2.1. микробиология пивоваренного производства

2.1.1. Характеристика рас дрожжей, используемых в пивоварении. Физиологические свойства и условия жизнедеятельности дрожжей

Дрожжи, используемые в пивоварении, относятся к классу Ascomycetes, порядку Endomycetales, семейству Saccharomycetaceae, роду  Saccharomyces,   видам Saccharomyces cerevisiae и Saccharomyces carlsbergensis.

Дрожжи Saccharomyces cerevisiae относятся к дрожжам верхового брожения и используются редко, в основном для темных и специальных сортов пива. Оптимальной температурой для развития этих дрожжей является температура 14-25. С (в производственных условиях они бродят при 12-15 °С). При брожении они всплывают на поверхность в виде «шапки».

Дрожжи Saccharomyces carlsbergensis осуществляют низовое брожение пивного сусла - оседая на дно бродильных емкостей. Эти дрожжи хорошо бродят при температуре 5-10°С и широко используются для приготовления стандартного и сортового пива.

Дрожжи, применяемые в пивоварении, принято называть культурными, т.к. они обладают признаками, приобретенными в результате длительного разведения (культивирования) в определенных технологических условиях. Для получения высококачественного пива дрожжи должны обладать следующими свойствами:

• высокой бродильной активностью. Бродильную активность определяют по степени сбраживания сусла (показатель, характеризующий отношение массы сброженного экстракта к массе сухого вещества в начальном сусле).

• флокуляционной способностью - медленно и полно оседать на дно бродильных аппаратов в конце главного брожения. Различия в флокуляционных свойствах лежат в основе разделения дрожжей на хлопьевидные и пылевидные. Хлопьевидные дрожжи в конце главного брожения слипаются в комки - флокулы и при низовом брожении оседают, образуя плотный осадок, а при верховом - поднимаются на поверхность. Пылевидные дрожжи в течение всего процесса остаются во взвешенном состоянии.

• умеренной способностью к размножению. Очень активное размножение дрожжей нежелательно, т.к. при этом расходуются экстрактивные вещества сусла и образуется большое количество побочных продуктов (в среднем в процессе брожения биомасса дрожжей увеличивается в 3-4 раза);

• стойкостью к неблагоприятным условиям и инфицированию;

• стабильностью морфологических и физиологических свойств;

• способностью придавать пиву характерный вкус и аромат.

  Условия жизнедеятельности дрожжей зависят от:

• углеводного состава сусла. Определяется наличием в сусле сбраживаемых и несбраживаемых сахаров. Содержание сбраживаемых сахаров в сусле составляет 70-80\% сухих веществ. Это мальтоза (60-70\%), мальтотриоза (15-20\%), глюкоза (10-15\%). Быстрее всего сбраживаются моносахара, медленее мальтоза и хуже всего мальтотриоза.

• азотистого состава сусла. Азотистые вещества необходимы клеткам для синтеза компонентов, обеспечивающих их рост и размножение. Наиболее ценными и важными источниками азота являются аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания. От биосинтеза и распада аминокислот зависит образование ароматических веществ. Образуемые при биосинтезе дрожжей аминокислоты придают пиву бархатистую консистенцию. При неблагоприятных условиях культивирования они могут быть причиной дрожжевого привкуса и помутнения пива.

• температуры и наличия в среде кислорода. При низкой температуре и анаэробных условиях размножение дрожжей замедляется, но вырастают они более крупными с большим запасом резервных веществ и высокой бродильной активностью. При повышении температуры и аэрации увеличивается потребность дрожжей в питательных веществах, размеры клеток уменьшаются, они не содержат запасных веществ и вырастают более слабыми.

         В настоящее время в нашей стране при производстве пива используются различные расы (штаммы) низовых дрожжей, отличающиеся между собой физиологическими свойствами. Это среднесбраживающие расы 776, 41, 44, S (Львовская), Р и сильносбраживающие -11, А, 8а(М), F.

2.1.2. Разведение чистых культур дрожжей в пивоваренном производстве

В пивоварении используют чистые культуры дрожжей, которые поступают на заводы из музейной коллекции Всероссийского НИИ БП в пробирках на плотных питательных средах. В условиях пивоваренных заводах чистые культуры хранят при температуре не выше 5-8 °С и периодически (не реже 4 раз в год) пересевают на свежий сусло-агар.

     Задачей разведения чистой культуры является увеличение биомассы дрожжей от объема пробирки до объема, вводимого в бродильный аппарат.

Разведение чистой культуры дрожжей ведут на стерильном охмеленном сусле с концентрацией сухих веществ 11-13 \%, постепенно адаптируя дрожжи к суслу и низкой температуре. Процесс разведения состоит из двух стадий: лабораторной и цеховой.

Лабораторная стадия разведения чистой культуры. Из пробирки дрожжи последовательно пересевают через 24-36 часов во все возрастающие объемы стерильного сусла:

0,02см3 → 0,1дм3 → 0,5дм3 → 2,5дм3 → 10 дм3 (колбы Карлсберга)

На первой стадии пересева температуру поддерживают на уровне 20-23 °С, на последующих - 8-10 °С. Дрожжи пересевают по достижении энергичного брожения. В колбе Карлсберга брожение длится 5-6 суток, после чего дрожжи передают в цех для размножения в установке чистой культуры.

Размножение дрожжей в установке Грейнера. Установка Грейнера состоит из двух стерилизаторов - малого (4) объемом 65 дал и большого (1) объемом 400 дал и двух цилиндров (2) для сбраживания по 36 дал. Цилиндры для сбраживания оборудованы сосудами (3) объемом 10л для отбора чистой культуры в период работы аппарата. Стерилизаторы снабжены змеевиками для нагрева и охлаждения сусла, воздушными фильтрами и контрольно-измерительными приборами. Сосуды (3) имеют подвод стерильного воздуха и соединены коммуникациями со стерилизаторами 1 и 4.

                                   пар

дрожжи в производство

Установку перед пуском стерилизуют. В стерилизатор 4 набирают горячее охмеленное сусло, стерилизуют паром под давлением и охлаждают. Сусло передают в бродильные цилиндры (2). Колбы Калсберга снаружи хорошо обтирают спиртом, содержимое сильно взбалтывают и стерильно переливают в бродильные цилиндры (2). В течение 3 суток при температуре 7-8 °С происходит размножение дрожжей и сбраживание сусла. К моменту готовности дрожжей большой стерилизатор (1) заполняют суслом, стерилизуют и охлаждают, после чего туда передают содержимое бродильного цилиндра. Часть сброженного сусла из каждого бродильного цилиндра отбирают в сосуды (3), где оно хранится до следующей разводки. Бродильные цилиндры (2) после освобождения вновь заполняют стерильным суслом из малого стерилизатора и засевают дрожжами, хранящимися в сосудах (3). Процесс разведения дрожжей в установке Грейнера повторяют непрерывно до обнаружения загрязнения культуры.

2.1.3 Дрожжи в период главного брожения и дображивания

Дрожжи вводят в сусло в начальный момент заполнения бродильного аппарата. Начальное количество дрожжевых клеток составляет 25-50 млн клеток (0,4-0,5 л на 10 дал). От нормы введения дрожжей зависят скорость брожения и рост дрожжей: скорость пропорционально возрастает, а рост наоборот - тормозится. Кроме того, при очень высоких нормах задачи дрожжей в пиве появляются горечь и неприятный аромат. На практике норму задачи дрожжей увеличивают при использовании культуры с ослабленной бродильной активностью, при увеличенном содержании экстрактивных веществ и недостатке азотистых веществ, холодном режиме брожения и необходимости его ускорения, а также при незначительном количестве кислорода в сусле.

Рост и размножение дрожжей в период главного брожения подчиняется закону роста статической культуры. В лагфазе видимые признаки размножения дрожжей отсутствуют. Продолжительность этой фазы 1-1,5 суток. При этом увеличиваются размеры клеток, возрастает количество почкующихся клеток, содержание мертвых клеток в этот момент минимальное. В лагфазе рост дрожжевых клеток наиболее интенсивный, скорость почкования максимальна. Из-за быстрого размножения размеры клеток уменьшаются. В стационарной фазе размножение дрожжей замедляется. К концу стационарной фазы количество живых клеток остается без изменения, а их размеры вновь увеличиваются - начинается спиртовое брожение. В фазе замедления роста размножение дрожжей прекращается вследствие уменьшения количества экстракта и накопления спирта. Клетки инактивируются и отмирают, оседают на дно бродильного аппарата или собираются на поверхности.

2.1.4 Производственные засевные дрожжи

Засевные дрожжи - это дрожжи, осевшие в бродильных аппаратах после главного брожения, которые собирают и используют для последующих производственных циклов несколько раз (10-12 генераций).

Получение засевных дрожжей состоит из нескольких операций:

• Съем дрожжей. Все фракции осадочных дрожжей обладают достаточно высокой бродильной активностью. Поэтому в специальный приемник собирают после деконтации молодого пива все осевшие дрожжи.

• Очистка дрожжей. Дрожжи из приемного сборника направляют на вибрационное сито, где их путем процеживания отделяют от крупных белковых хлопьев и остатков хмелевых веществ. Очищенные дрожжи направляют в монжю или дрожжевые ванночки и заливают 2-3 кратным количеством охлажденной до 0-2°С водой. После тщательного перемешивания дрожжи отстаивают 2-3 часа. Мутную воду, содержащую остатки пива, мелкие взвешенные белковые и хмелевые вещества и мертвые клетки, осторожно сливают. При наличии в засевных дрожжах большого количества посторонних микроорганизмов их очищают минеральными кислотами (засевные дрожжи разводят водой в отношении 1:3 и добавляют 10\% серную кислоту до концентрации ее в разводке 0,2\%). В растворе кислоты дрожжи оставляют на 30-60 мин. При этом хлопьевидные дрожжи приобретают свойства пылевидных, что обеспечивает контакт кислоты с посторонними микроорганизмами. После обработки серной кислотой дрожжи нейтрализуют содой и оставляют на 1-2 часа для оседания. Затем воду сливают, а осадок дрожжей промывают 2-3 раза холодной водой. Очистка дрожжей кислотами ослабляет дрожжевые клетки, поэтому норму введения их в сусло увеличивают.

Известны также способы обработки дрожжей 0,1-0,5\% раствором уксусной кислоты в течение 10 час с последующей нейтрализацией, а также сернистой, солянок и лимонной кислотами; использование водных и щелочных препаратов хмеля. Для уничтожения посторонних диких дрожжей можно применять 0,5-1\% раствор винной кислоты, молочнокислых бактерий - 0,1-0,6\% раствор фосфорной кислоты.

           Для очистки засевных дрожжей за рубежом используют   антибиотики: полимиксин, неомицин, пенициллин.

•  Хранение дрожжей.. Дрожжи хранят под слоем воды при 0-2°С не более 4-5 суток, т.к. при этом бродильная активность снижается. Не реже 1-2 раз в сутки воду с поверхности воды заменяют свежей холодной водой (при этом дрожжи не перемешивают). В прессованном виде дрожжи можно хранить в закрытых баках при температуре -2-0°С в течение 1-2 недель. Можно также хранить дрожжи под слоем свежего пива (5-10 см) в течение не более 4 недель при 0-2° С.

• Активирование дрожжей. Перед введением в бродильные аппараты дрожжи активируют одним из способов:

1. дрожжи смешивают с аэрированным суслом с температурой 15-17 °С в соотношении 1:1, после чего добавляют 1/3-1/4 часть холодного сусла;

2. дрожжи заливают суслом на 2-4 ч для увеличения содержания гликогена в клетках;

3. в засевные дрожжи вносят водные вытяжки или экстракты солодовых ростков, богатых азотом и биологически активными веществами. В бродильный аппарат вводят здоровые, физиологически активные засевные дрожжи, содержащие не более 5\% мертвых клеток; упитанность по гликогену должна быть не ниже 70\%, посторонних бактериальных клеток - не более 0,5\%.

2.1.5 Микроорганизмы - вредители пивоваренного производства

Производство пива ведется в нестерильных условиях. Поэтому не исключено попадание в сусло, молодое и готовое пиво разнообразных микроорганизмов. Естественная биологическая стойкость пива обусловлена:

• бактерицидным действием хмелевых смол;

• низкой температурой брожения;

• кислой реакцией среды (рН 5,4-4,6);

• отсутствием кислорода;

• содержанием в пиве диоксида углерода и этилового спирта;

• санитарно-гигиеническим состоянием производства.

Источниками посторонних и вредных микроорганизмов в производстве пива являются сырье, вода, воздух, дрожжи, аппаратура и коммуникации, фильтрующие и вспомогательные материалы, руки и спецодежда работников.

Микрофлора ячменя и солода. Микроорганизмы, присутствующие на ячмене можно разделить на три группы:

• Сапрофитная группа. Сюда относятся микроорганизмы, попавшие в зерно в полевых условиях: бактерии рода Pseudomonas (70-95\% всех бактерий), микрококки, палочки, спорообразующие бактерии родов Bacillus, Clostridium, мицелиальные грибы - Penicillium, Aspergillus, Mucor, Alternaria, Fusarium, Cladosporium.

• Группа фитопатогенных микроорганизмов. К ней относятся паразитические грибы и бактерии: спорынья, головня, некоторые виды фузариума и бактерий рода псевдомонас;

• Патогенные для человека и животных микроорганизмы - возбудители сибирской язвы, бруцеллеза, сапа и др. - относятся к случайной микрофлоре зерна и попадают на него с органическими удобрениями, почвой, разносятся грызунами и животными.

В процессе солодоращения количество микроорганизмов возрастает: дрожжей в 5-10 раз, грибов - в 2,5-5 раз, бактерий в 50-100 раз. Далее в процессе сушки солода численность микроорганизмов снижается, однако их содержание в готовом солоде значительно выше, чем в ячмене. При излишней обсемененности солода качество сусла и пива снижается. Так, аспергилловые грибы придают пиву специфические подгоревший грубый запах и мелассный привкус, грибы кладоспориум и фузариум вызывают появление горького винного привкуса. Применение солода, полученного из потемневшего зерна с низкой прорастаемостью, влияет на ход технологического процесса: снижается выход экстрактивных веществ в сусле, повышается его вязкость, возрастают продолжительность осахаривания и фильтрования затора, уменьшается стойкость к коллоидному помутнению.

Микрофлора сусла и пива.

К грамположительным бактериям, встречающимся в сусле и пиве, относятся молочнокислые палочки, пивные сарцины, микрококки.

Молочнокислые палочки (лактобациллы) в пиво попадают с суслом, засевными дрожжами, недостаточно чистой водой, вызывая ухудшение вкуса и аромата пива, вызывая помутнение и прокисание, а иногда - ослизнение.

Пивные сарцины хорошо развиваются в присутствии углекислого газа и спирта и обычно размножаются в пиве низового брожения, образуя опалисцирующую муть, мелкозернистый осадок, ослизнение, вызывая появление в пиве неприятного вкуса и медового запаха (сарцинное заболевание пива).

Микрококки, стрептококки легко приспосабливаются к анаэробным условиям, скапливаются в дрожжевых осадках бродильных и лагерных танков. Вызывают помутнение пива и изменение его вкуса.

К грамотрицательным микроорганизмам относятся уксуснокислые бактерии, бактерии группы кишечной палочки и др.

Уксуснокислые бактерии относятся к аэробным микроорганизмам и начинают размножаться в пиве даже при малом содержании кислорода, попадая в него из сусла, с засевными дрожжами. Эти бактерии вызывают быстрое прокисание пива, помутнение, некоторые виды образуют слизь и придают тягучесть пиву.

Флавобактерии попадают в производство с засевными дрожжами. Рост бактерий идет более интенсивно, если оно медленно разбраживается дрожжами и имеет низкую кислотность (рН более 5). В инфицированном пиве появляется шелковистая муть и запах пастернака.

           Ахромобактерии отличаются подвижностью и развиваются в широком интервале рН (3,5-7,5). Если условия благоприятны для этих бактерий, то они вызывают порчу пива (помутнение и неприятный запах) в течение нескольких часов.

        Бактерии группы кишечных палочек попадают в производство с недоброкачественной водой, с засевными дрожжами, при несоблюдении правил личной гигиены работниками производства. Развиваются в сусле, придавая пиву сладковатый, фруктовый привкус и запах вареной капусты. В пиве не размножаются, но сохраняются в течение 2-3 недель.

Дикие дрожжи. Являются вредителями производства, так как тормозят развитие культурных дрожжей, ухудшают органолептические свойства пива. Наиболее распространенными среди диких дрожжей, встречающихся в пивоварении, являются дрожжи родов Saccharomyces, Hansenula, Candida, Pihia, Torulopsis и др.

Дрожжи-сахаромицеты обычно увеличивают содержание в пиве содержание высших спиртов и эфиров, придают пиву сладковатый или терпко-горький вкус, вызывают помутнение пива и образование неприятного запаха. Это сахаромицэс элепсоидэс, валидус, пастерианус апикулята и др.

Дрожжи ганзенула при сбраживании сахаров образуют, кроме этилового спирта, бутиловый, амиловый спирты, уксусную, масляную, янтарную кислоты и эфиры, что обуславливает резкий запах пива.

Дрожжи пихия и кандида, развиваясь в пиве, образуют белую или сероватую пленку, вызывают помутнение, придают пиву фруктово-эфирный и лекарственный привкус.

В 60-е годы в пивоваренном производстве были обнаружены ненормально мелкие дрожжевые  клетки, замедляющие брожение и ускоряющие отмирание производственных дрожжей, так как они выделяют в среду токсичный белок - «убивающий фактор». Эти дрожжи назвали дрожжами-убийцами.

2.1.6 Микробиологический контроль пивоваренного производства

Микробиологический контроль является важнейшим участком работы по оценке качества сырья, полуфабрикатов и готовой продукции на пивзаводах. Он осуществляется на всех технологических стадиях и включает объекты наиболее важные и уязвимые в биологическом отношении. Наиболее важными микробиологическими показателями являются общая бактериальная обсемененность и наличие бактерий группы кишечной палочки. Производственный микробиологический контроль включает:

• Контроль сусла. При микробиологическом контроле сусла в нем определяют биологическую стойкость (пробы сусла отбирают в нескольких повторностях в стерильные пробирки, закрывают ватными пробками, отмечают место отбора, дату, № варки и помещают в термостат с температурой 20 °С. Стойкость сусла является очень хорошей, если через 4 суток нет помутнения и плохой, если помутнение наблюдается через 1 сутки). После определения стойкости проводят микроскопирование, определяя основные группы микроорганизмов, вызвавшие изменения в сусле. Определяют в сусле также общую бактериальную обсемененность и содержание кислотообразующих микроорганизмов.

• Контроль засевньгх дрожжей.  Разводки чистых культур анализируют на присутствие в них посторонних микроорганизмов и мертвых клеток. При наличии посторонних микроорганизмов проводят разведение новой чистой культуры. Производственные засевные дрожжи исследуют ежедневно из каждой ванночки: проверяют морфологию клеток, содержание мертвых клеток, гликогена, определяют присутствие посторонних микроорганизмов. Количество мертвых клеток в засевных дрожжах не должно превышать 5\%, а количество бактерий 0,5 \% и диких дрожжей 1\%.

• Контроль молодого пива. Проводят в случаях нарушения нормального хода главного брожения с целью выявления причин нарушения. При этом за 7 суток до окончания дображивания определяют биологическую стойкость молодого пива. Появление пленки, осадка, гнилостного или кислого запаха через 2-3 суток свидетельствует о повышенной обсемененности молодого пива. Этот анализ помогает прогнозировать качество готового пива.

• Контроль готового пива. Готовое пиво проверяют на биологическую стойкость, а также определяют общую бактериальную обсемененность и наличие БГКП. Биологическая стойкость каждого сорта пива характеризуется временем (в сут), в течение которого не происходит развитие в нем микрофлоры. Если стойкость ниже, то определяют кМАФАнМ (в пиве не должно быть более 100 клеток в 1 см3).

• Контроль воды и материалов. Устанавливаются нормы обсемененности каждого объекта. Так, например, количество микроорганизмов в смывных водах после дезинфекции оборудования должно быть близким к содержанию микроорганизмов в воде, кишечные палочки должны отсутствовать.

2.1.7 Санитарно-гигиенический контроль пивоваренного производства

        Хранение ячменя

Помещение для хранения зерна является наиболее запыленным участком производства. Поэтому, санитарные правила предусматривают установку пылеуловителей и вентиляторов, а также уборку помещения в каждую смену.

Перед поступлением новой партии ячменя складские помещения тщательно очищают от мусора  и дезинфицируют. В силосные емкости загружают ячмень с содержанием влаги не выше 12 – 15 \% и регулярно проветривают.

Солодовенный цех

Санитарные мероприятия направлены на борьбу с зерновой пылью, механическими примесями, микроорганизмами.

Ячмень, поступающий на замачивание, после тщательной мойки рекомендуется дезинфицировать гашеной известью, хлорной известью, формалином или перманганатом калия для инактивации микрофлоры, присутствующей на зерне.

Рекомендуется чистка, мойка и дезинфекция хлорной известью или формалином чанов и солодорастильных аппаратов после их от освобождения от солода.

Для борьбы с мицелиальными грибами поверхность стен цеха перед их побелкой следует обрабатывать антисептиком (например, 2 – 4 \% раствором медного купороса).

        Варочный цех

После каждой варки внутреннюю поверхность заторных котлов, фильтрационных аппаратов и сусловарочных котлов необходимо тщательно чистить и мыть. Коммуникации необходимо ежедневно промывать холодной и горячей водой, затем пропаривать 15 – 20 мин. И вновь промывать холодной водой.

Производственные отходы – пивную и хмелевую дробину из варочного цеха насосом перекачивают в закрытые бункеры. Хранить и транспортировать дробину открытым способом не рекомендуется.

Необходимо обеспечить надлежащие санитарные условия процесса осветления и охлаждения сусла. Сепараторы для осветления сусла промывают и обрабатывают 2 \% -ным раствором каустической соды, а затем снова промывают водой. Теплообменники 2 раза в неделю чистят и дезинфицируют 1 \% -ным горячим раствором щелочи. Дезинфекцию всего варочного отделения обычно проводят антиформином не реже 2 раз в месяц.

       Дрожжевое отделение (отделение ЧК)

Должно быть изолировано от других производственных цехов. Дрожжевые ванночки и другое оборудование дезинфицируют 1 \% раствором хлорной извести или антиформином.

Бродильное отделение

Бродильные чаны и танки после перекачивания молодого пива для дображивания очищают механическим способом, моют и обрабатывают дезинфицирующим препаратом в течение 30 мин, после чего омывают водой универсальным дезинфектантом, которым является аммонийное соединение катамин АБ.

         Цех дображивания

Для дезинфекции танков применяют те же средства, что и в цехе брожения. Проводят тщательную обработку пивопроводов до начала и после окончания работы путем промывания водой. 2 раза в неделю дезинфицируют антиформином, каустической содой или катамином АБ с последующим промыванием водой.

       Цех розлива

Всю систему фильтровально – разливной установки ежедневно моют, 1 раз в неделю дезинфицируют антиформином или раствором хлорной извести. Розлив автомата промывают чистой водой до и после розлива пива. Пивопровод между фильтрационным отделением и разливочными машинами пропаривают 1 раз в неделю в течение 15 мин.

 Розлив пива проводят в отдельных помещениях. Бутылки, танки и автоцистерны перед наполнением тщательно моют. Для обработки бутылок в бутылкомоечных машинах применяют смесь 0,5 \% растворов санпора и каустической соды.

Общий санитарно – гигиенический контроль включает систематическую проверку чистоты воды, рук и спецодежды работников на наличие БГКП.

Вопросы для самопроверки

1. Какую роль выполняют дрожжи в пивоварении?

2. Какие дрожжи относятся к дрожжам верхового и низового брожения?

3. Как влияет скорость размножения дрожжей на процесс размножения пива?

4. Какое значение при приготовлении пива имеет способность дрожжей к флокуляции?

5. Какие Вы знаете расы дрожжей?

6. Как проводят разведение чистой культуры в  лабораторных условиях?

7. Что такое «чистая культура» дрожжей?

8. Как получают производственную разводку чистой культуры в аппаратах Грейнера?

9. Какие дрожжи называют засевными?

10. Как очищают и хранят засевные дрожжи?

11. Каковы основные источники инфицирования в пивоварении?

12. Какие микроорганизмы входят в состав микрофлоры зерна и солода?

13. Как влияет микрофлора солода на качество готового пива?

14. Какие бактерии могут развиваться в сусле и пиве и вызывать ухудшение органолептических показателей пива?

15. Какие дикие дрожжи вызывают порчу сусла и пива?

16. Как  проводится   микробиологический   контроль   в   пивоваренном производстве?

17. Каким образом определяется биологическая стойкость сусла, молодого пива, готового пива?

18. Какие микробиологические показатели определяются в готовом пиве?