Exploiting long-lived yeast to improve beer shelf-life

ic-school-black-48dp-14
Categorie
Doctoraatsverdediging
Datum
2022-09-27 17:00
Locatie
KU Leuven, Arenbergkasteel, Aula Arenbergkasteel, 01.07 - Kasteelpark Arenberg 1
3001 Leuven, België

Promovendus/a: Ruben Wauters

Promotor(en): Prof. dr. ir. Kevin Verstrepen, Dhr. Jan Steensels

België staat wereldwijd bekend om zijn rijke biercultuur en kwaliteitsvolle speciaalbieren. Zo werd in 2020 tot 75% van het geproduceerd volume uitgevoerd naar andere landen. Een vierde hiervan ging naar landen buiten de EU. Een gevolg van dergelijk lange afstandsvervoer is dat bier steeds langer onderweg is alvorens het de consument bereikt. In tegenstelling tot andere gefermenteerde dranken zoals wijn, neemt de kwaliteit van bier echter af naarmate de tijd vordert. Dit proces van smaakafname, ook wel bierveroudering genoemd, is het gevolg van chemische reacties in de fles waarbij er zowel gewenste smaakmakers worden afgebroken als dat er stoffen met een onaangename smaak worden gevormd. In deze laatste categorie blijken vooral componenten met een carbonyl functionele groep, en specifieker aldehyden, de boosdoener voor de houdbaarheid.

Dit doctoraatsonderzoek had als doel om na te gaan of herfermentatie de houdbaarheid van bier kan bevorderen. Herfermentatie, ook wel hergisting op fles, is een traditioneel gebruik waarin actieve gist samen met een kleine hoeveelheid vergistbare suiker wordt toegevoegd aan het bier net voor het gebotteld wordt. Dit zorgt ervoor dat er een tweede vergisting kan plaatsvinden in de fles. Oorspronkelijk werd dit gedaan om het bier op natuurlijke wijze van de nodige CO2-druk te voorzien, maar er is ook aangetoond dat het reductief metabolisme van de gistcellen bierveroudering kan afremmen. Naar de exacte manier waarop, evenals naar de duur van dit beschermend effect is echter nog maar weinig onderzoek gedaan. Daarnaast is het ook onduidelijk of het effect afhankelijk is van de gebruikte giststam of niet.

Het eerste deel van dit onderzoek spitst zich toe op het zoeken van gisten die uitblinken wat betreft het bewaren van bier. Vooreerst zagen we dat in het hergistte bier dat wij gebruikten als referentie (blond speciaalbier van 8.5% ABV), de huisgist slechts 3 maanden kon overleven op kamertemperatuur en dat de hoeveelheid aldehyden snel toenam nadat alle gist in het flesje dood was. Startend met een set van 150 genetisch en fenotypisch diverse Saccharomyces cerevisiae giststammen, hebben we 12 giststammen geïdentificeerd die meerdere maanden kunnen overleven in bier, en dit terwijl het bier wordt blootgesteld aan een zeer streng temperatuurprofiel. Interessant genoeg, blijken het vooral giststammen afkomstig van cacao en wijn-fermentaties die goed kunnen overleven, terwijl typische biergisten het minder goed doen. Door de 5 beste giststammen van deze screening te gebruiken als ouders in een massa-kruisings experiment, zijn we erin geslaagd om hybride stammen te maken die nog robuuster waren dan hun ouders. Uiteindelijk hebben we de langst-levende ouderstam en de meest-belovende hybride getest in een langdurig herfermentatie-experiment waarbij we konden aantonen dat onze nieuwe hybride meer dan een jaar kan overleven in bier. Hoewel verouderingsgerelateerde smaakafname niet volledig kon worden gestopt, sloegen beide lang-levende gisten erin om de houdbaarheid van het bier significant te verlengen in vergelijking met de huisgist, zowel na 6 als 12 maanden. Dit werd bepaald in een blinde ‘multiple-paired comparison test’ met een grote groep proevers (n>30). We konden deze verbeterde smaakstabiliteit toeschrijven aan de capaciteit van de lang-levende gist om gedurende lange tijd de ophoping van verouderingsgerelateerde aldehydes, zoals trans-2-nonenal, furfural, 2-methylbutanal en 3-methylbutanal, te verhinderen. Belangrijk hierbij is ook dat, wanneer het bier nog vers was, het proefpanel geen onderscheid kon maken tussen bieren hergist met de lang-levende gisten en het referentiebier, wat een cruciaal aspect is voor brouwers die zouden overwegen om een nieuwe gist in een reeds bestaand product te implementeren.

Daarnaast hebben we ook zogenoemde ‘niet-conventionele gisten’ getest wat betreft hun capaciteit om te overleven in bier en om de smaakafname ervan af te remmen. Van de 20 Brettanomyces en 10 andere niet-conventionele gisten die we getest hebben, sloegen slechts 2 Brettanomyces custersianus stammen erin te overleven in bier dat werd blootgesteld aan een streng temperatuursprofiel. Bovendien gaven de meeste Brettanomyces gisten het resulterende bier een typische ‘Brett’ smaak, gekarakteriseerd door organische zuren, ethyl esters en fenolische componenten. Hoewel de ‘Brett’ smaak erin sloeg om verschillende verouderingsgerelateerde smaken te maskeren, verhindert het tevens het gebruik van Brettanomyces gisten als neutraal bewaarmiddel voor bier.

In het tweede deel van dit onderzoek onderzochten we de genetica die bepaalt hoelang S. cerevisiae kan overleven in bier. Met behulp van een genoom-omvattende screening in de vorm van een ‘barseq’ experiment, hebben we verschillende cellulaire processen geïdentificeerd die de overleving van gist in bier beïnvloeden, zoals autofagie, ion-homeostase, proteïne-transport, ribosomen, PKA-signaaltransductie en negatieve regulatie van TORC1. Vooral de regulatie van TORC1, het centrum van een belangrijke signaal-pathway in zowel gist als zoogdieren, bleek cruciaal voor gist om langdurig te overleven. Zo identificeerden we met behulp van de barseq componenten (GTR1, GTR2, LST4, MEH1, RTC1, en SLM4) van elke TORC1-regulator die tot nu toe gekend is en konden we het effect van al deze componenten bevestigen in individuele experimenten.

Tenslotte hebben we ook onderzocht welke mutaties verantwoordelijk kunnen zijn voor de bestaande natuurlijke variatie wat betreft de overlevingscapaciteit van gist in bier met behulp van een Quantitative Trait Locus (QTL) analyse. Daarbij zijn we gestart met een lang-levende cacao giststam en een kort-levende wijn giststam als ouders. Hoewel we de causatieve mutaties voor het verschil in overlevingscapaciteit (nog) niet nauwkeurig hebben kunnen aanwijzen, hebben we wel 4 regio’s in het genoom gevonden die bijdragen aan deze eigenschap en daarmee een nuttige basis gelegd voor verder onderzoek naar deze eigenschap.

Samengevat hebben we met dit doctoraatsonderzoek belangrijke eerste stappen gezet in het begrijpen van de genetische factoren die bepalen hoe lang gist kan overleven in bier en hebben we aangetoond dat het mogelijk is om giststammen te kweken die dienst doen als duurzame, anti-oxidatieve bewaarmiddelen.
 
 

Alle datums

  • 2022-09-27 17:00

Powered by iCagenda