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Title (Primary) Functional properties of lager brewing yeast cells in industrial repitching processes
Author Bühligen, F.;
Year 2014
Department UMB;
Language englisch;
POF III (all) R31;
Abstract Brewing beer is probably mankind’s oldest biotechnology. According to the German purity law only four ingredients – water, barley malt, hops and yeast – are allowed for the production of beer. All ingredients considerably influence the quality of the beer, whereas the yeasts are the main driving force in the brewing process. Brewers reported that during serial repitching which is the successive reuse of yeast cells for several consecutive runs (successive batch processes), yeast cells showed signs of degeneration, aging and/or loss of flocculation. The brewers did not know when loss of flocculation and/or degeneration of the yeast cells would happen. That is detrimental as it would lead to an enormous loss of resources as a cylindro-conical vessel (CCVs) used in a medium-sized brewery has a volume of about 2600 hl (= 520,000 bottles of beer). Therefore, brewers avoid prolonged serial repitching with more than one to three runs, although the frequent reuse of yeast cells is time and resource saving and therefore cost effective for each brewery instead of propagating yeast cells for nearly every run. A staining of mannose and glucose structures in the yeast cell surface with different labeled lectins followed by flow cytometry analysis offered a fast and simple method to quantify the amount of powdery and flocculent yeast in a defined mixed suspension under limited cultivation conditions. However, under industrial conditions the application of gene and protein expression profiles was necessary to differentiate between powdery and flocculent yeast cells. Moreover, the flocculin protein Lg-Flo1p was for the first time identified and highlighted in a yeast strain. In a second study the gene expression analysis, approved by quantitative real-time PCR experiments, of Saccharomyces pastorianus HEBRU in one brewery under industrial conditions showed a surprising stability in marker gene expression even during serial repitching with 20 successive runs. No loss in the expression of flocculation genes, advanced aging or loss of other prominent physiological characteristics was identified. In contrast, yeast cells were able to respond to changes in the abiotic environment like elevated stress levels due to increased amounts aerated wort. Hence, cells of Saccharomyces pastorianus HEBRU showed an up-regulation of antioxidant encoding genes. After all, beer with a constant quality was produced throughout several serial repitching processes. Additionally, in three different breweries with different abiotic backgrounds the analysis of the replicative age with different methods (gene expression analysis, bud scar counting, cell size and cell cycle analysis, live-dead measurements) revealed no signs for a progressive aging of cells of the yeast strain Saccharomyces pastorianus HEBRU during serial repitching with up to 17 successive runs. Therefore, prolonged serial repitching should not be any more avoided by the brewers as it is resource saving, time and cost effective.

Die Bierherstellung gehört wahrscheinlich zu den ältesten Biotechnologien der Menschheit. Nach dem deutschen Reinheitsgebot dürfen dafür nur vier Zutaten verwendet werden – Wasser, Gersten- oder Weizenmalz, Hopfen und Hefe. Alle Zutaten haben dabei einen erheblichen Einfluss auf die Qualität des Bieres, wobei die Hefezellen die Hauptakteure im Brauprozess sind. Die Art des Hefestammes, die Menge der Hefezellen und ihre Aktivität beeinflussen den Gärverlauf entscheidend. Vor allem junge und aktive Hefezellen sind für die Herstellung gleichbleibend hochqualitativen Bieres nötig. Obwohl schon seit tausenden von Jahren Bier hergestellt wird, hat man bis heute noch nicht alle Vorgänge während des Brauprozesses komplett verstanden. Vor allem bei der Aktivität der Hefezellen, die unverzichtbar ist für die Umsetzung von Kohlenhydraten der Würze zu Alkohol und Kohlenstoffdioxid, kann es vorkommen, dass diese sich während des Brauprozesses verändert. Die Brauer können nicht vorhersagen wann eine verringerte Gäraktivität eintritt. Speziell während des Einsatzes der Hefen in mehreren aufeinander folgenden Gärungen (Führungen) wurden eine nachlassende Gäraktivität und/oder ein Flokkulationsverlust durch die Brauer beobachtet. Unter Flokkulation versteht man die reversible Aggregation von Hefezellen in Flocken. Eine zeitlich genau abgestimmte Flokkulation am Ende einer Führung führt zur Sedimentation fast aller in Schwebe befindlichen Hefezellen. Damit erhalten die Brauer ein relativ klares Jungbier. Ein größerer Aufwand, um das Bier zu filtern, entfällt. Da ein Gärtank in einer mittelständischen Brauerei ein Fassungsvermögen von ca. 2600 hl hat, dies entspricht 520.000 Flaschen Bier, kann es enorme Einbußen an Rohstoffen und Energie haben, wenn die Hefen zunehmend in einen inaktiven Zustand geraten. Außerdem führt der Einsatz von Hefen mit geringer Gäraktivität und schlechterem Flokkulationsverhalten zu einer Verlängerung des Gärprozesses bei gleichzeitiger Verschlechterung der Bierqualität. Deshalb vermeiden Brauer ein zu häufiges Wiederverwenden von Hefen in mehreren Führungen. In der Regel werden die Bierhefen nur für ein bis drei Führungen verwendet. Dabei ist die häufigere Wiederverwendung im Vergleich zur Propagation (= Hefeanzucht) für fast jede neue Führung eine sehr zeit-, energie- und rohstoffsparende Methode.
ID 18431
Persistent UFZ Identifier https://www.ufz.de/index.php?en=20939&ufzPublicationIdentifier=18431
Bühligen, F. (2014):
Functional properties of lager brewing yeast cells in industrial repitching processes
Dissertation, Universität Leipzig, Fakultät für Biowissenschaften, Pharmazie und Psychologie
118 pp.