За бира през погледа на химик. Част 1

Здравей, %username%.

Както обещах по-рано, изчезнах за малко заради командировката си. Не, тя все още не е приключила, но ми донесе някои мисли, които реших да споделя с теб.

Ще говорим за бирите.

В момента няма да защитавам конкретни сортове, нито ще споря за вкусовете и цветовете, които се променят от момента на консумация. Просто искам да поговоря за начина, по който виждам производствения процес, разликите и влиянието на бирата върху нашия организъм от химическа гледна точка.

Много хора смятат, че бирата е напитка на простолюдието - и много грешат, други мислят, че бирата е вредна - и също сгрешават, както и тези, които вярват, че бирата не е вредна. Ще разгледаме и това.

И за разлика от предишните статии - ще се постарая да избегна дългите четива и вместо това ще разделя разказа на няколко части. И ако на някой етап интересът отслабне - просто ще спра да натоварвам мозъка на бедния читател.

И да започваме.

История на въпроса

Историята на бирата в света датира от няколко хилядолетия. Първите споменавания за нея са от епохата на ранния неолит. Вече преди 6000 години хората са използвали технологии, които позволяват превръщането на хляба в ароматна напитка - всъщност, бирата се счита за най-древния алкохолен напитка в света.

Историята на произхода на бирата започва още преди нашата ера, а славата на изобретателите принадлежи на шумерите. Техният клинопис, открит от Е. Хубер в Месопотамия, съдържа около 15 рецепта на тази напитка. Жителите на Междуречието използвали пшеница (спелта) за приготвяне на бира. Тя се смилала с ечемик, залива се с вода, добавят се подправки и оставя да ферментира. На основата на полученото брашно правели напитка. Обърни внимание: по същество е изобретена пшеничната бира, но за хмела все още не е говорено, така че всъщност се е варил груит или билкова бира. При това малцът не е бил покълнал.

Следващата веха в историята на появата на бирата е Вавилонската цивилизация. Именно вавилонците са измислили как да подобрят напитката. Те кълняли зърно и след това го сушели, получавайки малц. Пивото на основата на зърно и малц се съхранявало не повече от денонощие. За да направят напитката по-ароматна, добавяли подправки, дъбова кора, листа от дървета и мед — още тогава са измислили хранителни добавки, а и как да е, преди Райнхайтсгебота — или на разбираем език — немският закон за чистота на бирата, е имало около 5000 години!

Постепенно бирата се разпространила в Древен Египет, Персия, Индия и Кавказ. В Древна Гърция обаче не била популярна, тъй като се считала за напитка на бедните. Именно тогава се появили всички тези предразсъдъци.

Историята на създаването на бирата се развива с началото на Средновековието. Този период се нарича период на второто раждане на бирата. Смята се, че то е станало в Германия. Немското наименование Bier произлиза от старогерманското Peor или Bror. Въпреки че английското Ale (ел) уж е етимологично свързано с праиндоевропейския корен, предполагаемо със значение "опиянение". Индоевропейският произход на корена се доказва убедително при сравнението с днешните датски и норвегийски øl, както и исландското öl (германска езикова група, към която принадлежи и древноанглийски) и литовското и латвийското alus — бира (балтийска група индоевропейската фамилия), северноруския ол (в значението на хмелна напитка), както и естонското õlu и финското olut. Накратко, никой не знае как са се получили тези думи, защото някой е объркал в Древен Вавилон — а сега всеки нарича бирата по различен начин. Впрочем, и я варят по различен начин.

В именно Средновековието в напитката започнали да добавят хмел. С неговото появяване се подобрили вкусовите качества на бирата, а срокът ѝ на съхранение станал по-дълъг. Помни, %username%: хмелът първо е бил консервант за бирата. Сега напитката можело да се превозва и тя станала предмет на търговия. Появили се стотици рецепти и разновидности на бирата. Някои учени от определени региони смятат, че родоначалник на култивирането на хмел са славяните, защото в Русия вече през IX век пивоварството е било широко разпространено.

Спомням си, че в средните векове леките ели широко се употребяваха в Европа вместо вода. Дори децата можеха да си позволят да пият бира — и да, ставаше въпрос именно за бира, а не за квас, както мнозина смятат. Хората не пиеха, защото бяха тъмни и искаха да се напият, а защото след като опитаха водичка, лесно можеха да се разболеят от множество известни и неизвестни болести. При медицината, която беше на нивото на живовляк и бабки-акушерки, това беше прекалено опасно. Освен това, така наречената масова бира („small ale“) бе и хранителна, и отлично се съчетаваше с обедите в колосални количества, тъй като алкохолът в нея беше около 1%. Логичният въпрос е: „А какво тогава е убивало всички инфекции?“ — ще разгледаме и него.

XIX век донесе нов пробив в историята на бирата. Първо, Луи Пастер откри зависимостта между ферментацията и дрождите. Той публикува резултатите от своето изследване през 1876 година, а 5 години по-късно, през 1881 година, датският учен Емил Кристиан Хансен получи чиста култура на пивните дрожди, което стана тласък за индустриалното пивоварение.

Ако говорим за историята на безалкохолното бира, то тласък на неговото появяване дало Закона на Волстед от 1919 година, който ознаменувал началото на ерата на сухия закон в САЩ: всъщност производството, превозването и продажбата на алкохолни напитки с крепост над 0,5% били забранени. Така че това вече не е дори «small ale». Всички пивоварни компании произвеждали почти безалкохолни напитки на основата на солод, но според закона, напитката трябвало да се нарича «злаков напиток», която народът незабавно нарекъл «гумена жена» или «почти бира» («near beer»). Всъщност, за да се премине от обикновената, забранена, към новото «почти бира», било достатъчно да се добави само една допълнителна стъпка в производствения процес (и ние задължително ще си спомним за нея), което не увеличило много крайната цена и позволило бързо да се възвърне производството на традиционната напитка: «Мисля, че това ще бъде славно време за бира,» — казал президентът на САЩ Франклин Рузвелт, подписвайки акта на Калън-Харисън на 22 март 1933 година, който разрешил увеличаването на крепостта в напитките до 4%. Законът влязъл в сила на 7 април, а оттогава тази дата — Национален ден на бирата в САЩ! Казват, че вече на 6 април американците се изправяли на опашка в баровете, а когато ударила желаната полунощ, то... В общи линии, статистиката показва, че само на 7 април в САЩ били изпити полутони милиона бъчви бира. А ти изпие ли една чаша бира на 7 април, %username%?


Между другото, ако ти е интересно — в една от следващите части ще разкажа за още по-строгия сух закон — и това дори не е СССР, а Исландия.

В момента бира не се вари само в Антарктида — макар че това не е точно. Съществуват десетки категории и стотици стилове — и ако ти е интересно, можеш да се запознаеш с описание на тях тук. Бирата — далеч не е толкова проста, колкото изглежда, цената на бутилка понякога може да надвишава цената на кашон вино — и не говоря сега за виното сорт «Шато де ля Пакет».

Затова, %username%, ако в момента, докато четеш, си отворил бутилка бира — изпълни се с уважение и продължи да четеш.

Съставки

Преди да разгледаме от какво се състои бирата, ще си припомним накратко технологията на производството на тази напитка.

Бирата, както и много други неща в този свят, е продукт на непълно изгаряне. Всъщност, ферментацията е процес, благодарение на който ние изпитваме това удоволствие, както и твоето, %username%, умение да четеш тези редове — е продукт на непълно изгаряне на захарите, но в случая на бирата захарите не изгарят в мозъка ти, а в дрождите в метаболитната верига.
Както при всяко изгаряне, продуктите са въглероден диоксид и вода — но помниш ли, че казах "непълно"? И действително: в производството на бира дрождите не се оставят да ядат прекалено много (макар че това не е съвсем точно, но е достатъчно за общо разбиране) — затова освен въглеродния диоксид се образува и алкохол.

Тъй като храната не е чиста захар, а смес от различни съединения — продуктовите резултати не са просто въглероден диоксид, вода и алкохол — а цял букет, благодарение на който съществуват тези бири. Сега ще ти разкажа за някои основни съставки и по пътя ще развенчая някои митове за бирата.

Вода.

Спомняйки си, че все пак аз съм химик, ще премина на скучния химически език.

Бирата представлява воден разтвор на екстрактивни вещества от малц, които не са променени в хода на ферментацията и доферментацията на бирата, етилов алкохол и вкусово-ароматни вещества, които са или вторични метаболити на дрождите, или произхождат от хмела. Съставът на екстрактивните вещества включва несброжени въглехидрати (α- и β-глюкани), фенолни вещества (антоцианогени, олиго- и полифеноли), меланоидини и карамел. Тяхното съдържание в бирата в зависимост от масовата част на сухите вещества в началното сусло, състава на суслото, технологичните режими на ферментация и щамовите особености на дрождите варира от 2,0 до 8,5 г/100 г бира. С тези показатели на процеса е свързано съдържанието на алкохол, чиято масова част в бирата може да бъде от 0,05 до 8,6%, и на вкусово-ароматните вещества (висши алкохоли, естери, алдехиди и др.), синтезът на които зависи както от състава на суслото, така и особено от режимите на ферментация и природата на дрождите. Както обикновено, за бира, при ферментацията на която се използват ниски дрожди, концентрацията на вторични метаболитни продукти на дрождите не надвишава 200 мг/л, докато за бира с висока ферментация тяхното ниво надвишава 300 мг/л. Още по-малка част от бирата представляват горчивите вещества от хмела, количеството на които в бирата не надвишава 45 мг/л.

Всичко това е много скучно, цифрите всъщност могат да се различават в по-големи или по-малки стойности, но същността улавяш: всичко това е много малко на фона на съдържанието на вода в бирата. Приблизително както и ти, %username%, бирата се състои от около 95% вода. Не е изненада, че качеството на водата влияе на бирата по най-прям начин. И между другото, това е една от причините, поради които един и същ сорт бира, произвеждан от различни фабрики на различни места, може да се различава по вкус. Конкретният и вероятно най-известен пример е Pilsner Urquell, който някога се опитвали да варят в Калуга, но не успели. В момента тази бира се произвежда само в Чехия заради особената мекота на водата.

Нито една пивоварна няма да започне да варя бира, без предварително да провери водата, с която ще работи — качеството на водата е твърде важно за крайния продукт. Основните играчи в това отношение са същите катиони и аниони, които виждате на етикета на всяка газирана напитка — само че нивата се контролират далеч от диапазона „50-5000“ мг/л, а много по-точно.

Нека да разберем какво влияе на състава на водата?

Първо, водата трябва да отговаря на СанПиН, затова веднага отхвърляме тежките метали и друга токсична материя — тази гадост не трябва да присъства във водата. Основните ограничения за водата, използвана директно в производството на бира (по време на затирането), се отнасят за показатели като стойността на pH, твърдостта, съотношението между концентрациите на калциеви и магнезиеви йони, което в питейната вода изобщо не се регламентира. Значително по-малко количество желязо, силиций, мед, нитрати, хлориди и сулфати трябва да присъства в водата за пивоварство. Наличието на нитрити в водата, които са силни токсини за дрождите, не е допустимо. Минералните компоненти (сух остатък) в водата трябва да бъдат наполовина по-малко, а показателят ХПК (химично потребление на кислород — окисляемост) трябва да бъде 2,5 пъти по-нисък. При оценка на пригодността на водата за пивоварство е включен и показателят алкалност, който отсъства в нормативите за питейна вода.

Освен това, допълнителни изисквания се поставят към водата, която се използва за корекция на масовата част на сухите вещества и спирта при високоогъсто пивоварство (high-gravity brewing). Тази вода трябва да бъде, първо, микробиологично чиста и, второ, деаерирана (т.е. почти да не съдържа разтворен във вода кислород) и да съдържа още по-малко калциеви йони и бикарбонати в сравнение с водата, препоръчана за пивоварство вообще. Какво е високоогъсто пивоварство?Ако не знаеш, технологията на висока плътност на пивоварение се състои в това, че с цел повишаване на производителността на варилния цех, се варят сладове с масова част на сухи вещества, превишаваща с 4...6% масовата част на сухите вещества на готовото бира. След това, този слад разбавят с вода до желаната масова част на сухите вещества, или до ферментация, или вече готовото бира (да-да, бирата се разводнява — но това е само в завода, и за това ще разкажа по-късно). При това, за да се получи бира, която не се различава по вкус от бира, получена по класическата технология, не се препоръчва повишаване на екстрактивността на началния слад над 15%.

Изключително важно е да се поддържа правилния pH на водата — говоря сега не за вкуса на готовото бира, а за процеса на ферментация на сладовете (между другото, установено е, че това всъщност не влияе на вкуса — просто няма да усетиш толкова фина разлика). Работата е там, че pH влияе на активността на ензимите, които дрождите използват, за да се хранят. Оптималната стойност е между 5,2 и 5,4, но понякога тази стойност се повишава, за да се увеличи горчивината. Стойността на pH влияе на интензивността на обменните процеси в клетките на дрождите, което се отразява на коефициента на увеличаване на биомасата, скоростта на растеж на клетките и синтеза на вторични метаболити. Така, в кисела среда се образува основно етилов алкохол, докато в алкална — се интенсифицира синтезът на глицерин и оцетна киселина. Оцетната киселина негативно влияе на процеса на размножаване на дрождите, затова е необходимо да се неутрализира, коригирайки pH в процеса на ферментация. За различна „храна“ може да има различна оптимална стойност на pH: например, за метаболизма на захароза е необходимо 4,6, за малтоза – 4,8. pH е един от основните фактори за образуването на сложни естери, за които ще говорим по-късно и които създават онези плодови аромати на бирата.

Корекцията на pH е винаги баланс между карбонати и хидрокарбонати в разтвора, именно те определят тази стойност. Но и тук не е всичко толкова просто, защото освен аниони, има и катиони.

В пивоварството минералните катиони, които са част от водата, се разделят на химически активни и химически неактивни. Химически активни катиони са всички соли на калция и магнезия: така, присъствието на калций и магнезий (а между другото и на натрий с калий) на фона на високо съдържание на карбонати повишава pH, докато калций и магнезий (тук вече натрий и калий отпадат) — но в сътрудничество с сулфати и хлориди понижават pH. Играейки с концентрациите на катиони и аниони, може да се достигне оптимално ниво на киселинност на средата. В този контекст пивоварите предпочитат калция пред магнезия: на първо място, именно с йона на калция е свързано явлението наречено флокулация на дрождите, а на второ — при отстраняване на временното жесткост чрез варене (както в чайника) карбонатът на калция се утаява и може да бъде отстранен, докато карбонатът на магнезия се утаява бавно и при охлаждане на водата отново частично се разтваря.

Но всъщност калций и магнезий — това са още цветя. За да не пренатоварвам статията, просто ще обобщя влиянието на примесите на йони във водата върху различни производствени фактори и качеството на бирата.

Влияние върху процеса на пивоварение

• Йоните на калция — стабилизират алфа-амилазата и увеличават нейната активност, в резултат на което се повишава изходът на екстракта. Увеличават активността на протеолитичните ензими, с което увеличават съдържанието на общ и α-аминен азот в сусло.
• Определят нивото на понижаване на pH на суслото при заваряване, варене на суслото с хмел и ферментация. Определят флокулацията на дрождите. Оптималната концентрация на йони е 45-55 мг/л сусло.
• Йоните на магнезия — част от състава на ензимите на гликолизата, т.е. необходими са както за ферментация, така и за размножаване на дрождите.
• Йоните на калия — стимулират размножаването на дрождите, част от ферментни системи и рибозоми.
• Йоните на желязото — оказват негативно влияние върху процесите на затиране. При концентрация над 0,2 мг/л могат да предизвикат дегенерация на дрождите.
• Йоните на мангана — участва в ролята на кофактор в ензимите на дрождите. Съдържанието не трябва да надвишава 0,2 мг/л.
• Йоните на амония — могат да присъстват само в отпадъчни води. Напълно неприемливи.
• Йоните на медта — при концентрации над 10 мг/л – токсични за дрождите. Могат да бъдат мутагенен фактор за дрождите.
• Цинковите йони – В концентрация 0,1 – 0,2 мг/л стимулират размножаването на дрожди. При високи концентрации инхибират активността на α-амилазата.
• Хлоридите – Намаляват флокулацията на дрождите. При концентрация над 500 мг/л забавят процеса на ферментация.
• Хидрокарбонатите – При високи концентрации водят до повишаване на pH, следователно до намаляване на активността на амилолитичните и протеолитичните ензими, намаляват добива на екстракта и способстват за повишаване на цветността на сладкото. Концентрацията не трябва да надвишава 20 мг/л.
• Нитратите – При концентрации над 10 мг/л се откриват в отпадъчните води. В присъствието на бактерии от семейството Enterbacteriaceae се образува токсичен нитрит-ион.
• Силикатите – Намаляват активността на ферментация при концентрации над 10 мг/л. Силикатите произлизат главно от малца, но понякога, особено през пролетта, причината за повишаването им в бирата може да бъде водата.
• Флуоридите – До 10 мг/л нямат влияние.

Влияние върху вкуса на бирата

• Калциевите йони – Намаляват екстракцията на танини, които придават на бирата груба горчивина и вяжещ вкус. Намаляват усвояването на горчивите вещества от хмела.
• Магнезиевите йони – Придават горчив вкус на бирата, който се усеща при концентрации над 15 мг/л.
• Натриевите йони – При концентрации над 150 мг/л определят солен вкус. При концентрации 75…150 мг/л – намаляват плътността на вкуса.
• Сулфатите – Придават на бирата терпкост и горчивина, определят послевкуса. При концентрация над 400 мг/л придават на бирата "сух вкус" (здравей, Guiness Draught!). Могат да предшестват образуването на серни вкусове и аромати, свързани с жизнената дейност на заразяващи микроорганизми и дрожди.
• Силикатите – Имат влияние върху вкуса по индиректен начин.
• Нитратите – Негативно влияят на процеса на ферментация при концентрации над 25 мг/л. Възможност за образуване на токсични нитрозамини.
• Хлоридите – Придават на бирата по-фин и сладък вкус (да-да, но само ако няма натрий). При концентрация на йоните около 300 мг/л увеличават плътността на вкуса на бирата и ѝ придават вкус и аромат на дини.
• Железните йони – При съдържание в бирата над 0,5 мг/л увеличават цвета на бирата, появява се кафява пяна. Придават на бирата метален вкус.
• Мангановите йони – Подобно на влиянието на желязото, но много по-силно.
• Медните йони — отрицателно влияят на стабилността на вкуса. Помягчават сяровия вкус на бирата.

Влияние върху колоидната устойчивост (мъгливост)

• Калциевите йони — утаяват оксалати, като така намаляват вероятността от поява на оксалатна мъгливост в бирата. Увеличават коагулацията на протеините при варене на бирата с хмел. Намаляват екстракцията на силиций, което благоприятно се отразява на колоидната устойчивост на бирата.
• Силикатите — намаляват колоидната устойчивост на бирата поради образуването на неразтворими съединения с йони на калций и магнезий.
• Железните йони — ускоряват окислителните процеси, причинявайки колоидна мъгливост.
• Медните йони — отрицателно влияят на колоидната стабилност на бирата, действайки като катализатор на окисление на полифеноли.
• Хлоридите — подобряват колоидната устойчивост.

Как е? Всъщност различни стилове бира са се формирали в различни части на света благодарение на различната вода. Бирените производители от една местност успявали да произвеждат успешна бира с изразен малцов вкус и аромат, докато производителите от друга местност имали отлични напитки с осезаем хмелов профил — всичко това, защото в различните региони имало различна вода, на база която едната бира ставала по-добра от другата. В момента, например, съставът на водата за бира се счита за оптимален в следния вид:

Но е ясно, че винаги има отклонения — и тези отклонения често обуславят факта, че „Балтика 3“ от Санкт Петербург не е съвсем същото като „Балтика 3“ от Запорожие.

Напълно логично е, че всяка вода, използвана за производство на бира, преминава през няколко етапа на подготовка, включително анализ, филтрация и, при необходимост, корекция на състава. Много често пивоварната провежда процес на подготовка на водата: получената по различен начин вода се подлага на премахване на хлора, промяна на минералния състав и корекция на твърдостта и алкалността. Всичко това може да не притеснява, но тогава — и това, ако късметът е на страната на номиналния състав на водата — пивоварната ще успее да произведе само няколко сорта. Затова контролът и подготовката на водата се извършва ВСЕГА.

Съвременните технологии, при наличието на достатъчни средства, позволяват получаването на вода с практически всякакви необходими характеристики. Базата за това може да бъде както градската водопроводна вода, така и водата, добита директно от артезиански източник. Има и екзотични случаи: например, една шведска пивоварна е сварила бира от пречистени отпадъчни води, а чилийски майстори произвеждат бира на вода, събрана от мъглата в пустинята. Но е ясно, че при серийно производство скъпият процес на обработка на водата влияе на крайната цена — и, възможно е именно затова вече споменатият Pilsner Urquell не се произвежда никъде другаде освен в родината си в Чехия.

Мисля, че за първата част е достатъчно. Ако разказът ми се окаже интересен, в следващата част ще говорим за още две задължителни съставки на бирата, а възможно и за една незадължителна, ще обсъдим защо бирата има различен аромат, дали има "светло" и "тъмно", както и ще се докоснем до странни букви OG, FG, IBU, ABV, EBC. Може да има и нещо друго, а може и нещо да липсва, но да се появи в третата част, в която планирам да мина накратко през технологията, а след това да се заемем с митове и заблуди относно бирата, включително, че я "разреждат" и "засилват", и също така ще поговорим за това дали може да се пие просрочена бира.

А може да има и четвърта част… Изборът е твой, %username%!

Източник: habr.com