The power of sour: Unravelling the interactions between microorganisms, wood and maturing beer

Promovendus/a: Sofie Bossaert

Promotor(en): Prof. dr. ir. Bart Lievens, Prof. dr. Sam Crauwels, De heer Gert De Rouck

Momenteel bestaat er veel belangstelling voor het lageren van bier in houten vaten om extra smaakdimensies toe te voegen aan het bier, waaronder zure smaaktoetsen en/of houtaroma’s. Tot op heden blijft het lageren van bier grotendeels een black box proces, wat vaak resulteert in onvoorspelbare uitkomsten, inconsistente kwaliteit en winstderving. De algemene doelstelling van deze doctoraatsstudie was dan ook om een beter inzicht te verwerven in het productieproces van zure bieren via houtlagering van conventioneel gefermenteerde bieren. Meer kennis over de interacties tussen de micro-organismen, het hout en het bier zal helpen om de kwaliteit en consistentie van het product te verbeteren, en zal de ontwikkeling van nieuwe zure bieren met een aangenaam en complex zuur smaakprofiel ondersteunen.

Eerst beschreven we de temporele dynamieken in de samenstelling van de microbiële gemeenschap en in de bierchemie doorheen een houtlageringsproces van 38 weken waarbij drie verschillende bieren, variërend in alcoholgehalte en hopconcentratie, gelagerd werden in eiken vaten (225 liter) van drie verschillende aroma-categorieën. De resultaten toonden aan dat de densiteit van de bacteriële en schimmelpopulaties toenamen gedurende het proces en dat de uitkomst van de houtlagering waarschijnlijk afhangt van de oorspronkelijke bierkenmerken. Meer bepaald suggereren de resultaten dat de concentratie aan hopcomponenten in het bier de samenstelling van de bacteriële gemeenschap kan beperken, en daardoor de verzuring van het bier kan beïnvloeden. De bacteriegemeenschap van de matig-gehopte bieren bevatte ook enkele soorten die een belangrijke rol spelen in de productie van lambiekbieren, zoals Pediococcus damnosus, Lactobacillus brevis en Acetobacter sp. De waargenomen schimmels vertegenwoordigden verschillende wilde gisten zoals Brettanomyces bruxellensis, Debaryomyces sp. en Pichia membranifaciens, die veelal teruggevonden worden in een brouwerij-omgeving en regelmatig geassocieerd worden met houten vaten. Verder gaven de resultaten aan dat het alcoholgehalte van het bier verschuivingen in de samenstelling van de schimmelgemeenschap zou kunnen teweeggebracht hebben, waardoor de schimmeldiversiteit verminderde. Daarnaast zorgde het alcoholgehalte ook voor een betere extractie van houtcomponenten zoals cis- en trans-3-methyl-4-octanolide, eugenol, en het totaal polyfenolgehalte.

Vervolgens toonden we aan dat de gebruikte houtsoort een significante invloed heeft op de bacteriegemeenschap, de bierchemie en het sensorisch profiel van het bier. Zowel in eiken als acacia vaten verschoof de samenstelling van de bacterie- en schimmelgemeenschap van een diverse gemeenschap naar een dominantie van respectievelijk P. damnosus en B. bruxellensis. In eiken vaten werden echter ook grote fracties van Acetobacter sp. en, in mindere mate, van Paenibacillus sp. aangetroffen. Verder veranderde de bierchemie aanzienlijk doorheen de maturatie en tussen de houtsoorten. Bier gelagerd in eiken vaten werd gekarakteriseerd door hogere concentraties aan eugenol, lactonen en vanilline, terwijl acacia-gelagerd bier meer polyfenolen en β-glucaan bevatte, wat zich ook vertaalde in verschillende smaakprofielen van het bier.

Om de invloed van het alcoholgehalte en de concentratie aan hopcomponenten van het bier op de samenstelling van de microbiële gemeenschap en bierchemie in detail te onderzoeken hebben we eerst een experimenteel-traceerbaar in-vitro systeem ontwikkeld om het proces van houtlagering van bier op laboratorium schaal na te bootsen. Hiervoor gebruikten we een glazen pot van 0,5 liter, gevuld met bier en afsloten met een houten schijf. Bovendien werd het systeem geïnoculeerd met een synthetische microbiële gemeenschap bestaande uit de belangrijkste micro-organismen die in de vorige Hoofdstukken werden geïdentificeerd. Deze omvatte vier bacteriële soorten (Acetobacter malorum, Gluconobacter oxydans, L. brevis en P. damnosus) en vier gistsoorten (B. bruxellensis, Candida friedrichii, P. membranifaciens en Saccharomyces cerevisiae). Het in-vitro systeem werd nadien gevuld met het matig-gehopte bier met hoog alcoholgehalte dat ook bestudeerd werd in vorige experimenten, voor een houtlageringsproces van 60 dagen. Hieruit bleek dat het ontwikkelde in-vitro systeem robuust en reproduceerbaar was en dat de temporele dynamiek van de samenstelling van de microbiële gemeenschap en de bierchemie vergelijkbaar was met de dynamieken die vastgesteld werden op industriële schaal tijdens 38 weken maturatie in houten vaten van 225 liter.

Vervolgens werd het in-vitro systeem gebruikt om het effect van ethanol (5.2%, 8% en 11% ABV) en hop iso-α-zuren (13 ppm, 35 ppm en 170 ppm iso-α-zuren) te evalueren op de structuur van de microbiële gemeenschap en de bierchemie, terwijl alle andere experimentele factoren constant gehouden werden. Zowel het alcoholgehalte als de concentratie aan iso-α-zuren van het bier hadden een significante impact op de temporele dynamieken in de samenstelling van de microbiële gemeenschap en de bierchemie. Verhoogde ethanolconcentraties belemmerden de groei van L. brevis en G. oxydans en vertraagden de groei van de andere bacteriële en giststammen, terwijl verhoogde concentraties aan iso-α-zuren de groei van L. brevis beperkten en groei van P. membranifaciens stimuleerden. Daarnaast hadden de verschillende behandelingen een significante invloed op de bierchemie. In de bieren met verhoogde ethanolgehaltes werden hogere concentraties van verschillende houtcomponenten gemeten, waaronder syringol, iso-eugenol, vanilline, methylvanillaat, guaiacol en 4-vinylguaiacol. Verschillende chemische parameters konden bovendien in verband gebracht worden met microbiële activiteit, zoals een daling in suikerconcentraties, een daling van de pH, en een stijging van de concentratie organische zuren. Verder bleek dat de microbiële gemeenschap ook in staat was om extra substraten te verkrijgen uit het hout en componenten als vanilline, furfural en 5-hydroxymethylfurfural om te zetten of te verbruiken, alsook om de concentratie van cis-3-methyl-4-octanolide te doen toenemen. Alles bij elkaar wijzen onze resultaten er dus op dat de houtrijping van bier sterk beïnvloed wordt door zowel biotische als abiotische parameters.

Samenvattend kunnen we stellen dat we in dit doctoraat meer inzicht hebben verworven inzake het houtlageringsproces van bier en dat we de complexiteit van de wisselwerking tussen de micro-organismen, het hout, en het houtgelagerde bier hebben blootgelegd. Bovendien hebben we een in-vitro systeem ontwikkeld dat het houtlageringsproces van bier nabootst op laboschaal, en dat enorm veel potentieel heeft voor verdere studies en industriële toepassingen en brouwers zou kunnen ondersteunen bij het ontwikkelen van meer consistente, kwaliteitsvolle zure bieren via houtlagering van conventioneel gefermenteerde bieren.