CC BY
134
Роль кислорода в пивоварении
I
Тш О'Рурк
Лондонский институт и Английская гильдия пивоваров
Биологические системы
в пивоварении
В процессе солодоращения (прорастание зерна, обычно ячменя) зерну необходимо находиться в богатой кислородом окружающей среде. Углекислый газ, образовавшийся при дыхании зерна, должен быть удален. Для этого через зерно продувают воздух на следующих стадиях процесса солодоращения: при хранении ячменя; во время замачивания; во время прорастания. Затем свежепроросший солод высушивают, живая часть зародыша погибает, и солод не нуждается более в кислороде.
Дрожжи также используют кислород. Хотя брожение является анаэробным процессом (происходит в отсутствие воздуха), дрожжевые клетки нуждаются в кислороде для роста.
Анаэробное дыхание:
Сахар — Спирт + С02 + Энергия (АТФ).
Дрожжи поглощают молекулярный кислород в начале брожения, и клетка использует его для образования стерола и ненасыщенных жирных кислот, которые являются важными компонентами дрожжевой мембраны. Если стеролы (например, эргостерол) и ненасыщенные жирные кислоты (например, олеиновая кислота) будут внесены непосредственно в сусло, то кислород дрожжам не потребуется.
С точки зрения высвобождающейся энергии аэробное дыхание более эффективно, чем анаэробное. Однако стремление использовать кислород дрожжами для аэробного дыхания подавляется процессом, механизм которого описан как эффект Крэбтри. В присутствии глюкозы (около 1 мас.%) дрожжи ЗассНаготусез используют ее для выработки спирта, а кислород — необходимых жирных компонентов.
При недостатке липидов происходит неправильное брожение, способствующее неадекватному воспроизводству дрожжевых клеток, которое, в свою очередь, приведет к медленному и затухающему брожению, появлению постороннего запаха (т.е. плохому удалению диацетила и ацетальдеги-да), медленному приросту биомассы дрожжей с недостаточной жизнеспособностью, плохому образованию эфиров.
Избыток кислорода приводит к быстрому сбраживанию; избыточному росту дрожжей и, следовательно, потерям пива; высокому эфирообразованию (в результате получается пиво с фруктовым запахом).
Аэрация сусла
Сусло обычно аэрируют между аппаратом для осветления сусла (гидроциклонным аппаратом), охладителем сусла и бродильным аппаратом (перед внесением дрожжей).
На большинстве пивоварен аэрируют сусло в холодном состоянии — после охладителя сусла.
Для увеличения растворимости кислорода в воде (или сусле) существует несколько систем, которые включают: аэрацию в средней секции двухсекционного охладителя сусла во избежание турбулентности потока в пластинчатом охладителе; использование нержавеющей стали и керамических свечей на линии охлаждения сусла для образования микропузырьков; использование статических мешалок на линии продвижения турбулентного потока; использование систем Вентури, кото-
рые увеличивают давление для улучшения проникновения газа в раствор.
Растворяется только часть введенного газа. Хорошая система аэрирования должна включать в себя измерительное устройство, расположенное довольно далеко от точки ввода воздуха, которое определяет растворенный кислород и сообщает результат контрольной системе.
Необходимое количество растворенного кислорода зависит от штамма дрожжей и начальной плотности сусла. Сусло для традиционного эля и лагерного пива, обычно имеющее относительную плотность не выше чем 1,045 (12 %), требует 6-8 мг/дм3 растворенного кислорода. При выработке высокоплотного пива начальная плотность сусла возрастает до 1,080 (20 %). В этих условиях дрожжам для развития требуется не менее 16 мг/дм3 растворенного кислорода. Из табл. 2 видно, что невозможно добиться такого показателя, используя кислород растворенного воздуха, для этого требуется впрыскивание чистого кислорода.
Реакции окисления
Реакции окисления и восстановления в природе происходят постоянно. Так как мы живем в богатой кислородом атмосфере, продукты постоянно медленно окисляются.
Молекулу, которая теряет электроны, называют окисленной. Если одна молекула теряет электрон, то другая должна его принять. Последняя молекула называется восстановленной.
В этом случае кислород принимает свободные электроны и, следовательно, выступает как окислитель. Но в этом процессе сам кислород будет восстановлен.
Таблица 7
Горячая аэрация Холодная аэрация
Преимущества
Стерильный воздух Лучшая растворимость кислорода
Лучше смешивание в охладителе сусла Меньше риск окисления сусла
— Меньшее поглощение кислорода на химическое окисление компонентов сусла
Меньше риск появления постороннего запаха
и нестабильности
Недостатки
Меньшая растворимость кислорода Воздух должен быть простерилизован перед аэрированием
Риск окисления сусла Требуется отдельная система смешивания кислорода
Часть кислорода будет израсходована
на окисление компонентов сусла
Риск появления посторонних запахов
(чеснока и старения), развивающихся в пиве
Таблица 2
Среда для растворения кислорода Концентрация кислорода, мг/дм3, при температуре, °С
0 | 5 | 10 | 15 | 20
Насыщенная вода 14,5 12,7 11,2 10,0 9,9
Насыщенное сусло (12%-ное) 11,6 10,4 9,3 8,3 7,4
ПИВО и НДПИТКИ
2•2003
24
Рис. 1. Предполагаемый механизм старения (Kaneda Н. и др. 1999)
Окисленный
Картонный
Сухофруктов Терпкий
Горечь
Метаболический «Кошачий»
Продолжительность хранения
Рис. 2. Изменения вкуса пива в результате окисления
Кислород обычно существует в трип-летном состоянии (3О2). В этой форме он не очень реакционноспособен и должен быть активирован энергией (света или тепла) или катализирован металлом (медь или железо). Тогда он образует активные радикалы, такие, как перекисный и гидро-перекисный.
Радикалы быстро реагируют с компонентами сусла и пива с образованием окисленных компонентов, некоторые из которых влияют на качество конечного продукта, например вкус старения обусловлен образованием карбонилов (например, транс-2-ноненала); ускоренное образование холодной и постоянной мути происходит из-за окисления полифенолов; терпкость и цветность пива увеличиваются из-за окисления полифенолов.
Предлагаемый механизм для этих изменений показан на рис. 1.
Окислительные изменения практически неизбежны, они значительно влияют на вкус и аромат пива. Единственно, что может сделать пивовар, — повлиять на скорость, с которой эти изменения происходят, так как, несмотря на длительность хранения, пиво должно обладать оптимальными органолептическими показателями (рис. 2).
Контроль над кислородом
и продуктами окисления
Пивоваренное сырье
Условия хранения и обработки пивоваренного сырья влияют на старение пива. Существуют литературные данные об образовании фермента липоксигеназы во время солодоращения, что предположительно ведет к увеличению содержания липидов в сусле.
Именно от качества сырья зависит наличие компонентов в пиве, приводящих к старению, (таких, как липиды), или веществ, защищающих сусло или пиво от окисления (например, меланоидины и по-
лифенолы, имеющие редуцирующую способность).
Варочный цех
Окисление затора и сусла — предмет подробного изучения, и большинство разработчиков варочного оборудования проектируют производительную и перекачивающую системы так, чтобы минимизировать поглощение кислорода путем затирания и перекачки затора снизу в днище аппарата; промывки и установки рециркуляционной системы в фильтрационном аппарате так, чтобы ввести сусло под слой жидкости; создания системы, которая не усиливает аэрацию во время кипячения.
Это способствует снижению концентрации кислорода. Однако далее много кислорода вносится с пивоваренной водой (при затирании и промывании), которая, хотя и деаэрирована, содержит около 30 мг кислорода на 1 кг солода в заторе.
Процессы окисления, происходящие в варочном цехе, значительно увеличивают содержание окисленных компонентов (ли-пидов и полифенолов), но пока неизвестно, насколько это влияет на процесс старения фасованного пива. Эти процессы окисления используют редуцирующий потенциал затора и сусла, при этом получается пиво с низкой редуцирующей способностью, которое теоретически склонно к быстрому окислению.
В литературе существуют противоречивые мнения, описывающие окисление сусла и затора с различным количеством кислорода. Исследования на пилотной установке с наблюдением за окислением затора путем сравнения обычного пивоварения (менее чем 40 мг кислорода на 1 кг дробленого солода) с сильно сниженным окислением (1 мг кислорода на 1 кг дробленого солода) не привело к производству пива с улучшенной стабильностью вкуса.
Однако отмечена следующая разница между образцами пива: более быстрое фильтрование затора получено с менее
окисленным затором и с меньшей степенью окисления белков, и в результате с меньшим количеством дисульфидных связей между полипептидами. Окисленные белки полимеризуются с образованием ди-сульфидных мостиков (рис. 3); меньшее пенообразование при использовании менее окисленного затора; при менее окисленном заторе получается пиво с более высоким редуцирующим потенциалом; более высокий уровень окисления приводит к увеличению цветности сусла и готового пива; пиво, полученное из затора с более высоким уровнем окисления, содержит меньше полифенолов (на незначительном уровне).
Брожение
Воздух или кислород вводят в сусло непосредственно перед брожением для стимуляции роста дрожжей. Живые активные дрожжи хорошо адсорбируют кислород, и он быстро ассимилируется еще до того, как начнет проходить химическое окисление. В конце брожения молодое пиво целиком анаэробно и свободно от кислорода.
Производство пива
После брожения пиво способно к окислению. Пока активные дрожжи еще находятся во взвешенном состоянии, можно ввести много кислорода. При отсутствии активных дрожжей будет происходить окисление, приводя к описанным выше реакциям старения. Поэтому следует принимать следующие меры во избежание проникновения кислорода: противодавление должно создаваться инертным газом (СО2 или азотом); для прокачивания через пи-вопроводы должна быть использована деаэрированная вода; все разбавления должны быть проведены деаэрированной водой; промывать все изгибы и оборудование следует деаэрированной водой; должно быть уделено внимание предотвращению подтекания в насосах, местах соеди-
2•2003
|ПИ
НАПИТКИ
25
Л
г ; Образование
, / дисульфидных
ч ' ( мостиков
> \
Рис. 3. Окисление белков
при формировании дисульфидных связей
Серебряный анод
4Ag + 4CL-
4AgCL + 4e-
X
Электролит (50%-ный, насыщенный KCL)
Полипропиленовая мембрана
Платиновый катод 4H+ + 4e- + O ^ 4H O
Рис. 5. Платиновый электрод
нения и т.п., где может просочиться воздух; трубы должны быть спроектированы абсолютно моющимися; производство пива в больших танках позволяет снизить уровень окисления; когда аппараты и дозаторы свободны, насосы должны отключаться автоматически; при работе с сепараторами должен быть использован инертный газ; необходимо эффективно удалять кислород из деаэрированной воды.
Плохая конструкция труб
может привести
к проникновению кислорода (рис. 4)
Путем аккуратных операций и хорошего проектирования производства проникновение кислорода может быть предотвращено. Пиво должно быть направлено на розлив с содержанием растворенного кислорода менее 50 мкг/дм3.
Розлив (в мелкую тару)
Попадание кислорода в пиво во время розлива его в бутылки и банки неизбежно. При проектировании линий розлива предусматривались следующие мероприятия для минимизации проникновения кислорода в пиво: наполнение счетчика давления наполнителя аппарата инертным газом; промывание или двойная предэвакуация бутылок инертным газом; промывание газом для уменьшения количества воздуха в воздушном пространстве; обведение линий розлива (укупорки) каналами с инертным газом; удаление кислорода от пробок для защиты от окисления.
Применение современных технологий позволяет выпускать пиво с содержанием кислорода менее 100 мкг/дм3. Пивовары должны стремиться к выпуску продукции с содержанием кислорода менее 500 мкг/дм3.
Поддержание концентрации кислорода в конечном продукте на низком уровне позволяет значительно задержать начало старения пива.
Антиоксидаты
Существуют другие способы по увеличению антиоксидантной способности пива.
Как отмечено ранее, сырье влияет на способность пива к старению. Использование темного солода и высокая задача хмеля позволяют лучше сохранить качество пива.
Неосветленное нестерилизованное пиво содержит дрожжевые клетки, которые способны поглотить остаточный кислород, приобретенный во время розлива.
Диоксид серы, образующийся во время брожения, является антиоксидантом. Уровень Б02 натурального происхождения может быть увеличен во время брожения путем снижения скорости прироста дрожжевых клеток при помощи более низкой температуры брожения; уменьшения аэрирования сусла; снижения засева дрожжей; начальной плотности сусла; увеличения добавок сульфата в затор; выработки прозрачного сусла.
Антиоксиданты, такие, как диоксид серы и аскорбиновая кислота (или аскор-бат натрия), добавляют в пиво обычно до розлива. Установлено, что наиболее эффективно одновременное добавление двух антиоксидантов.
Удаление ионов металлов, в частности железа и меди, снизит темпы окисления. Это может быть проконтролировано путем анализа сиропов и кизельгура.
Пиво в торговой сети
Многие сорта пива уже на выходе с предприятия проявляют признаки старения. Во время хранения этого продукта постепенно ухудшается вкус.
Большинство светлых сортов пива (лагерного и светлых элей) проявляет признаки старения через три месяца после розлива, несмотря на то, что их срок хранения 1 год или более. Стабильность вкуса темных сортов выше.
Совершенствование технологического процесса позволяет существенно улучшить стабильность вкуса пива, но для сохранения его качества необходимо соблюдать правильные условия транспортирования после розлива и дальнейшего хранения.
Из этого вытекают следующие вопросы:
должно ли пиво иметь срок годности 12 месяцев? Ведь супермаркеты могут продать скоропортящийся продукт в течение нескольких дней;
надпись «использовать до...» дает ограниченную информацию о продукте. Только главный пивовар, устанавливая срок годности, предоставляет возможность покупателям судить о свежести пива;
хранение пива при низких температурах в торговой цепочке уменьшает степень его окисления;
если хранение в холоде не может быть обеспечено, естественно, необходимо избегать содержание пива в теплых местах. Пиво, хранящееся при 30 °С, портится в 25 раз быстрее, чем при 0 °С.
Однако не все покупатели не любят окисленный старый вкус пива. Многие потребители из Северной Америки ассоциируют этот вкус с импортными брэндами из Европы и других регионов, и потребление свежего пива производит на них меньшее впечатление.
Измерение
Чтобы можно было проконтролировать что-либо, надо это измерить. Институт пивоварения (1оВ) рекомендует следующие методы измерения концентрации кислорода.
• Метод извлечения воздуха с использованием каустической соды для адсорбции СО2 и определением количества воздуха в газовом пространстве. Этот метод не может быть применен при использовании азота для поддавливания или карбонизации смешанным газом.
• Карминный метод, где индигокармин реагирует с кислородом. В результате получается синее окрашивание (А615).
• Определение с помощью платинового электрода, который может измерить количество кислорода в растворе. Возможно как лабораторное использование этого метода, являющегося стандартным, так и в потоке (рис. 5).
Однако «важен не кислород, количество которого мы можем определить..., а важно изучить его влияние». Поэтому на предприятиях необходимо проводить дегустации и анализировать собственную продукцию в течение всего срока годности, чтобы оценить, как будет сохраняться пиво.
ЛИТЕРАТУРА
1. Annemuller G. и др. Brauwelt International, 2001, april.
2. O'Rurke T. Australia and NZ Institute of Brewing Convention, 1992, march.
3. Bamfort C. Brewers Guardian, 2000, april.
4. Kaneda H. и др. MBAA Техническое совещание, 1999, № 1.
ПИВО " НАПИТКИ
2•2003
26
