VIEW ARTICLE    DOI: 10.1094/ASBCJ-60-0101

Studies on the Effect of Mechanical Agitation on the Performance of Brewing Fermentations: Fermentation Rate, Yeast Physiology, and Development of Flavor Compounds. Christopher D. Boswell, Alvin W. Nienow, and Christopher J. Hewitt (1), Centre for Bioprocess Engineering, Chemical Engineering, School of Engineering, The University of Birmingham, Edgbaston, B15 2TT, UK. (1) Corresponding author. Phone: (+44)-121-414-5287; Fax: (+44)-121-414-5324. E-mail: <c.j.hewitt@bham.ac.uk> J. Am. Soc. Brew. Chem. 60(3):101-106, 2002. Accepted January 8, 2002.

The effect of agitation intensity during standard brewing fermentations, using a lager strain of yeast, Saccharomyces cerevisiae NCYC 1324, and a model lager wort was investigated. A series of reproducible small-scale (500-ml) fermentations was carried out in which agitation was applied using two standard Rushton-type impellers. The specific power input was held constant within individual fermentations, but was varied over the range from no stirring to approximately 0.25 kW/m(^3) for replicate fermentations. Standard fermentation parameters (specific gravity, dry cell weight, fermentable sugars, and flavor compounds) were monitored. There was a threshold for specific power input of approximately 0.03 kW/m(^3) at, or below which there was no significant difference between stirred and unstirred (control) fermentations. This value is approximately equal to that found in 400-m(^3) cylindroconical vessels at the maximum CO(2) evolution rate. Above this threshold, however, fermentation rate increased and, hence, time to attenuation decreased from approximately 168 to approximately 100 hr. The rates of formation and maximum concentrations of esters, higher alcohols, and diketones also were affected by increased agitation. Above the same threshold, a decrease in the final concentration of esters was found, whereas the concentration of higher alcohols increased. It is concluded that the observed changes are associated with enhanced turbulence at the scale of cells, leading to higher mass transfer rates coupled to metabolic processes. The use of multiparameter flow cytometry indicated that, up to 4 W/m(^3), there were 6% dead cells after 168 hr, at which time the attenuation limit had been reached. After 168 hr at the highest specific power input (250 W/m(^3)), the proportion of dead cells was 17%. However, after 100 hr when, at higher agitation intensities, the attenuation limit had been reached, there were only 9% dead cells. It is proposed that, at these intensities, the increase in dead cells between 100 and 168 hr was enhanced by a combination of exposure to inhibitory concentrations of ethanol and exhaustion of substrates during this period, as opposed to the effect of (mechanical) damage due to agitation alone. The results suggest that mechanical agitation might lead to shorter fermentation times and increases in fermentation reproducibility at all scales. Keywords: Brewing, Flavor compounds, Flow cytometry, Mixing, Yeast

El efecto de intensidad de agitación durante fermentaciones estándares de elaboración de cerveza, utilizando una cepa de levadura, Saccharomyces cerevisiae NCYC 1324, y un mosto modelo de lager fue investigado. Una serie de fermentaciones en reducida escala (500 ml) se realizo en la cual se aplico agitación utilizando dos impeledores estándares tipo-Rushton. La potencia especifica de entrada se mantuvo constante dentro las fermentaciones individuales, pero fue variada sobre el rango de ningún revolvimiento a 0.25 kW/m(^3) en fermentaciones replicas. Parámetros estándares de fermentación (densidad especifica, peso de células secas, azucares fermentables, y componentes de sabor) fueron supervisados. Hubo umbral de la potencia especifica de entrada de 0.03 kW/m(^3) en, o debajo de cuál no hubo diferencia significante entre fermentaciones revueltas y no revueltas (control). Este valor es aproximadamente equivalente al que se encuentra durante la tasa de evolución máxima de CO(2) en recipientes cilindrocónicos de 400-m(^3). Sin embargo, sobre este umbral la tasa de fermentación incremento y por lo tanto el tiempo de atenuación desminuyo de 168 a 100 hr. Las tasas de formación y concentraciones máximas de esteres, alcoholes altos, y diketones también fueron afectados por la agitación incrementada. Sobre del mismo umbral, sé encontró que la concentración final de esteres desminuyo, mientras que la concentración de alcoholes altos incremento. Se concluye que los cambios observados se asocian a la turbulencia realzada en la escala de células, conduciendo a tasas de transferencia de masa más altas acopladas a procesos metabólicos. El uso de flujo cytometry multeparámetro indico que, hasta 4 W/m(^3), había 6% de células muertas después de 168 hr, en cual tiempo el limite de atenuación se obtuvo. Después de 168 hr a la entrada mas alta de potencia especifica (250 W/m(^3)), la proporción de células muertas era 17%. Sin embargo, después de 100 hr cuando, en agitaciones intensas mas altas, el limite de atenuación se obtuvo, solo había 9% de células muertas. Se propone que, a estas intensidades, el incremento de células muertas entre 100 y 168 hr fue realzado por una combinación de exposición a concentraciones inhibitorias de etanol y agotamiento de substratos durante este periodo, como opuesto a que los daños (mecánicos) fueron efectos únicamente de la agitación. Los resultados sugieren que la agitación mecánica puedan conducir a tiempos más cortos de fermentación y incrementar la reproducibilidad de fermentaciones a todas escalas. Palabras claves: Componentes de sabor, Elaboración de cerveza, Flujo cytometry, Levadura, Mezclar