Modern sour beer production : mixed fermentations with yeast and lactic acid bacteria

Abstract

Traditional sour beers are produced by spontaneous, mixed fermentations where numerous yeast and bacterial species are involved. One of the traits that separate sour beers from other beers is the high concentration of organic acids (e.g. lactic acid) which results in reduced pH and increased acidic taste. Traditional production of sour beer is associated with several issues, including poor process control, lack of consistency in product quality and lengthy fermentation time-frames (1-3 years). The current PhD work is based on the notion that application of pure cultures of key microorganisms, responsible for important features resulting from spontaneous fermentations, can be used to produce sour beer in a rapid and highly controlled manner. The three papers/manuscripts presented in the current thesis explore different approaches for pure culture, mixed fermentations with Lactobacillus strains and Saccharomyces cerevisiae. In paper I, pre-fermentation with L. buchneri prior to yeast fermentation was tested for production of sour beer. Sour beers (pH 3.5-3.7) with high lactic acid concentrations (~1000 mg/L) were produced, within 3 weeks of fermentation. Although L. buchneri made a significant contribution to the metabolite composition of beer, the sensory influence of this did not surpass the influence obtained with chemical acidification. Resistance of three different Lactobacilli (L. brevis, L. plantarum and L. buchneri) to beer-related stress factors were explored in paper II, where co-fermentations with S. cerevisiae was evaluated for sour beer production. Sour beers (pH 3.6-3.8) with high lactic acid concentrations (~1800-2600 mg/L) were successfully produced within 3 weeks of fermentation. L. plantarum contributed to the sensory properties of beer by causing increased intensity in fruity odour and dried fruit odour, while the L. brevis fermented beer was assessed as sensory similar to a commercial sour beer in acidic taste and astringency. The Lactobacillus strain displaying the highest robustness towards beer-related stress in paper II (L. brevis) was used in paper III to explore secondary LAB fermentation in sour beer production. A specific substrate consisting of xylooligosaccharides (XOS) derived from birch wood was introduced in beer to expedite LAB fermentation. Sour beer was produced (pH 3.3-3.6) within 2-4 weeks containing lactic acid concentration of 1750-3900 mg/L. XOS induced secondary fermentation shifted multiple sensory properties significantly, and the produced XOS sour beer was assessed as sensory similar to a commercial sour beer in dried fruit odour, total flavour intensity, astringency and acidic taste. Based on the experiments presented in the current thesis, pre-fermentation, co-fermentation and secondary fermentation with LAB and yeast, all seem viable options for rapid production of sour beer with a high level of process control.

Tradisjonelle surøl vert produsert gjennom spontane, blanda fermenteringar der talrike artar av gjær og bakteriar deltek. Høgt innhald av organiske syrer (til dømes mjølkesyre) skil surøl frå andre ølslag, og fører til låg pH og høg sursmak. Fleire problem er knytt til tradisjonell produksjon av surøl, blant anna dårleg prosesskontroll, ujamn produktkvalitet og svært langvarige fermenteringar (1-3 år). Arbeidet bak denne doktorgradsavhandlinga, spring ut frå ein tanke om at det kan vere mogleg å produsere surøl raskt og med høg prosesskontroll. Dette ved å nytte reinkulturar av nøkkelmikroorganismar som er ansvarlege for viktige eigenskapar ved tradisjonelt surøl. Dei tre inkluderte artiklane/manuskripta, utforskar ulike tilnærmingar for blanda fermenteringar med reinkulturar der ulike Lactobacillus stammar er nytta saman med Saccharomyces cerevisiae. I artikkel I, vert pre-fermentering med L. buchneri før gjæring, nytta for produksjon av surøl. Surøl (pH 3.5-3.7) med høgt mjølkesyreinnhald (~1000 mg/L) vart laga. Fermenteringa tok 3 veker. L. buchneri bidrog signifikant til samansetjinga av metabolske produkt og smakseigenskapar, men tilsats av mjølkesyre hadde liknande smakseffektar som fermentering med L. buchneri. I artikkel II, vart motstandsevna til tre Lactobacillar (L. brevis, L. plantarum og L. buchneri) testa. Mjølkesyrebakteriane vart utsette for ulike stressfaktorar knytt til øl, og co-fermentering med S. cerevisiae vart nytta for produksjon av surøl. Surøl (pH 3.6-3.8) med høgt innhald av mjølkesyre (~1800-2600 mg/L) vart produsert etter 3 veker med fermentering. L. plantarum bidrog til ølsmaken ved å auke fruktlukt og lukt av tørka frukt. Ølet produsert ved co-fermentering med L. brevis vart vurdert som liknande eit kommersielt surøl i sursmak og astringens. I artikkel III, vart den mest robuste mjølkesyrebakterien (L. brevis) nytta for å undersøkje sekundærfermentering med mjølkesyrebakteriar i produksjon av surøl. Xylooligosakkarider (XOS) frå bjørk vart blanda inn i øl for å fremja mjølkesyrefermentering. Etter 2-4 veker var surøl (pH 3.3-3.6) med mjølkesyreinnhald mellom 1750 og 3900 mg/L produsert. Sekundærfermenteringa med XOS førte til endra intensitet i fleire sensoriske eigenskapar, og det produserte XOS surølet vart vurdert som liknande eit kommersielt surøl i lukt av tørka frukt, total smaksintensitet, astringens og sursmak. Basert på forsøka som er lagt fram i denne avhandlinga, er det mogleg å lage surøl ved å nytte pre-fermentering, co-fermentering og sekundærfermentering med gjær og mjølkesyrebakteriar.