Biotechnologia 1(1-2) 22, 29-36 MODYFIKACJA WARUNKÓW ZACIERANIA SŁODÓW O NADMIERNYM ROZLUŹNIENIU BIAŁKOWYM Barbara Foszczyńska, Ewelina Dziuba Streszczenie. Celem badań było zaproponowanie zmodyfikowanego sposobu zacierania słodów wykazujących duŝe rozluźnienie białkowe. Słody otrzymano stosując w trakcie moczenia jęczmienia dodatek formaliny oraz kultur starterowych Geotrichum candidum. Słody poddano zacieraniu kongresowemu (45 C 3 min, 7 C 6 min) oraz zmodyfikowanemu (65 C, 9 min). Stwierdzono, Ŝe modyfikacja procesu zacierania nie miała znaczącego wpływu na filtrację brzeczek, lepkość i zawartość ekstraktu. Spowodowała natomiast obniŝenie zawartości związków azotowych oraz rozjaśnienie barwy brzeczek. Słowa kluczowe: słodowanie, kultury starterowe, rozluźnienie białkowe, modyfikacja zacierania WSTĘP W kilku ośrodkach naukowych prowadzone są badania określające moŝliwości biologicznej ochrony jęczmienia w czasie słodowania [Boivin i Malanda 1997, Dziuba i Foszczyńska 21, Dziuba i in. 1999, 2, Haikara i Laitila 1995, Haikara i in. 1993]. W tym celu stosuje się dodatek do wody zamoczkowej kultur starterowych bakterii kwasu mlekowego lub droŝdŝy Geotrichum candidum. Wyselekcjonowane szczepy tych drobnoustrojów ograniczają rozwój i aktywność niepoŝądanej mikroflory ziarna, redukują zwłaszcza ilość grzybów odpowiedzialnych za syntezę toksycznych metabolitów oraz prekursorów zjawiska gushing [Boivin i Malanda 1997, Dziuba i in. 2, Haikara i in. 1993, Laitila i in.1997]. Szczepionki wpływają ponadto korzystnie na stałą i wysoką jakość fizykochemiczną uzyskiwanego słodu. Kultury starterowe bakterii kwasu mlekowego powodują lepsze ogólne rozluźnienie słodów, tj. zmniejszają zawartość β-glukanów, skracają czas filtracji zacieru oraz obniŝają lepkość brzeczki [Haikara i in. 1993]. Te korzystne efekty tłumaczy się występowaniem dodatkowej aktywności enzymatycznej pochodzenia mikrobiologicznego. Kultury starterowe mogą wpływać na proteolizę słodowanego ziarna jęczmienia. Haikara i Laitila [1995] zaobserwowały wzrost zawartości wolnego azotu aminowego w brzeczkach w wyniku inokulacji jęczmienia kulturą bakterii kwasu mlekowego. Badania własne, prowadzone w zakresie stosowania droŝdŝy G. candidum w procesie słodowania jęczmienia oraz pszenŝyta wykazały, Ŝe zwiększają one na ogół zawartość
3 B. Foszczyńska, E. Dziuba związków azotowych w brzeczkach, w niektórych przypadkach powodują nadmierne rozluźnienie białkowe słodów [Dziuba i Foszczyńska 21, Dziuba i in. 1998, 2]. Rozpuszczalne związki azotowe odgrywają waŝną rolę zarówno w procesie fermentacji, jak i w kształtowaniu cech jakościowych piwa. Determinują stan fizjologiczny droŝdŝy, jakość i trwałość piany, poziom zawartości alkoholi wyŝszych, a w konsekwencji pełnię smakową piwa [Kądzielski 1998]. Ze słodów wykazujących nadmierne rozluźnienie białkowe, przekraczające 41%, otrzymuje się piwa o ubogiej pianie, pustym i szorstkim smaku i nie satysfakcjonującej goryczce [Kądzielski 1998, Kunze 1999]. Pewną moŝliwością korekty poziomu związków azotowych jest dobór programu zacierania słodów. Celem niniejszej pracy było zaproponowanie zmodyfikowanego sposobu zacierania słodów starterowych wykazujących duŝe rozluźnienie białkowe. Modyfikacja polegała na ominięciu przerwy białkowej oraz zastosowaniu stałej temperatury podczas całego cyklu zacierania. Dodatkowym celem było porównanie efektów chemicznej oraz biologicznej ochrony ziarna w czasie jego słodowania na podstawie analizy brzeczek kongresowych oraz brzeczek uzyskanych w wyniku modyfikacji warunków zacierania. MATERIAŁ I METODY BADAŃ Badania wykonano z uŝyciem ziarna dwóch odmian jęczmienia browarnego: RUDZIK ze słodowni Browaru Piastowskiego we Wrocławiu, MARESI od prywatnego dostawcy z Białej koło Wielunia. Ziarno to zostało odrzucone przy skupie z powodu poraŝenia Fusarium. Materiałem biologicznym, stosowanym w procesie moczenia jęczmienia, były dwa szczepy droŝdŝy: G. candidum 1 i G. candidum SC12 (wyizolowane z sera typu Brie), pochodzące z Kolekcji Kultur Katedry Biotechnologii i Mikrobiologii śywności Akademii Rolniczej we Wrocławiu. Próby z dodatkiem kultury G. candidum 1 oznaczono w pracy symbolem S1, a próby z dodatkiem G. candidum SC12 symbolem S2. Jako chemiczny środek dezynfekujący zastosowano formalinę. Próby te oznaczono symbolem D. Słodowanie przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych. Kultury starterowe droŝdŝy G. candidum dodano do pierwszej wody zamoczkowej w stęŝeniu 1,2 8,8x 1 3 j.t.k. cm 3. Równolegle prowadzono dezynfekcję ziarna z uŝyciem formaliny w ilości 1,5 cm 3 dm 3 wody. Zastosowano 48-godzinny cykl moczenia wodno-powietrznego do uzyskania wilgotności 44 46%. Kiełkowanie ziarna przeprowadzono w temperaturze 13 15 C w czasie 6 dni, a suszenie słodów w temperaturze 3 82 C. Słody zacierano metodą kongresową (45 C 3 min, 7 C 6 min). Modyfikacja warunków zacierania polegała na utrzymywaniu temperatury na poziomie 65 C przez 9 min. Podstawową ocenę ziarna, słodów oraz brzeczek wykonano według Polskich Norm [PN-67/A-7983] oraz Analityki EBC [1998]. W ziarnie oznaczono: wyrównanie, masę 1 ziaren, wilgotność, zawartość białka ogółem, energię kiełkowania. W słodach oznaczono: zawartość białka ogółem, czas scukrzania, ekstraktywność oraz liczbę Kolbacha. Oceniono spływ brzeczek mierząc ich objętość po 12 min filtracji. W brzeczkach oznaczono lepkość, zawartość: ekstraktu, związków azotowych, wolnego azotu aminowego oraz barwę. Wszystkie oznaczenia wykonano w dwóch powtórzeniach. Acta Sci. Pol.
Modyfikacja warunków... 31 WYNIKI I DYSKUSJA Wybrane jako materiał doświadczalny ziarno jęczmienia odmian browarnych wykazywało zróŝnicowane, ale zgodne z normą, cechy fizyczne i chemiczne (tab. 1). W porównaniu z jęczmieniem odmiany Maresi, ziarno odmiany Rudzik cechowało się lepszym wyrównaniem, większą masą 1 ziaren oraz niŝszą zawartością białka. Tabela 1. Cechy fizyczne, chemiczne i biologiczne ziarna jęczmienia Table 1. Physical, chemical and biological features of barley grain Cechy ziarna Grain features Rudzik Odmiana ziarna Grain variety Maresi Wilgotność Moisture, % 11,2 1,5 Wyrównanie Grade I, % 94,6 87,6 Masa 1 ziaren Thousand corn weight, g 39,2 35,2 Białko ogółem Total protein, % 1,2 11,4 Energia kiełkowania Germinative energy, % 99,3 98,8 W wyniku słodowania zawartość białka zmniejszyła się o.3 do.6% (tab. 2). Uzyskane słody charakteryzowały się bardzo dobrym czasem scukrzania, który dla większości wariantów mieścił się w przedziale minut. Ekstraktywność słodów była wysoka. ZaleŜała ona zarówno od odmiany jęczmienia, jak i charakteru zastosowanego czynnika ograniczającego rozwój mikroflory. Większą ekstraktywnością cechowały się słody z ziarna odmiany Rudzik, przy czym najlepsze wyniki uzyskano z tych prób, które były w czasie moczenia traktowane kulturami starterowymi. MoŜliwość uzyskania ze słodu lepszej wydajności składników ekstraktywnych wskutek stosowania szczepionek wybranych grup drobnoustrojów uznawana jest przez autorów [Boivin i Malanda 1997, Dziuba i in. 1998, 2, Haikara i Laitila 1995] za podstawową zaletę biologicznej metody ochrony słodowanego jęczmienia. Obydwa rodzaje słodów wykazywały duŝy stopień rozluźnienia białkowego określanego za pomocą liczby Kolbacha. Była ona wyŝsza we wszystkich wariantach słodowania ziarna odmiany Maresi. Próby z ziarna odmiany Rudzik dezynfekowane przy uŝyciu formaliny wykazywały zdecydowanie mniejszy stopień rozluźnienia białkowego niŝ próby z dodatkiem biologicznego środka ochraniającego. W zasadniczej części pracy, dla słodów wykazujących wysoki stopień rozkładu związków białkowych, zaproponowano zmodyfikowany, w stosunku do metody kongresowej, sposób zacierania. ZałoŜono, Ŝe pominięcie przerwy białkowej nie zwiększy znacząco ilości składników azotowych w brzeczce, a utrzymanie stałej temperatury 65 C zapewni poŝądaną aktywność zarówno α-amylazy, jak i β-amylazy. Tego typu procesy są szeroko stosowane podczas scukrzania surowca przeznaczonego do produkcji whisky [Palmer 1989]. Biotechnologia 1(1-2) 22
32 B. Foszczyńska, E. Dziuba Tabela 2. Wpływ czynnika ograniczającego rozwój mikroflory na wybrane cechy słodów Table 2. Effect of the factor limiting growth of microflora on selected features of malts Odmiana ziarna Grain variety Rodzaj próby Sample type Białko ogółem Total protein % Czas scukrzania Saccharific. time min Ekstraktywność Extract content % Liczba Kolbacha Kolbach index % Rudzik D S1 S2 1, 9,7 9,6 5 1 82,6 83,4 83,5 4,3 46,3 46,6 Maresi D S1 S2 11,1 11,1 11, 82,2 82,6 82,3 47,4 47,1 46, D próby dezynfekowane formaliną, S1 próby z uŝyciem G. candidum 1, S2 próby z uŝyciem G. candidum SC12 D samples disinfected with formalin, S1 samples with use of G. candidum 1, S2 samples with use of G. candidum SC12 Modyfikacja procesu zacierania wpłynęła w zróŝnicowany sposób na ilość brzeczki uzyskanej po 2 godzinach procesu filtracji (rys. 1). W wyniku tego procesu, niezaleŝnie od odmiany jęczmienia, uzyskano większe ilości brzeczek z ziarna dezynfekowanego z uŝyciem formaliny oraz ochranianego kulturą starterową G. candidum SC12. W porównaniu z zacieraniem kongresowym najmniej brzeczki otrzymano z ziarna słodowanego z zastosowaniem szczepu G. candidum 1. 4 K M K M K M ilość brzeczki [g] amount of wort [g] 3 2 1 Rudzik Maresi Rys. 1. Ilość brzeczki uzyskanej w wyniku kongresowego (K) i zmodyfikowanego (M) sposobu zacierania słodów: D próby dezynfekowne formaliną, S1 próby z uŝyciem G. candidum 1, S2 próby z uŝyciem G. candidum SC12 Fig. 1. The amount of wort after congress (K) and modified (M) mashing process: D samples disinfected with formalin, S1 samples with use of G. candidum 1, S2 samples with use of G. candidum SC12 Acta Sci. Pol.
Modyfikacja warunków... 33 W stosunku do brzeczek kongresowych, brzeczki otrzymane ze słodów odmiany Rudzik w wyniku zacierania modyfikowanego wykazywały porównywalną ilość ekstraktu (tab. 3). Natomiast brzeczki odmiany Maresi miały zawartość ekstraktu niŝszą o,6 do,18% wag. Zastosowanie kultur starterowych spowodowało otrzymanie brzeczek o zawartości ekstraktu na poziomie równym lub nieco wyŝszym w stosunku do prób dezynfekowanych z uŝyciem formaliny. Tabela 3. Wpływ modyfikacji warunków zacierania na zawartość ekstraktu [%] w brzeczkach Table 3. Influence of mashing process modification on extract content [%] of worts Odmiana ziarna Grain variety Rudzik Maresi Sposób zacierania Type of mashing process Zacieranie kongresowe Congress mashing Zacieranie zmodyfikowane Modified mashing Zacieranie kongresowe Congress mashing Zacieranie zmodyfikowane Modified mashing Rodzaj próby Type of sample 8,79 8,88 8,89 8,85 8,91 8,85 8,82 8,85 8,84 8,7 8,79 8,66 D próby dezynfekowane formaliną, S1 próby z uŝyciem G. candidum 1, S2 próby z uŝyciem G. candidum SC12 D samples disinfected with formalin, S1 samples with use of G. candidum 1, S2 samples with use of G. candidum SC12 Stwierdzono, Ŝe brzeczki uzyskane w wyniku zacierania zmodyfikowanego cechowały się nieznacznie większą lepkością niŝ brzeczki kongresowe (rys. 2), o,6,7 mpa s dla odmiany Rudzik i o,3,8 mpa s dla odmiany Maresi. Prawdopodobnie zawierały one większą ilość wysokocząsteczkowych frakcji białek, które nie zostały rozłoŝone w trakcie zacierania z pominięciem przerwy białkowej. MoŜna jednak przyjąć, Ŝe zastosowanie kultur starterowych przy zmodyfikowanym procesie zacierania nie miało znaczącego wpływu na lepkość brzeczek. NiezaleŜnie od sposobu dezynfekcji i zacierania, brzeczki uzyskane ze słodów ziarna odmiany Maresi wykazywały ciemniejszą barwę niŝ brzeczki ze słodów odmiany Rudzik (rys. 3). Mogło być to wynikiem większego stopnia zainfekowania ziarna grzybami strzępkowymi [Stempniewicz dane nie publikowane] wytwarzającymi pigment. Zastąpienie kongresowego sposobu zacierania modyfikacją, spowodowało w większości badanych prób znaczne rozjaśnienie barwy. ObniŜenie natęŝenia barwy osiągnęło najwyŝszą wartość 1.4 j. EBC w wariancie słodowania jęczmienia odmiany Rudzik z dodatkiem kultury G. candidum 1. Biotechnologia 1(1-2) 22
34 K M K M K M 6 K M K M K M 5 2 1,6 4 1,2 3,8 2 barwa [j. EBC] colour [EBC u.],4 lepko viscosity [mpa.s] 1 K M K M K M 3 125 M K M M K K 25 1 2 75 15 5 1 azot aminowy FAN[mg/l] B. Foszcz ska, E. Dziuba 5 25 total nitrogen [mg/l] G. candidum 1 G. candidum SC12 G. candidum 1 G. candidum SC12 Acta Sci. Pol.
Modyfikacja warunków... 35 Zmiana sposobu zacierania, polegająca na pominięciu przerwy białkowej, niezaleŝnie od odmiany i metody ochrony ziarna w czasie słodowania, wpłynęła na znaczne obniŝenie zawartości związków azotowych w brzeczkach (rys. 2). ObniŜenie to wynosiło od 79 do 142 mg dm 3 i od 12 do 148 mg dm 3, odpowiednio dla słodów z ziarna odmian Rudzik i Maresi. Przy tym ilość związków azotowych w brzeczkach z ziarna odmiany Rudzik mieściła się w optymalnym zakresie 65 75 mg dm 3 [Kądzielski 1998, Kunze 1999]. Brak przerwy białkowej spowodował takŝe zmniejszenie zawartości azotu aminokwasowego w brzeczkach, szczególnie w próbach odmiany Maresi, w których stosowano biologiczną ochronę ziarna (rys. 2). Zawartość wolnego azotu aminowego we wszystkich brzeczkach uzyskanych w wyniku modyfikacji procesu zacierania kształtowała się na poziomie 145 186 mg dm 3. Według Mendla [Kądzielski 1998] brzeczka podstawowa powinna zawierać 22% wolnego azotu aminowego w stosunku do całkowitej zawartości azotu rozpuszczalnego. Jest to ilość gwarantująca dobre namnoŝenie droŝdŝy, szybki przebieg fermentacji i normalny poziom ubocznych produktów fermentacji. Wolny azot aminowy we wszystkich rodzajach brzeczek z zacierania modyfikowanego stanowił od 21 do 24% związków azotowych. Była to więc ilość zapewniająca prawidłowy przebieg fermentacji. PODSUMOWANIE Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, Ŝe niezaleŝnie od zastosowanego czynnika ochraniającego modyfikacja procesu zacierania polegająca na pominięciu przerwy białkowej oraz utrzymywaniu stałej temperatury zacieru nie miała znaczącego wpływu na przebieg filtracji brzeczek, ich lepkość oraz zawartość ekstraktu. Spowodowała natomiast zmniejszenie zawartości w brzeczkach związków azotowych ogółem oraz wolnego azotu aminowego. Zmniejszenie ilości wolnego azotu aminowego wpłynęło korzystnie na rozjaśnienie barwy brzeczek. Reasumując moŝna stwierdzić, Ŝe takie rozwiązanie procesu zacierania w warunkach przemysłowych moŝe być zaproponowane dla słodów otrzymanych z zastosowaniem biologicznej metody ochrony ziarna, cechujących się dobrym rozluźnieniem cytolitycznym oraz nadmiernym rozluźnieniem białkowym. PIŚMIENNICTWO Analytica EBC, 1998. Verlag Hans Carl Getränke-Fachverlag, Norymberga. Boivin P., Malanda M., 1997. Improvement of malt quality and safety by adding starter culture during the malting process. MBAA Techn. Quarterly, 34, (2), 96 11. Dziuba E., Foszczyńska B., 21. Biological protection of barley grain and its influence on selected features of malt. Pol. J. Food & Nutrition Scinces, 1/51 (4), 49 53. Dziuba E., Foszczyńska B., Stempniewicz R., Wojtatowicz M., 1998. Zastosowanie kultur starterowych w procesie słodowania ziarna pszenŝyta. Materiały Konferencji Naukowej Ograniczenie stosowania dodatków do Ŝywności za i przeciw, Sielinko, 14 19. Dziuba E., Wojtatowicz M., Stempniewicz R., Foszczyńska B., 1999. Kultury starterowe jako czynnik ograniczający aktywność epifitycznej mikroflory jęczmienia i słodu. Biotechnol. 45 (2), 167 177. Biotechnologia 1(1-2) 22
36 B. Foszczyńska, E. Dziuba Dziuba E., Wojtatowicz M., Stempniewicz R., Foszczyńska B., 2. An attempt to use of starter cultures of Geotrichum candidum in malting of brewery barley. Food Biotech. Progress in Biotechnology, V.17, Elsevier Science B.V., Amsterdam, 313 316. Haikara A., Laitila A., 1995. Influence of lactic acid starter cultures on the quality of malt and beer. Proc. Eur. Brew. Conv. Congr. 25, 249 256. Haikara A., Uljas H., Suurnakki A., 1993. Lactic starter cultures in malting a novel solution to gushing problems. Proc. Eur. Brew. Conv. Congr. 24, 163 172. Kądzielski F., 1998. Nowe poglądy na parmetry słodu i najnowsze badania jakości słodu. Materiały III Szkoły Technologii Fermentcji, Kraków Zakopane, 186 198. Kunze W., 1999. Technologia piwa i słodu. Piwochmiel Sp. z o.o., Warszawa. Laitila A., Tapani K.M., Haikara A., 1997. Lactic acid starter cultures for prevention of the Fusarium mycotoxins during malting. Proc. Eur. Brew. Conv. Congr. 26, 137 144. Palmer G.H.P. (ed.), 1989. Cereal Science and Technology, University Press, Aberdeen. PN-67/A-7983: Słód browarowy i słód diastatyczny. Metody badań. Stempniewicz R. (dane nie publikowane). MODIFICATION OF MASHING PROGRAMME FOR HIGHLY PROTEOLYTIC MODIFIED MALTS Summary. The aim of work was to suggest a mashing programme for malts highly modified by proteolysis. Malts were obtained with addition of formaline and Geotrichum candidum starter cultures during steepping process of barley grain. Malts were mashed using congress (45 C 3 min., 7 C 6 min.) and modified (65 C, 9 min.) programme. Modification of mashing programme had no influence on wort filtration, viscosity and extract content. On the other hand it caused the amount of amino compounds to decrease and the colour of wort to brighten. Key words: malting process, starter cultures, proteolytic modification, mashing programme Barbara Foszczyńska, Ewelina Dziuba, Katedra Technologii Rolnej i Przechowalnictwa, Akademia Rolnicza we Wrocławiu, ul. C.K. Norwida 25, 5-375 Wrocław Acta Sci. Pol.