między otoczeniem a cytoplazmą, jest ograniczona do kilku prostych związków, takich jak etanol i dwutlenek węgla. Wszystkie inne związki wymagają „pomocy” specyficznych błonowych białek transportowych - permeaz do importu składników odżywczych i eksportu metabolitów. Cząsteczki mogą być transportowane na drodze ułatwionej dyfuzji, w której energia jest zapewniona przez różnicę stężeń w membranie lub przez transport aktywny, oprócz specyficznego układu transportowego wymagający wkładu energii przez komórkę.
Gatunki Saccharomyces rozmnażają się przez pączkowanie. Na ryc. 4.1 pokazano tylko jedną bliznę po pączkowaniu: jeśli jest to jedyna blizna na komórce, przedstawia ona "bliznę porodową" pozostawioną po odłączeniu się od komórki macierzystej. Jeśli tak, pierwszy pączek wyprodukowany przez nową komórkę drożdży znajdzie się na drugim końcu - niekoniecznie dokładnie naprzeciwko blizny po urodzeniu, ale prawdopodobnie w pobliżu punktu, w którym jądro komórkowe znajduje się najbliżej ściany komórkowej, w celu kontrolowania inicjacji pączków. Pierwszym etapem jest miejscowe zmiękczenie (przez precyzyjnie skierowaną b(1-6)-glukanazę) glukanu, który nadaje ściance komórkowej swoją sztywność. Ciśnienie osmotyczne w komórce powoduje puchnięcie - pierwsze widzialne pod mikroskopem etapu rozwoju pączka. Następnie synteza nowej ściany komórkowej, błony oraz materiału jądrowego i cytoplazmatycznego jest precyzyjnie programowana w czasie powstawania komórki, a w pełni uformowana komórka potomna odrywa się od matki, aby obie mogły niezależnie rozpocząć swój kolejny cykl komórkowy. Proces ten został zilustrowany przez Matile i wsp. (1969) w doskonałej serii rysunków z mikroskopów elektronowych. Mimo że niektóre fragmenty tekstu zostały bardziej rozwinięte przez nowsze badania, rysunki są nadal całkowicie poprawne, jako zobrazowanie cyklu komórkowego drożdży.

ryc. 4.1
Obrazek

W cytoplazmie znajdują się różne organella komórkowe. Najważniejsze z nich pokazano na ryc 4.1: jądro, mitochondria i wakuole. Są one również zamknięte w błonach o tej samej strukturze i funkcjach jak błona cytoplazmatyczna. W fazie spoczynkowej przedstawionej na rysunku 4.1 wakuola występuje jako pojedyncze organellum, największe w komórce, ale podczas cyklu tworzenia nowej komórki wakuola dzieli się na mniejsze i niektóre z nich migrują do rozwijającego się pączka przed wejściem do niego podzielonego jądra. Oczywiście istotne jest, aby jądrowy materiał genetyczny był replikowany dokładnie podczas podziału komórki, ale równie ważne jest, aby jednostki podzielonych mitochondriów i wakuoli dostały się do rozwijającego się pączka na odpowiednim etapie podziału komórki. Wśród biochemicznych funkcji wakuoli jest recykling białek i magazynowanie glikogenu jako zapasu energii, ale wydaje się również, że ma ona mechaniczną funkcję wymuszania przeniesienia części replikowanego jądra do rozwijającego się pączka.
Mitochondria są organellami niezbędnymi do tlenowego wzrostu drożdży i są dobrze rozwinięte w rosnących w warunkach tlenowych drożdży piekarniczych i gorzelniczych (ryc. 4.1). Pośród innych aktywności, organella te związane są z układami enzymatycznymi metabolizmu oksydacyjnego. Znaczenie mitochondriów w fermentacji jest omówione poniżej, w metabolizmie tlenu, ale Rose i Harrison (1991) dostarczają bardziej ogólnych informacji biologicznych na temat tych i innych organelli komórki drożdży.

Metabolizm węglowodanów
Istnieją trzy ważne aspekty metabolizmu węglowodanów podczas fermentacji:
1.Pobieranie fermentujących cukrów z brzeczki
2.Wytwarzanie etanolu i kongenerów smakowych w komórkach drożdży
3.Wydalanie metabolitów nadających smak brzeczce i ostatecznie whisky.

Tabela 4.2 pokazuje skład brzeczki ze słodu, ale od lat 60. XX wieku zdano sobie sprawę, że te cukry nie są wykorzystywane jednocześnie. Chociaż maltoza jest obecna w największej ilości, to nie jest początkowo wykorzystywana przez drożdże. Specyficzna permeaza dla glukozy jest enzymem konstytutywnym, który jest natychmiast dostępny podczas zaszczepiania brzeczki drożdżami, podczas gdy system transportu maltozy jest indukowalny.

tab. 4.2
Obrazek

Indukowalne enzymy syntetyzowane są tylko w obecności ich substratu, ale dodatkowo synteza permeazy maltozy nie jest aktywowana, dopóki stężenie glukozy nie spadnie poniżej stężenia progowego. Podobnie, transport maltotriozy nie jest indukowany, dopóki stężenie maltozy w brzeczce nie spadnie wystarczająco. W związku z tym pobieranie fermentowalnych cukrów zwykle przebiega tak, jak pokazano na ryc. 4.2.
Sposób działania układu transportowego również zależy od różnych cukrów. Wychwyt głównych węglowodanowych składników odżywczych typowej brzeczki słodowej przedstawiono na ryc. 4.3. Glukoza i fruktoza są transportowane w stanie nienaruszonym przez błonę komórkową (pokazaną na tym schemacie poprawnie jako dwuwarstwa lipidowa) poprzez ułatwioną dyfuzję z ich odpowiednią permeazą, znajdującą się w błonie. Przed dotarciem do błony komórkowej, sacharoza jest hydrolizowana w ścianie komórkowej przez system inwertazy związanej ze ścianą, a powstająca glukoza i fruktoza są transportowane do komórki. Maltoza i maltotrioza przedostają się do komórki przez wymagające nakładu energii układy transportu aktywnego, które fosforylują te cukry. Szczegółowe wyjaśnienie współczesnych koncepcji struktury i sposobu działania enzymów permeazy w drożdżach opisuje Slaughter (2002).

ryc. 4.2
Obrazek

ryc. 4.3
Obrazek

W warunkach tlenowych cukier jest całkowicie utleniany do dwutlenku węgla i wody, uwalniając taką samą ilość energii, jaką uzyskuje się dzięki chemicznemu spalaniu glukozy, ale w systemie biologicznym energia jest uwalniana i magazynowana jako związki wysokoenergetyczne. Podstawowym zapasem energii jest wysokoenergetyczne wiązanie grupy fosforanowej z adenozynodifosforanem tworzące adenozynotrifosforan, choć inne wiązania też są możliwe. W warunkach beztlenowych możliwe jest jedynie częściowe utlenianie prowadzące do kwasu pirogronowego. Szczegóły dotyczące fermentacyjnego metabolizmu heksoz są dostępne we wszystkich podręcznikach biochemii, a jedynie podstawowy zarys szlaku metabolicznego zaproponowanego przez Embden-Meyerhof-Parnas pokazano na ryc. 4.4.
Dla uproszczenia nazwy kilku enzymów podano uczestniczących w szlaku przemian podano na ryc. 4.4. Pierwsze etapy obejmują fosforylację cukru, proces wymagający energii – dwóch cząsteczek ATP na jedną cząsteczkę heksozy. Maltoza jest jednak fosforylowana już podczas transportu i przed hydrolizą do glukozy, więc pierwszy etap fosforylacji jest niepotrzebny. Ponadto, niezależnie od oryginalnej struktury heksozy, musi być ona zizomeryzowana do fruktozo-6-fosforanu. Tylko przy specyficznej strukturze 1,6-difosforan fruktozy z następnego etapu może zostać podzielony na dwie identyczne cząsteczki triozofosforanu (gliceraldehydo-3-fosforan).
Fosforylacja niekoniecznie wymaga energii pochodzącej z ATP; później w szlaku fosforylacja fosforanem nieorganicznym zachodzi przy redukcji dinukleotydu nikotynoaminoadeninowego (NAD) do NADH2. (Alternatywną nazwą NAD, stosowaną w niektórych podręcznikach i materiałach badawczych, jest nukleotyd dwufosfopirydyny, DPN.) Na ryc. 4.4 reakcja jest pokazana bardziej poprawnie jako NAD+ redukowany do NADH, przy fosforylacji gliceraldehydo-3-fosforanu do 1,3-difosfoglicerynianu . Kolejne reakcje obejmują przeniesienie fosforanu do ADP i izomeryzację w celu wytworzenia triozofosforanu w celu uwolnienia jego fosforanu, generując w sumie cztery cząsteczki ATP dla każdej cząsteczki heksozy. Ponieważ dwie są zobowiązane do "spłacenia" początkowego wykorzystania dwóch cząsteczek ATP, ogólny efekt tej drogi to zysk netto energii dwóch cząsteczek ATP, który jest wystarczający dla biosyntetycznych potrzeb rosnącej komórki.

ryc. 4.4
Obrazek

W drożdżach fermentacyjnych wymagana jest dalsza re-oksydacja NADH do NAD+ przez aldehyd octowy, aby umożliwić ciągłość metabolizmu przy ograniczonej ilości NAD w komórce. Dwa atomy wodoru usunięte w re-oksydacji każdej cząsteczki NAD redukują aldehyd octowy do etanolu. Dekarboksylacja pirogronianu oraz tworzenie aldehydu octowego i etanolu jest tylko jedną z wielu możliwych metod odzyskiwania NAD+: dla przykładu u wielu bakterii kwasu mlekowego ponowną re-oksydację NADH zapewnia pojedynczy etap redukcji pirogronianu do kwasu mlekowego.
Boczny szlak prowadzący do glicerolu zwykle stanowi jedynie niewielką część metabolizmu węglowodanów. Pyke (1965) odnotował 0,25% wag./obj. w zacierze zbożowym, znacznie powyżej poziomów wyższych alkoholi i estrów, ale lotność gliceolu jest zbyt niska, aby pojawił się on w destylacie. Kongenerami smakowymi wytwarzanymi bezpośrednio przez główną drogę szlaku EMP są kwas pirogronowy i aldehyd octowy, ale wiele innych kwasów, alkoholi i estrów wytwarzanych jest jako produktu uboczne biosyntetycznej aktywności drożdży (tabela 4.1). Jednak większość tych kongenerów smakowych to produkty uboczne biosyntezy lipidów, kwasów nukleinowych i białek, co pokazane zostanie w dalszej części tego rozdziału.
EMP jest tylko jedną z możliwych ścieżek dostarczającego energii metabolizmu węglowodanów, ale jest ważnym szlakiem przemian w beztlenowych warunkach fermentacji. Hough i in. (1982) dostarczyli adekwatnego opisu szlaku monofosforanu heksozy (lub monofosforanu pentozy), cyklu Krebsa i innych aktywności metabolicznych istotnych dla aerobowego wzrostu drożdży piwowarskich (a zatem także aerobowego rozmnażania drożdży gorzelnianych), ale bardziej szczegółowe wyjaśnienia można znaleźć w dowolnym podręczniku biochemii.

Metabolizm azotu
Aminokwasy wymagane do wzrostu drożdży powstają w wyniku hydrolizy białek słodu podczas słodowania, a ilość azotu a-aminokwasowego w brzeczce jest częściowo związana ze stopniem modyfikacji słodu. Im wyższa zawartość azotu a-aminokwasowego w brzeczce, tym większy wzrost drożdży (ostatecznie powyżej około 150-180 mg/l), co zmniejsza wydajność alkoholu przez większe zużycie cukru do budowy masy komórek drożdży zamiast etanolu. Wyższe poziomy azotu oznaczają również proporcjonalnie niższą zawartość węglowodanów w jęczmieniu i słodzie. Biorąc pod uwagę stosunkowo niską zawartość azotu w kukurydzy i pszenicy, jest mało prawdopodobne, aby stanowiło to problem w gorzelniach zbożowych, a wyższa zawartość azotu w jęczmieniu jest zwykle związana z wyższą aktywnością enzymów - ważną dla gorzelni zbożowej własnością słodu.
Niemożliwe jest, aby ograniczona przestrzeń błony komórkowej drożdży zawierała indywidualne enzymy permeazy dla każdego z dwudziestu aminokwasów budujących białka. Tylko kilka aminokwasów ma określone enzymy transportowe, a większość z nich musi się dzielić. Chociaż kilka aminokwasów budujących białka nie zostało wymienionych przez Jonesa i Pierce'a (1964) ani Pierce'a (1987), to w tabeli 4.3 pokazano porównanie szybkości wychwytu poszczególnych aminokwasów - w rzeczywistości podsumowanie ich systemów transportowych. Tylko kwas asparaginowy/asparagina, kwas glutaminowy/glutamina i lizyna mają swoje własne specyficzne enzymy transportowe. Ponieważ arginina, seryna i treonina mają wspólną pojedynczą permeazę, szybkość i ilość wychwytu każdego pojedynczego aminokwasu jest w przybliżeniu proporcjonalna do ich względnych ilości w brzeczce, ale wszystkie są absorbowane z brzeczki z wystarczająco dużą szybkością, aby spełnić wymagania rosnącej komórki dla tych aminokwasów. Prolina i hydroksyprolina są wchłaniane tylko powoli, ale spełniają wymagania komórki w trakcie fermentacji. Jednakże, ponieważ wszystkie aminokwasy wymienione jako "grupa B" mają wspólną pojedynczą permeazę, nie są one absorbowane w wystarczającej ilości, aby spełnić wymagania syntezy białka podczas aktywnego wzrostu drożdży. Wszystkie aminokwasy mogą być transportowane przez ogólną permeazę aminokwasową (GAP), ale jest ona nieaktywna, gdy działa specyficzny transport aminokwasów grupy A i B. Zatem aminokwasy wymienione jako grupa C, których transport jest całkowicie zależny od GAP, mogą być absorbowane dopiero późno w fermentacji, zbyt późno aby mogły być włączone bezpośrednio do struktury enzymu podczas fazy aktywnego wzrostu. Aby rozwinąć nowy pączek, rosnąca komórka drożdżowa musi zsyntetyzować swój własny materiał komórkowy z substancji odżywczych w brzeczce. Do tej aktywności biosyntetycznej wymagane są wszystkie aminokwasy z grupy C oraz niezbędny dodatek ograniczonego wychwytu z grupy B. Ponieważ lizyna nie może być wykorzystana w tym celu przez gatunek Saccharomyces, grupy aminowe kwasu asparaginowego/asparaginy i kwasu glutaminowego/glutaminy dostarczają azotu aminowego do biosyntezy innych aminokwasów.

tab. 4.3
Obrazek

ryc. 4.5
Obrazek

Ryc. 4.5 pokazuje proste podsumowanie powstawania różnych pośrednich ketokwasów wymaganych do syntezy aminokwasów. Chociaż reakcje enzymatyczne są zwykle odwracalne, niektóre etapy biosyntezy ketokwasów nie są. Jeśli podaż azotu aminowego zostanie wyczerpana, oczywiście ketokwasy nie mogą zostać przekształcone w zamierzone aminokwasy. Jednak ketokwasy stanowią cenny surowiec, którego nie można akumulować w warunkach beztlenowych. Stąd jeśli nie można ich przekształcić w aminokwasy, ketokwasy są dekarboksylowane do odpowiedniego aldehydu i redukowane do alkoholu przez reakcje analogiczne do metabolizmu pirogronianu do etanolu. Ogólna dehydrogenaza alkoholowa redukuje aldehyd do odpowiedniego alkoholu, chociaż dla każdego ketokwasu wymagana jest specyficzna dekarboksylaza. Dlatego, jeśli ubytek azotu uniemożliwia przekształcenie kwasu a-keto-izokapronowego w leucynę, powstaje zamiast niego alkohol izoamylowy (ryc. 4.6). Ta zależność między aminokwasami i wyższymi alkoholami została po raz pierwszy zauważona przez Ehrlicha w 1911 roku, ale reakcje nie zostały w pełni wyjaśnione aż do lat 50 XX wieku. Możliwe jest również, że nawet pomimo dostępności azotu aminowego drożdże mogą przekształcić część swojej rezerwy ketokwasów w wyższe alkohole, aby wytworzyć utleniony NAD. Ta odpowiedź na problem utleniania-redukcji jest analogiczna do reakcji powstawania glicerolu ścieżką Embden-Meyerhof-Parnas, gdzie szlak pirogronianu jest dokładnie zrównoważony w NAD i generuje zysk ATP a szlak glicerolu jest zrównoważony pod względem ATP i zapewnia zysk utleniononego NAD do wykorzystania w reakcjach biosyntetycznych w warunkach beztlenowych.

ryc. 4.6
Obrazek

Diacetyl jest kolejnym produktem ubocznym metabolizmu azotu. Ryc. 4.7 pokazuje, że izobutanol jest alkoholem wyższym związanym z biosyntezą waliny, ale acetylomleczan, związek pośredni w szlaku biosyntezy, jest dekarboksylowany i redukowany do acetoiny i 2,3-butanodiolu przez reakcje podobne do tworzenie etanolu. Jednakże, ślady tych trzech związków wydalane do zacieru mogą zostać utlenione w nieenzymatycznych reakcjach chemicznych do diacetylu, na przykład za pomocą tlenu atmosferycznego rozpuszczonego przez turbulencję podczas napełniania kotła, lub przez napowietrzenie zacieru przy destylacji ciągłej. Ponieważ reakcje chemiczne są przyspieszane przez wyższą temperaturę, konwersja do diacetylu przebiega szybko we wczesnych etapach destylacji. Przy swoim niskim progu aromatu (około 1 ppm) i podobnej lotności do etanolu, diacetyl jest najważniejszym kongenerem pokazanym na ryc. 4.7 i jest jednym z niewielu związków, których nie można całkowicie usunąć z neutralnego spirytusu.

ryc. 4.7
Obrazek

Powstawanie kwasów tłuszczowych i estrów
Estry reprezentują inną grupę kongenerów smakowych powstających podczas fermentacji. Chociaż nieenzymatyczna estryfikacja kwasów i alkoholi jest ważną częścią rozwoju smaku podczas dojrzewania whisky, reakcja ta jest zbyt wolna, aby odpowiadać za estry wytworzone podczas fermentacji. Wytwarzanie estrów jest związane z odtwarzaniem kofaktora enzymu, koenzymu A (CoA). Kwas octowy i długołańcuchowe kwasy tłuszczowe są ważnymi produktami pośrednimi w biosyntezie, ale część tych związków jest tracona przez odpływ do zacieru, gdzie pojawiają się jako kongenery smakowe (tabela 4.1). AcetyloCoA i jego wyższe homologi, wspólnie określane jako R-CO~SCoA na ryc. 4.8, są ważnymi produktami pośrednimi w biosyntezie białek enzymatycznych, kwasów nukleinowych i lipidów. Warto zauważyć nietypowe usunięcie dwóch grup fosforanowych z ATP (z wytworzeniem adenozynomonofosforanu) [na ryc.4.8 jest literówka, zamiast „ATP – > ATP + (PP)” winno być „ATP – > AMP + (PP)” - przyp. tłum.] w przenoszeniu wysokoenergetycznego wiązania z ATP do kompleksu CoA. Jeśli jednak acetylo- lub acylo-CoA nie jest potrzebny, CoA musi być odtworzony dla odzyskania energii reprezentowanej przez wiązanie ~ i dla utrzymania ograniczonego wewnątrzkomórkowego zasobu samego CoA. Po usunięciu CoA grupa kwasowa jest stabilizowana przez estryfikację przy udziale enzymu esterazy (esterazy katalizują reakcję w obu kierunkach).

ryc. 4.8
Obrazek

Ponieważ kwas octowy i etanol to kwas i alkohol powstające w największych ilościach podczas fermentacji, naturalnie octan etylu jest głównym estrem pod względem ilości, chociaż inne estry z niższym progiem aromatu mają większy wpływ na zacier, alkohol i końcową whisky. Szersze implikacje odtwarzania CoA przedstawiono na ryc. 4.9, który wskazuje źródła etanolu, wyższych alkoholi i różnych grup kwasowych zaangażowanych w produkcję estrów.

ryc. 4.9
Obrazek

Metabolizm siarki
Podobnie jak w piwowarstwie i winiarstwie, również w gorzelnictwie w powstawaniu związków siarki szczególne znaczenie mają dwa typy reakcji: biosynteza aminokwasów siarkowych (ryc. 4.10) oraz redukcja siarczanów z brzeczki. Destylacja różni się od innych procesów korzystnym działaniem miedzi z której zbudowane są aparaty destylacyjne, ale przy normalnym stosunku powierzchni miedzi do pojemności kotła, niemożliwe jest (i niepożądane) całkowite usunięcie związków siarki.

ryc. 4.10
Obrazek

Biosynteza cysteiny i metioniny powoduje analogiczne problemy związane ze smakiem jak biosynteza innych aminokwasów, ale w tym przypadku problemy są bardziej poważne z powodu niższego progu aromatu wielu zawierających siarkę produktów ubocznych. Innym źródłem siarkowych off-flavours jest redukcja SO42- do S2- w trakcie fermentacji. Znaczna część powstającego siarkowodoru jest usuwana w wyniku wydzielania się dwutlenku węgla podczas fermentacji, a zatem stanowi głównie problem w gromadzeniu dwutlenku węgla spożywczego, ale wystarczająca ilość siarkowodoru i organicznych związków siarki może pozostać w zacierze, aby wpłynąć na jakość destylowanego alkoholu.

Metabolizm tlenu
Odkrycie przejścia między fermentacją a oddychaniem poprzez cofnięcie lub przywrócenie dopływu powietrza przypisywane jest Ludwikowi Pasteurowi chociaż istnieją teraz pewne wątpliwości, czy to faktycznie było jego odkrycie. Jest jednak z pewnością prawdą, że fakultatywnie beztlenowe bakterie szybko dostosowują się z metabolizmu oksydacyjnego do fermentacyjnego w zależności od obecności lub braku tlenu atmosferycznego. Sytuacja z drożdżami jest bardziej złożona.
Po pierwsze, drożdże z gatunku Saccharomyces i inne drożdże fermentacyjne nie mogą rosnąć w nieskończoność w warunkach beztlenowych bez pewnych składników odżywczych, które są im niepotrzebne w warunkach tlenowych. Sterole i nienasycone kwasy tłuszczowe, podstawowe składniki błon komórkowych drożdży (a także wszystkich organizmów eukariotycznych), nie mogą być syntetyzowane beztlenowo, co ogranicza beztlenowy wzrost drożdży do dwóch lub trzech pokoleń, o ile te związki nie występują w pożywce hodowlanej (brzeczce). Po drugie, drożdże fermentacyjne nie są prawdziwymi fakultatywnymi beztlenowcami, ponieważ pierwszeństwo ma efekt Crabtree. Powyżej około 1% fermentowalnego cukru w pożywce hodowlanej (dokładny procent różni się pomiędzy szczepami) drożdże fermentują przez metabolizm beztlenowy bez względu na to, jak dobrze napowietrzono pożywkę hodowlaną. Zamiast tego, rozpuszczony tlen jest wykorzystywany do biosyntezy błonowych kwasów tłuszczowych i steroli, umożliwiając w ten sposób bardziej obfity ilościowo wzrost gdy warunki tlenowe nie są już dostępne. Dlatego, mimo że celowe dodawanie nienasyconych kwasów tłuszczowych i steroli do brzeczki w celu zachęcenia drożdży do wzrostu jest niedozwolone w fermentacji szkockiej whisky, ten sam efekt można uzyskać legalnie przez napowietrzenie brzeczki.
W artykule opisującym częściowo własne doświadczenia, ale także obszernie przeglądającym literaturę dotyczącą efektów Pasteura i Crabtree, O'Connor-Cox i wsp. (1996) stwierdzili, że z rozpuszczonego tlenu obecnego w brzeczce na początku fermentacji browarniczej, tylko około 30% zostało użyte bezpośrednio do syntezy nienasyconych kwasów tłuszczowych i steroli. Stwierdzono, że tlen rozpuszczony w brzeczce nie jest wykorzystywany do tlenowego metabolizmu cukrów. W rzeczywistości reszta rozpuszczonego tlenu wykorzystywana jest do przywracania zdegenerowanych mitochondriów beztlenowych komórek drożdży do stanu w pełni funkcjonalnego wymaganego do syntezy lipidów, a być może także do syntezy innych niezbędnych czynników wzrostu. W ciągu kilku godzin zawartość rozpuszczonego tlenu w brzeczce spada do zera, a mitochondria powracają do stanu zdegenerowanego związanego z warunkami beztlenowymi. Jednakże, O'Connor-Cox i wsp. (1996) stwierdzili, że bez okresu pełnej funkcji mitochondrialnej nie może nastąpić późniejsza fermentacja. Ekstrapolując te obserwacje do szkockiej whisky, fermentacja z pewnością wymaga napowietrzania, ale czysta kultura hodowanych tlenowo drożdżowy, które już w pełni rozwinęły mitochondria, powinna w razie potrzeby być w stanie przeprowadzić zadowalającą fermentację bez napowietrzania. Mimo to jest prawdopodobne, że fermentacja przebiegałaby inaczej z napowietrzaniem i bez napowietrzania. [ciężko to przetłumaczyć słowo w słowo, w naszych warunkach chodzi o to, że napowietrzanie jest korzystne gdy tylko uwadniamy suche drożdże, natomiast starter z mieszadła powinien poradzić sobie nawet z brzeczką nie napowietrzoną – przyp. tłum.]

Podsumowanie produkcji aromatu podczas fermentacji
W browarach zmiana składu brzeczki ma istotny wpływ na profil smakowy piwa, ale ta opcja nie jest legalnie dostępna dla gorzelników szkockiej whisky. Inne zmienne fermentacji, o których wiadomo, że wpływają na smak piwa, są istotne dla fermentacji szkockiej whisky, chociaż możliwości celowego manipulowania smakiem są bardziej ograniczone. Na produkcję smakowych kongenerów wpływają następujące czynniki:
Właściwości genetyczne szczepu drożdży
Stan drożdży podczas dodawania do brzeczki (żywotność i witalność)
Ilość inokulum drożdżowego
Początkowe napowietrzanie brzeczki
Profil temperatury podczas fermentacji
Skażenie mikrobiologiczne.

tab. 4.4
Obrazek

Podsumowanie wpływu warunków fermentacji na wytwarzanie kongenerów smakowych przedstawiono w tabeli 4.4. Temperatura fermentacji ma istotny wpływ i była szeroko badana w kontekście fermentacji browarniczych w latach 60. i na początku lat 70. XX wieku. Generalną zasadą jest to, że wzrost temperatury fermentacji zwiększa stosunek ilości drożdży do dostępnego azotu a-aminokwasowego, co prowadzi do zwiększonej produkcji wyższych alkoholi. Zwiększony wzrost drożdży oznacza zmniejszenie odtwarzania CoA, co zmniejsza produkcję estrów.
Chociaż w odróżnieniu od browarów utrzymywanie stałej temperatury fermentacji nie jest typową praktyką gorzelniczą, stałe poziomy kongenerów smakowych w brzeczce wymagają spójnych profili temperaturowych podczas kolejnych fermentacji, co osiąga się przez ocenę prawidłowej temperatury początkowej brzeczki dla temperatury otoczenia.
Właściwości genetyczne drożdży wpływają również na produkcję kongenerów smakowych. Żadne dwa szczepy nie reagują identycznie na temperaturę fermentacji, zawartość rozpuszczonego tlenu i azotu aminowego (organicznego) w brzeczce. Dlatego też zmiana na inną kulturę może wpłynąć na smak brzeczki i ostatecznie na alkohol i whisky. Ponieważ aromat "estrowy" stał się pożądaną cechą, Hay i in. (1994) opracowali drożdże o wyższej wydajności poprzez manipulację genetyczną. Jednakże przy obecnym publicznym antagonizmie wobec organizmów zmanipulowanych genetycznie jest mało prawdopodobne, że takie drożdże będą wykorzystywane komercyjnie w niedalekiej przyszłości do generowania wyższych poziomów estrów w whisky, nawet jeśli są zgodne z przepisami whisky szkockiej.
"Filateliści to też debile, przecież znaczki są za grosze na poczcie."

amplexus
40%
40%
Posty: 57
Rejestracja: 2006-05-21, 11:47

Re: Whisky - drożdże i fermentacja - szkiełkiem i okiem

Post autor: amplexus » 2018-01-23, 10:23

Kultywacja drożdży gorzelniczych

Większość drożdży wykorzystywanych w gorzelniach jest kupowana od producentów drożdży piekarskich i gorzelniczych. W końcowym etapie namnażania, kultury drożdży znajdują się w fermentorach o pojemności dochodzącej do 5x105 litra, ale inoculum jest rozmnażane z czystych kultur laboratoryjnych przez sukcesywne namnażanie w naczyniach których wielkość zwiększa się dwudziestokrotnie. Pożywka hodowlana z melasy, zarówno buraczanej jak i trzcinowej, jest uzupełniana solami amonowymi i wszelkimi śladowymi składnikami odżywczymi, które okazały się niezbędne po analizie aktualnej partii melasy (Burrows, 1970). Wszystkie kultury są namnażane w dokładnie utrzymywanej temperaturze 30°C, przy intensywnym napowietrzaniu i często z mechanicznym mieszaniem, chociaż dla drożdży jednokomórkowych samo napowietrzanie powinno wystarczyć do wydajnego mieszania.
Dla wydajnej kultywacji zarówno drożdży piekarniczych jak i gorzelniczych, ważne jest utrzymanie niskiego stężenia cukru fermentowalnego w pożywce hodowlanej. Aby uniknąć efektu Crabtree i utrzymać energooszczędną aerobową konwersję cukrów do dwutlenku węgla i wody, fermentor wypełnia się pożywką z solami amonowymi i innymi śladowymi składnikami odżywczymi, a cukier dodaje się w postaci sterylizowanej stężonej melasy - początkowo powoli, ale później coraz szybciej, gdyż biomasa drożdży staje się większa podczas fermentacji. Celem jest zapewnienie stałego poziomu około 0,5% cukru. Ostatecznie stężenie drożdży przekracza zdolność systemu napowietrzającego naczynia hodowlanego do utrzymania niezbędnych warunków tlenowych dla wydajnego wzrostu, tak, że stężenie rozpuszczonego tlenu zbliża się do zera; po około 30 godzinach wzrostu rozmnażanie zatrzymuje się.
Hodowlę drożdży zbiera się za pomocą obrotowego filtra próżniowego o średnicy około 2 m (ryc. 4.11). Obwód filtra składa się z ciągłego paska z tkaniny pokrytej skrobią spożywczą. Gdy bęben obraca się powoli przez hodowlę w rynnie z prędkością około jednego obrotu na minutę, zużyta pożywka hodowlana jest wysysana pod zmniejszonym ciśnieniem przez puste szprychy (tylko kilka pokazano na figurze); drożdże są zatrzymywane na filtrze, skąd zostają zeskrobane i upuszczone do działu pakowania na niższym piętrze.

ryc. 4.11
Obrazek

Do niedawna drożdże dla przemysłu gorzelniczego sprzedawano tylko w 25-kilogramowych workach sprasowanych wilgotnych drożdży (24-30% suchej masy) lub hurtowo jako zawiesina "cream yeast” o około 18% suchej masy (RC Jones, 1998 ). Oba rodzaje muszą być przechowywane w temperaturze 3-4°C i zużyte w ciągu trzech tygodni, aby uniknąć znacznego pogorszenia jakości. Drożdże kremowe, które są dostarczane, przechowywane i zadawane wprost z opakowań zbiorczych[?], są wygodniejsze w przypadku zautomatyzowanych operacji na dużą skalę. Worki ze sprasowanymi drożdżami najpierw muszą być natomiast zawieszone aseptycznie w sterylizowanym naczyniu do mieszania drożdży, aby uzyskać wymaganą konsystencję do zadania do brzeczki.
Obecnie coraz większa część produkcji drożdży gorzelniczych jest suszona w 45-55°C w atmosferze gazu obojętnego, zwykle azotu, pod zmniejszonym ciśnieniem. Suche drożdże (92-96% suchej masy) mają okres przydatności do dochodzący do dwóch lat i nie wymagają przechowywania w chłodni, chociaż w niektórych gorzelniach są przechowywane w chłodzie dla większego bezpieczeństwa. Reaktywacja suchych drożdży przed zadaniem do brzeczki musi być przeprowadzona ostrożnie, aby zapobiec utracie żywotności. Zalecane są dwie metody (MacDonald i Reid, 1998): dodawanie suchych drożdży bezpośrednio do zbiornika fermentacyjnego lub wstępne uwadnianie. Do bezpośredniej inokulacji, chłodnicę brzeczki ustawia się na 38°C. Ciepłą brzeczkę zbiera się do głębokości 10 cm w fermentorze i wymaganą ilość suchych drożdży rozsypuje się na brzeczkę, unikając zlepania się. Po pięciu minutach chłodnicę brzeczki ustawia się na 20°C i uzupełnia fermentor. Wadą tej metody jest konieczność uzyskania brzeczki o dwóch różnych i dokładnie ustawionych temperaturach. W przypadku metody wstępnego mieszania, sterylną wodę lub słabą brzeczkę (w ilości dziesięciokrotnie większej od objętości suchych drożdży) doprowadza się do 38°C w zbiorniku do rehydratacji i mieszając aby zapobiec zlepaniu, dodaje się drożdże. Po pięciu minutach mieszania, zawiesina drożdżowa jest pompowana do fermentora. Metoda wstępnego mieszania wykorzystuje takie same wyposażenie jak przy przygotowywaniu
zawiesiny z toreb sprasowanych drożdży, ale w przypadku suchych drożdży konieczna jest wyższa
temperatura mieszania.
Destylarnie whisky zbożowej używają się jedynie drożdży gorzelniczych, ale wiele preferuje mieszanie kultur od różnych dostawców w proporcji, która z doświadczenia daje najlepsze wyniki.
Wielu destylerów whisky słodowej uważa, że mieszanka drożdży piwowarskich i gorzelniczych daje wyższą wydajność alkoholu niż same drożdże gorzelnicze, więc nadal wykorzystują drożdże piwowarskie w ilości do 50% inoculum do fermentacji. Nie można oczekiwać, że drożdże piwowarskie odzyskane z beztlenowej fermentacji alkoholowej będą mieć żywotność/witalność taką jak namnożone w warunkach fermentacji tlenowej drożdże gorzelniane, ale rozsądnie jest oczekiwać, że będą one konsekwentnie spełniać realistyczne specyfikacje żywotności i witalności oraz niski poziom skażenia mikrobiologicznego. Ponieważ browar musi utrzymywać wysoką jakość drożdży w kolejnych fermentacjach do własnych celów (H. L. Jones, 1998), drożdże od renomowanego dostawcy powinny być w równie dobrym stanie. Niektóre browary mogą nie być jednak takie ostrożne, więc surowa specyfikacja jakości jest niezbędna przy zakupie gęstwy od browaru. Z uwagi na większe ryzyko skażenia bakteryjnego niż w przypadku drożdży gorzelnianych, w niektórych destylarniach whisky słodowej drożdże piwowarskie są przemywane kwasem przed użyciem aby zmniejszyć lub wyeliminować tę możliwość. Mycie do godziny z zimnym kwasem fosforowym (pH 2,8) jest rutynową praktyką antybakteryjną w wielu browarach (Simpson i Hammond, 1989), ale mycie kwasem jest nieskuteczne w stosunku do dzikich drożdży i wiele z nich jest bardziej odpornych na kwasy niż właściwe drożdże. Z pewnością niezbędne jest przechowywanie w chłodzie, częściowo w celu zapobieżenia dalszemu rozwojowi zanieczyszczeń drobnoustrojowych, ale także w celu zapobiegania endogennemu metabolizmowi trehalozy i glikogenu oraz wynikającemu z tego spadkowi żywotności i witalności (Maemura i wsp., 1998).


Postęp fermentacji

Większość piśmiennictwa na temat fermentacji w browarach można w równym stopniu odnieść do fermentacji w destylarni whisky szkockiej, o ile uwzględni się pewne różnice procesowe. Najważniejszymi różnicami są braki sterylizacji mikrobiologicznej oraz inaktywacji enzymów amylolitycznych do których dochodzi podczas gotowania brzeczki. Z tego powodu oczekuje się pełniejszego wykorzystania cukrów i zwiększonej produkcji etanolu, co zmniejszy ciężar właściwy brzeczki poniżej ciężaru właściwego wody, zwykle do 0.997-0.998 (-0,8 Brix do -0,5 Brix), podczas gdy fermentacje browarnicze są zakończone w zakresie 1.005-1.010 (1.3 Brix – 2,6 Brix). Niemniej, niektóre zmienne fermentacji browarniczych wpływające na smak (np. manipulowanie temperaturą, ciśnieniem oraz składem brzeczki, włączając dodatek składników odżywczych dla drożdży) są niedozwolone lub mogą być technicznie niemożliwe do zastosowania w fermentacjach szkockiej whisky.

Projektowanie zbiorników fermentacyjnych
Zbiorniki fermentacyjne (washbacks) w przemyśle destylacyjnym są obecnie budowane z drewna (zwykle ale nie wyłącznie z sosny Oregon) lub ze stali nierdzewnej. Drewniane naczynia z ich szorstkimi powierzchniami wewnętrznymi są trudne do czyszczenia i niemożliwe do sterylizacji, ale nadal są powszechne w destylarniach whisky słodowej. Zasadniczo naczynie jest cylindryczne, ale często zwęża się lekko do wewnątrz w kierunku do góry i ma luźno dopasowaną drewnianą pokrywę. Podczas gdy tradycyjne drewniane zbiorniki stanowią pewną atrakcję dla turystów, względy mikrobiologiczne spowodowały zwiększenie tempa ich wymiany na zbiorniki ze stali nierdzewnej, która stała się standardem w destylarniach whisky zbożowej. W porównaniu z naczyniami fermentacyjnymi o podobnej wielkości w przemyśle piwowarskim i farmaceutycznym, 250 000-500 000-litrowe zbiorniki destylarni zbożowych są konstrukcjami niewyszukanymi, ale większość pozwala na napowietrzanie na początku fermentacji, czyszczenie na miejscu oraz możliwie sterylizację parową i gromadzenie dwutlenku węgla.

Drożdże: ilość i jakość
Aby śledzić postęp fermentacji, należy albo zmierzyć ilość biomasy drożdży, albo policzyć liczbę komórek. W przypadku zadawania drożdży na skalę produkcyjną, mierzy się masę drożdży - bezpośrednio, jako liczbę 25-kg worków drożdży, lub pośrednio, jako objętość zawiesiny drożdży o standardowym stężeniu wagowym. W skali laboratoryjnej zliczanie liczby komórek na mililitr jest wygodniejsze i zwykle odbywa się za pomocą mikroskopu i grawerowanego suwaka z komorą zliczającą, znanego również jako hemocytometr, przyrząd pierwotnie zaprojektowany i stosowany do liczenia komórek krwi.
"Jakość" drożdży jest bardziej złożony pojęciem. Przez wiele lat stosowano pomiar procentu żywych komórek w kulturze za pomocą prostego testu błękitu metylenowego (MB) (Baker, 1991). Metoda ta polega na tym, że MB jest pobierany tylko słabo, jeśli w ogóle, przez żywe komórki, a po pobraniu szybko przekształca się w bezbarwną formę zredukowaną przez aktywność metaboliczną komórek. Po śmierci komórki stają się łatwo przepuszczalne dla MB, a ponieważ martwe komórki nie metabolizują, pozostają niebieskie. Proponowane są również inne podobne barwniki redoks, które mają przewagę nad MB, ale niestety wszystkie barwniki redoks są niewiarygodne w przypadku drożdży o żywotności niższej niż około 90 procent, co często ma miejsce w przypadku drożdży pochodzenia browarniczego.
Świeże drożdże gorzelnicze powinny mieć żywotność zbliżoną do 100% i powinny utrzymywać tę wartość przez kilka tygodni przechowywania w temperaturze 3-4°C. Przechowywanie w temperaturze otoczenia jest niedopuszczalne z dwóch powodów: utraty żywotności drożdży i szybkiego wzrostu bakterii z nieuniknionego, początkowo niskiego poziomu zanieczyszczenia. Żywotność drożdży piwowarskich pod koniec fermentacji browarniczej rzadko kiedy wynosi ponad 95%, i spada jeszcze bardziej podczas transportu i przechowywania. Nawet po schłodzeniu drożdże z fermentacji beztlenowej nie są tak stabilne podczas przechowywania jak drożdże hodowane tlenowo (R. C. Jones, 1998). Dolan (1976) zasugerował 85% żywotności jako najniższą akceptowalną wartość dla drożdży piwowarskich, ale realne jest żądanie otrzymania od browaru drożdży o żywotności 90%. Drożdże z piwa warzonego z tradycyjnym gotowaniem chmielu w brzeczce są w pewnym stopniu chronione bakteriobójczym działaniem izo a-kwasów chmielowych. Jednakże drożdże z browarów wykorzystujących wstępnie izomeryzowane a-kwasy, które dodawane są po fermentacji, nie mają tej ochrony i dlatego mają potencjalnie gorszą jakość bakteriologiczną (Hardy i Brown, 1989). Ważne jest również, aby być świadomym niższej żywotności drożdży z high-gravity brewing (Pratt-Marshall i wsp., 2002).
Obecnie zrozumiano, że sam pomiar procentowej żywotności jest niewystarczający, aby zagwarantować jakość zadawanych drożdży. Stąd pojęcie witalności drożdży, która dotyczy zdolności drożdży do fermentowania szybko i sprawnie, zamiast po prostu bycia żywymi (podobne do pojęcia sprawności u ludzi). Sugerowano różne metody jako wskaźniki witalności, ale najdogodniejsza metoda (tj. szybka i przy użyciu prostego sprzętu) mierzy wydalanie jonów H+ przez spadek pH substratu fermentowalnego (Kara i wsp., 1988) . Bardziej dokładna metoda na tej samej zasadzie - pomiaru utraty jonów Mg2+ została opisana przez Mochabę i in. (1997), ale pomiar wydalanych jonów Mg2+ jest znacznie bardziej złożony niż pomiar jonów H+ za pomocą miernika pH. Zaproponowano wiele innych metod oznaczania witalności (Lentini, 1993), ale są one jeszcze bardziej pracochłonne. Heggart i in. (1999, 2000) dokonali przeglądu czynników wpływających na witalność i żywotność drożdży, a także metody ich pomiaru.

Kinetyka wzrostu drożdży
Zacier, pochodzący ze zboża słodowanego lub niesłodowanego, stanowi bogate źródło węgla, azotu i składników mineralnych dla drożdży. Nie zaspokaja on jednak specyficznego zapotrzebowania na lipidy potrzebne do wzrostu błon komórkowych - omówione wcześniej nienasycone kwasy tłuszczowe i sterole. Wzrost drożdży w fermentacji gorzelnianej następuje zgodnie z wykresem pokazanym na ryc. 4.12.

ryc. 4.12
Obrazek

Należy zauważyć, że chociaż aktywny wzrost drożdży ustaje po około 24 godzinach, fermentacja cukrów trwa (choć z mniejszą szybkością); w związku z tym występuje ciągły wzrost zawartości alkoholu i odpowiadający mu spadek ciężaru właściwego. Jednak wraz z końcem aktywnego wzrostu drożdży nie następuje dalszy wychwyt azotu aminowego z brzeczki ani wzrost temperatury. W rzeczywistości ilość azotu a-aminowego zwykle wzrasta w brzeczce w późniejszych etapach fermentacji z powodu autolizy części drożdży, a temperatura bez ciągłego metabolizmu drożdży może nieznacznie spadać.
Aktywność metaboliczna generuje ciepło. W browarze temperatura fermentacji jest
starannie kontrolowana w granicach 0,5°C wybranej temperatury przez panele w ścianach naczyń fermentacyjnych. W większości destylarni nie podejmuje prób regulacji temperatury innych niż regulacja temperatury brzeczki wprowadzanej do fermentora w zależności od temperatury otoczenia. W zimnie brzeczkę można dostosować do, powiedzmy, 22°C, a w cieplejszą pogodę do
19°C, tak że naturalny wzrost temperatury spowoduje, że w obydwu fermentacjach osiągnięte zostanie 33-34°C. Inne powody do obniżenia początkowej temperatury to wyższa niż normalnie pierwotna gęstość brzeczki (w zakresie, który mógłby przyspieszyć fermentację) lub niższy stosunek drożdży piwowarskich do gorzelniczych. Przy fermentorach ze stali nierdzewnej może być stosowana prosta kontrola temperatury: w niektórych gorzelniach przez rozpylanie na zewnątrz naczyń na zimnej wody, w innych przypadkach brzeczka może krążyć przez zewnętrzną
chłodnicę. Teoretycznie ten drugi system mógłby być również stosowany w przypadku fermentorów drewnianych, ale nie wiadomo, czy zostało to wypróbowane. Handlowe drożdże gorzelniane fermentują dobrze do około 34-35°C, ale w wyższych temperaturach aktywność metaboliczna gwałtownie spada. Drożdże górnej fermentacji zakupione od browarów również są zdolne do wzrostu w temperaturze 33-34°C, ale taka temperatura jest zbyt wysoka dla drożdży dolnej fermentacji, których maksymalna temperatura wzrostu wynosi 28-30°C (Walsh i
Martin, 1978). Dlatego jeśli stosuje się drożdże dolnej fermentacji jako część inoculum, pomagają one drożdżom gorzelnianym tylko we wczesnej fazie fermentacji, ale oczywiście składniki strukturalne drożdży są wciąż dostępne, aby wspomóc powstawanie kongenerów podczas destylacji.
Tak więc szczególne warunki fermentacji gorzelnianej powodują istotną różnicę w stosunku do podręcznikowej wersji krzywej wzrostu mikroorganizmów. Podczas gdy wzrost mikroorganizmów w stałej temperaturze można wyrazić jako linię prostą, poprzez wykreślenie liczby komórek logarytmicznie względem rzeczywistego czasu (stąd termin "log phase"), nie ma to zastosowania w przypadku fermentacji szkockiej whisky. Ciepło wytwarzane przez metabolizm drożdży powoduje wzrost temperatury przez większość fazy logarytmicznej, a tempo wzrostu odpowiednio wzrasta.
Kolejną istotną różnicą w stosunku do pozornie podobnej fermentacji browarniczej jest brak obróbki cieplnej brzeczki odpowiadającej etapowi warzenia piwa, który inaktywuje enzymy słodowe. Zacieranie w destylarni wykorzystuje kolejno rosnącą temperaturę (patrz rozdział 2), ale "pierwsza woda" ma tradycyjnie temperaturę około 64°C, a dokładna temperatura zmienia się w zależności od destylarni. Pod koniec zacierania w tej temperaturze Walker et al. (2001) zmierzyli (w tej pierwszej partii brzeczki ochłodzonej do 20°C i zebranej w fermentorze)? poziomy a- i b-amylazy i wynosiły około 80% w stosunku do pierwotnej zawartości w słodzie, a ilość wolnej dekstrynazy granicznej nieznacznie wzrosła (ryc. 4.13).

ryc. 4.13
Obrazek

Znacząca aktywność amylaz i związanej dekstrynazy granicznej pozostała nawet po zacieraniu z "drugą wodą" o wyższej temperaturze. Ponieważ zacier gorzelni zbożowych ma ustaloną temperaturę około 63-64°C, znaczna aktywność hydrolityczna przetrwa do fermentacji. Dlatego w destylarniach zbożowych i słodowych duża część skrobi zbożowej jest konwertowana do fermentowalnych cukrów, a następnie do alkoholu, dzięki hydrolizie zachodzącej także podczas fermentacji.
Ponieważ ilość drożdży zadawanych do fermentacji jest zwykle mierzona jako sucha masa komórek, ważne jest poznanie zawartości wody w dostarczonych sprasowanych, kremowych lub suchych drożdżach. Doświadczenie wykazało, że wymagane jest co najmniej 18 kg suchej masy drożdży gorzelnianych na tonę słodu w destylarniach słodowych i zbożowych. Niższe ilości zmniejszają wydajność alkoholu, prawdopodobnie dlatego, że występuje więcej wzrostu drożdży, a zatem więcej cukru jest przekształcane w masę komórkową niż w etanol. Ilość drożdży musi być nieznacznie zwiększona dla mieszanin drożdży piwowarskich i gorzelnianych, do co najmniej 22 kg/t przy 50% drożdży piwowarskich. Pod względem liczby komórek 1,8% z masy słodu odpowiada 3-4x107 komórek/ml, w zależności od pierwotnej gęstości brzeczki. Alternatywnie, ilość zadawanych drożdży może być wyrażona jako 5 g sprasowanych drożdży na litr brzeczki (Bathgate, 1989).
Przez około sześć godzin po inokulacji liczba komórek pozostaje stała, stąd termin "faza opóźnienia" - relikt wcześniejszego przekonania, że przez ten czas ma miejsce jedynie mała aktywność. W rzeczywistości faza opóźnienia jest okresem intensywnej aktywności biochemicznej, ponieważ komórki drożdży dostosowują się z poprzednich warunków hodowli do warunków w świeżej brzeczce. Zmiana jest szczególnie poważna w przypadku drożdży piwowarskich, przenoszonych z beztlenowego, alkoholowego środowiska o niskiej zawartości składników odżywczych pod koniec fermentacji, przez okres transportu i przechowywania w umiarkowanie hamujących ich aktywność warunkach, do bogatej w składniki odżywcze, tlenowej i bezalkoholowej brzeczki. Możliwe, że wzrost drożdży ma miejsce podczas fazy opóźnienia, ale jest on równoważony przez śmierć części komórek przez wstrząs osmotyczny po przeniesieniu do wysokiego stężenia cukru świeżej brzeczki, więc liczba komórek pozostaje w przybliżeniu stała.
Sześć godzin po zadaniu, niekiedy wcześniej, jeśli używane są jedynie drożdże gorzelniane, zaczyna się wzrost w sensie zwiększania się liczby komórek - etap określany różnie – jako faza wzrostu, logarytmiczna lub log phase. W browarze możliwe jest tylko 8-10 krotne rozmnożenie drożdży – tj. 3 pokolenia drożdży, w przypadku niewielkiej części komórek 4 pokolenia. Dalszy wzrost jest niemożliwy z powodu braku nienasyconych kwasów tłuszczowych i steroli - niezbędnych składników błony komórkowej – składników, których nie można zsyntetyzować w beztlenowych warunkach fermentacji. Drożdże gorzelniane, w przeciwieństwie do drożdży piwowarskich nie odzyskane z poprzedniej fermentacji, wstępnie namnażane w warunkach tlenowych przy nadmiarze tych niezbędnych lipidów, jeśli dodane do dobrze napowietrzonej brzeczki mogą wzrosnąć nawet dwudziestokrotnie (to jest nieco ponad cztery pokolenia). Przy typowym profilu temperaturowym fermentacji gorzelnianej faza wzrostu powinna trwać 18-24 godzin, ale ostatecznie nie ma dalszego wzrostu populacji drożdży, a kultura przechodzi do
fazy stacjonarnej (to znaczy stacjonarnej w odniesieniu do liczby żywotnych komórek drożdży). Brak lipidów błonowych jest ważnym czynnikiem kończącym wzrost drożdży w fermentacji gorzelnianej, ale aktywność metaboliczna trwa przez kolejne 12-24 godziny, choć w wolniejszym tempie. Możliwy jest ciągły niewielki wzrost drożdży, ale jest on równoważony przez śmierć i autolizę części komórek, więc żywotna populacja pozostaje stała. Rozsądnie jest założyć, że ocena teoretyczna Wernera-Washburne'a i in. (1993) ma zastosowanie do fazy stacjonarnej fermentacji szkockiej whisky. Ostatecznie, wzrost drożdży ustaje, a rosnące wskaźniki śmierci komórek i autolizy zapoczątkowują fazę zaniku, ale dzieje się tak tylko pod koniec 48-godzinnego harmonogramu większość fermentacji gorzelnianych.
Liczba 0,131 (lub 0,1315) jest powszechnie stosowana do szacowania wydajności alkoholu w fermentacji gorzelnianej - na przykład, brzeczka pierwotnej gęstości 1057° (1.057 = 14°Brix) odfermentowana do 997° (0.997 = -0,8°Brix) zawiera (1057- 997) x 0,113 = 7,86% objętościowych alkoholu. Ten współczynnik konwersji jest wyższy niż jego równowartość 0.129 w przemyśle piwowarskim w celu uwzględnienia bardziej wydajnej fermentacji niegotowanej brzeczki.
Podczas fermentacji jony wodorowe są wydalane przez drożdże, co powoduje spadek pH. Ryc. 4.14 pokazuje typowy trend w fermentacji brzeczki słodowej przez czystą kulturę drożdży gorzelnianych, początkowo pH wynosi 5,4, spadając do najniższej wartości 4,0-4,1 (Dolan, 1976) i nieznacznie wzrastając podczas fazy stacjonarnej przez uwolnienie aminokwasów z autolizy komórek drożdży.

ryc. 4.14
Obrazek

Być może auto1iza części dodanych drożdży piwowarskich przyczynia się nieznacznie, ale systematycznie, do wyższych wartości pH w trakcie fermentacji przy użyciu mieszanych drożdży. Jednak w przypadku fermentacji w których dochodzi do późnego wzrostu bakterii mlekowych, wykorzystujących autolizat drożdży jako składniki odżywcze, pH może spaść ponownie do około 3,8. Wzrost bakterii mlekowych podczas fazy stacjonarnej, wykorzystujących resztkowe dekstryny i pentozy, które nie ulegają fermentacji przez drożdże, oraz trehalozy i produkty azotowe z autolizy drożdży, ogólnie uważa się za cenny wkład w zakres kongenerów smakowych w brzeczce i ostatecznie w końcowej whisky (Geddes, 1985, Barbour and Priest, 1988). Z drugiej strony, skażenie na wczesnym etapie fermentacji jest niepożądane, zmniejszając wydajność alkoholu przez utratę fermentowalnych cukrów na metabolizm bakterii mlekowych (Dolan, 1976).
Zmiany pH wpływają na aktywność a- i b-amylazy oraz dekstrynazy granicznej, a przez to na hydrolizę polisacharydów podczas fermentacji. Skrobia i dekstryny pozostałe po zacieraniu są hydrolizowane najszybciej w fazie opóźnienia, ale wraz z rozpoczęciem fermentacji i spadkiem pH zmniejsza się aktywność hydrolityczna enzymów słodu. Chociaż Watson (1983) cytował inaktywację a-amylazy przy pH około 4,9, wielu destylerów uważa, że aktywność amylolityczna trwa (z malejącą szybkością) do niższych wartości pH, ostatecznie zatrzymując się przy pH około 4,4. Niedostatecznie zmodyfikowane słody są szczególnie zależne od ciągłej konwersji podczas fermentacji, więc wyższe pH (o około 0,2 jednostki) w trakcie fermentacji, które prowadzona jest z użyciem drożdży piwnych, jest korzystne dla amylolizy. Jednakże, oprócz konkurencji dotyczącej węglowodanów, o której mowa powyżej, niższe pH związane z silnym wczesnym zanieczyszczeniem bakteriami mlekowymi może również zmniejszyć wydajność alkoholu.
Gwałtowna fermentacja powoduje również pienienie, które jest zwykle kontrolowane przez obracające się ostrze w górnej przestrzeni fermentora. Niektóre szczepy drożdży piwowarskich pienią się bardziej niż inne i pomimo łagodzącego wpływu (przeważających w brzeczce) drożdży gorzelnianych, nieuchronnie utrzymują tę właściwość. Podejrzewano również, że niektóre odmiany jęczmienia są powiązane z niezwykle pieniącymi się fermentacjami (i destylacjami). Chociaż pszenica stała się dominującym zbożem dla destylarni zbożowych w ostatnich latach, jedną z zalet kukurydzy jest jej wysoka zawartość oleju, która ma cenne naturalne działanie przeciwpianowe podczas fermentacji. Jednakże, ponieważ dodatki nie są dozwolone przez przepisy Scotch Whisky, nie jest możliwe celowe dodanie środka przeciwpianowego do fermentacji gorzelni.
Browarnicy polegają na flokulacji drożdży, aby uzyskać częściowe klarowanie piwa pod koniec fermentacji. Flokulacja, spontaniczna agregacja komórek w grudki, które łatwiej się osadzają dzięki ich zwiększonej masie (Stratford, 1992), jest niedopuszczalna u drożdży gorzelnianych. Sflokulowane komórki drożdży osadzające się na powierzchniach grzewczych wash stilla ulegają zwęgleniu, powodując wady smakowe i ograniczając przenoszenie ciepła, dlatego konieczne jest utrzymanie jednorodnej zawiesiny drożdży podczas fermentacji i destylacji. Chociaż drożdże dolnej fermentacji nie flokulują lub flokulują słabo a zatem nie stanowią problemu pod tym względem, destylerzy kupujący drożdże górnej fermentacji muszą uważać na silnie flokulujące szczepy.
W tym rozdziale zakłada się, że czas fermentacji wynosi 40-48 godzin, co jest z pewnością prawdziwe w przypadku destylarni zbożowych. Jednakże, nawet jeśli fermentacja w destylarni whisky słodowej wydaje się zakończona w ciągu 40 godzin, Geddes (1985) odradził destylację przed upływem 48 godzin, aby umożliwić rozwój smaku przez bakterie kwasu mlekowego. Czterdziestoośmiogodzinne fermentacje są dogodne do całodobowej obsługi małej tradycyjnej destylarni whisky słodowej z zacieraniem w odstępach ośmiogodzinnych. Jednakże niektóre destylarnie słodowe prowadzą dłuższe fermentacje w celu nasilenia późnej kontaminacji bakteriami kwasu mlekowego, ale w związku z tym wymagają większej pojemności fermentacyjnej, aby utrzymać energooszczędne, szybkie ponowne użycie wash stilla.

Produkcja dwutlenku węgla
Dwutlenek węgla i etanol mają podobne masy cząsteczkowe i dlatego powstają w przybliżeniu w równych ilościach podczas fermentacji. Chociaż dwutlenek węgla nie jest zbierany w destylarniach whisky słodowych w tak samo dużej skali jak w destylarniach whisky zbożowej, może istnieć pewna wartość handlowa w gromadzeniu gazu jako produktu ubocznego.
Chociaż wydzielanie się dwutlenku węgla zaczyna się pod koniec fazy opóźnienia, na początku gaz jest zanieczyszczony przez powietrze, które znajdowało się w fermentorze. Najszybsze powstawanie dwutlenku węgla zachodzi podczas fazy logarytmicznej, a następnie w fazie stacjonarnej ulega zmniejszeniu do poziomu, w którym jego zbieranie jest nieekonomiczne. Dlatego chociaż w przybliżeniu połowa masy fermentowanego cukru jest uwalniana jako dwutlenek węgla, tylko około połowa tej ilości jest faktycznie dostępna do zebrania między około dziesiątą a trzydziestą godziną fermentacji. Ryc. 4.15 pokazuje ogólny trend produkcji (mierzony w kg/h) podczas fermentacji, ale z powodu dużej zmienności między destylarniami wartości rzeczywiste nie są zaznaczone.

ryc. 4.15
Obrazek

Kontaminacja

Możliwe zanieczyszczenia fermentacji gorzelnianej
Mikrobiologiczne zanieczyszczenie fermentacji jest kolejnym potencjalnym źródłem pożądanych smaków w końcowej whisky, chociaż efekt może równie dobrze dać nieprzyjemne posmaki. Głównymi źródłami nieuniknionych zanieczyszczeń fermentacji gorzelnianej (tab. 4.5) są:
flora bakteryjna słodu (bakterie kwasu octowego i mlekowego oraz drożdże tlenowe)-
szczątkowe zanieczyszczenia drewnianych fermentorów (potencjalnie przez wszystkie organizmy z listy)
drożdże (różne w drożdżach piwowarskich i gorzelnianych, patrz dalej).

tab. 4.5
Obrazek

Ponieważ brzeczka nie jest gotowana, pewne zanieczyszczenia mikrobiologiczne są nieuniknione. Początkowa temperatura zacierania w destylarni whisky słodowej jest niewystarczająca do wysterylizowania brzeczki, chociaż temperatura 63-65°C z pewnością spowoduje znaczne zmniejszenie liczby potencjalnych organizmów powodujących psucie (Geddes, 1985). W gorzelniach zbożowych sterylizuje się zboże przez gotowanie ciśnieniowe, ale ponieważ zacier słodowy jest ogrzewany tylko do około 63°C, słód jest potencjalnym źródłem zanieczyszczenia, zwłaszcza, że przy niewielkim suszeniu (lub w ogóle braku), mikroflora rozwinięta podczas kiełkowania nie jest niszczona. Jednak stanowiąc około 10% zasypu, potencjał zanieczyszczający słodu jest proporcjonalnie mniejszy niż w destylarni whisky słodowej.
Brzeczka nie ma praktycznie żadnego działania przeciwdrobnoustrojowego innego niż stres osmotyczny stężenia cukru, ale gdy fermentacja jest już w toku, brzeczka jest chroniona przez synergiczną kombinację różnych działań przeciwbakteryjnych: niskie pH, warunki beztlenowe, rozpuszczony dwutlenek węgla i wyczerpanie fermentowalnych cukrów pod koniec fermentacji. Czynniki te zostały zidentyfikowane przez Hammonda i in. (1999) jako efekty ochronne w browarach, ale mają również zastosowanie do fermentacji w destylarni. Na przykład Dolan (1976) napotkał niezidentyfikowane ziarniaki Gram-dodatnie w brzeczce, które szybko zmarły na początku fermentacji. Tylko ograniczona liczba drobnoustrojów powodujących zepsucie wytwarza nieakceptowane kongenery smakowe, które mogłyby przedostać się do destylatu, ale jest również możliwe, że poważne zakażenia bakteriami konkurującymi z drożdżami o fermentowalny cukier, mogą zmniejszyć wydajność alkoholu (Dolan, 1979).
Drożdże tlenowe dobrze rosną w warunkach hodowli w fabryce drożdży, gdzie nawet niski poziom przypadkowego zanieczyszczenia może wzrosnąć do znacznego poziomu w produkcie końcowym. Na szczęście takie zanieczyszczenia mogą rosnąć tylko w pierwszych kilku godzinach fermentacji gorzelnianej (Campbell, 1996b), ale niektóre, zwłaszcza Pichia spp., produkują w tym czasie wystarczająco wysokie poziomy estrów wpływające na profil smakowy brzeczki i tym samym destylatu. Zakażenie drożdżami tlenowymi częściej dotyczą drożdży piwowarskich i chociaż mogą być poważnym problemem w browarze, z ich podobnym metabolizmem do S. cerevisiae, jest mało prawdopodobne że spowodują problemy smakowe w gorzelni. Bakterie produkujące kwasy octowy i mlekowy mogą być obecne na słodzie, a Geddes (1985) potwierdził możliwość wprowadzenia obu rodzajów bakterii do fermentacji z tego źródła. Ponieważ bakterie kwasu octowego są bezwględnie tlenowe, są mniej problematyczne niż bakterie kwasu mlekowego, zwłaszcza Lactobacillus, który może rozwijać się podczas fermentacji. Chociaż napisany przede wszystkim dla mikrobiologów browarniczych, przegląd Priesta (1996) obejmuje również Lactobacilli gorzelniane. Enterobakterie są mało prawdopodobnymi zanieczyszczeniami, ale
mogą zostać wprowadzone, jeżeli do płukania sterylizowanego sprzętu używana jest skażona woda.
Grupa ta obejmuje również Obesumbakterie, które są możliwym zanieczyszczeniem drożdży piwowarskich. Na szczęście te bakterie są szybko unieczynniane przez spadające pH i rosnącą zawartość alkoholu podczas fermentacji. Stanowią one poważniejszy problem w browarach, ponieważ ich ilość zwiększa się wraz z każdym ponownym użyciem skażonych drożdży, ale nie ma to znaczenia w destylarni whisky szkockiej: drożdży nigdy nie przenosi się na następną fermentację. Badane przez Dolana (1976) Gram-ujemne bakterie, które zniknęły w ciągu dziesięciu godzin od zadania drożdży mogły być zarówno bakteriami kwasu octowego lub enterobakteriami.
Producenci drożdży gorzelnianych nie gwarantują czystej kultury (R. C. Jones, 1998), ale w praktyce prawdopodobny poziom skażenia jest niski. Z drugiej strony, drożdże piwowarskie są potencjalnym źródłem zarówno drożdży fermentacyjnych, jak i bakterii, które są zdolne do wystarczającego wzrostu podczas fermentacji gorzelnianej i wytworzenia wykrywalnych ilości kongenerów smakowych. Jeśli są otrzymane go z niewiarygodnego źródła, drożdże piwowarskie mogą być skażone przez pałeczki kwasu mlekowego, pediokoki i Zymomonas, z których wszystkie wytwarzają kongenery, które destylują wraz z frakcją spirytusową i konkurują z drożdżami gorzelnianymi o cukry fermentowalne, przez co zmniejszają wydajności alkoholu (Dolan, 1976, 1979 ). Możliwe jest również hamowanie wzrostu drożdży przez niektóre szczepy bakterii kwasu octowego i mlekowego (Thomas i wsp., 2001), chociaż w praktyce rozwijające się warunki beztlenowe i nadmiar drożdży gorzelnianych tłumią działanie antybiotyczne bakterii octowych. W interesującej przypadkowej obserwacji Barbour i Priest (1988) zauważyli, że różne szczepy pałeczek kwasu mlekowego różnią się pod względem działania: nawet jeśli ich wzrost był w przybliżeniu równy, niektóre szczepy powodowały znaczną utratę wydajności alkoholu, podczas gdy w innych zanieczyszczonych fermentacjach inne szczepy nie wykazały takiego efektu.
Nieefektywna sterylizacja fermentorów i związanego z nimi sprzętu lub zanieczyszczona woda płucząca to inne możliwe źródła zanieczyszczenia, ale w dużej mierze można ich uniknąć przy prawidłowych procedurach. Nierdzewne fermentory są czyszczone po każdej fermentacji i sterylizowane przez parę wodną lub przez końcowy etap systemu CIP, dzięki czemu są mniej prawdopodobnym źródłem zakażeń niż drewniane fermentory, których prawie nie można sterylizować (Dolan, 1976). Jednakże, nawet jeśli niektóre zanieczyszczenia mikrobiologiczne w pęknięciach przetrwają każdy praktyczny czas sterylizacji parą, czyszczenie i sterylizacja parą pomiędzy fermentacjami zapewniają, że nieuchronna kontaminacja nie rozrośnie się do niebezpiecznego poziomu.
Tabela 4.5 pokazuje możliwe rodzaje zanieczyszczeń. Z różnych powodów drożdże tlenowe, bakterie kwasu octowego i enterobakterie mogą rosnąć tylko we wczesnych etapach fermentacji. Rozwój warunków beztlenowych hamuje dwie pierwsze grupy. Enterobakterie są hamowane przez spadające pH i rosnącą zawartość alkoholu. Chociaż bakterie Lactobacillus są najbardziej prawdopodobnymi bakteriami pochodzącymi ze słodu, gatunek Pediococcus jest również możliwy, a niektóre szczepy wytwarzają zewnątrzkomórkowy polisacharyd, który powoduje śluzowacenie w piwie lub brzeczce (Priest, 1996) i może być naprawdę kłopotliwy. Zanieczyszczenia drożdży piwowarskich i gorzelnianych tworzą etanol i dwutlenek węgla oraz zazwyczaj te same metabolity smakowe, chociaż te kongenery są prawie na pewno wytwarzane w różnych ilościach. Mimo że powstały nieprzyjemny zapach jest ważnym problemem w browarach, destylacja normalnie eliminuje ten problem. Nawet jeśli dana partia low wines o niskiej zawartości ma wyższy niż normalny poziom smakowych kongenerów, a niektóre dzikie drożdże z rodzaju Pichia są znane z wysokiej produkcji estrów, efekt ten można rozcieńczyć przez zmieszanie z feints pochodzącymi z wcześniejszej, niezanieczyszczonej fermentacji. Jeżeli zapewniona zostanie skuteczna sterylizacja sprzętu do fermentacji, destylarnie będą mniej narażone na skażenia zanieczyszczeniami z wykorzystywanych kilkukrotnie drożdży piwowarskich.
Podsumowując, najbardziej prawdopodobnymi i potencjalnie najbardziej kłopotliwymi zanieczyszczeniami mikrobiologicznymi w fermentacji whisky słodowej są bakterie kwasu mlekowego. Z danych Dolana (1976) można wnioskować, że przyczyną wyższej gęstości końcowej oraz niższego niż normalnie pH może być niebezpiecznie wysoki poziom bakterii kwasu mlekowego. Innym możliwym źródłem „off-flavours” pochodzenia mikrobiologicznego może być kwas masłowy, którego najbardziej prawdopodobnym źródłem może być wzrost beztlenowych bakterii Clostridium na pozostałościach słodu lub zboża w kadzi zaciernej. Dlatego też, chociaż smak zakażonego zacieru może utrzymywać się poprzez fermentację i przejść do gotowego alkoholu, Clostridia nie są klasyfikowane jako zanieczyszczenia fermentacji.

Czyszczenie i dezynfekcja
Prawdą jest, że różne mikroorganizmy pochodzące ze słodu mogą przetrwać krótkotrwałą ekspozycję na temperatury osiągane podczas zacierania, ale dobrą praktyką jest ograniczenie w jak największym stopniu innych, możliwych do uniknięcia, źródeł zanieczyszczenia. Podczas gdy sprzęt wykorzystywany do zacierania, kleikowania i destylacji powinien być z pewnością myty, aby zapobiec rozwojowi pleśni lub bakterii kwasu masłowego pomiędzy okresami użytkowania, urządzenia wymienione w tab. 4.6 wymagają zarówno czyszczenia jak i sterylizacji przed każdym użyciem. Chociaż napisany z myślą o przemyśle piwowarskim, przegląd Singha i Fishera (1996) na temat czyszczenia i dezynfekcji nadaje się również dla przemysłu destylacyjnego.

tab. 4.6
Obrazek

Chropowata powierzchnia drewnianych zbiorników fermentacyjnych, połączenia między deskami i narożniki pod kątem prostym u podstawy sprzyjają akumulacji materii organicznej oraz skażeniu mikrobiologicznemu. Chociaż para jest użytecznym środkiem sterylizującym, strumień pary nie powoduje efektu czyszczenia. W rzeczywistości, tworząc warstwę izolującą na powierzchni zabrudzeń organicznych, para może chronić znajdujące się głębiej mikroorganizmy. Silny strumień zimnej wody lub, jeszcze skuteczniej, gorącej wody z dodatkiem detergentu, zapewnia niezbędny efekt szorowania w celu usunięcia takich osadów (Dolan, 1976, Singh and Fisher, 1996). Następnie parowanie zabije większość przetrwałych mikroorganizmów. Jednak drewniane fermentory i inne urządzenia wymagają znacznego czasu parowania, aby ogrzać się do efektywnej temperatury, a mikroorganizmy nie są zabijane natychmiastowo przez ciepło - nawet przez parę w temperaturze 100°C. Dlatego wymagane jest co najmniej 30 minutowe parowanie po czyszczeniu, a najlepiej dłuższe, jeśli to możliwe.
Czyszczenie i sterylizacja gładkich wewnętrznych powierzchni naczyń ze stali nierdzewnej jest bardziej niezawodna, a obecnie w wielu destylarniach takie zbiorniki są wyposażone w automatyczne systemy CIP, ale wybór między sterylizacją parą a niskotemperaturowymi chemicznymi środkami sterylizującymi wymaga pewnego rozważenia. Chociaż oczywiście niektóre szczegóły są różne, a sterylizacja nie jest konieczna, podobny wybór dotyczy żeliwnych i nierdzewnych kadzi zaciernych. Chropowata powierzchnia żeliwa jest trudna do czyszczenia, a resztki ziarna sprzyjają rozwojowi bakterii beztlenowych, które powodują niepożądany smak kwasu masłowego. Tabela 4.7 wymienia ważne kwestie dotyczące zarówno fermentorów stalowych, jak i drewnianych, ale ostateczna decyzja opiera się na konkretnych czynnikach lokalnych.
Wreszcie, w tym punkcie, w przejściu pomiędzy fermentacją a operacjami destylacyjnymi opisanymi w rozdziałach 5 i 6, ważne jest, aby zapobiec zanieczyszczeniu wash chargera i rur łączących go z aparatem destylacyjnym. Mimo częściowej ochrony przez czynniki omówione powyżej, rozwój drobnoustrojów jest tam możliwy i zalecana jest regularna (nie koniecznie codzienna) sterylizacja.

tab. 4.7
Obrazek
"Filateliści to też debile, przecież znaczki są za grosze na poczcie."

molszczus
0%
0%
Posty: 3
Rejestracja: 2018-01-23, 11:30

Re: Whisky - drożdże i fermentacja - szkiełkiem i okiem

Post autor: molszczus » 2018-01-23, 11:34

To ja mam pytanie czy pot still z zimnymi paluchami da rade zrobić whisky.

Awatar użytkownika
Doody
80%
80%
Posty: 426
Rejestracja: 2017-01-04, 20:46
Lokalizacja: Wielkopolska

Re: Whisky - drożdże i fermentacja - szkiełkiem i okiem

Post autor: Doody » 2018-01-23, 11:57

Dzięki amplexus. Kawał dobrej roboty :brawo :oki
Pozdrawiam
Darek

Awatar użytkownika
zbynek
101%
101%
Posty: 1904
Rejestracja: 2007-07-26, 19:37

Re: Whisky - drożdże i fermentacja - szkiełkiem i okiem

Post autor: zbynek » 2018-01-23, 17:59

Jeszcze nie czytałem, ale jak zobaczyłem zawartość to aż się boję za to brać. :lol:

amplexus, jesteś niezrównany.
Najgorsza decyzja, to brak decyzji.
- zbynek, pozdrawiam


Twonk
30%
30%
Posty: 38
Rejestracja: 2018-03-02, 10:28

Re: Whisky - drożdże i fermentacja - szkiełkiem i okiem

Post autor: Twonk » 2018-05-05, 20:12

O żesz ty. SZACUN :oki będę to musiał przeczytać ze 3 razy. wielkie :drinks . Artykuł daje do myślenia.

ODPOWIEDZ

Kto jest online

Użytkownicy przeglądający to forum: Obecnie na forum nie ma żadnego zarejestrowanego użytkownika i 2 gości