За бирата от погледа на химика. Част 1

Здравей, %username%.

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

Разговорът ще бъде за бирата.

Няма да се споря за различни сортове сега, нито ще дискутирам, какъв вкус и цвят се променят в организма от момента на консумация до момента... Добре, разбираш – искам просто да говоря за начина, по който виждам процеса на производство, разликите и влиянието на бирата върху нашия организъм от химическа гледна точка.

Много хора считат, че бирата е напитка на простолюдието – и много грешат, много считат, че бирата е вредна – и също грешат, както и тези, които смятат, че бирата не е вредна. И ние ще разгледаме и това.

И в отличие от предишните статии — ще се опитам да избегна дългите текстове, а по-скоро ще разделя този разказ на няколко части. И ако на някой етап интересът изчезне — просто ще спра да травмирам мозъка на бедния читател.

Ами, да започнем.

История на въпроса

Историята на бирата в света обхваща няколко хиляди години. Първите споменавания за нея датират от епохата на ранния неолит. Още преди 6000 години човек е използвал технологии, позволяващи превръщането на хляба в ароматна напитка – и изобщо се смята, че бирата е най-древната алкохолна напитка в света.

Историята на произхода на бирата започва още преди нашата ера, а лаврите на изобретателите принадлежат на шумерите. Някои клинописи, открити от Е. Хубер в Месопотамия, съдържали около 15 рецепти за тази напитка. Жителите на Междуречието използвали спелта (полба) за приготвянето на бира. Ядките се смилали с ечемик, заливали се с вода, добавяли се трави и се оставяли да ферментират. На базата на полученото сусло се правел напитката. Обърни внимание: всъщност е изобретено пшеничното бире, но за хмела никой все още не е говорил, тоест всъщност се е варил грюйт или травяна бира. При това, малцът е бил непокълнат.

Следващата важна стъпка в историята на бирата е Вавилонската цивилизация. Именно вавилонците измислили как да подобрят напитката. Те покълвали зърно, а след това го сушили, получавайки малц. Бирената напитка на базата на зърно и малц се съхранявала не повече от един ден. За да придадат на напитката по-ароматен вкус, те добавяли подправки, дъбова кора, листа от дървета и мед - вече тогава били измислени хранителни добавки, имайки предвид, че до закона за чистотата на бирата Райнхайтсгебот или на по-разбираем език - немски, е имало още около 5000 години!

Постепенно бирата се разпространила в Древен Египет, Персия, Индия и на Кавказа. В Древна Гърция обаче не била популярна, тъй като считали, че е напитка на бедните. Точно тогава се зародили всичките тези предразсъдъци.

Историята на създаването на бирата получила развитие със започването на Средновековието. Този период се нарича период на второто раждане на бирата. Счита се, че това се случило в Германия. Немското наименование Bier произлиза от старогерманското Peor или Bror. Въпреки че същият английски Ale (ел) уж е етимологично свързан с праиндоевропейския корен, предполагаемо със значение "опиянение". Индоевропейското произход на корена убедително се доказва в сравнение с модерните датски и норвежки øl, както и исландското öl (германската група езици, към която принадлежи и староанглийският) и литовският и латвийският alus — бира (балтийската група на индоевропейската фамилия), северноруският ол (в значението опияняваща напитка), както и естонският õlu и финският olut. Накратко, никой не знае как са се получили думите, защото някой е объркал нещата в Древен Вавилон - и сега всеки нарича бирата по различен начин. Въпреки това, и я варят по различен начин.

Точно в Средновековието в напитката започнали да добавят хмел. С неговото появяване се подобрили вкусовите качества на бирата, а срокът й на съхранение станал по-дълъг. Запомни, %username%: хмелът първоначално бил консервант за бирата. Сега напитката можела да се пренася и тя станала предмет на търговия. Появили се стотици рецепти и разновидности на бирата. Някои учени от разбираеми региони смятат, че родоначалник на култивирането на хмел били славяните, тъй като в Русия вече през IX век пивоварството било широко разпространено.

Всъщност, през Средновековието, леките елови напитки се консумирали широко в Европа вместо вода. Децата също са могли да си позволят бира - и да, това е била истинска бира, а не квас, както някои смятат. Пили са не защото са искали да се напият, а защото след прием на вода можело лесно да се стигне до многобройни известни и неизвестни заболявания. С нивото на медицината, което било на равнище на жълт кантарион и баби-повитухи - това било твърде опасно. Освен това, така наречената масова бира (“small ale”) била и хранителна и отлично се съчетавала с храната в огромни количества, тъй като алкохолът в нея бил около 1%. Логичният въпрос “какво тогава убивало всички бактерии?” също ще обсъдим.

XIX век бе знак за нов напредък в историята на произхода на бирата. Първо, Луи Пастер откри зависимостта между ферментацията и дрождевите клетки. Той публикува резултатите от изследването си през 1876 година, а 5 години по-късно, през 1881 година, датският учен Емил Кристиан Хансен получи чиста култура на пивоварни дрожди, което стана стимул за индустриалното пивоварство.

Ако говорим за историята на безалкохолната бира, то началото ѝ е поставено от Закона Волстед от 1919 година, който ознаменува началото на епохата на сухия закон в САЩ: фактически производството, транспортирането и продажбата на алкохолни напитки с крепост над 0,5% бяха забранени. Така че това вече не е дори „small ale“. Произвеждането на такива практически безалкохолни напитки на основата на солод се извършваше от всички пивоварни компании, но по закон напитъкът трябваше да носи името „злаков напитък“, който народът веднага нарече „гума женица“ или „почти-бира“ („near beer“). Всъщност, за да се премине от обичайната, забранена, към новото „почти-бира“, беше необходимо да се добави само един допълнителен етап в производствения процес (и ще си спомним за него), който не повиши значително крайната цена и позволи максимално бързо да се възвърне производството на традиционната напитка: „Мисля, че това ще бъде славно време за бирата,“ каза президентът на САЩ Франклин Рузвелт, подписвайки акта на Калън-Харисън на 22 март 1933 година, който разреши увеличаването на крепостта на напитките до 4%. Законът влезе в сила на 7 април, затова оттогава тази дата е Национален ден на бирата в САЩ! Разказват, че на 6 април американците се редят на опашка пред баровете, а когато удари заветната полунощ, то… Кратко казано, статистиката сочи, че само на 7 април в САЩ са изпити един и половина милиона бъчви бира. А ти пиеше ли бира на 7 април, %username%?


Между другото, ако е интересно — в една от следващите части ще разкажа за още по-строгия сух закон — и това не е дори 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 е интересно, можете да се запознаете с описанието им тук. Бирата е много по-сложна, отколкото се мисли, цената на бутилка понякога може да надвишава цената на каса вино — и тук не говоря за виното от сорта „Шато де ля Пакет“.

Следователно, %username%, ако сега докато четеш си отворил бутилка бира — изпълни се с уважение и продължи да четеш нататък.

Съставки

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

Бирата, както и много други неща в този свят, е продукт на непълно изгаряне. Всъщност ферментацията е процесът, благодарение на който можем да се наслаждаваме на това удоволствие, точно както и твоята, %username%, способност да четеш тези редове е продукт на непълно изгаряне на захари; в случая с бирата захарите не изгарят в твоя мозък, а в дрождите в метаболизма.
Както при всяко изгаряне, продуктите са въглероден диоксид и вода, но помниш ли, че казах «непълно»? И наистина: при производството на бира дрождите не се оставят да преяждат (макар че това не е съвсем точно, но е подходящо за общо разбиране), затова освен въглероден диоксид се образува и алкохол.

Понеже храната не е чиста захар, а смес от най-различни съединения, продуктите не са просто въглероден диоксид, вода и алкохол, а цял букет, благодарение на който съществуват тези бира. Сега ще ти разкажа за някои основни съставки и ще развенчаю някои митове за бирата.

Вода.

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

Бирата представлява воден разтвор на екстрактивни вещества от малц, които не са променени по време на ферментацията и дозряването на бирата, етанол и вкусово-ароматни вещества, които са или вторични метаболити на дрожди, или произхождат от хмела. В състава на екстрактивните вещества влизат несферируеми въглехидрати (α- и β-глюкани), фенолни вещества (антосиянени, олиго- и полифеноли), меланоидини и карамели. Их съдържанието в бирата в зависимост от масовата част на сухи вещества в началната мъст, състава на мъстта, 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, масовата част на който в бирата може да бъде от 0,05 до 8,6%, и вкусово-ароматни вещества (висши алкохоли, естери, алдехиди и т.н.), синтезът на които зависи както от състава на мъстта, така и особено от режимите на ферментация и природата на дрождите. Както правило, за бира, при ферментацията на която се използват нискотемпературни дрожди, концентрацията на вторични метаболитни продукти на дрождите не надвишава 200 мг/л, докато за бирата на висотемпературна ферментация, техният уровень надвишава 300 мг/л. Още по-малка част от бирата съставляват горчивите вещества на хмела, количеството на които в бирата не надвишава 45 мг/л.

Всичко това е много скучно, цифрите всъщност могат да варират в големи и малки граници, но същността схвана: всичко това е много малко на фона на съдържанието на вода в бирата. Примерно както и ти, %username%, бирата се състои приблизително на 95% от вода. Не е изненада, че качеството на водата влияе на бирата по най-директен начин. И между другото, това е една от причините, поради които един и същи вид бира, произведен от различни фабрики на различни места, може да се различава по вкус. Конкретен и вероятно най-известен пример е Pilsner Urquell, който някога се опитваха да варят в Калуга, но нищо не се получи. Сега тази бира се произвежда само в Чехия заради особено меката вода.

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 не в диапазона „50-5000“ мг/l, а много по-точно.

Нека разберем какво влияе на състава на водата?

Първо, водата трябва да отговаря на СанПиН, затова веднага отхвърляме тежките метали и другата токсична материя — такова нещо не трябва да има във водата. Основните ограничения за водата, използвана пряко в производството на бира (по време на затиране), касаят показатели като величината на рН, твърдостта, отношението между концентрациите на йони на калций и магнезий, което изобщо не е регламентирано в питейната вода. Значително по-малко йони на желязо, силиций, мед, нитрати, хлориди и сулфати трябва да има в водата за пивоварство. Не се допуска наличието на нитрити във водата, които са силни токсини за хлебната мая. Минералните съставки (сух остатък) в водата трябва да са два пъти по-малко, а показателят ХПК (химично потребление на кислород — окисляемост) трябва да е 2,5 пъти по-нисък. При оценката на пригодността на водата за пивоварство е въведен и такъв показател като алкалност, който липсва в нормите за питейна вода.

В допълнение, се поставят допълнителни изисквания към водата, която се използва за коригиране на масовата част на сухите вещества и алкохол в високо плътното пивоварене (high-gravity brewing). Тази вода трябва първо да е микробиологично чиста и второ, деаерирана (т.е. практически без разтворен във водата кислород) и да съдържа още по-малко йони на калций и бикарбонати в сравнение с водата, препоръчана за пивоварство изобщо. Какво е високо плътно пивоварение?Ако не знаеш, технология високоскоростното пивоварене се състои в това, че с цел повишаване на производителността на варилнята, се варят мъст с масова част на сухите вещества, надвишаваща масовата част на сухите вещества на готовото бира с 4...6%. След това тази мъст се разрежда с вода до желаната масова част на сухите вещества, или до ферментация, или вече готова бира (да-да, бирата се разрежда — 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 бирата, получена по класическата технология, не се препоръчва да се повишава екстрактивността на началната мъст над 15%.

Изключително важно е да се поддържа правилен pH в водата — сега не говоря за вкуса на готовата бира, а за процеса на ферментация на мъста (между другото, как е установено — това не влияе на вкуса — просто няма да усетиш толкова фина разлика). Работата е там, че от pH зависи активността на ензимите, които дрождите използват, за да се хранят. Оптималното се счита за стойност 5,2...5,4, но понякога това значение се повишава, за да се увеличи горчивината. Стойността на pH оказва влияние 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. Например, в кисела среда се образува основно етилацетат, докато в алкална — интензивира синтеза на глицерин и оцетна киселина. Оцетната киселина влияе негативно на процеса на размножаване на дрождите, затова е необходимо да се неутрализира, коригирайки pH по време на ферментацията. За различната „храна“ може да има различна стойност на оптималното pH: например, за метаболизма на захароза е нужно 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 винаги е баланс на карбонати и хидрокарбонати в разтвора, именно те определят тази стойност. Но и тук не е всичко толкова просто, защото освен анионите, има и катиони.

В пивоварството минералните катиони, които са съставна част на водата, се делят на химически активни и химически неактивни. Химически активните катиони включват всички соли на калция и магнезия: така, присъствието на калций и магнезий (и, между другото, натрий и калий) във висока концентрация на карбонати повишава pH, докато калциевите и магнезиевите йони (тук натрий и калий не са на ход) — но в съпровод с сулфати и хлориди понижават pH. Играйки с концентрациите на катиони и аниони, може да се постигне оптималното ниво на киселинност на средата. При това, пивоварите предпочитат повече калций пред магнезий: от една страна, именно с йона на калция е свързано явлението на флокулация на дрождите, а от друга страна — при премахване на временното твърдост чрез кипене (като в чайник) калциевият карбонат се утаява и може да бъде отстранен, докато магнезиевият карбонат се утаява бавно и при охлаждане на водата отново частично се разтваря.

Но наистина, калций и магнезий — това са само цветя. За да не натоварвам статията, просто ще обединя някои влияния на примесите на йоните в водата върху различни производствени факти и качеството на бирата.

Влияние върху процеса на пивоварене

• Йоните на калций — стабилизират алфа-амилаза и увеличават нейната активност, в резултат на което се повишава извличането на екстракт. Увеличават активността на протеолитичните ензими, благодарение на което се увеличава съдържанието на общ и α-аминен азот в суслената.
• Определят нивото на намаляване на pH на суслената при затиране, кипене на суслената с хмел и ферментация. Определят флокулацията на дрождите. Оптималната концентрация на йоните е 45-55 мг/л сусло.
• Йони на магнезий — участват в състава на ензимите на гликолизата, т.е. необходими са както за ферментацията, така и за размножаването на дрождите.
• Йони на калий — стимулират размножаването на дрождите, участват в състава на ферментните системи и рибозомите.
• Йони на желязото — оказват отрицателно влияние върху процесите на затиране. При концентрация над 0,2 мг/л могат да причинят дегенерация на дрождите.
• Йони на мангана — влизат като кофактор в ензимите на дрождите. Съдържанието не трябва да надвишава 0,2 мг/л.
• Йони на амония — могат да присъстват само в отпадъчните води. Абсолютно неприемливи.
• Йони на медта — при концентрации над 10 мг/л – токсични за дрождите. Могат да бъдат мутагенен фактор за дрождите.
• Цинкови йони — В концентрация от 0,1 до 0,2 мг/л стимулират размножаването на дрожди. При високи концентрации инхибират активността на α-амилаза.
• Хлориди — Намаляват флокулацията на дрождите. При концентрация над 500 мг/л забавят процеса на ферментация.
• Хидрокарбонати — При високи концентрации повишават pH и следователно намаляват активността на амилазни и протеолизни ензими, понижават изхода на екстракта и способстват за повишаване на цветовете на сладе. Концентрацията не трябва да надвишава 20 мг/л.
• Нитрати — При концентрации над 10 мг/л се откриват в отпадъчните води. В присъствието на бактерии от семейство Enterbacteriaceae се образува токсичният нитрит-йон.
• Силикатите — Намаляват активността на ферментация при концентрации над 10 мг/л. Силикатите произхождат главно от малц, но понякога, особено през пролетта, увеличението им в бирата може да е предизвикано от водата.
• Флуориди — До 10 мг/л не оказва влияние.

Влияние върху вкуса на бирата

• Калциеви йони — Намаляват екстракцията на танини, които придават на бирата груба горчивина и стягчащ вкус. Намаляват усвояването на горчиви съединения от хмела.
• Магнезиеви йони — Придават горчив вкус на бирата, който се усеща при концентрации над 15 мг/л.
• Натриеви йони — При концентрации над 150 мг/л предизвикват солен вкус. При концентрации от 75 до 150 мг/л намаляват пълнотата на вкуса.
• Сулфати — Придават на бирата стягащ и горчив вкус, определят послевкуса. При концентрация над 400 мг/л придават на бирата "сух вкус" (здравей, Guiness Draught!). Могат да предизвикат образуването на миризми и вкусове, свързани с активността на инфекциозни микроорганизми и дрожди.
• Силикатите — Оказват влияние върху вкуса косвено.
• Нитрати — Отрицателно влияят на процеса на ферментация при концентрации над 25 мг/л. Възможност за образуване на токсични нитрозамини.
• Хлориди — Придават на бирата по-фин и сладък вкус (да-да, но ако няма натрий). При концентрация на йони около 300 мг/л повишават пълнотата на вкуса на бирата и придават диниен вкус и аромат.
• Железни йони — При съдържание в бирата над 0,5 мг/л увеличават цвета на бирата, появява се кафява пяна. Каката бира получава метален вкус.
• Марганцови йони — Подобно на влиянието на желязото, но много по-силно.
• Медни йони — Негативно влияят на стабилността на вкуса. Смягчават серния привкус в бирата.

Влияние върху колоидната стабилност (мътност)

• Калциеви йони — Утаяват оксалати, с което намаляват вероятността за появата на оксалатна мътност в бирата. Увеличават коагулацията на протеините при варене на сусло с хмел. Намаляват екстракцията на силиций, което благоприятства колоидната стабилност на бирата.
• Силикати — Намаляват колоидната стабилност на бирата поради образуването на неразтворими съединения с калциеви и магнезиеви йони.
• Железни йони — Ускоряват окислителните процеси, причиняват колоидна мътност.
• Медни йони — Негативно влияят на колоидната стабилност на бирата, действайки като катализатор за окисление на полифенолите.
• Хлориди — Подобряват колоидната стабилност.

Как е? Всъщност различни стилове бира са се формирали в различни части на света благодарение на различната вода. Пивоварите от една местност произвеждали успешна бира с изразен малцов вкус и аромат, а производителите от друга — прекрасна напитка с забележим хмелов профил — всичко това, защото в различни региони водата е била различна, на базата на която едната бира се получавала по-добре от другата. В момента, например, съставът на водата за бира се счита за оптимален в следния вариант:

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

Напълно логично е, че всяка вода, използвана за производството 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 един или друг начин вода бива обработвана за отстраняване на хлора, изменение на минералния състав и корекция на твърдостта и алкалността. Всичко това може да не ви тревожи, но в такъв случай — и то, ако имате късмет със състава на водата — пивоварната ще успее да произведе само два-три сорта. Затова контролът и подготовката на водата се извършват ВИНАГИ.

Съвременните технологии, при наличие на достатъчни средства, позволяват да се получи вода с практически всякакви нужни характеристики. Основата в този случай може да бъде както градската водопроводна вода, така и добитата директно от артезиански източник. Има и екзотични случаи: например, една шведска пивоварна е сварила бира от пречистени отпадъчни води, а чилийски майстори правят бира на вода, събрана в пустинята от мъгла. Но е очевидно, че при серийното производство скъпият процес на подготовка на водата оказва влияние върху крайната цена — и, възможно е именно затова вече споменатият Pilsner Urquell не се произвежда никъде другаде, освен у дома в Чехия.

Мисля, че за първата част е достатъчно. Ако разказът ми е интересен, в следващата част ще говорим за още две задължителни съставки за бирата, а може би и за една незадължителна, ще обсъдим защо бирата има различен аромат, дали съществува "светла" и "тъмна", а също така ще се докоснем до странните букви OG, FG, IBU, ABV, EBC. Може да има още нещо, а може и да няма, а да се появи в третата част, в която планирам накратко да премина през технологията, а след това да разгледам митове и заблуди относно бирата, включително, че я "разреждат" и "усилват", също така ще говорим за това, може ли да се пие просрочена бира.

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

Източник: habr.com