Evaluación de perfiles de compuestos volátiles y propiedades sensoriales de cervezas oscuras y pálidas fermentadas por diferentes cepas de levadura cervecera.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 6725 (2023) Citar este artículo

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Para evaluar las diferencias en el perfil de compuestos volátiles de cervezas oscuras y pálidas fermentadas con diferentes cepas de levadura de cerveza, se llevó a cabo cromatografía de gases con detección de ionización de llama y análisis de espectrometría de masas por cromatografía de gases de ocho cervezas. El grupo de compuestos predominante en todas las cervezas analizadas fueron los alcoholes (56,41-72,17%), seguidos de los ésteres (14,58-20,82%), aldehídos (8,35-20,52%), terpenos y terpenoides (1,22-6,57%) y cetonas (0,42%). –1,00%). Los alcoholes superiores dominantes fueron el 2-metilpropan-1-ol, el 3-metilbutanol, el alcohol fenetílico, entre los aldehídos furfural, decanal, nonanal y entre los ésteres acetato de etilo, acetato de feniletilo y acetato de isoamilo. Cervezas fermentadas con la levadura de alta fermentación Saccharomyces cerevisiae var. diastaticus tuvo el mayor contenido volátil. La adición de malta oscura en el proceso de producción del mosto no tuvo efecto sobre el contenido total de volátiles, pero para algunas cervezas provocó cambios en el contenido total de ésteres, terpenos y terpenoides. Las variaciones en el contenido total de volátiles entre cervezas fermentadas con diferentes cepas de levadura se deben principalmente a los ésteres y alcoholes identificados. El análisis sensorial de cervezas permitió identificar las características afectadas por la adición de maltas especiales oscuras en la producción de mosto y cepas de levadura utilizadas en el proceso de fermentación.

El sabor y el aroma son factores importantes que moldean la percepción de los consumidores sobre la cerveza1,2,3. Las principales materias primas cerveceras son el agua, la malta y el lúpulo. La malta es una fuente de compuestos de sabor a cereal, malta, caramelo o tostado. El lúpulo, a su vez, añade notas cítricas, frutales o herbales frescas a la cerveza. Un factor igualmente importante que afecta la calidad de la cerveza es la cepa de levadura de cerveza utilizada en el proceso tecnológico4,5. Durante la fermentación, además del etanol y el dióxido de carbono, la levadura produce una serie de subproductos que hacen que el perfil aromático de la cerveza sea más complejo en comparación con el del mosto6. Por lo tanto, puede considerarse como un método natural de mejora del sabor y el aroma: el biosaborizante, que implica el uso de microorganismos para mejorar la calidad sensorial7.

Las materias primas de elaboración de la cerveza y las condiciones del proceso tecnológico influyen en la composición química de la cerveza, que determina su sabor, aroma y color3,6,8,9. Las características sensoriales dependen de las materias primas y del proceso de fermentación1,2,3. Durante el procesamiento térmico de la malta, el puré y el mosto se producen reacciones de Maillard, caramelización y pirólisis8. Las reacciones de pardeamiento no enzimáticas implican una serie de transformaciones entre azúcares reductores y aminoácidos. Ambos grupos de compuestos son clave en los procesos metabólicos de la levadura, por lo que una reducción en su disponibilidad es motivo de cambios en el curso de la fermentación. Los compuestos generados durante el tratamiento térmico también tienen un efecto directo sobre el metabolismo de los microorganismos al inhibir la actividad de las enzimas implicadas en la vía de la fermentación alcohólica. La fermentación de mostos oscuros ricos en la reacción de Maillard y productos de caramelización da como resultado cervezas con un perfil de volátiles diferente al de las cervezas pálidas2,8. Las maltas especiales utilizadas en la producción de estilos de cerveza oscura introducen en la cerveza compuestos con efectos inhibidores sobre el metabolismo de la levadura (furfural, 5-hidroximetilfurfural y melanoidinas)5,10,11. Se ha demostrado que el furfural y el 5-hidroximetilfurfural inhiben la actividad de la enzima glicolítica e inducen daño al ADN celular12,13. Además, también inhiben la actividad de la piruvato deshidrogenasa y la aldehído deshidrogenasa, que son necesarias para la síntesis de alcoholes superiores a partir de aminoácidos (vía de Ehrlich)5. Los productos finales de la reacción de Maillard son las melanoidinas macromoleculares. Exhiben propiedades quelantes de los iones de magnesio, que desempeñan un papel clave en el metabolismo de la levadura debido a su participación como cofactores de reacciones enzimáticas. Además, contrarrestan los efectos del estrés celular y participan en la expresión genética, el crecimiento y la proliferación de células de levadura5,10,13. Estos efectos sobre los procesos metabólicos pueden ser la causa de cambios en el contenido de subproductos volátiles de la fermentación. Aunque se demostró que los compuestos de la reacción de Maillard afectan la síntesis de compuestos de sabor clave por parte de la levadura, hay información limitada en la literatura sobre el efecto del uso de maltas especiales oscuras en la fermentación por diferentes cepas de levadura cervecera, incluidas las no convencionales: Saccharomyces cerevisiae tipo kveik y Saccharomyces. cerevisiae var. diastático.

El propósito de este estudio fue analizar el efecto de las maltas especiales oscuras y la cepa de levadura de cerveza sobre el perfil de compuestos volátiles y las características sensoriales de las cervezas. La novedad de la investigación fue la comparación del perfil de compuestos volátiles y los resultados de la evaluación sensorial de cervezas fermentadas con cepas de levadura cervecera clásicas de alta y baja fermentación, así como cepas de levadura no convencionales en la fermentación con etanol de mosto pálido y oscuro elaborado con la adición de malta oscura especial. Los resultados de esta investigación han permitido ampliar el conocimiento actual en el diseño de propiedades sensoriales de bebidas fermentadas a través de la selección de material biológico, lo que puede contribuir a aumentar el atractivo sensorial de los productos alimenticios. Además, nuestra investigación ha identificado el potencial para el uso de la levadura Saccharomyces cerevisiae tipo kveik y Saccharomyces cerevisiae var. diastaticus en la producción de cervezas oscuras, lo cual no ha sido estudiado previamente. El material experimental consistió en cervezas oscuras y pálidas fermentadas por levaduras de fermentación baja Saccharomyces pastorianus y Saccharomyces cerevisiae de fermentación alta, incluida la levadura cervecera no convencional tipo kveik y Saccharomyces cerevisiae ver. levadura diastática. El perfil de compuestos volátiles se analizó mediante cromatografía de gases con detección de ionización de llama (GC-FID) y espectrometría de masas por cromatografía de gases (GC-MS). Los atributos sensoriales de las cervezas fueron evaluados mediante un cuestionario patentado por panelistas capacitados en análisis sensorial.

En nuestra investigación, sometimos cervezas pálidas y oscuras elaboradas con diferentes cepas de levadura cervecera de fermentación alta (ale) y de fermentación baja (lager) a un análisis cromatográfico exhaustivo. La Tabla 1 muestra el contenido total de alcoholes superiores, ésteres, aldehídos, terpenos y terpenoides, cetonas y otros compuestos en las cervezas. Se utilizaron los métodos GC-FID (Tabla 2) y GC-MS (Tablas 3 y 4) para evaluar el contenido de 58 compuestos volátiles: 16 alcoholes superiores, 15 ésteres, 9 aldehídos, 4 cetonas, 1 ácido graso, 1 epóxido, 1 alcano y 1 dieno. La proporción de grupos químicos en el perfil de compuestos volátiles de las cervezas se muestra en la Tabla 1. El grupo dominante de compuestos en todas las cervezas analizadas fueron los alcoholes (56,41–72,17%), seguidos de los ésteres (14,58–20,82%), los aldehídos ( 8,35–20,52%), terpenos y terpenoides (1,22–6,57%) y cetonas (0,42–1,00%).

Cervezas fermentadas por Saccharomyces cerevisiae var. diastaticus (SAP y SAD) tuvieron el mayor contenido total de volátiles (TV). Las cervezas de fermentación alta S04P y S04D también se caracterizaron por valores altos de TV, mientras que las cervezas de fermentación baja S23P y S23D mostraron los valores de TV más bajos. La adición de maltas oscuras en la producción de mosto no tuvo un efecto estadísticamente significativo (P < 0,05) sobre el contenido volátil total, pero fue la causa de diferencias en el contenido de ésteres en cervezas fermentadas por Saccharomyces cerevisiae (S04), Saccharomyces cerevisiae var. diastaticus (SA) y terpenos y terpenoides en cervezas fermentadas por levaduras S04 y Saccharomyces pastorianus (S23). Las cervezas oscuras tuvieron mayor contenido de ésteres en las muestras fermentadas con levadura SO4 y SA. El contenido de cetonas no difirió entre variantes. Por el contrario, el contenido de terpenos y terpenoides fue significativamente mayor en las cervezas pálidas que en las cervezas oscuras fermentadas por la cepa S04, S23 y Saccharomyces cerevisiae tipo kveik (KV). Los microorganismos utilizados en la fermentación diferencian fuertemente las composiciones de los compuestos volátiles de las cervezas. En promedio, las cervezas ale S04P y S04D contenían 1,5 veces más volátiles totales, 1,8 veces más aldehídos y 1,7 veces más ésteres en comparación con las cervezas lager S23P y S23D. También se observó una diferencia al comparar SAP y SAD con las clásicas cervezas de baja fermentación S23P y S23D. Cervezas elaboradas con S. cerevisiae var. diastaticus contenía más de 2 veces más TV, con 2,2 veces más ésteres y 2 veces más alcoholes superiores que las cervezas lager.

Un factor clave en la configuración del perfil aromático de las cervezas es la cepa de levadura utilizada en el proceso de fermentación alcohólica5. Los compuestos volátiles que dan forma al aroma de la cerveza se forman como subproductos durante la transformación metabólica de los componentes del mosto, mediante la cual las células de levadura reciben los compuestos necesarios para su crecimiento y desarrollo (aminoácidos, proteínas, ácidos nucleicos, lípidos y otros). )11. Las levaduras de alta fermentación producen una mayor cantidad total de compuestos volátiles que las levaduras de baja fermentación. Además, las levaduras ale pueden formar más ésteres y alcoholes superiores que la levadura lager, lo que también se confirmó en nuestro estudio9. Castro et al.4 observaron que el contenido volátil en las cervezas aumenta al aumentar la temperatura de fermentación. Cada cerveza fermentada por la cepa de levadura de fermentación superior, con una temperatura óptima de fermentación más alta (SO4, KV y SA), tenía una mayor cantidad total de compuestos volátiles identificados. Lasanta et al.14 confirmaron que realizar la fermentación a temperaturas más altas conduce a cervezas con concentraciones más altas de compuestos volátiles, incluidos alcoholes superiores que pueden convertirse en ésteres.

El contenido de compuestos coloreados de la reacción de Maillard afecta las propiedades sensoriales de las cervezas directamente a través de la actividad sensorial de los químicos generados y al afectar el perfil de los productos del metabolismo de la levadura. Dack et al.5 demostraron que durante la fermentación de mostos oscuros, la levadura produce más alcoholes superiores y menos ésteres que durante la fermentación de mostos pálidos. Atribuyeron la menor síntesis de ésteres a una reducción en la actividad enzimática o a la expresión de genes relacionados con la síntesis de ésteres5. En nuestra investigación, se demostró una diferencia significativa (P <0,05) en el contenido total de ésteres entre la cerveza pálida y oscura elaborada con la misma cepa de levadura para S04, así como para SA. Se puede suponer que el efecto de los compuestos colorantes de la malta sobre la biosíntesis de volátiles dependía de la cepa de levadura utilizada en la fermentación.

Las tablas 2, 3, 4 muestran los resultados de los análisis de cervezas mediante métodos de cromatografía de gases (GC-FID y GC-MS). Durante la fermentación se forman simultáneamente alcoholes superiores y ésteres como subproductos15. De los compuestos identificados, los productos dominantes, independientemente de la cepa de levadura y el mosto, entre los alcoholes superiores fueron 3-metilbutanol (11,46–37,52 mg/L), 2-metilpropan-1-ol (6,37–21,84 mg/L) y alcohol fenetílico (4,93 a 20,15 mg/l). Estos son los principales alcoholes superiores en el perfil aromático de las cervezas fermentadas con levadura Saccharomyces11,16. Identificamos entre 13 y 16 alcoholes superiores en las cervezas. En S04D y KVD se identificaron más alcoholes superiores que en las correspondientes cervezas pálidas. Dack et al.5 confirman las diferencias en el contenido de alcoholes superiores en cervezas fermentadas con diferentes cepas de levadura. Los nutrientes clave para la levadura en el mosto son los carbohidratos y los aminoácidos. El contenido de aminoácidos está estrechamente relacionado con las características sensoriales de las cervezas a través de su participación en la síntesis de alcoholes superiores por levaduras3. Además, participan en las reacciones de Maillard. Debido al uso de maltas oscuras, cuya tecnología de producción incluye un tratamiento térmico más intensivo, los mostos oscuros contienen menos aminoácidos que los pálidos5. Podría dar como resultado la reducción de alcoholes superiores en las cervezas oscuras. Sin embargo, en nuestra investigación, no confirmamos el efecto del uso de malta especial oscura sobre el contenido total de alcoholes superiores. Los alcoholes superiores afectan directamente las cualidades sensoriales del producto y también son precursores de la síntesis de ésteres, que son compuestos altamente aromatizantes en la cerveza11. Son una parte importante de la composición aromática de la cerveza, pero también pueden afectar negativamente a la calidad. Incluso si los compuestos individuales de las cervezas analizadas están por debajo de sus umbrales sensoriales, pueden afectar el perfil sensorial de las cervezas a través del efecto sinérgico de los componentes volátiles3. Tanto la composición como la proporción de alcoholes superiores son importantes a la hora de determinar la calidad de la cerveza15.

Los ésteres son un grupo crucial de compuestos que dan forma al aroma de la cerveza. Se forman durante la fermentación y el almacenamiento y se originan a partir de conos de lúpulo17. No sólo las materias primas cerveceras son la fuente de ésteres en la cerveza, sino que también son sintetizadas durante la fermentación por la levadura5,17. En concentraciones apropiadas, pueden impartir notas frutales y florales deseables a la cerveza. La síntesis de ésteres por levaduras está relacionada tanto con transformaciones durante el crecimiento de la levadura y el metabolismo de las grasas, como también durante la fermentación. Entre los ésteres de cerveza, podemos distinguir un grupo de ésteres de acetato (acetato de etilo, acetato de isoamilo, acetato de feniletilo) y ésteres etílicos (hexanoato de etilo, octanoato de etilo y decanoato de etilo). Los ésteres pueden penetrar las membranas de las células de levadura y permear la cerveza, por lo que se observa un aumento de su contenido durante la fermentación11. Entre los ésteres de las cervezas que analizamos, detectamos acetato de etilo (6,01–20,07 mg/L), acetato de fenetilo (1,81–7,03 mg/L), octanoato de etilo (0,62–1,44 m/L) y acetato de isoamilo (0,54–1,05 mg/L) en las concentraciones más altas. Lasanta et al.14 encontraron que el contenido de acetato de feniletilo en cervezas fermentadas a temperaturas más altas, independientemente de la cepa de levadura probada, era significativamente mayor en comparación con las cervezas fermentadas a temperaturas más bajas. Nuestros resultados confirmaron que el acetato de feniletilo era uno de los principales ésteres de la cerveza. Además, observamos que las cervezas que fueron fermentadas con levadura S04 (a 18 °C) contenían la mayor cantidad de acetato de feniletilo (hasta casi 4 veces más) entre las cervezas analizadas. Por el contrario, la alta temperatura (35 °C) de fermentación por la levadura Saccharomyces cerevisiae kveik no aumentó el contenido de acetato de fenilo en las cervezas. El contenido de compuestos volátiles de las cervezas se ve afectado por la cepa de levadura utilizada y la temperatura de fermentación14.

Los compuestos carbonílicos en la cerveza se identifican en cantidades relativamente menores que los otros químicos discutidos. Se forman como productos de la reacción de Maillard (incluida la degradación de Strecker), por oxidación de lípidos durante la producción de mosto y como producto intermedio durante la ruta de conversión de aminoácidos en alcoholes. Uno de los aldehídos más importantes determinados en la cerveza es el acetaldehído, que actúa como intermediario en la conversión de glucosa a etanol durante la fermentación11. En las cervezas analizadas, furfural (2,60–7,77 mg/L), decanal (1,79–5,61 mg/L), nonanal (1,42–2,79 mg/L) y acetaldehído dietilacetal (0,56–2,23 mg/L) fueron los aldehídos más abundantes. . Entre las cetonas, predominaron la 6-metil-5-hepten-2-ona (0,11 a 0,28 mg/l) y la nerilacetona (0,11 a 0,69 mg/l). El contenido de furfural de la cerveza aumenta al aumentar el tiempo de almacenamiento, por lo que es un indicador importante utilizado para analizar el envejecimiento de la cerveza19,20. El aumento de la concentración de furfural en las cervezas durante el envejecimiento depende de las condiciones de almacenamiento y puede ser hasta 50 veces mayor21.

Los compuestos carbonílicos son un indicador importante del envejecimiento de la cerveza. Entre los más relevantes se encuentran el 2-furfural (formado por la reacción de Maillard durante el almacenamiento) y el 2-metilpropanal, 2-metilbutanal, 3-metilbutanal y 2-fenilacetaldehído, que son productos de la degradación de Stecker o de la oxidación de alcoholes superiores22. En nuestras cervezas, de los aldehídos antes mencionados, identificamos solo furfural (2,60-7,77 mg/L). Las cervezas oscuras y pálidas fermentadas con las cepas de levadura S04, S23 y KV no difirieron estadísticamente (P <0,05) en el contenido de furfural. Sin embargo, el nivel observado de este aldehído fue alto en comparación con su contenido en cervezas analizadas por otros autores. Čejka et al.22 determinaron que el contenido de furfural en las cervezas era de 5,2 a 452 µg/L, mientras que Li et al.20 observaron 0,4–1,91 µg/L de furfural en cerveza fresca y un aumento de hasta un 470% durante el almacenamiento. Se identificó un mayor contenido de furfural en el mosto oscuro que en el pálido. Gibson et al.23 encontraron que independientemente del uso de maltas oscuras en el proceso de producción, se observaba el mismo aumento en el contenido de furfural durante el envejecimiento de la cerveza20.

El contenido de acetaldehído dietilacetal en las cervezas fue estadísticamente diferente (P <0,05) para todas las muestras dependiendo de la composición de la malta. Las cervezas claras S04P y S23P contenían más acetaldehído dietil acetal que las cervezas oscuras correspondientes, mientras que KVP y SAP contenían menos. La levadura S. cerevisiae kveik y S. cerevisiae var. diastaticus produjo más acetaldehído dietil acetal en cervezas oscuras que en cervezas pálidas. El acetaldehído es uno de los ingredientes clave del sabor de las cervezas, cuyo efecto sobre la calidad de la cerveza depende de su concentración. Puede impartir notas de manzana verde o un aroma picante desagradable a la cerveza. En condiciones de pH ácido, el acetaldehído reacciona con el etanol para formar dietil acetaldehído, cuyo aroma se describe como afrutado. Diferentes levaduras cerveceras produjeron diferentes cantidades de acetaldehído dietil acetal, lo que fue confirmado en nuestro estudio24. Otros autores señalan la concentración de acetaldehído dietilacetal en el rango de 1,42 a 8,16 mg/L24 y de 2,72 a 11,63 mg/L25. Los aldehídos en la cerveza pueden formarse como resultado de la oxidación de lípidos y ácidos grasos, reacciones de Maillard, degradación de Strecker, oxidación de isohumulonas, condensación aldólica de aldehídos de cadena corta, oxidación de alcoholes superiores, oxidación de aldehídos de cadena larga y secreción por levaduras26. . Una de las razones por las que registramos menos dietilacetal acetaldehído en las cervezas oscuras puede ser la actividad antioxidante de las melanoidinas, compuestos macromoleculares coloreados formados en la etapa final de la reacción de Maillard, que exhiben propiedades antioxidantes10. Como antioxidantes, las melanoidinas pueden inhibir la reacción de oxidación que conduce a la formación de acetaldehído, que puede convertirse en acetal26.

Los terpenos y terpenoides de las cervezas se derivan del lúpulo. Entre los terpenos del lúpulo y sus derivados en las cervezas, se identifican hidrocarburos terpénicos hidrofóbicos (β-mirceno, limoneno, α-pineno, α-humuleno y β-farneseno) y alcoholes terpénicos hidrofílicos (linalol, geraniol, β-citronelol y nerol)27. En las cervezas estudiadas se identificaron los siguientes compuestos clasificados como terpenos y sus derivados: D-limoneno, linalool, citronelol, cariofileno, (E)-β-farneseno, humuleno y nerolidol. En todas las cervezas analizadas se identificaron linalol (1,15 a 2,05 mg/l), citronelol (0,32 a 1,38 mg/l) y nerolidol (0,03 a 0,12 mg/l). Se identificaron otros terpenos y terpenoides en muestras individuales. El contenido de D-limoneno se detectó únicamente en las muestras fermentadas con las levaduras S04 y S23. Además, las cervezas pálidas contenían más de 8 veces la cantidad de este compuesto que las cervezas oscuras. Las diferencias en el contenido de terpenos y terpenoides entre las cervezas analizadas podrían atribuirse al potencial de las cepas de levadura para la biotransformación de monoterpenos27.

El linalool fue considerado como un compuesto indicador en el análisis del aroma del lúpulo. Además del linalol, en los aceites de lúpulo se identificaron humuleno y farneseno, así como los productos de oxidación de estos compuestos, citronelol, geraniol, terpineol, que fueron compuestos que dan forma al aroma del lúpulo. El cariofileno, el humuleno y el β-farneseno son componentes de los productos del lúpulo, pero su contenido disminuye durante el procesamiento tecnológico del mosto28. Como resultado de la ebullición, el contenido de mirceno y linalool disminuye rápidamente. Los compuestos estudiados que son más resistentes a la transformación bajo mosto en ebullición son el humuleno, el epóxido de humuleno I, el β-farneseno, el cariofileno y el geraniol28. Sin embargo, el salto no es el único paso tecnológico que afecta a la conversión y pérdida de terpenoides. Estos compuestos también sufren biotransformaciones con la participación de la levadura de cerveza. Los principales hidrocarburos terpénicos en los aceites esenciales de lúpulo (β-mirceno, α-humuleno y β-cariofileno) generalmente se reducen casi por completo durante el proceso de fermentación mediante adsorción en células de levadura hidrófobas y migración a espuma durante la fermentación29. Este fenómeno explica la ausencia o el bajo contenido de terpenos y terpenoides del lúpulo en las cervezas analizadas.

Las cervezas producidas fueron sometidas a análisis sensorial. Los resultados se presentaron en gráficos de radar (Fig. 1) y se agregaron como Tabla complementaria S1. Todas las cervezas se caracterizaron por un color medio a intenso, típico de las materias primas utilizadas en el proceso de producción. La calificación de espuma más alta la obtuvo la cerveza KVD, cuya espuma se describió como buena, persistente, fina y densa. La puntuación más baja se la dio la espuma de la cerveza S04D. Las cervezas no difirieron (P < 0,05) en términos de carbonatación. Se analizó el sabor de las cervezas para determinar la intensidad de las sensaciones gustativas amargas, dulces y agrias. Las cervezas analizadas no fueron estadísticamente (P < 0,05) diferentes en dulzura. Para todas las cervezas, se calificó de muy débil a moderadamente perceptible. Las cervezas oscuras fueron calificadas como más amargas que las cervezas pálidas elaboradas con la misma cepa de levadura. Las maltas especiales oscuras mejoran los niveles de amargor y astringencia de las cervezas8. Sin embargo, las diferencias fueron estadísticamente significativas (P <0,05) para cada muestra. El S23D fue calificado como el más amargo, mientras que el KVP fue el menos amargo. Las valoraciones más variadas en términos de sabor entre todos los descriptores utilizados se registraron para el ácido. Las cervezas más ácidas fueron KVD, S04P, SAD, KVP y SAP. Independientemente de la composición de la malta, la levadura kveik y S. cerevisiae var. disstaticus permitió la producción de cervezas con una acidez perceptiblemente mayor, descrita tan bien o incluso muy perceptible.

Evaluación sensorial de la cerveza, (a) Sabor (amargo, dulce, ácido) y claridad, color, espumosidad, carbonatación, (b) Descriptores de aroma.

Se utilizaron los siguientes descriptores en el análisis del aroma de la cerveza: malta, caramelo, tostado, lúpulo, afrutado, floral, especiado, herbáceo y alcohólico. No hubo diferencias estadísticamente significativas (P <0,05) entre las muestras en la perceptibilidad de los aromas de malta, lúpulo, frutal, floral, especiado, herbáceo y alcohólico. Sin embargo, se han observado algunas tendencias. En las cervezas oscuras se observó una mayor perceptibilidad de aromas a malta, caramelo, tostado y especiado, mientras que en las cervezas pálidas se observó un aroma a lúpulo, afrutado, floral y herbáceo. Los aromas de malta, caramelo y tostado también fueron calificados como buenos o intensamente perceptibles en las cervezas S04D y S23D. Notas tostadas y de caramelo descritas como indetectables a débilmente perceptibles caracterizan a las cervezas pálidas S23P, KVP y SAP. El aroma a hierba era, según la variante, muy débil a moderadamente perceptible. S04P, SAP y SAD fueron identificados como los más alcohólicos. Esto se justifica por el mayor contenido de etanol en SAP y SAD entre las muestras analizadas12.

Se realizaron análisis de componentes principales (PCA) y análisis de correlación (Tabla complementaria S2) para visualizar mejor los resultados de la investigación (Fig. 2). Los dos primeros componentes principales explicaron el 64,21% de la variación total (PC1:40,03 y PC2:24,18%). El análisis de correlación entre los grupos de compuestos volátiles mostró que los alcoholes superiores fueron los principales responsables (r = 0,870) de la percepción del aroma alcohólico. Hubo una correlación positiva significativa entre el contenido de alcoholes superiores y ésteres (r = 0,858). Sin embargo, hubo una correlación negativa entre el contenido de terpenos y terpenoides y ésteres (r = -0,709) y el aroma especiado (r = -0,823). También se observaron correlaciones entre los descriptores sensoriales de las cervezas. Se demostró que a mayor amargor, menor sensación de acidez (r = -0,724). El aroma a caramelo fue más notorio al aumentar la intensidad del color de la cerveza (r = 0,759) y se correlacionó (r = 0,874) con el aroma a malta. La sensación de aroma tostado estuvo relacionada con la intensidad del aroma a caramelo (r = 0,956), aroma a malta (r = 0,770) e intensidad del color (r = 0,860). Los aromas y el color tostado, caramelo y malta estuvieron fuertemente vinculados, formando un grupo de descriptores moldeados principalmente por las composiciones de las maltas utilizadas en la producción de mosto. También se observó que el grupo mencionado de descriptores de aroma junto con el color se correlacionan negativamente con la perceptibilidad de los aromas de lúpulo (lúpulo, afrutado, floral) (− 0, 962 < r < – 0, 657). También se mostró una correlación significativa entre la espuma y el aroma a lúpulo (r = 0,724) y la claridad y las notas florales (r = − 0,874).

Análisis de componentes principales (PCA) de grupos de compuestos volátiles y descriptores sensoriales de cervezas.

La composición del mosto y las transformaciones bioquímicas que se producen durante la fermentación determinan la calidad final de la cerveza. Dependiendo de su concentración, ciertos compuestos aromáticos pueden impartir características sensoriales positivas o negativas. Por tanto, es sumamente importante controlar el proceso de fermentación. La composición de los compuestos volátiles de la cerveza depende del perfil de los ingredientes del mosto, las condiciones del proceso de fermentación, la cepa de levadura utilizada, la temperatura, la presión, el contenido de oxígeno y la dosis de microorganismos utilizados9. El aroma de la malta está formado por aldehídos, pirazinas, pirroles, furanos, cetonas, ácidos y alcoholes. La formación del aroma dulce se atribuye a compuestos del grupo de los aldehídos y las furanonas8. Las pirazinas y los pirroles son responsables de los aromas a nuez, a pan, quemado y tostado. En cambio, los alcoholes y las cetonas intervienen en la configuración de las notas que se perciben como picantes y sulfurosas. Los ésteres y fenoles influyen en la perceptibilidad de notas florales, afrutadas, especiadas y amaderadas8.

Nuestra investigación nos permitió caracterizar el perfil de compuestos volátiles de cervezas oscuras y pálidas fermentadas por diferentes cepas de levadura de cerveza. A partir de los resultados de los análisis cromatográficos, obtuvimos datos que nos permitieron indicar similitudes y diferencias en la distribución de compuestos volátiles entre grupos de compuestos químicos en las cervezas analizadas. Se descubrió que el perfil de compuestos volátiles en las cervezas consiste en alcoholes, aldehídos, ésteres, terpenos, terpenoides, cetonas, así como tioles, dienos, ácidos grasos y epóxidos. Entre las cervezas obtenidas, las cervezas fermentadas por Saccharomyces cerevisiae var. diastaticus y Saccharomyces cereviasiae S04 se caracterizaron por el mayor contenido total de volátiles, mientras que las cervezas fermentadas con la levadura de fermentación baja Saccharomyces pastorianus S23 exhibieron el más bajo. La composición de la malta no afectó el contenido total de volátiles, pero para algunas cervezas fue la causa de diferencias significativas (P <0,05) en el contenido total de ésteres, terpenos y terpenoides. Esto nos permite concluir que la cepa de levadura utilizada en el proceso de fermentación influye en mayor medida en el perfil de compuestos volátiles de las cervezas que la composición de la malta. Las diferencias en la cantidad de compuestos volátiles producidos entre cepas se deben principalmente a variaciones en los ésteres y alcoholes. Cerveza fermentada por Saccharomyces cerevisiae var. diastaticus se caracterizó por un contenido total de compuestos volátiles extraordinariamente alto. Grupos de compuestos y sustancias químicas individuales influyen en la perceptibilidad de las notas aromáticas en la cerveza. Por tanto, los resultados obtenidos en nuestra investigación permitirán comprender mejor el proceso de formación de las características aromáticas de las cervezas.

En el experimento, se utilizó la levadura cervecera de fermentación baja Saccharomyces pastorianus Saflager S-23 (Fermentis, Lasaffre, Francia)30 y la levadura de fermentación Saccharomyces cerevisiae Safale S-04 (Fermentis, Lasaffre, Francia)31, Saccharomyces cerevisiae Voss kveik (Lallemand, Canadá)32 y Saccharomyces cerevisiae var. diastaticus Belle Saison (Lallemand, Canadá)33.

S. pastorianus Saflager S-23, S. cerevisiae Safale S-04 y S. cerevisiae Voss se caracterizaron por una alta capacidad de floculación y sedimentación en contraste con S. cerevisiae var. diastaticus Belle Saison. Las cepas de levadura utilizadas variaron en su capacidad de atenuación. S. cerevisiae var. diastaticus Belle Saison se caracterizó por una capacidad notablemente alta para atenuar los azúcares del mosto entre un 84% y un 94%, debido a su potencial para fermentar dextrinas33. El nivel de atenuación para las cepas de levadura restantes utilizadas fue menor, oscilando entre 74% y 84%30,31,32. Además, una característica distintiva de S. cerevisiae var. diastaticus Belle Saison es también su capacidad para descarboxilar ácidos hidroxicinámicos, clasificándose así como una levadura POF + (mal sabor fenólico)33.

En el proceso tecnológico de producción de cerveza se utilizaron las siguientes materias primas: malta de cebada Pilsner (Viking Malt, Strzegom, Polonia), malta de cebada con chocolate negro (Viking Malt, Strzegom, Polonia), lúpulo Marynka (Polish Hops, Karczmiska Dzień, Polonia). y lúpulo Lubelski (lúpulo polaco, Karczmiska Trzecie, Polonia).

El proceso tecnológico de producción de cerveza se llevó a cabo según Paszkot & Kawa-Rygielska12 considerando las siguientes etapas tecnológicas: maceración por infusión, filtración por gravedad del mosto, rociado discontinuo con agua, ebullición del mosto con lúpulo, enfriamiento, filtración, división en 2 Muestras L, inoculación con levadura de cerveza y fermentación. En el proceso de producción del mosto pálido se utilizó 100% malta de cebada pilsner (Viking Malt, Strzegom, Polonia). El mosto oscuro se produjo con 90% de malta de cebada Pilsner y 10% de malta de cebada oscura con chocolate (Viking Malt, Strzegom, Polonia). El mosto pálido contenía 10,78 ± 0,13 % p/p de extracto y tenía un color de 8,4 ± 0,36 EBC, mientras que el mosto oscuro contenía 11,45 ± 0,18 % p/p de extracto y tenía un color de 85,7 ± 1,7 EBC. no fueron estadísticamente significativas (P < 0,05) diferentes en la suma de carbohidratos identificados (maltosa, maltotriosa, glucosa y dextrinas)12. El color de los mostos se analizó mediante el método espectrofotométrico midiendo la absorbancia a 430 nm (DMA 4500 M, Anton Paar, Graz, Austria). El contenido de extracto de los mostos se midió utilizando un densitómetro Densito 30PX (Metler Toledo, Columbus, EE. UU.). Los mostos se hervían con lúpulo Marynka (7,9% de α-ácidos, dosis de 1 g/L, 60 min; lúpulo polaco, Karczmiska, Polonia) y lúpulo Lubelski (4% de α-ácidos, dosis de 1 g/L, 10 min; Lúpulo polaco, Karczmiska, Polonia). Los mostos (2 L) se inocularon con una de las cuatro cepas seleccionadas de levadura de cerveza en una dosis según las recomendaciones del fabricante (1 g de biomasa seca por litro de mosto). La fermentación se llevó a cabo a la temperatura óptima para la cepa de levadura, de acuerdo con las recomendaciones del fabricante y la práctica de la industria durante 7 días a 18 °C para las muestras S04P y S04D, 12 °C para las muestras S23P y S23D, 35 °C para KVP y muestras KVD y 18 °C para muestras SAD y SAP. Después de la separación del sedimento de levadura se llevó a cabo una segunda fermentación durante otros 7 días. A continuación, las cervezas se embotellaron en botellas de 0,5 litros. Durante el embotellado se añadió glucosa a una dosis de 2 g/L para permitir la refermentación. La maduración de la cerveza se realizó a 4 °C durante 28 días. Los parámetros fisicoquímicos básicos de las cervezas han sido descritos previamente12. Las cervezas se caracterizaron por el siguiente contenido de etanol: S04P—4,51%v/v, S04D—4,71%v/v, S23P—4,73%v/v, S23D—4,66%v/v, KVP—4,80%v/v, KVD: 4,58 % v/v, SAP: 5,60 % v/vi SAD: 5,79 % v/v. El extracto real de las cervezas fue el siguiente: S04P—3,75% p/p, S04D—4,38% p/p, S23P—3,70% p/p, S23D—4,56% p/p, KVP—3,34% p/p, KVD: 4,20 % p/p, SAP: 2,23 % p/p, SAD: 2,58 % p/p12. Durante el proceso tecnológico se realizó control microbiológico en las siguientes etapas: inoculación, fermentación, maduración. No se encontró contaminación microbiana.

Los compuestos volátiles de las cervezas se analizaron mediante cromatografía de gases junto con la técnica de detección de ionización de llama (GC-FID), utilizando un aparato GC2010 Plus con detector FID-2010 equipado con un muestreador automático de espacio de cabeza (HS-20) (Shimadzu Corporation, Kyoto, Japón). ) y una columna CP-WAX 57 CB (50 m × 0,32 mm ID × 0,2 µm) (Agilent Technologies, Santa Clara, CA, EE. UU.). Antes de los análisis, las cervezas se desgasificaron agitándolas en un agitador orbital, se mezclaron con tierra de diatomeas (1 g/100 ml de cerveza) y se filtraron a través de un filtro de papel. Se transfirieron muestras de cerveza (10 ml) a viales de vidrio con espacio de cabeza (20 ml). Luego, los viales se acondicionaron y agitaron en un horno de muestreo automático con espacio de cabeza (40 °C, 20 min.) antes de transferir 1 ml de la muestra al bucle de espacio de cabeza HS-20 conectado a la columna, con los siguientes parámetros: tiempo de retención - 0,5 min, tiempo de equilibrio - 0,1 min, tiempo de carga - 0,5 min, tiempo de equilibrio - 0,1 min, tiempo de inyección - 0,5 min y tiempo total de análisis de GC - 60 min. Se utilizó el siguiente programa de temperatura para el análisis de cromatografía de gases: 40 °C (3 min), aumentar (5 °C/min) a 80 °C, mantener 80 °C (3 min), aumentar (10 °C/min) a 140 °C, mantener 140 °C (9 min), aumentar (20 °C/min) a 160 °C y mantener 160 °C (4 min). El tiempo total del ciclo fue de 34 min. Se utilizó una presión inicial de 100 kPa, el flujo inicial de 6,6 ml/min, el flujo inicial de la columna de 0,33 ml/min, la velocidad lineal inicial de 11,8 cm/s y el flujo de purga se fijó en 3 ml/min. Se utilizó helio como gas portador. El FID se operó a 280 °C con una velocidad de muestreo de 40 ms y un tiempo de espera de 34 min. El flujo de H2 hacia el FID fue a una velocidad de 50 ml/min, el flujo de aire fue de 400 ml/min y el flujo de helio fue de 30 ml/min. Los datos se integraron y cuantificaron en el software LabSolutions (Shimadzu Corporation, Kyoto, Japón). La identificación de compuestos se realizó utilizando estándares analíticos. La cuantificación se realizó mediante estándares externos basados ​​en una curva estándar con cinco puntos de calibración (el coeficiente de determinación R2 fue mayor o igual a 0,999).

Los compuestos volátiles se adsorbieron en fibra de microextracción en fase sólida (SPME) según Gasiński et al. 34 usando 30 µL de estándar interno (IS) (1 mg de 2-undecanona por 1 dm3 de ciclohexano) y 2 cm3 de cerveza. La extracción de volátiles se realizó durante 20 min a una temperatura de 40 °C. Los compuestos volátiles se analizaron mediante espectrometría de masas por cromatografía de gases utilizando un cromatógrafo GC-2010 Plus acoplado con un espectrómetro de masas GCMS-QP2010 SE (Shimadzu, Kyoto, Japón), equipado con una columna ZB-5 (Phenomenex, Torrance, CA, EE. UU.) ( 30 m de longitud × 0,25 mm de diámetro interior × 0,25 μm de espesor de capa). Se utilizó helio como gas portador (1,78 cm3/min, presión inicial 100 kPa). El puerto de inyección se mantuvo a 195 °C. Los volátiles se desorbieron de la fibra (fibra DVB/CAR/PDMS de 1 cm de largo con 50/30 µm de espesor de fase estacionaria; Supelco, Bellefonte, PA, EE. UU.) en el puerto de inyección durante 2 minutos. Se utilizó el siguiente programa de temperatura del horno para el análisis de GC: 40 °C durante 1 min, aumento (8 °C/min) hasta 195 °C; mantener (5 min). La temperatura de la fuente de iones fue de 250 °C y la temperatura de la interfaz fue de 195 °C. El escaneo se realizó en el rango de 35 a 350 m/z utilizando ionización electrónica de 70 mV, con un tiempo de evento de 0,3 s (velocidad de escaneo de 1111). Se utilizó análisis espectral de masas para identificar compuestos volátiles. La identificación se llevó a cabo mediante análisis comparativo de índices de retención con estándares Kovats y bibliotecas de estándares químicos NIST17. La integración máxima se realizó utilizando el software Shimadzu PostRun Analysis (Shimadzu, Kyoto, Japón).

El análisis sensorial de las cervezas se realizó mediante el cuestionario del autor. Se evaluaron las siguientes características de las cervezas: claridad, color, espuma y carbonatación. Se evaluó la perceptibilidad de los sabores amargo, dulce y ácido de las cervezas. Se evaluó el aroma de las cervezas para determinar la detectabilidad de notas maltosas, caramelo, tostadas, lupuladas, afrutadas, florales, especiadas, herbáceas y alcohólicas. Al panel sensorial asistieron 7 personas, entre ellas dos hombres y cinco mujeres. Todos los participantes en el estudio estaban calificados y tenían experiencia en análisis sensorial especializado de cervezas. Se adjunta una tabla que muestra las puntuaciones de los descriptores evaluados en el análisis sensorial como Tabla complementaria S3. La participación en la evaluación sensorial de los productos fue voluntaria. Cada participante fue informado y aceptó los principios del análisis. Los datos son confidenciales y no serán utilizados sin su conocimiento.

Los parámetros se compararon con el análisis de varianza unidireccional (ANOVA) en α = 0,05 utilizando Statistica 13.5 (StatSoft, Tulsa, OK, EE. UU.). Se utilizó la prueba de Duncan (P < 0,05) para detectar diferencias estadísticamente significativas entre las puntuaciones medias. Las tablas muestran los valores de media y desviación estándar. También se realizó un análisis de componentes principales (PCA) para comparar los resultados del análisis de cromatografía de gases y las características sensoriales de la cerveza.

Los datos presentados en este estudio están disponibles previa solicitud al autor correspondiente.

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Esta investigación fue apoyada por la Universidad de Ciencias de la Vida y Medio Ambiente de Wrocław (Polonia) como Ph.D. programa de investigación “Innowacyjny Doktorat”, núm. N070/0011/21. El APC/BPC está cofinanciado por la Universidad de Ciencias Ambientales y de la Vida de Wroclaw.

Departamento de Tecnología de Fermentación y Cereales, Facultad de Biotecnología y Ciencias de los Alimentos, Universidad de Ciencias Ambientales y de la Vida de Wrocław, 51-630, Wrocław, Polonia

Justyna Paszkot, Alan Gasiński y Joanna Kawa-Rygielska

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JP y JK-R. concibió los experimentos, JP y AG realizaron los experimentos, JP y JK-R. analizó los resultados. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Justyna Paszkot.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Paszkot, J., Gasiński, A. & Kawa-Rygielska, J. Evaluación de perfiles de compuestos volátiles y propiedades sensoriales de cervezas oscuras y pálidas fermentadas por diferentes cepas de levadura cervecera. Representante científico 13, 6725 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33246-4

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Recibido: 01 de diciembre de 2022

Aceptado: 10 de abril de 2023

Publicado: 25 de abril de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33246-4

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