Surface_characteristics_and_taxonomy_of_brewing

3 authors, including: Some of the authors of this publication are also working on these related projects: Microbiology of brewing – bacteria of the genus Bacillus, Brevibacillus and Paenibacillus and cultivation method ...

3 authors, including: Some of the authors of this publication are also working on these related projects: Microbiology of brewing – bacteria of the genus Bacillus, Brevibacillus and Paenibacillus and cultivation methods of their detection View project Dagmar Matoulková Research Institute of Brewing and Malting 55 PUBLICATIONS 264 CITATIONS SEE PROFILE Miroslav Němec Masaryk University 36 PUBLICATIONS 465 CITATIONS SEE PROFILE All content following this page was uploaded by Dagmar Matoulková on 15 September 2016. The user has requested enhancement of the downloaded file. 182 Kvasny prum. 60/2014 (7–8) Povrchové vlastnosti a taxonomie pivovarských kvasinek Klíčová slova: pivovarské kvasinky, flokulace, hydrofobicita, polyfázová taxonomie, Saccharomyces ■ 1 ÚVOD Průmyslová i domácí výroba piva se opírá o cílené využívání kvasinek, převážně rodu Saccharomyces. Jako pivovarské kvasinky jsou označovány kulturní kvasinky, které se používají k produkci spodně či svrchně kvašených piv. Základním rysem standardních produkčních kvasinek jsou dobře definované vlastnosti, které by se měly měnit pouze minimálně, a to i při opakovaném nasazení. Rozlišení kvasinek na spodně a svrchně kvasící je založeno zejména na jejich flokulačních vlastnostech. Jako spodní kvasinky jsou označováni zástupci druhu S. pastorianus, kteří se používají k výrobě piva typu ležák. Při použití spodních kvasinek probíhá hlavní kvašení v teplotním rozmezí 7–15 °C. V konečné fázi kvašení se kvasinky shlukují ve vločky a sedimentují na dně kvasné nádoby. Svrchní kvasinky, S. cerevisiae, jsou naopak po shluknutí vynášeny na hladinu, kde tvoří hustou „pěnu“. Teplotní rozmezí hlavního kvašení se pohybuje v širokém rozmezí teplot okolo 18–22 °C, jde o výrobu piva typu Ale, Porter, pšeničného piva, atd. (Basařová et al., 2010). Mezi další odlišnosti mezi spodními a svrchními kvasinkami patří např. drobné rozdíly v genetické informaci, různé chemické složení buněčné stěny, vyšší maximální teplota růstu u svrchních kvasinek, produkce různého spektra senzoricky aktivních látek (vedlejších produktů metabolizmu), atd. Povrchové vlastnosti a taxonomie pivovarských kvasinek Surface Characteristics and Taxonomy of Brewing Yeasts Jana KOPECKÁ1 , Dagmar MATOULKOVÁ2 , Miroslav NĚMEC1 1 Ústav experimentální biologie, Přírodovědecká fakulta, Masarykova Univerzita, Kotlářská 2, 611 37 Brno / Institut of Experimental Biology, Faculty of Science, Masaryk University, Kotlářská 2, 611 37, Brno, Czech Republic 2 Výzkumný ústav pivovarský a sladařský, a. s., Lípová 15, 120 44 Praha 2 / Research Institute of Brewing and Malting, Plc., Lípová 15, 120 44 Prague 2, Czech Republic e-mail: [email protected] Recenzovaný článek / Reviewed paper Kopecká, J. – Matoulková, D. – Němec, M.: Povrchové vlastnosti a taxonomie pivovarských kvasinek. Kvasny Prum. 60, 2014, č. 7–8, s. 182–190 Článek je rešerší zabývající se taxonomií pivovarských kvasinek, metodami jejich klasifikace a identifikace; zdůrazněna je hybridní povaha pivovarských kvasinek včetně souvisejících obtíží při jejich klasifikaci. Při klasifikaci pivovarských kvasinek se využívají zejména metody molekulární biologie, které sledují odlišnosti v chromozomové a mitochondriální DNA – genotypové metody. Na kombinaci těchto metod s fenotypovými a chemotaxonomickými metodami je založena polyfázová taxonomie kvasinek. Důležitým rysem pivovarských kvasinek jsou vlastnosti jejich povrchu, které mohou výrazně ovlivňovat flokulaci kvasinek. V článku jsou vysvětleny pojmy „flokulace“, „hydrofobicita“ a popsány faktory, které ovlivňují flokulaci kvasinek, a je podán přehled o metodách polyfázového přístupu v taxonomii pivovarských kvasinek. Kopecká, J. – Matoulková, D. – Němec, M.: Surface characteristics and taxonomy of brewing yeasts. Kvasny Prum. 60, 2014, No. 7–8, pp. 182–190 This study deals with the taxonomy of brewing yeasts, methods of their classification and identification. The hybrid character of brewing yeasts is highlighted, along with related problems in their classification. Molecular biology methods mostly used for the classification of brewing yeasts focus on the differences in chromosomal and mitochondrial DNA, i.e. genotyping. Polyphasic taxonomy of yeasts is based on a combination of genotypic, phenotypic and chemotaxonomic methods. An important feature of brewing yeasts is their cell surface characteristics, which could strongly affect yeast flocculation. The terms “flocculation” and “hydrophobicity” are elucidated, factors affecting flocculation are described and methods of the polyphasic approach in brewing yeast taxonomy are summarized. Kopecká, J. – Matoulková, D. – Němec, M.: Oberflächeneigenschaften und Taxonomie von Bierhefe. Kvasny Prum. 60, 2014, Nr. 7–8, S. 182–190 Der Artikel befasst sich mit der Taxonomie der Bierhefe und Methoden ihrer Klassifizierung und Identifizierung. Die hybride Natur der Bierhefe wird betont, einschließlich der damit verbundenen Schwierigkeiten in ihrer Klassifikation. Bei der Klassifizierung Bierhefe werden hauptsächlich genotypische Verfahren, d.h. molekularbiologische Methoden, die Unterschiede in Chromosom und mitochondrialer DNA beobachten, ausgenutzt. Die polyphasische Taxonomie von Hefen basiert auf der Kombination dieser Verfahren mit den phänotypischen und chemotaxonomischen Verfahren. Ein wichtiges Merkmal der Bierhefe sind die Eigenschaften ihrer Oberflächen, die das Ausflocken von Hefe wesentlich beeinflussen können. Der Artikel erklärt die Konzepte der „Flockung“, „Hydrophobizität“, beschreibt die Faktoren, die das Ausflocken von Hefe beeinflussen, und bietet eine Zusammenfassung der Methoden polyphasischer Taxonomie der Bierhefe. Keywords: brewing yeasts, flocculation, hydrophobicity, polyphasic taxonomy, Saccharomyces ■ 1 INTRODUCTION Industrial production of beer and homebrewing are based on directed application of yeasts, mostly of the genus Saccharomyces. Brewing yeasts are defined as culture yeasts producing bottom and top fermented beers. An important feature of standard production yeasts is production stability, i.e. well defined properties with minimum changes, even in the process of serial repitching. Differentiation of the yeasts to bottom and top fermenting is based mainly on their ability to flocculate. The representatives of species S. pastorianus are designated as bottom fermenting yeasts producing a lager type of beer. Fermentation performed with bottom fermenting yeast takes place in the temperature interval of 7–15 °C. Yeast cells form clumps and sediment at the bottom of the fermentation vessel at the end of fermentation. Top fermenting yeast, S. cerevisiae, rises after flocculation to medium surface and forms dense foam. Fermentation with top fermenting yeast takes place at 18–22 °C, and produces beers such as Ale, Porter, wheat beer, etc. (Basařová et al., 2010). Further differences between bottom and top fermenting yeasts include, e.g., small distinctions in genetic setup, chemical composition of the cell wall, higher maximum temperature of growth of top fermenting yeast, production of different spectra of sensorially active compounds (secondary products of metabolism), etc. 183 Kvasny prum. Povrchové vlastnosti a taxonomie pivovarských kvasinek 60/2014 (7–8) ■ 2 FLOKULACE Důležitou vlastností produkčních kmenů kvasinek je flokulace, protože usnadňuje účinně odstraňovat buňky kvasinek spolu s balastními látkami z fermentačního média a ulehčuje tak následné výrobní fáze, dokvašování a filtraci (Boulton a Quain, 2001). Flokulace je reverzibilní schopnost kvasinek shlukovat se a následně se rychle usazovat nebo stoupat k povrchu média. K flokulaci dochází obvykle na konci hlavního kvašení v pozdní logaritmické a stacionární fázi růstu (Miki et al., 1982; Stewart, 2009). Základní mechanizmus flokulace je interakce buněčných stěn kvasinek. V současné době je uznávána tzv. lektinová hypotéza, kdy se zymolektiny (též flokuliny) na povrchu buněčné stěny váží na cukernaté zbytky na buněčné stěně druhé buňky (Miki et al., 1982; Speers et al., 1998). Vápenaté ionty jsou s největší pravděpodobností přímo zapojeny v uhlovodíkové vazbě a neslouží k udržení správné konformace zymolektinů, jak se dříve předpokládalo (Veelders et al., 2010). Rozmanitost pivovarských kvasinek má ovšem za následek různé mechanizmy flokulace, které závisí nejen na jednotlivém kmeni kvasinek, ale také na podmínkách prostředí (Speers et al., 1993). Proces shlukování je ovlivněn celou řadou biologických, chemických i fyzikálních faktorů (obr. 1): genetická výbava kmene kvasinek, složení živného média, růstové podmínky, způsob kultivace, atd. Kategorie faktorů se dělí dle způsobů jejich působení, některé faktory mohou působit více než jedním mechanizmem (Verstrepen et al., 2003). Flokulace může být považována za jistý způsob sociálního chování, strategii dlouhodobého přežívání a ochranného mechanizmu, který chrání buňky před nepříznivým vnějším prostředím (Querol a Bond, 2009). Buňky jsou ve shlucích „namačkány“ těsně u sebe s minimálním mezibuněčným prostorem (obr. 2). Takže buňky uvnitř „floků“ jsou chráněny před působením chemických látek v médiu vnější vrstvou buněk (Smukalla et al., 2008). 2.1 Hydrofobicita Hydrofobicita buněčného povrchu je považována za jeden z klíčových faktorů flokulace kvasinek (Jin a Speers, 1998). Zvýšení počtu karboxylových skupin na povrchu buňky vede ke vzrůstu hydrofobicity až k limitní koncentraci, což má za následek nástup floObr. 1 Faktory ovlivňující flokulaci (Verstrepen et al., 2003, upraveno) ■ 2 FLOCCULATION Flocculation is an important property of production brewing yeast strains, because it effectively facilitates elimination of the cells together with ballast compounds from the fermentation medium and thereby also the downstream processes, secondary fermentation and filtration (Boulton and Quain, 2001). Flocculation is the reversible ability of the yeast cells to adhere in clumps, and then sediment rapidly at the bottom of the fermentation medium or rise to its surface. It appears spontaneously at the end of fermentation in late exponential or early stationary phase of growth (Miki et al., 1982; Stewart, 2009). The basic mechanism of flocculation is based on the interaction between yeast cell walls. The currently accepted explanation is the so-called lectin hypothesis according to which zymolectins (flocculins) on cell wall surface bind the sugar residues on surface cell walls of neighbouring cells (Miki et al., 1982; Speers et al., 1998). Calcium ions participate most likely directly in the carbon-carbon bond and do not serve to maintain the correct conformation of zymolectins, as formerly proposed (Veelders et al