Vekst, metabolisme og ølbrygging med melkesyrebakterier og gjær

Abstract

Ølbrygging er et håndverk forbundet med lange tradisjoner, med røtter tilbake til det 12. århundrets Europa. Før dagens mikrobiologiske teknikker ble oppfunnet var all øl spontangjæret med en kompleks sammensetning av ulike gjær- og bakteriestammer. I dag produseres fremdeles enkelte av disse ølsortene under navn som lambic, geuze eller Berliner weisse, og interessen for slike ølsorter har økt betraktelig de siste årene. Mange bryggerier benytter i dag kjente kulturer av gjær og melkesyrebakterier (MSB) i fermenteringen av moderne surøl. I denne oppgaven ble det mikrobiologiske mangfoldet på kornprøver undersøkt før og etter støping og germinering. Det ble undersøkt for likheter og forskjeller mellom tre byggsorter etter innhøsting fra fire ulike dyrkingssteder i Norge. Fra spiret korn ble MSB isolert og identifisert før enkelte stammer ble undersøkt nærmere i vekst- og metabolismeforsøk både som renkulturer og i blandingskulturer med gjærstammene Saccharomyces cervisiae og Brettanomyces bruxellensis. Det ble benyttet tradisjonelle fenotype metoder og molekylære teknikker som 16S rRNA sekvensering og Illumina MiSeq totalsekvensering for å undersøke og kartlegge mikrobiell diversitet på kornet. Videre ble det brygget en surøl-variant fermentert med nevnte gjær- og melkesyrebakteriestammer. Den mikrobiologiske analysen av kornet viste at klimatiske forhold kan ha påvirket mikrofloraen i noen grad mens kornsort ikke hadde innvirkning på mikrofloraen. Før germinering ble det påvist en stor andel Enterobacteriaceae, mens andelen MSB økte som følge av germineringen. Lagerassosiert sopp ble ikke registrert på kornet, mens feltsopp i tillegg til Tremellales var dominerende både før og etter spiring. Kornprøvene ble spiret i 4672 timer og et klart overtall av Leuconostoc ssp. ble isolert. Til vekstforsøk ble en stamme av Carnobacterium maltaromaticum og en stamme av Lactococcus lactis ssp. lactis valgt ut. I tillegg ble en stamme av Lactobacillus plantaum og en stamme av Lactobacillus brevis valgt ut fra KBMs stammekolleksjon. I vekstforsøk produserte C. maltaromaticum noe melkesyre (500 ppm) og etanol (56 ppm) i tillegg til store mengder acetoin (81 ppm), diacetyl (0,51 ppm) og enkelte aldehyder. Stammen ble ikke inkludert i surøl-poduksjon på grunn av diacetylproduksjon. De resterende MSB dannet mye melkesyre (1874-3970 ppm) og eddiksyre (16-290 ppm) men bidro i mindre grad til produksjon av flyktige komponenter. Melkesyrebakteriene påvirket ølet i hovedsak med et syrlig og friskt preg. Gjærstammene omformet acetoin og diacetyl produsert av MSB til 2,3butandiol som påvirker smaken på øl i mindre grad. Gjærstammen B. bruxellensis vokste saktere enn S. cerevisiae men produserte tilsvarende mengder av flyktige komponenter i pilotbrygget surøl.

Beer brewing is a traditional craft dating back to the 12. century in Europe. Prior to the microbiological techniques we have today, all beer was spontaneously fermented with a complex diversity of yeast and bacteria strains. Some of these beer varieties are still being produced today, under names like lambic, geuze or Berliner weisse, and the popularity of sour beer have escalated in recent years. Many breweries use known strains of yeast and lactic acid bacteria (LAB) in the fermentation process of modern sour beer. In this thesis, the microbiological diversity on barley grains were studied before and after germination of the grains. Similarities and differences between three barley cultivars harvested at four places in Norway were investigated. LAB was isolated and identified from germinated grains before some strains were studied further in growth and metabolism studies either as pure cultures or as mixed cultures with the yeast strains Saccharomyces cervisiae and Brettanomyces bruxellensis. Traditional microbiological and molecular biological methods like 16S rRNA sequencing and Illumina MiSeq massive parallel sequencing were used to study the microbial diversity on the grains. Further on, a variant of sour beer was fermented using the mentioned strains of yeast and LAB. The microbial analysis showed that the microflora on the grains may have been influenced by climate to some degree, while the microflora did not wary between the barley cultivars. Before germination, there were detected a large share of Enterobacteriaceae on the grains, while the share of LAB increased during germination. Storage associated fungi were not detected on the grains while field fungi in addition to Tremellales dominated the microflora before and after germination. After 46-72 hours of germination Leuconostoc ssp. was the most abundant LAB isolated. One strain of Carnobacterium maltaromaticum and one strain of Lactococcus lactis ssp. lactis were selected for the study of growth and metabolism, in addition to one strain of Lactobacillus plantaum and one strain of Lactobacillus brevis selected from KBMs strain collection. The C. maltaromaticum strain produced some lactic acid (500 ppm), some ethanol (56 ppm) and large amounts of acetoin (81 ppm), diacetyl (0,51 ppm) and certain aldehydes in the growth and metabolism studies. The strain was not included in the production of sour beer due to diacetyl production. The remaining LAB produced large amounts of lactic acid (1874-3970 ppm) and acetic acid (16-290 ppm) but they did not produce notable amounts of volatile compounds. The LAB strains contribution to the beer were mainly an acetic and fresh taste. The yeast strains metabolised acetoin and diacetyl produced by LAB to 2,3-butanediol, which does not affect beer taste to the same extent. The yeast strain B. bruxellensis grew slower than S. cerevisiae but produced equivalent amounts of volatile compounds in sour beer.