Дрожжи в пивоварении: введение в тему

На качество и вкус пива очень сильно влияют дрожжевые штаммы, участвующие в брожении. Важность этих одноклеточных организмов для пивоварения объясняется тем, что они способны превращать разные субстраты (среды, в которых живут и размножаются) в этанол и вторичные метаболиты. В виноделии и пивоварении в роли субстрата выступает винное или пивное сусло. Чтобы получилось вкусное пиво, пивовар должен использовать качественную дрожжевую культуру. В то же время нужно следить, чтобы в сусло не попали дикие дрожжи, другие грибки и бактерии. Посторонняя микрофлора, как правило, портит вкус пива. Хотя дикие дрожжи и сейчас используются для изготовления крестьянских ламбиков и других кислых сортов, не говоря уже об экзотических современных сортах, сброженных дикими дрожжами из бороды или пупка пивовара.

Разнообразие дрожжей даже в природе огромно: насчитывается около 1500 разных видов. Ещё больше видов и подвидов можно получить искусственным путём при помощи современных биотехнологий. Лучше всего изучены одноклеточные грибки Saccharomyces cerevisiae – пекарские дрожжи, которые чаще всего применяют для верхового брожения при производстве элей (вверху). Для низового брожения в большинстве случаев используют Saccharomyces pastorianus – гибрид пекарских дрожжей и винных дрожжей Saccharomyces bayanus. Геном этих и ещё нескольких десятков других грибков теперь полностью изучен. Благодаря этому современные микробиологи могут «исправлять» и улучшать свойства дрожжей, важные для пивной промышленности.
Пиво — продукт жизнедеятельности дрожжей. Поэтому его вкус и аромат зависят не только от солода и хмеля, но и от того, как дрожжи перерабатывают вещества, содержащиеся в сусле. Некоторые стили пива — хефевайцен, большая часть бельгийских стилей, английские биттеры — приобретают свой неповторимый вкус именно благодаря используемым дрожжам. Сейчас в лабораториях создают и апробируют генномодифицированные дрожжи, которые могут целенаправленно изменять вкус пива.

Пивные дрожжи: тысячи лет применения и полтора века изучения

Примерно 10000 лет назад люди перешли от охоты и собирательства к земледелию. Это один из главных шагов в развитии человеческой цивилизации: он до сих пор определяет наш образ жизни. Люди начали выращивать зерновые культуры и освоили две самые древние пищевые технологии – хлебопечение и пивоварение. Роль пивоварения для ранних земледельческих цивилизаций трудно переоценить: пиво — не только опьяняющий, но и питательный, относительно безопасный напиток.
И хлебопечение, и пивоварение невозможны без одноклеточных дрожжевых грибков. Так что дрожжи – один из самых ранних одомашненных видов живых организмов. Химические испытания древних керамических сосудов из Китая показали, что хмельной напиток из ячменя и проса делали с помощью брожения ещё за 7000 лет до нашей эры. Подобные напитки из риса, мёда и фруктов описываются в самых ранних текстах династий Шан и Чжоу (1200–200 гг. до н. э.). Пиво также варили в Междуречье примерно с 3500 года до н. э., однако в Европе оно появилось не раньше I века н. э.
В середине XVII века Антони ван Левенгук, основоположник микробиологии, впервые в истории смог разглядеть дрожжевые клетки в микроскоп. Важность дрожжей для пищевой промышленности и производства напитков по-настоящему осознали лишь через 200 лет, во второй половине XIX века. Открытия таких учёных, как Луи Пастер, Герман Эмиль Фишер и Эмиль Кристиан Хансен, очень сильно повлияли на современную пивоваренную отрасль.
Французский химик и микробиолог Луи Пастер (1822–1895) разгадал тайны многих болезней и разработал первые вакцины для их предупреждения. Он изобрёл пастеризацию — кратковременный нагрев продуктов для обеззараживания и увеличения срока хранения. Луи Пастер также обнаружил, что брожение – результат жизнедеятельности микроорганизмов. Это открытие дало толчок научному изучению виноделия и пивоварения.
Немецкий химик Эмиль Фишер (1852–1919) стал основателем химии углеводов и лауреатом Нобелевской премии (1902). У его отца был пивоваренный завод в Дортмунде, на котором Фишер ещё в молодости провёл свои первые эксперименты с пивными дрожжами для сбраживания различных сахаров. Как и Луи Пастер, он заметил, что дрожжи питаются только одной из двух оптических форм сахара. Но Фишер сделал и другое важное открытие: разные дрожжи сбраживали разные сахара! Он пришёл к выводу, что закваска и соответствующий ей субстрат должны подходить друг другу, как ключ к замку…
Датский биолог Эмиль Кристиан Хансен (1842–1909) работал в лабораториях знаменитой пивоваренной компании Carlsberg в Копенгагене. Здесь использовали особые дрожжи, не похожие на обычные дрожжи верхового брожения… Эти дрожжи скапливались не вверху, а возле дна ёмкости и бродили при более низкой температуре. Считается, что низовые дрожжи впервые появились примерно 300 лет назад в баварских монастырях как гибрид обычных пивоваренных дрожжей с винными Saccharomyces bayanus, которые применялись для производства вина и сидра. Примерно в середине XIX века лагерные дрожжи попали к чешским пивоварам и прославили город Пльзень на всю Европу. Один из владельцев компании Carlsberg украл эти дрожжи — если верить преданию, вывез в Данию прямо у себя под шляпой. То ли голова у него была не слишком чистой, то ли с самого начала дрожжи не были идеальными — так или иначе, стабильного качества пива они не давали. С этой проблемой и должен был справиться Хансен.
В 1881 году Хансен сумел выделить чистые монокультуры и научился разводить их. Благодаря этому он также описал целый ряд новых видов дрожжей. Хансен разработал стандартную процедуру использования дрожжевых клонов при производстве пива низового брожения. Специально выведенный клон под названием Unterhefe Nr. I («Низовые дрожжи № 1») позволил получать предсказуемый хороший результат при варке пива. Эти дрожжи стали называть Saccharomyces carlsbergensis. Следующий штамм Unterhefe Nr. II получил латинское название Saccharomyces monacensis. В середине 1980-х годов генетические исследования показали, что разница между штаммами пренебрежительно мала, и термины S. Carlsbergensis и S. monacensis были объявлены синонимами. По сути, вся группа близкородственных штаммов низовых дрожжей — результат множественной гибридизации. Поэтому им в конце концов вернули прежнее общее название Saccharomyces pastorianus. которое и используется сейчас в научной литературе.

Изначально пиво изготавливалось путём спонтанного брожения. Сусло сбраживалось само по себе в открытых ёмкостях, микрофлора засевалась прямо из воздуха или с пивоваренного оборудования. Сегодня мы знаем, что дикие дрожжи и посторонние бактерии не образуют сильной пены и поэтому в основном остаются в бродящем сусле. К тому же большая их часть погибает от этилового спирта и других продуктов метаболизма. Пенная шапка, которая получается при традиционном верховом брожении, содержит полезные дрожжи. В старину, если пиво получалось хорошим, дрожжевую шапку собирали, чтобы использовать удачный набор дрожжей при следующей варке. Так проводилась селекция дрожжей, пригодных для пивоварения: они размножались и адаптировались к условиям пивоваренного производства.
Этот простой метод дал впечатляющие результаты. Как выяснили учёные из бельгийского Института биотехнологии Фландерса (г. Гент), 157 видов промышленных дрожжей, используемых в наше время для выпечки хлеба, пивоварения и виноделия, были окультурены ещё в XVI веке, примерно за 100 лет до того, как Левенгук впервые увидел и описал бактерии и дрожжи.
Пивовары и сейчас стараются усовершенствовать пиво, придумывают новые сорта с разными ароматами, улучшают цвет и пену. Для этого приходится экспериментировать со всеми ингредиентами, включая дрожжи. Проводится масса научных исследований для улучшения уже используемых штаммов и поиска новых. С помощью селекции и генных технологий получено много улучшенных штаммов, хотя не все они пока официально разрешены для использования. В ряде стран законодательство не позволяет применять в пивоварении генномодифицированные дрожжи. Сами пивовары, не желая отказываться от традиционных ингредиентов и технологий, предпочитают обычные гибриды или всевозможные эксперименты с дикими дрожжами.

Биоразнообразие дрожжей

Дрожжи – одноклеточные грибы, которые по особенностям строения и размножения можно разделить на две группы: аскомицетовые (к ним относятся все сахаромицеты, в том числе пивные дрожжи) и базидиомицетовые. Эти две эволюционных ветви разошлись предположительно больше миллиарда лет назад.
Современная научная классификация дрожжей основана на последовательности генов рибосомной ДНК (рДНК). Считается, что у грибков внутривидовые различия определяются 0–3 нуклеотидами в цепочке рДНК на каждые 600 (0–0,5%). Если штамм отличается более чем на 6 нуклеотидов (1%), он рассматривается как отдельный вид. Промежуточные ступени со временем, при накоплении изменений в геноме, тоже могут стать самостоятельными видами. Такая система классификации привела к тому, что число официально признанных видов грибков увеличилось. В частности, удвоилось количество видов дрожжей. Хотя уже описано более 1000 видов аскомицетовых и более 30000 видов базидиомицетовых дрожжей, вполне возможно, что это только вершина айсберга. По примерным подсчётам, изучено менее 1% дрожжей, встречающихся в природе.

Пекарские дрожжи S. cerevisiae изучены очень хорошо. Их геном был полностью расшифрован ещё в 1996 году вместе с геномами ближайших родственников из числа сахаромицетов. Они сформировали особую группу под названием Saccharomyces sensu stricto. В этой группе – три самых важных для пивной промышленности вида дрожжей: S. cerevisiae, S. bayanus и их гибрид S. pastorianus. Внутри группы возможен перенос генов и гибридизация, что приводит к появлению новых вариаций. В связи с общим усложнением классификации дрожжей многие подвиды были переименованы в середине 2000-х. В 2006 году были расшифрованы геномы нескольких разновидностей Saccharomyces sensu stricto: S. paradoxus, S. mikatae, S. bayanus и S. kudriavzevii. Сравнение геномов не только позволяет изучать эволюцию дрожжей: оно создаёт основу для целенаправленных манипуляций со свойствами разных дрожжевых культур.

Основные виды дрожжей, используемых в пивоварении

При брожении дрожжи флокулируют, то есть группируются и образуют агломераты. Традиционно дрожжи для производства эля и лагера различают по способности сбраживать дисахарид мелибиозу, а также по тому, где они скапливаются после первичного брожения – сверху или у дна ёмкости (см. инфографику слева). Лагерные дрожжи вырабатывают внеклеточный фермент мелибиазу (альфа-галактозидазу), которая становится катализатором расщепления мелибиозы на галактозу и глюкозу. В результате лагерные дрожжи могут перерабатывать мелибиозу, а элевые — нет. Дрожжевые культуры для приготовления эля относятся в основном к S. cerevisiae. Лагерные пивные дрожжи – гибриды S. cerevisiae и других сахаромицетов. Как уже говорилось, обычно их называют Saccharomyces pastorianus. При флокуляции они опускаются на дно, отсюда и термин «низовое брожение».
Эли бродят при температуре 15–23 °C. Лагеры проходят первичное брожение при 7–12 °C и длительное повторное брожение при 4–7 °C. Это дополнительное брожение – стадия созревания, во время которой пиво очищается и смягчается. Созревание делает вкус лагеров более сильным и чистым. Но как раз такой «чистый», понятный вкус и аромат без дополнительных оттенков привели к тому, что любителям крафта лагеры обычно неинтересны. Несмотря на отдельные напоминания, что крафтовики сильно недооценивают потенциал лагеров, в крафтовом пивоварении сейчас практически безраздельно воцарились эли.
Любопытно, что в XXI веке мы наблюдаем не только массовый интерес к средневековью и древности, но и возвращение многих старинных сортов и рецептов. Можно сказать, что дрожжи S. cerevisiae взяли реванш после столетнего унижения. Вдруг наши вкусы – всего лишь война двух разновидностей грибков за мировое господство и место в наших желудках?
(Продолжение следует.)