Badania nad drożdżami i fermentacją alkoholową przed Louisem Pasteurem

Od czasów Starożytnych głównym przeświadczeniem o powstawaniu pewnych zjawisk w przyrodzie była arystotelesowska teoria samorództwa - abiogeneza, według której materia ożywiona miała powstawać z tej nieożywionej. Z czasem stopniowo zaczęto ją obalać. Przykładowo stwierdzono, że muchy nie powstają z rozkładającego się mięsa, lecz składają w nim jaja, z których wykluwają się ich larwy. Odkrycia tego dokonał Włoch – Fransesco Redi (1626-1679). Nie inaczej postrzegano drożdże, które pojawiały się w soku winogronowym i brzeczce nie wiadomo skąd i powodowały przemianę tychże w napoje alkoholowe.

W 1697 roku Georg Ernst Stahl (1659-1734) stwierdził, że fermentacja alkoholowa to efekt działania powietrza (i zawartej w nim siły życiowej) na soki roślinne. W wyniku tego procesu ulegają one degradacji, bowiem ich stabilność zostaje zaburzona przez sam "ferment", będący z natury niestabilnym. Twierdził też, że tym, co powoduje tę reakcję chemiczną nie jest żadna substancja chemiczna, ale jest to pewien rodzaj aktywności. Drożdże według niego były rozkładającym się ciałem, będącym bezpośrednim rezultatem zajścia procesu fermentacji.

Do rozwoju badan nad drożdżami przyczyniło się przede wszystkim wynalezienie mikroskopu przez Zachariasa Jansena (1580-1632). Soczewki powiększające były znane już w czasach średniowiecznych, jednak to ten holenderski optyk wykorzystał dwie soczewki w swoim urządzeniu, aby dawało ono jeszcze lepsze możliwości obserwacji z uwagi na większą moc.

Pierwszym człowiekiem, który miał okazję lepiej przyjrzeć się drożdżom był rodak Z. Jansena – Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723), który obserwował te mikroby pod mikroskopem powiększającym około 240-krotnie i opisał je jako skupiska kulistych ciał o jednakowych rozmiarach. Dodatkowo, wykorzystywał do swoich obserwacji światło, które przepuszczał przez badany obiekt, co czyniło jego badania bardziej efektywnymi.

Francuski chemik Antoine Laurent de Lavoisier (1743-1794) odkrył, że w wyniku reakcji fermentacji alkoholowej cukry zawarte w cieczy zostają zamienione na alkohol etylowy oraz dwutlenek węgla. To on także w 1789 roku ogłosił, że cząstki cukrów składają się z: wodoru, tlenu i węgla. Nie wskazał w swych pracach na czynnik powodujący zachodzenie procesu przemiany cukrów w alkohol, ale podał dane ilościowe dotyczące samych przemian. Według niego z 100 części cukru wagowo w wyniku wyżej opisanej reakcji chemicznej 60,17% było zamieniane na alkohol, 36,81% na dwutlenek węgla, a 2,61% – kwas octowy. 

W 1810 roku inny francuski chemik, Joseph Louis Gay-Lussac, wykonał eksperyment, w którym sok winogronowy zamknął w szczelnych pojemnikach i umieścił je na pewien czas we wrzącej wodzie. Otworzył je dopiero po roku i dopiero wtedy nastąpiła fermentacja alkoholowa. Gay-Lussac stwierdził, że dostęp do powietrza zainicjował tę reakcję i powstał w jej wyniku „ferment”, cechujący się dobrą rozpuszczalnością w wodzie, który przemienił sok winogronowy w wino. Ponadto, skorygował on założenie Lavoisiera, co do ilościowego rozkładu produktów fermentacji alkoholowej. Według Gay-Lussaca ze 100 części cukru 51,34 miało być zamieniane na alkohol, a 48,66 – dwutlenek węgla. 

Coraz większe możliwości wynikające ze stałego udoskonalania mikroskopów pozwoliły na kolejne odkrycia trzem naukowcom, którzy prowadzili swoje badania nad drożdżami niezależnie w latach 1836-1838. Pierwszym z nich był Charles Cagniard de la Tour (1777-1854). Swoje obserwacje drożdży w piwie i w winie wykonywał za pomocą mikroskopu o 500-krotnym powiększeniu. Stwierdził on, że drożdże posiadają kulisty kształt i tworzą zorganizowane struktury. Uznał je za żywe organizmy, które zaliczył do królestwa roślin. Zauważył, że w trakcie fermentacji mikroby te namnażają się poprzez pączkowanie. W ramach obserwacji odkrył także blizny w ścianach komórkowych, które połączył ze sposobem ich rozmnażania się. Ocenił rozmiar ich komórek na 7 mikrometrów. Inną tezą, którą sformułował był fakt, że komórki drożdży są zdolne do przeprowadzenia fermentacji alkoholowej tylko wtedy, gdy są żywe. Badacz ten ogłosił swoje wnioski w 1837 roku.

W tym samym roku Friedrich Traugott Kützing (1807-1893) opublikował rysunki komórek drożdżowych wraz z opisami. Według niego, komórki drożdżowe posiadać miały rozmiar circa 6-9 mikrometrów. Przypuszczał, że za konkretny rodzaj fermentacji odpowiadają inne drobnoustroje.

Najbardziej znanym ze wszystkich trzech był Theodor Schwann (1810-1882). W jednym ze swoich doświadczeń, dodał on drożdże do wodnego roztworu cukru i rozlał je do 4 naczyń, które zakorkował i trzymał w gorącej wodzie przez 10 minut. Po schłodzeniu do 2 z nich dodał powietrze, które przepuścił przez rozgrzaną szklaną rurkę, po czym ponownie je zakorkował. Dwa pozostałe naczynia napowietrzył powietrzem o temperaturze pokojowej. Po 4-6 tygodniach przetrzymywania naczyń w temperaturze w przedziale 13-18 st. C, okazało się, że proces fermentacji pojawił się w dwóch próbkach napowietrzonych zimnym powietrzem. Stwierdził, że fermentacja jest czymś w rodzaju zepsucia i reakcja ta nie jest wywoływana przez tlen znajdujący się w powietrzu. Schwann zaobserwował pojedyncze komórki drożdżowe oraz ich zorganizowane skupiska. Uznał, że cukry zawarte w soku winogronowym stanowią dla drożdży źródło pożywienia, które pozwala się im namnażać. Odkrył też, że oprócz cukru, drożdże potrzebują także związków chemicznych zawierających azot. Odpowiednie warunki do rozwoju tych grzybów stanowią przyczynek do rozpoczęcia się fermentacji alkoholowej. To on nazwał drożdże „cukrowymi grzybami” (Zuckerpilz), skąd ich dzisiejsza taksonomiczna nazwa  - Saccharomyces.

Teza o tym, że fermentację alkoholową wywołuje czynnik biologiczny, a nie chemiczny, odbiła się wielkim echem w kręgach akademickich ówczesnej Europy. Wielu badaczy postanowiło zgłębić odkrycia powyższej trójki naukowców. Warto jednak wspomnieć o tym, że owe epokowe odkrycie spotkało się także z głosami krytyki.

Do najbardziej zagorzałych krytyków teorii głoszącej, że drożdże to żywe organizmy, a nie substancja chemiczna należeli: Justus von Liebig (1803-1873), Friedrich Wöhler (1800-1882) oraz  Jöns Jacob Berzelius (1779-1848). Deprecjonowali oni teorię, według której drożdże miały być żywymi istotami. Optowali za tym, że fermentacja alkoholowa to efekt oddziaływania powietrza na soki roślinne, które zawierają cukry. Wöhler i von Liebig byli na tyle zażarci, że w jednym z naukowych periodyków opublikowali (anonimowo) satyryczną rycinę mającą stanowić odpowiedź na wyniki badań Schwanna, Kützinga i de la Toura. Zatytułowano ją „Rozwiązanie zagadki fermentacji alkoholowej”, a przedstawiała ona żyjątko widziane pod mikroskopem, które swym kształtem przypominało aparaturę do destylacji alkoholu, żywiło się cukrem, a wydalało alkohol i kwas węglowy. Z kolei J.J. Berzelius twierdził, że badania T. Schwanna są bezwartościowe, a same drożdże mają tyle wspólnego ze światem ożywionym, co osad aluminiowy. Sceptyczni chemicy podtrzymywali tezy wygłoszone przez G. E. Stahla w 1697 roku. Berzelius twierdził, że fermentacji nie przeprowadzają żywe organizmy, lecz siła katalityczna przenoszona do słodkich napojów przez powietrze. J. von Liebig za niestabilność soków roślinnych i powstawanie „fermentu” obwiniał zawarte w nich związki azotu.

Trwający rozłam w świecie nauki, który dotyczył istoty drożdży został ostatecznie zażegnany dzięki badaniom Louisa Pasteura (1822-1895), który w sposób jednoznaczny wyjaśnił czym są drożdże oraz rolę, jaką odgrywają w procesie przemiany cukrów w alkohol etylowy.  

Fot.: Masur (CC)

Bibliografia:

Ian S. Hornsey: „A History Of Beer And Brewing”, RSC, Cambridge, 2003,

Chris White, Jamil Zainasheff: „Yeast: The Practical Guide To Beer Fermentation”, Brewers Publications, Boulder, 2010,

James A. Barnett: „A History Of Research On Yeast I: Work By Chemists And Biologists 1789-1850”, w: „Yeast”, Issue No. 14, 1998.  

Brytyjskie piwowarstwo i piwa pszeniczne

Czy nie zastanawialiście się nigdy na tym, dlaczego każda piwna nacja posiada w swoim dorobku piwo pszeniczne, ale nie ma wśród nich Wielkiej Brytanii? Pytanie to zaczęło mnie nurtować już dwa lata temu, gdy pisałem cykl pod tytułem: „Bogaty świat piw pszenicznych”. Nie odczuwałem wtedy imperatywu, aby pochylić się nad tym tematem, jednak niedawno z pomocą przyszła mi książka autorstwa Martyna Cornella zatytułowana: „Amber, Gold And Black: The History Of Britain’s Great Beers”, w której autor postanowił tę kwestię wyjaśnić, co w zupełności zaspokoiło moją ciekawość, a także zmotywowało do stworzenia poniższego wpisu.

Tradycyjne brytyjskie piwowarstwo słynęło z bardzo szerokiego wachlarza surowców piwowarskich, których używano do warzenia piwa (beer i ale) na tych ziemiach. Stosowano między innymi: słodowaną pszenicę, owies, groch, fasolę, rozmaite zioła, etc. Sytuacja uległa drastycznej zmianie podczas trwającej w latach 1688-1697 wojny, która ogarnęła większość zachodniej Europy, a przeszła ona do historii jako „wojna dziewięcioletnia” lub „wojna o Palatynat”. W teatrze wojennym znalazła się także Anglia, w której panowanie rozpoczął holenderski król Wilhelm Orański – nazwany w ojczyźnie Szekspira – Williamem III. Nowy król angielski musiał walczyć o swoją pozycję ze zdetronizowanym monarchą Jakubem II z dynastii Stuartów wspieranym przez Francję. Wojna kosztuje, a skoro toczy się ją za publiczne pieniądze, to wiadomo kto poniesie jej koszty. Nie inaczej było w 1697 roku, kiedy w Anglii opodatkowano słód jęczmienny i nakazano prawnie wykorzystywanie tylko tego surowca do wyrobu piwa (na początku XVIII wieku paralelne rozwiązanie prawne zastosowano wobec chmielu). Dla piwowarstwa tego kraju był to potężny cios godzący w tradycję, jednak jak mawiali starożytni Rzymianie – „dura lex sed lex”. Z zachowanych do dziś relacji wiadomo, że o ile piwowarzy komercyjni przestrzegali tego nakazu, o tyle ci warzący na własne potrzeby zdawali się nim w ogóle nie przejmować.

Z czasem przepisy zliberalizowano lecz pewnych rzeczy nie można już było cofnąć. Z wielu piw warzonych z udziałem pszenicy w zasypie do historii przeszły jedynie dwa –Devon White Beer oraz Mum.

Pierwsze z nich warzono w Kornwalii. Zwano je także White Cornish Ale, West Country White Ale lub Sweet Devon Ale. W zasypie tego napoju znajdował się słód jęczmienny (jasny i bursztynowy) oraz zmielona na mąkę pszenica. Piwo to nazywano „gęstym i pożywnym” ze względu na to, że brzeczki nie poddawano gotowaniu lub gotowano ją bardzo krótko, przez co nie wytrącały się osady białkowe. Stosowano symboliczne ilości chmielu przy jego wyrobie, a często w ogóle rezygnowano z tego surowca. Dla przyspieszenia fermentacji wykorzystywano starter, będący czymś podobnym do zakwasu. Mąkę pszenną i jęczmienną mieszano z wodą i czekano, aż rozpocznie się proces fermentacji, po czym dodawano go do naczynia z brzeczką. W niektórych recepturach zachowały się informacje o dodatku jajek do nastawu. Trunek ten pito we wczesnej fazie fermentacji, przez co był on jeszcze słodki. Zdecydowanie odradzano z odwlekaniem jego konsumpcji, gdyż szybko stawał się zbyt kwaśny i niepijany. Zalecano go przede wszystkim kobietom w okresie laktacji, bowiem uważano że ją skutecznie stymuluje. Warzono go do II połowy XIX wieku.

Drugim piwem pszenicznym było Mum. Jego nazwa wywodziła się od Braunschweiger Mumme, mocnego napitku pochodzącego z niemieckiego miasta Brunszwik. Moc tego napoju predestynowała go do długotrwałego przechowywania, a także bardzo dobrze znosił on podróże, przez co eksportowano je nawet w takie egzotyczne regiony świata jak Karaiby. Jego konsystencja przypominała likier lub syrop. W Anglii w XVII wieku można było nabyć Mum importowane z Niemiec lub lokalne imitacje tego produktu. Angielskim piwowarom ten kontynentalny „wynalazek” był bardzo nie w smak, bowiem – w ich przekonaniu – znacząco obniżał obroty krajowego piwowarstwa. W 1673 roku angielski parlament wydał akt prawny, na mocy którego spożycie Mum zostało zakazane (na równi z kawą, brandy oraz herbatą). Ustawodawca uznał, że spożywanie wyżej wymienionych produktów jest bardzo niebezpieczne, zwłaszcza gdy wejdzie w nawyk, w porównaniu z konsumpcją lokalnych dóbr piwowarskich, zwłaszcza piw jęczmiennych.

Mum często sprzedawano w specjalnych lokalach, zwanych „Mum Houses”.  Zasyp tego piwa stanowił w ponad 75% słód pszeniczny. Pozostałymi surowcami był słodowany owies oraz skiełkowany jęczmień. Napój ten warzono bez dodatku chmielu, jednak z zachowanych relacji wynika, że był on i tak wyraźnie gorzki, ponieważ wachlarz składników wykorzystywanych do przyprawienia tego fermentum był nad wyraz szeroki: kora jodły, pędy brzozy, pędy jodły, ziele drapacza lekarskiego, ziele rosiczki, kwiat bzu, petunię, tymianek, ziarna kardamonu oraz liście mięty. W niektórych zachowanych recepturach korę i pędy jodły zastępowano imbirem, omanem wielkim, sasafrasem, marzanną barwierską, a także korą pterokarpusa sandałowego. Obecność tego ostatniego składnika może sugerować, że angielska wersja Mumme była czerwona, a przynajmniej posiadała różowe zabarwienie. Mum zniknęło z angielskiego rynku ustępując miejsca tradycyjnym angielskim piwom, a także kawie oraz herbacie.

W roku 1880 uchwalono w Wielkiej Brytanii „Free Mash Tun Act”, który dopuszczał stosowanie piwowarstwie nie tylko słodowanego jęczmienia, ale i innych zbóż, jednak niemal 200 lat ograniczeń, które odcisnęło swe piętno na kilku pokoleniach piwowarów, zrobiło swoje i komercyjni producenci piwa nieszczególnie garnęli się do tego, aby urozmaicać zasyp swoich produktów o ziarno innych zbóż. Z czasem po słód pszeniczny zaczęto sięgać, jednak pełnił on w zasypie symboliczną rolę, a mianowicie stanowił do 10% całości śruty w kadzi zaciernej, aby poprawić retencję piany w gotowym piwie. Zwyczaj ten kontynuowany jest do dziś. Warto w tym miejscu dodać, że przywołany wyżej akt prawny zmieniał system poboru opłat na rzecz państwa w przypadku piwowarów komercyjnych. Opodatkowaniu nie podlegały już konkretne surowce piwowarskie, ale podatek akcyzowy naliczano od gęstości początkowej brzeczki nastawnej.

Martyn Cornell podaje w swojej publikacji konkretne przykłady piw pszenicznych, które powstały w Wielkiej Brytanii w latach 80-tych i 90-tych XX wieku, jednak większość z nich była nawiązaniem do niemieckich piw pszenicznych (lub belgijskich). Autor podkreśla jednak, że pszeniczne piwa warzone przez angielskie browary to produkty wybitnie niszowe. Wyraża on tez nadzieję, że któryś z brytyjskich producentów piwa postanowi uwarzyć współczesną interpretację dawnego białego, pszenicznego piwa z Kornwalii.

Fot.: Sleepy Claus (CC)

Bibliografia:

Martyn Cornell: „Amber, Gold And Black: The History Of Britain’s Great Beers”, The History Press, 2010.