Maya Soluması ve Oksijene Doyurmak
Çeviren ve uyarlayan: Sertaç Akar
Aralık 2016
Bira yapmanın en ilginç ve heyecan verici kısmı fermentasyon aşamasıdır. Eğer fermenteriniz şeffafsa mayanın faaliyetini seyretmek çok eğlenceli gelir insana. Şıra ne olursa olsun maya sonunda bunu biraya çevirecektir. Bu bile insana fermenterin içinde neler oluyor, bu mikroorganizmalar içerde ne işler çeviriyor sorusunu sordurmaya yeterlidir. Ama bira hakkındaki külliyatın çoğu maya ve fermentasyon konusunda yanlış algıya sahiptir.
Çoğu birayapım külliyatı fermentasyon mayasının (Saccharomyces cerevisiae ve S. uvarum) kısa bir zaman için çözünmüş oksijene ihtiyaç duyduğunu iddia eder, böylece maya şıraya ekildikten sonra soluma yapabilecek ve büyüyecektir, ima ettikleri şey mayanın tomurcuklanma ve şırayı fermente etmeden önce soluma için oksijene ihtiyacı olduğudur. Şırayı havalandırmak ya da oksijene doyurmak genelde fermentasyon için yararlıdır demek doğrudur ama maya üremek için oksijene ihtiyaç duyar demek ya da maya fermentasyon sırasında soluma yapar demek yanlıştır.
Bu makale maya metabolizmasını inceleyecek, oksijenin rolünü netleştirecektir.
Yaşamın Kaynağı Karbon Ve Enerjidir
Dünyadaki tüm yaşayan canlılar karbonu bir yapı taşı olarak bünyesinde barındırır ve tüm canlılar var olmak ve hareket etmek için enerji kaynağına ihtiyaç duyarlar. Bitki gibi organizmalar güneş enerjisini özümseyebilecek ve havadaki karbondioksiti alacak yetenektedirler, maya ve insan gibi organizmalar ise karbon ve enerji ihtiyaçları için organik gıdaya ihtiyaç duyarlar. Mayalama mayaları (brewer’syeast) karbon ve enerjiyi organik molekül besinlerinden (mesela glikoz) oksidasyonla alır.
Metabolizma: Biyokimyacılar metabolizmayı canlı hücrelerdeki organik moleküllerin neden olduğu tüm kimyasal tepkimelerin toplamı olarak tanımlarlar. Metabolizma, katabolizma ve anabolizma olarak ikiye ayrılır. Katabolizma, enerji zengini besin moleküllerinin yıkımıdır. Anabolizma yeni hücresel bileşiklerin biyosentezidir (yapı taşlarının hücresel oluşumu).
Katabolizma boyunca organik moleküllerin (örneğin glikoz) kimyasal bağları kırılır ve hücre bu bağlarda yüklü olan enerjinin bir kısmını yakalar. Hücreler bu enerjiyi gelişme ve büyümeden sorumlu olan anabolik tepkimeleri kullanmak için depolar. Bu hücresel enerjiyi depolayan asıl bileşken ATP’dir (adenosinetriphosphate). Katabolizma sırasında ortaya çıkan bu enerjinin çoğu ATP tarafından yakalanır ve yüksek-enerji fosfat bağları içinde depolar, sonra bu enerji anabolik tepkimelere katılan ATP tarafından tekrar kullanılır.
(Diğer besin molekülleri tarafından yayılan bazı enerjiler de diğer bazı önemli enerji depoları tarafından depolanır ama onlar bu makalenin konusu değil.)
Soluma Ve Fermentasyon
Maya ATP’yi iki temel biyokimyasal yolla işler: soluma ve fermentasyon. Soluma ve fermentasyon boyunca maya hücreleri enerjiyi açığa çıkarmak için glikoz moleküllerini kendi içinde parçalar (bu süreç glikolizis olarak adlandırılır) ve bu enerjinin bir kısmı ATP’ninyüksek-enerji fosfat bağlarınca yakalanır ve depolanır. Glikozun parçalanması bir de karbon atomlarını açığa çıkarır, biyosentetik tepkimeler için hazır hale getirir, mayanın tomurcuklanma ile üreme ve gelişmesini sağlar. Geriye kalan karbon bu tepkimelerin yan ürünü olarak sonuçlanır, örneğin karbondioksit, etanol ve diğer minik bileşenler. Diğer maltoz gibi sindirilebilir şekerler önce glikoza çevrilir, sonra bu metabolik patikaya giriş yaparlar (buna karşılık fruktoz bu glikolitik patikaya doğrudan girer).
Soluma: Çoğu insan için soluma demek sadece oksijen tüketimi (teneffüs) demektir ama biyokimyagerler için bunun tanımı çok farklıdır. Bir biyokimyager için soluma biyokimyasal enerjinin üretimidir (ATP formunda), buna oksidativ fosforlaşma denir, hücrenin mitokondriyasında gerçekleşir. Bu süreç glikozu tümüyle oksidize eder. Serbest kalan enerjinin çoğu ATP tarafından yakalanır, bunu bir seri çiftli biyokimyasal tepkime içinde yapar. Bu süreç tümüyle oksijene bağlıdır ve yan ürün olarak su ve karbondioksit üretir. Soluma yapmak oksijen kaynağı olmadan mümkün değildir ve bunun dışında kalan müstesnalar doğada çok az görülür (sadece bazı mikroorganizmalarda).
Fermentasyon: Fermentasyon biyokimyasal enerjinin bir sonucudur (ATP biçiminde olur), bu alt-seviye fosforlaşma denilen bir süreç boyunca olur. Bu süreç glikozun sadece bir kısmını oksidize eder, yan ürün olarak başlıca etanol ve karbondioksit üretir. Bu proses içinde serbest kalan bazı enerjinin bir kısmı ATP tarafından yakalanırken aslında fermentasyon süreci solumaya oranla daha az enerji ortaya çıkarır çünkü potansiyel enerjinin çoğu yan ürün olan etanolün içinde kısmen oksidize olan kimyasal bağların içinde kalır. Soluma boyunca maya her bir glikoz molekülünden ATP molekülünün net 28 tanesini elde eder; hâlbukifermentasyon sürecinde sadece 2 tanesini elde eder. Fermentasyon sürecinde oluşan kısmi oksidasyon serbest oksijene ihtiyaç duymaz. (Adının tersine, oksidasyon oksijen içermek zorunda değildir; aslında sadece elektronlar transfer edilmektedir – buna karşılık oksijen, solumada olduğu gibi çoğunlukla elektron algıcı olarak davranır.) Fermentasyon oksijen olsa da olmasa da ilerler. Oksijen yoksa maya için tek olası seçenek fermentasyon yapmaktır.
Mayalama mayası hem soluma hem de fermentasyon yapar, çoğu mikroorganizmanın sahip olamadığı bir lüksten yararlanır. Büyüme ve çoğalma için gereken koşulu belirleyen sadece besinlerdir, ortamın aerobik (havalı) ya da anaerobik (havasız) olması bağlayıcı bir etken değildir. Mayalama mayası metabolik patika olarak solumayı ve fermentasyonu kullansa da eğer sindirilebilir şeker göreceli olarak çok yoğunsa soluma yapmaz, hatta elde edilecek oksijen bol olsa bile soluma yapmaz.
Fermentasyon eğilimi: Mayalama mayası fermentasyona doğru çok güçlü bir yönelim gösterir ve sadece sindirilebilir şekerlerin yoğunluğu çok düştüğünde ve oksijene ulaşmak mümkünse soluma yapar. Birayapımında maya solumadan ziyade fermentasyon yapar, bu oksijen yoğunluğuna bağlı değildir, çünkü şıra genelde sindirilebilir şekeri oldukça cömert sunar. Fermentasyon süresince oluşan etanol üretimi maya yaşamına katkı sağlar çünkü diğer mikroorganizmalar için zehirlidir.
Yani maya bu üç metabolik durumdan birisini kullanabilir: şeker ve oksijenin olduğu aerobik fermentasyon, şekerin olduğu ama oksijenin olmadığı anaerobik fermentasyon ve oksijenin olduğu ve sindirilebilir şeker yoğunluğunun az olduğu soluma (zorunlu olarak aerobik).
Solumanın tehlikesi: Esnekliğine bağlı olarak hücreler enerji ihtiyaçları için birden çok karbonu kaynak olarak kullanabilirler, buna diauksikdurumdeniliyor. Belirli koşullar altında, maya glikoz gibi etanolü de solur, yan ürün olarak asetik asit (sirke) üretir. Bu süreç ancak alternatif bir enerji kaynağı yoksa (sindirilebilir şekerler) ve ortam oksijen içeriyorsa gerçekleşir. Doğal olarak bizim maya normalde etanolü oksidize edecek bir şans bulamaz çünkü şekerler tümüyle yok olduğunda ve etanol soluma için müsait hale geldiğinde artık şıra içinde çözünmüş oksijen kalmamaktadır.
Fermentasyondan sonra evbiracısının havayla temas konusunda dikkat etmesini gerektirecek durum budur, bira ekşiyebilir. Hava aldırmanın bir diğer tehlikesi de havayla gelen oksijenin kimyasal oksidasyon tepkimelerini tetiklemesidir (trans-2-nonenal gibi hoş olmayan aldehitler ürer), yani nihai bira ağırlaşır, bozulur.
Maya Şırada Neden Soluma Yapmaz
Çünkü zorunda değildir. Diğer tüm organizmalar gibi maya da varolmak ve üremek için yapması gerekeni yapar. Eğer şeker gibi kaynaklar ganiyse, gani gani kullanılırlar (ve genelde tüketilirler). Mayalama mayası vakasında soluma şeker olsa da gerçekleşmez, oksijene bağlı değildir. Bu vakaya Crabtree Etkisi denir (1929 yılında tümörlü hücrelerde bunu keşfeden bilimci H. G. Crabtree’nin adına atfen konulmuştur). Crabtree Etkisi, metabolik düzenleyici bir mekanizmadır, aerobik büyüyen mayayı eğer sindirilebilir şeker varsa fermentasyon yapması için bu patikaya girmeye zorlar.
Tüm sindirilebilir şekerler, buna fruktoz, maltoz ve sukroz (sınırlı ölçüde galaktoz) dahildir, CrabtreeEtkisi’nidestekler ama glikoz etkiyi güçlü bir şekilde artırır. Genelde mayalama mayasının glikoz seviyesinin yüksek olduğu durumlarda fermentasyonu tercih ettiği söylenir ama “yüksek” göreceli bir kavramdır; yaklaşık %0,4’ü (w/v) aşarsa glikoz CrabtreeEtkisi’nidestekler; çoğu şıra (özüt ve tahıl) %1’den fazla glikoz içerir, bu da CrabtreeEtkisi’nikörüklemek için gereken ihtiyaçtan fazlasıdır. Şıradaki diğer şekerler de CrabtreeEtkisi’ni destekler (mesela 1040 OG’ye sahip bir şıranın %10’’u şekerdir). Bu kadar yüksek orandaki şeker mayalama mayasının solumasını gerçekten imkânsız kılar.
Oksijenin Gerçek Rolü – Biyosentez
Çoğu hayvan oksijensiz kaldığında birkaç dakika içinde ölür; mayalama mayası eğer yeterli besin varsa buna ihtiyaç duymaz, çünkü solumaya ihtiyaç duymaz. Saccharomyces türü mayaların içinde bazı çeşitler oksijene hiç ihtiyaç duymazlar ve belirli anaerobik koşullar altında rahatça gelişebilirler. (Diğer çoğu maya şeker sindirebilseler bile oksijensiz büyüyemezler (mesela Brettanomyces).) Ama bütün mayalama külliyatı ve mayalama deneyimleri sağlıklı bir fermentasyon için oksijene ihtiyaç olduğunu vurgular. Peki, oksijenin rolü nedir?
Maya oksijen uygun olduğunda oksijeni kullanır, hatta fermentasyon sırasında da kullanır ve öncelikle kendilerine sunulan tüm oksijeni tümüyle özümserler. Öte yandan maya bu oksijenin büyük çoğunluğunu biyosentetik tepkimeler için kullanır, soluma için kullanmaz. Daha detay verilecek olursa, aerobik bir ortam içindeki bir maya soluma-fermentasyon durumundadır, yani soluma ve fermentasyon aynı anda gerçekleşmektedir, fakat fermentasyon sürece neredeyse tamamen hâkimken soluma çok az oranda gerçekleşir. Bu ikili yapı bu konudaki yanlış anlamanın ana kaynağıdır, maya şıraya ekildiğinde soluma yapar ve üremek için oksijene ihtiyaç duyar yanılgısı buradan kaynaklanır.
Mayayı şıraya ektikten sonra şıradaki çözünmüş oksijen çok kısa bir zamanda sıfır seviyesine iner, ideal koşullarda 30 dakika içinde, çünkü maya oksijeni hücre duvarı biyosentezi için özümser. Oksijen hücrelerin daha hızlı büyümesini sağlar ve hücre duvarını yoğunlaştırır. Bu etki solumanın bir sonucu değildir ama sterol sentezi için kullanılan oksijenin sonucudur. Eğer şırada yeterli şıra sterolleri yoksa oksijen bu noktada kısıtlanır; yani diğer bir deyişle maya aç kalır.
Sterol sentezi:Aerobik fermentasyon süreci boyunca çözünmüş oksijen doymamış yağ asitleri ve sterollerin sentezinde kullanılır (başlıca ergosterol için), bunlar hücre duvarları için hayati bileşiklerdir. (İşin tuhafı hücre duvarları çoğunlukla karbonhidratlar tarafından oluşturulmuştur.) Bu steroller ve doymamış yağ asitleri maya için önemlidir çünkü eğer bunların seviyesi çok düşük olursa tomurcuklanmanın arkası kesilir.
Bu solumalı-fermentasyonun “sızıntılı” metabolik kontrol mekanizması şıradaki bazı karbonların biyosentetik patikaya girişine izin vermek için gereklidir (eğer toplam glikozun %1-2’sinden az ise). Karbon solumanın başlangıcında patikaya giriş yapar ama sonra biyosentez için sonra dönüşüme uğrar. Buradaki önemli nokta enerji üretimi ve tomurcuklanma için ne solumaya ne de oksijene ihtiyaç olduğudur. Hücre zarı neyin içeri girip neyin dışarı çıkacağını kontrol eden yapıdır. Eğer bu zarlar yeterli sterole sahip olmazsa maya hücresi zayıf düşer, çeşitli problemlere açık hale gelir. Zayıf kalmış hücreler alkole duyarlı hale gelir ve alkol onları öldürebilir. Zayıf hücreler aynı zamanda fermentasyonun durmasına ve bozuk aromalara neden olur. Öte yandan eğer duvarlar yeterli sterol içerirse hücreler daha güçlü olur, fermentasyonu bitirmek için daha çok hücre işin içine girer ve maya fermentasyonu daha hızlı tamamlar.
Sonuçta oksijene duyulan gerçek ihtiyaç yağ asitlerini ve sterolleri üretirken oluşur, bunlar hücre duvarı için çok önemli bileşiklerdir. Bira fermentasyonu için şırayı havalandırmak çok önemliymiş gibi düşünülür, böylece maya lipitleri sentezleyebilir, bu sadece çözünmüş oksijen ortamda varsa gerçekleşen bir hücre zarı biyosentezidir. Eğer maya bu önemli lipitleri elde edeceği bağımsız bir kaynak bulursa oksijene duyulan bu ihtiyaç teorik olarak tümüyle elenmiş olur.
Sterol sentezi için alternatifler:Lipit sağlamanın bir diğer yolu lipit vermektir ya da ölü maya içeren maya besini vermektir (maya besinlerinin hepsi bunu içermez). Bu lipitlerin öbür kaynağı aslında fermenterin dibinde biriken tortudan yani “atık madde”den gelir. Bu gresli, çamurumsu madde kaynama ve soğutma sonrası şerbette oluşur ve sonunda kabın dibine çöker. Bu materyal arpa maltından gelen önemli ölçüde lipid içerir (%50’si soğuk eşikten kaynaklanır –cold break) ve doymamış yağ asitlerini barındırır, maya bu yağ asitlerini sağlıklı, güçlü bir hücre zarı için sentezleyecektir.
Neredeyse tüm ticari biracılar kaynama köpüğünün (hot break) eğer alınmazsa bozuk aroma ürettiği konusunda hem fikirdirler ama bu evbirası için geçerli olmayabilir. Bir diğer tartışma soğutma sonrası dipte biriken atığın fermentasyona yardımcı olduğu yönünde (bu atığın karbondioksit zehirliliğini kontrol edecek olan çekirdeklenme bölgelerini desteklediği de iddia ediliyor). Öte yandan bu atığın biranın rayihasına zarar verdiği söyleniyor.
Zeytinyağı: Son zamanlarda evbiracıları arasında yaygınlaşan bir uygulamadır. Şıraya damlatılacak 2-3 damla zeytinyağı sterol sentezi için yeterli yağ asitini sağlamaktadır. Eğer şırayı havalandırmayı unuttuysanız ya da üşeniyorsanız zeytinyağı mayanın işini kolaylaştıracaktır.
Pratik Bilgiler
Eğer maya ekeceğiniz zaman yeterli canlı hücre sayısına ulaşamamışsanız (sıradan bir şıra için 1 mililitreye yaklaşık 5-10 milyon canlı maya hücresi demektir) şırayı havalandırmak fayda sağlar. Çoğu biracı bu sayıya ulaşamaz. Eğer aşırı sayıda maya ekilirse bu da “maya ısırmasına” (yeast-bite) neden olur ki istenmeyen bir durumdur.
Eğer aşırı havalandırma olursa metabolik yan ürünler ortaya çıkar: visinaldiketonlar (VDKs, bunlardan bir tanesi diasetildir), okso-asitler, zehirli alkoller ve bunların yol açtığı esterler. Çözünmüş oksijen bilindiği kadarıyla enzimatik olmayan üretim sonucu diasetile neden olur, buna okside olan alfa-asetolaktat yol açar.
Bazı maya cinsleri havalandırmaya ihtiyaç duyar. Kullanılan çoğu maya buna ihtiyaç duymaz. Dikkat edilecek nokta şıradaki çözünmüş oksijen miktarının 8 ppm civarında olması gerektiğidir. Bu durumda işi sağlama almak için biraz havalandırma yapmak mayaya yardımcı olacaktır.
Elde edilmek istenen bira stili de havalandırma durumunu belirler. Metabolik yan ürünler çoğu bira stilinde istenmez. Ama eğer bunlar tercih edilirse şıra havalandırılmaz. Eğer yüksek yoğunluğa sahip bir şıra ile (yüksek OG değeri) bol esterli bir bira isteniyorsa (mesela StrongScotchAle gibi) havalandırma yapılmaz.