Условия развития и активности дрожжей - Влияние температуры

Обычно микроорганизмы делят на три категории в зависимости от их поведения в условиях различной температуры, что отражает приспособляемость или устойчивость их ферментативного аппарата к этому фактору. Микроорганизмы называют психрофильными, мезофильными или термофильными, оптимальное развитие которых происходит при температурах ниже 20° С, между 20 и 45 и выше 45° С соответственно. Дрожжи относятся к двум первым категориям.
Температура является важным фактором жизнедеятельности всех дрожжей; для каждой из различных функций дрожжевых клеток: дыхания, брожения, роста  — существуют оптимальные, минимальные и максимальные температурные условия. В действительности эти пределы зависят от вида дрожжей и даже от расы, а также от аэрации, состава среды, особенно присутствия спирта и определяют таким образом более или менее широкую зону, в которой возможно размножение дрожжей и сбраживание сахара.
Действие температуры на дрожжи стало объектом многих работ, и на этот счет можно найти точные данные (Уль, 1960, 1967; Роз, 1962; Стоке, 1971). Вопрос о значении температур в виноделии разработала Димотаки-Кураку (1966).
Уг (1964, 1966) провел эксперимент по изучению влияния температур от 10 до 33° С на скорость брожения виноградного сусла в корреляции с другими факторами: рН, сахаристость, спиртуозность, содержание гидрата окиси аммония; замедляющее действие низкого рН и присутствия спирта усиливается высокой температурой. Мартини (1964) исследовал дрожжи Sacch. pastorianus и в первую очередь продолжительность брожения.
Влияние температуры на метаболизм дрожжей
Интенсивность дыхания (Qc,) и брожения (QcojO винных дрожжей при различных температурах, например от 15 до 45° С, можно измерить с помощью аппарата Варбурга (см. рис. 5.7). Необходимо напомнить, что этот аппарат, который действует как микроманометр, регистрирует выделение углекислого газа (брожение) или поглощение кислорода (дыхание) дрожжами данной массы в течение короткого времени. Таким путем измеряют мгновенную скорость этих явлении (табл. 7.6). Можно также проследить выделение газа путем взвешивания через более длительный период (табл. 7.7).

Таблица 7.6
Средние значения интенсивности дыхания и брожения различных видов Saccharomyces в зависимости от температуры, мм³ газа на 1 г сухих дрожжей в час

Таблица 7.7
Скорость брожения для различных дрожжей в зависимости от температуры (по Кантарелли, 1966), г СО, за 24 ч

Влияние температуры на образование вторичных продуктов

Интенсивность дыхания дрожжей возрастает с повышением температуры до 30° С, через каждые 10° С значения примерно удваиваются; при температурах выше 30° С дыхание уменьшается. Что касается интенсивности брожения, то ее оптимуму соответствует температура около 35° С, т. е. немного более высокая, чем для оптимума дыхания; до этой температуры уровень интенсивности брожения также удваивается через каждые 10° С; при 40° С он понижается на 15%.
Нетрудно   заметить значительное влияние температуры -на метаболизм дрожжей, которое можно выразить следующим примерным правилом: «сбраживание сахара при 30°С происходит в 2 раза быстрее, чем при 20° С», или «на каждый дополнительный градус температуры дрожжи преобразуют за то же время на 10% больше сахара».
Оптимальная температура сбраживания сахара изменяется в зависимости от вида дрожжей, как было показано в гл. 5. В табл. 7.7 она колеблется от 30 до 39° С.
Температура действует не только на кинетику и на предел брожения, но и на образование получающихся при  брожении продуктов (Лафон, 1955).  При брожении с повышенной температурой выход спирта обычно ниже, с другой стороны, вторичных продуктов глицеропировиноградного брожения Нейберга образуется больше (глицерин, ацетоин, 2, 3-бутиленгликоль, уксусная кислота). Исключением является янтарная кислота (табл. 7.8). Пировиноградная и а-кетоглутаровая кислоты накапливаются больше при высокой температуре (Лафон-Лафуркад и Пейно, 1966). Высшие спирты являются, безусловно, продуктами, которые в наибольшей степени изменяются в зависимости от температуры. Максимальное образование их происходит при 20° С. Оно уменьшается по мере повышения температуры. При 35° С это образование составляет не более 1/4 того, какое наблюдается при 20° С (Пейно и Гимберто, 1962). Это, видимо, является одной из причин того, почему вина, полученные при высокой температуре, имеют менее выраженный аромат.

Влияние температуры на скорость и предел брожения виноградного сусла

Как правило, чем выше температура (в пределах между 15 и 35°С), тем короче латентная фаза, тем быстрее начинается забраживание. Например, чтобы полностью выбродить виноградное сусло, имеющее 200 г/л сахара, при 10° С, потребуются многие недели, при 20° С —15 дней, при 30° С — от 3 до 4 дней. Но с другой стороны, чем выше температура, тем более ограничено брожение и тем больше остается несброженного сахара. В табл. 7.9 приведены результаты наблюдений, сделанных с этой целью на очень сахаристом сусле сорта Сотерн.

Скорость забраживания и предел брожения в зависимости от температуры

Все происходит, как если бы дрожжи уставали, истощались, тем быстрее, чем выше их активность при повышенных температурах. Даже между 30 и 35° С температура является ограничивающим фактором брожения. Число дрожжевых клеток в конце брожения тем больше, чем ниже температура. При высокой температуре размножение происходит быстрее, но прекращается раньше обычного срока.
Этот закон много лет тому назад сформулировал Мюллер-Тургау; позднее его подтвердили многие экспериментаторы, в том числе Кастелли (1941). В табл. 7.10 приведены результаты фундаментального эксперимента, проведенного Мюллер-Тургау. Сбраживали одно и то же сусло, но с различным содержанием сахаров (127, 217 и 303 г) и при разных температурах; опыт показал одновременно и задержку, вызванную повышенной сахаристостью, и влияние температуры.
Лимитирующее действие температуры иногда проявляется даже при спиртуозности, меньшей 10 или 11% об., при относительно невысоких уровнях, например, ниже 27° С и, во всяком случае, значительно ниже 36° С, т. е. температура, которую часто считают критическим пределом. Эти результаты имеют большое значение, так как они показывают, как трудно установить точный предел температуры брожения.

Спиртуозность в % об. в зависимости от температуры брожения (по Мюллер-Тургау)

На рис. 7.8 воспроизведена кривая пределов брожения для различных видов дрожжей в зависимости от температуры. Большинство видов Saccharomyces имеют оптимум около 20° С. Неспорогенные дрожжи, в частности Brettanomyces, лучше сбраживают сахар при температуре около 26° С.

Рис. 7.9. Ход брожения виноградного сусла с измерением количества выделившегося С02 с Sacch. baillii при температурах (оптимальная 25° С) (в "С):
Графики на рис. 7.9 и 7.10 показывают эволюцию брожения для двух видов Saccharomyces, обладающих различной чувствительностью к температурным условиям. Чем ниже температура сусла, тем больше кривая брожения приобретает вид прямой; при 4° С эволюция становится почти линейной, и, наоборот, чем выше температура, тем больше исходный угол, тем больше и быстрее кривая стремится к асимптоте. При низкой температуре фактически она одна является ограничивающим фактором; тормозящее действие спирта и исчерпывание питательных веществ играют меньшую роль. С другой стороны, чем выше температура, тем больше спирт по мере своего образования подавляет рост дрожжей.
/ — 4; 2 — 13; 3 — 20; 4 — 25; 5 — 30; 5 — 35.

Рис. 7.10. Ход брожения виноградного сусла с измерением количества выделившегося СО* С
Sacch. uvarum при температурах (оптимальная 13° С) (в °С):
Другое важное замечание относительно влияния температуры на рост

Рис. 7.8. Пределы брожения, измеренные по выделившемуся С02 для различных родов дрожжей в зависимости от температуры:
;—4; 2 — 20; 3 — 25; 4—13; 5 — 30; 5 — 35.
1— Kloeckera; 2— Torulopsis; 3 — Brettano myces; 4 — Saccharomycodes; 5 — Saccharomyces.

дрожжей: аэрация, которую можно практиковать и рекомендовать в начале брожения, производит неодинаковый эффект в зависимости от температуры среды. Наибольшее ускорение получается при 25° С. При более высоких температурах дрожжи не используют весь растворенный кислород. С другой стороны, аэрация на холоде малоэффективна; например, аэрация посредством переливки при 20° С менее выгодна, чем при 25° С.

Изменение температуры во время брожения

На рис. 7.11 показано, как протекало брожение. Ниже приведены некоторые выводы из наблюдений, однако без намерения дать их полное обобщение.
1. Нагревание может привести к противоположному эффекту в зависимости от степени и интенсивности аэрации. Возможно, что оптимум температуры для дрожжей в аэробиозе и в анаэробиозе различен.

Рис. 7.11. Эффект от изменения температуры во время брожения.

1. Охлаждение, например, от 30 до 25° С ускоряет брожение с доступом воздуха и задерживает его при отсутствии воздуха. Понижение температуры к концу брожения в момент, когда дрожжи больше не могут размножаться, может иметь в конечном счете эффект, противоположный тому, которого добиваются.
2. В условиях без доступа воздуха, чем выше исходная температура, вплоть до 25° С, тем быстрее и полнее происходит брожение, когда в дальнейшем ее понижают до 20. Этот факт наблюдал уже Мюллер-Тургау (1884), Следовательно, повышенная температура вначале способствует брожению.
3. В присутствии воздуха в бутыли, закрытой ватой, наблюдается как раз обратное явление, и скорость брожения при данной температуре была настолько больше, насколько ниже была температура при забраживании.

На это обратил внимание Саллер (1953).

1. Температура, при которой дрожжи начинают развиваться, является определяющей для всего последующего процесса брожения. Наилучшее брожение достигается при температуре, которая остается неизменной от начала до конца, следовательно, выгодно применять систему брожения с постоянной температурой.

Может показаться парадоксальным, что дрожжи лучше выдерживают температуру 35° С от начала до конца, чем постепенное повышение ее от 25 до 35° С. Чтобы реализовать хорошее брожение при повышенной температуре, в целом было бы лучше начинать и проводить его при этой температуре. Так, наблюдали спонтанное брожение подогретого винограда при температурах, намного более высоких, чем те, которые выдерживаются в обычных условиях.
Можно полагать, что ферментативная активность дрожжей зависит от температуры и имеет место адаптация к начальной температуре брожения. Чувствительность к отклонениям температуры при брожении может быть специфическим свойством, приобретенным первыми поколениями дрожжей.