Nye strategier for produksjon av surøl

Abstract

I løpet av det siste tiåret har antallet mikrobryggerier økt, samtidig som at interessen for spesialøl blant befolkningen har vokst. Tradisjonell belgisk surølproduksjon er en tidkrevende prosess, som involverer mange forskjellige mikroorganismer. Dette gir surølproduktet en kompleks smak, sammenlignet med metoder for brygging som bruker renkulturer av gjær og melkesyrebakterier. Fermentering med renkulturer av melkesyre bakterier og gjær er en framgangsmåte som likevel brukes blant norske surølprodusenter, da det er utfordrende å gjenskape forholdene som ligger til rette for tradisjonell surølproduksjon. Målet for dette prosjektet var derfor å teste forskjellige strategier for å kunne produsere et mer komplekst surølprodukt med fokus på sammensetningen av råmaterialer, gjær og melkesyrebakterier, på en mer kontrollert og mindre tidkrevende måte, sammenlignet med tradisjonell surølproduksjon. I løpet av en periode på et halvt år ble det gjennomført åtte forskjellige fermenteringsforsøk med L.brevis og S. cerevisiae. Fermentering av ren glukose og maltekstrakt fungerte som forventet med både L. brevis og S. cerevisiae. I tillegg dannet fermentering av xylose med L. brevis, melkesyre og eddiksyre etter teorien. Videre ble det gått bort i fra bruken av laktose til fermentering med L. brevis, ettersom resultatene tydet på at stammen av L. brevis ikke kunne nyttiggjøre seg av laktose. I forsøk med fermentering av xylose i forskjellige utgangskonsentrasjoner i en uke med L. brevis, viste det seg at all xylose ble forbrukt for utgangskonsentrasjoner på 12 g/L xylose eller lavere. pH under fermentering viste seg også å påvirke forbruket av xylose til en viss grad. Ved senking av pH til 3 før fermentering ble det forbrukt 13,7% mindre xylose og produsert 18,3 % mindre eddiksyre og melkesyre sammenlignet med fermentering uten senking av pH. Resultater tydet også på at det produseres fermenteringsprodukter fra fermentering med bare YE/YNB/pepton-medie, men verdiene var lave og det ble antatt at det ikke påvirket resultatene i særlig grad. Vekstkurver for L. brevis og S. cerevisiae ved anaerob og aerobfermentering av glukose (50 g/L) viste at veksten stagnerte etter 25 timer for alle paralleller, foruten aerob fermentering med L. brevis, hvor veksten ikke stagnerte i løpet av den totale fermenteringstiden på 147 timer. Vekstkurvene ga verdifull informasjon om hvordan veksten til gjær og melkesyrebakteriene utvikler seg over tid og hvor lang tid det tar før kulturene inntar forskjellige vekstfaser. Kofermentering med L. brevis og S.cerevisae i medie betående av maltekstrakt (50 g/L) og xylose (5 g/L) som karbonkilde, ble gjennomført i den hensikt å oppnå konsentrasjoner på 8 g/L melkesyre og 2 g/L eddiksyre etter fermentering. Prøvene viste lave konsentrasjoner av melkesyre og eddiksyre, ettersom en liten andel av xylosen var forbrukt under fermentering. Det ble videre konkludert med at bruken av maltekstrakt og glukose i medie i tillegg til xylose ved fermentering med L. brevis, ser ut til å senke forbruket av xylose. Bruken av maltekstrakt gir i tillegg analytiske utfordringer da det gir støy på kromatogrammene. Forsøk med bruk av maltekstrakt ved kofermentering er dermed utfordrende både eksperimentelt og analytisk, og det hadde derfor vært hensiktsmessig å bruke ren glukose. Tidsserie av prefermentering med L. brevis, før fermentering med S. cerevisiae ble også gjennomført med medium bestående av glukose (50 g/L) og xylose (5 g/L). Resultatene viste en klar trend for konsentrasjon av eddiksyre og melkesyre, men konsentrasjonene nådde ikke 2 g/L eddiksyre og 8 g/L melkesyre som ønsket etter 36 timer. Kontroll med bare L. brevis nådde derimot ønsket konsentrasjon av eddiksyre, men ikke melkesyre. En tilnærming for å oppnå ønsket konsentrasjon av melkesyre kunne vært lengre prefermenteringstid. Disse resultatene, samt resultatene fra kofermentering, er likevel lovende. Med ytterligere forsøk med tilpasninger er det rimelig å anta at det er mulig å oppnå ønskede konsentrasjoner av fermenteringsprodukter ved prefermentering og kofermentering av glukose og xylose med L. brevis og S. cerevisiae.

Over the past decade, there has been an increased demand and interest for specialty beers, and a rapid growth of microbreweries. These breweries face challenges in producing sour beer, as the Traditional Belgian method is time-consuming and requires a diversity of microorganisms. Nevertheless, this method enhances the complexity of the beer in comparison to production based on pure yeast cultures and lactic acid bacteria. The latter method is contemporary and commonly used among Norwegian sour beer producers as facilitating the conditions for traditional production is challenging. The aim of this project was therefore to test different strategies to produce a more complex sour beer product with a focus on the composition of raw materials; yeast and lactic acid bacteria, in a controlled and time-efficient way.

Eight fermentation experiments with L. brevis and S. cerevisiae were conducted over a period of six months. Fermentation of pure glucose and malt extract worked as expected with both microorganisms. In addition, fermentation of xylose with L. brevis formed lactic acid and acetic acid aligning with the theory. Furthermore, the use of lactose for fermentation with L. brevis was abandoned, as the results indicated that the strain of L. brevis could not utilize lactose. To assure that the fermentation products are a result of fermentation of the desired carbon sources, an experiment was carried out by addressing fermentation products solely based on the fermentation medium consisting of YE/YNB/peptone. The results from this experiment indicated that the medium did not significantly affect the results, as the concentration of fermentation products was low.

A week-long fermentation experiment with L. brevis using different starting concentra- tions of xylose found that the required initial concentration for total consumption was 12 g/L or less. In addition, could it be seen that the consumption of xylose was affected by the pH. It was, for instance, found that by lowering the pH to 3 before fermentation, 13.7 % less xylose was consumed, and 18.3 % less acetic acid and lactic acid were produced compared to fermentation without pH lowering. Growth curves of both anaerobic and aerobic fermentation of glucose (50 g/L) by L. brevis and S. cerevisiae stagnated after 25 hours for all parallels, except for the aerobic fermentation with L. brevis, where stagnation was not observed during the total ferment- ation time of 147 hours. The growth curves provided valuable information on how the growth of yeast and lactic acid bacteria develops over time and the time required for the cultures to enter different growth phases.

There has also been carried out experiments to obtain concentrations of 8 g/L lactic acid and 2 g/L acetic acid post-fermentation, by a mixed fermentation process with L. brevis and S. cerevisiae in a media consisting of malt extract (50 g/L) and xylose (5 g/L) as carbon source. However, as only a small proportion of the xylose was consumed during fermentation, the post-fermentation concentrations of lactic acid and acetic acid were low. It is further concluded that the use of malt extract and glucose in media in addition to xylose in fermentation with L. brevis, appears to lower the consumption of xylose by L. brevis. The use of malt extract also presents analytical challenges as it causes noise on the chromatograms. In addition, it was difficult to quantify and distinguish between the various components of malt extract that we are interested in with the chromato- graphic method applied. Experiments with the use of malt extract in co-fermentation are thus challenging both experimentally and analytically, and it might therefore have been appropriate to use pure glucose.

Experiments have also been carried out to obtain concentrations of 8 g/L lactic acid and 2 g/L acetic acid post-fermentation by a mixed fermentation process with L. brevis and S. cerevisiae in a media consisting of malt extract (50 g/L) and xylose (5 g/L) as carbon source. However, as only a small proportion of the xylose was consumed during fermentation, the post-fermentation concentrations of lactic acid and acetic acid were low. It is further concluded that the use of malt extract and glucose in the medium in addition to xylose in fermentation with L. brevis, appears to lower the consumption of xylose by L. brevis. The use of malt extract also presents analytical challenges as it causes noise on the chromatograms. Experiments using malt extract in co-fermentation are thus challenging both experimentally and analytically. Furthermore, a time series of prefermentation with L. brevis and fermentation with S. cerevisiae, was carried out with a medium consisting of glucose (50 g/L) and xylose (5 g/L). The results showed a clear trend for the concentration of acetic acid and lactic acid, but the concentrations did not reach 2 g/L acetic acid and 8 g/L lactic acid as desired. The control with just L. brevis reached the desired concentrations of acetic acid, but not lactic acid. A prefermentation time longer than 36 hours could be an approach to achieve the desired concentration of lactic acid. These results, as well as the results from the co-fermentation, are nevertheless promising. With further experiments, with the given adaptations, it is reasonable to assume that it is possible to obtain the desired concentrations of fermentation products by prefermentation and mixed fermentation of glucose and xylose with L. brevis and S. cerevisiae.