О пиве глазами химика. Часть 1

Привет, %username%.

Как я и обещал ранее, я немного пропал в связи со своей командировкой. Нет, она ещё не закончилась, но навеяла некоторые мысли, которыми я решил поделиться с тобой.

Речь пойдёт о пиве.

Я не буду сейчас топить за те или иные сорта, спорить, какой вкус и цвет в организме меняется меньше от момента употребления до момента… ну ты понял – я хочу просто поговорить о том, как видится мне процесс производства, различия и влияния пива на наш организм с точки зрения химии.

Многие считают, что пиво – напиток простого люда – и очень ошибаются, многие считают, что пиво вредное – и тоже ошибаются, впрочем, как и те, что считают, что пиво – не вредное. И мы разберём и это

И в отличие от предыдущих статей — я постараюсь избавить от лонгридов, а лучше разделю этот рассказ на несколько. И если на каком-то этапе интереса не будет — то просто перестану травмировать мозг бедного читателя.

Ну поехали.

История вопроса

История пива в мире насчитывает несколько тысячелетий. Первые упоминания о нём относятся к эпохе раннего неолита. Уже 6000 лет назад человек использовал технологии, позволяющие превращать хлеб в ароматный напиток — да и вообще считается, что пиво — самый древний алкогольный напиток в мире.

История происхождения пива началась ещё до нашей эры, а лавры изобретателей принадлежат шумерам. Их клинопись, обнаруженная Е. Хубером в Месопотамии, содержала около 15 рецептов этого напитка. Жители Междуречья использовали для приготовления пива полбу (спельту). Её перемалывали с ячменём, заливали водой, добавляли травы и оставляли бродить. На основе полученного сусла делали напиток. Обрати внимание: по сути изобретено пшеничное пиво, но о хмеле никто ещё ничего не говорил, то есть по сути варился грюйт или травяное пиво. При этом солод был не пророщенным.

Следующей вехой в истории появления пива стала Вавилонская цивилизация. Именно вавилоняне придумали, как улучшить напиток. Они проращивали зерно, а затем его сушили, получая солод. Пиво на зерне и солоде хранилось не более суток. Для того чтобы сделать напиток ароматнее, в него добавляли пряности, дубовую кору, листья деревьев, мёд — уже тогда придумали пищевые добавки, ещё бы, ведь до Райнхайтсгебота или по-понятному — немецкого закона о чистоте пива было ещё порядка 5000 лет!

Постепенно пиво распространилось в Древнем Египте, Персии, Индии, на Кавказе. А вот в Древней Греции оно популярностью не пользовалось, поскольку считалось напитком бедных. Тогда-то и возникли все эти предрассудки.

История создания пива получила развитие с началом Средневековья. Этот период называют периодом второго рождения пива. Считается, что произошло оно в Германии. Немецкое название Bier происходит от старогерманского Peor или Bror. Хотя тот же английский Ale (эль) якобы этимологически восходит к праиндоевропейскому корню, предположительно со значением «опьянение». Индоевропейское происхождение корня убедительно доказывается в сравнении с современными датским и норвежским øl, а также исландским öl (германская группа языков, к которой принадлежал и древнеанглийский) и литовским и латышским alus — пиво (балтийская группа индоевропейской семьи), севернорусским ол (в значении хмельной напиток), а также эстонским õlu и финским olut. Короче, никто не знает, как получились слова, потому что кто-то напортачил в Древнем Вавилоне — ну и каждый теперь называет пиво по-разному. Впрочем, и варят по-разному.

Именно в Средневековье в напиток стали добавлять хмель. С его появлением улучшились вкусовые качества пива, а срок его хранения стал более длительным. Помни, %username%: хмель в первую очередь был консервантом для пива. Теперь напиток можно было перевозить, и оно стало предметом торговли. Появились сотни рецептов и разновидностей пива. Некоторые учёные из понятно каких регионов считают, что родоначальником культивирования хмеля были славяне, ведь на Руси уже в IX веке пивоварение было широко распространено.

Кстати, в средние века лёгкие эли повсеместно употреблялись в Европе вместо воды. Пивко могли себе позволить даже дети — и да, это было конкретно пиво, а не квас, как некоторые считают. Пили не потому, что тёмные и хотели спиться, а потому, что отведав водицы можно было легко двинуть концы от целой кучи уже ведомых и ещё неведомых болезней. При уровне медицины на уровне подорожника и бабки-повитухи — это было слишком опасно. К тому же так называемое столовое пиво («small ale») было еще и питательным и отлично шло за обеденным столом в колоссальных количествах, поскольку алкоголя там было порядка 1%. Логичный вопрос «а что же тогда убивало всю заразу?» мы тоже обязательно рассмотрим.

XIX век ознаменовался очередным прорывом в истории возникновения пива. Сначала Луи Пастер открыл зависимость между брожением и дрожжевыми клетками. Он опубликовал результаты исследования в 1876 году, а через 5 лет, в 1881 году, датский учёный Эмиль Кристиан Хансен получил чистую культуру пивных дрожжей, что и стало толчком для промышленного пивоварения.

Если говорить про историю безалкогольного пива, то толчком к его появлению стал Акт Волстеда 1919 года, ознаменовавший начало эпохи сухого закона в США: фактически было запрещены производство, перевозка и продажа алкогольных напитков крепче 0,5%. Так что это уже даже не «small ale». Выпуском таких практически безалкогольных напитков на основе солода занимались все пивоваренные компании, правда, по закону напиток пришлось называть «злаковый напиток», который народ немедленно прозвал «резиновой женщиной» «почти-пивом» («near beer»). На самом деле для того, чтобы перейти с обычного, запрещённого, к новому «почти-пиву», достаточно было добавить к производственному процессу всего один дополнительный этап (и мы обязательно вспомним о нём), что не сильно удорожало конечный продукт и позволило максимально быстро вернуться к производству традиционного напитка: «Думаю, это будет славное время для пива,» — сказал президент США Франклин Рузвельт, подписывая акт Каллена-Харрисона 22 марта 1933 года, разрешивший поднять крепость в напитках до 4%. Акт вступил в силу 7 апреля, а потому с тех пор эта дата — Национальный день пива в США! Говорят, что уже 6 апреля американцы выстраивались в очередь в бары, а когда пробила заветная полночь, то… Короче, статистика говорит, что за одно только 7 апреля в США было выпито полтора миллиона бочек пива. А ты выпил кружечку пива 7 апреля, %username%?


Кстати, если будет интересно — я в одной из следующих частей расскажу про ещё более суровый сухой закон — и это даже не СССР, а Исландия.

В настоящий момент пиво не варится разве что в Антарктиде — хотя это неточно. Существуют десятки категорий и сотни стилей — и если интересно, то ознакомиться с их описанием можно тут. Пиво — далеко не так просто, как считается, стоимость бутылки иногда может превышать стоимость ящика вина — и я сейчас говорю не про вино сорта «Шато де ля Пакет».

Поэтому, %username%, если сейчас ты за чтением открыл бутылочку пива — преисполнись уважением и продолжай читать дальше.

Ингредиенты

Перед тем, как разбирать то, из чего состоит пиво, кратко вспомним технологию производства этого напитка.

Пиво – как и очень многое в этом мире – есть продукт неполного сгорания. На самом деле брожение – процесс, благодаря которому мы вкушаем сие удовольствие, равно как и твоя, %username%, способность читать эти строки – есть продукт неполного сгорания сахаров, только в случае пива сахара сгорают не у тебя в мозгу, а у дрожжей в цепочке метаболизма.
Как и в результате любого сгорания, продуктами являются углекислый газ и вода – но помнишь я сказал «неполное»? И действительно: в производстве пива дрожжам не дают переедать (хотя это и не совсем корректно, но для общего понимания картины годится) – а потому кроме углекислого газа образуется ещё и спирт.

Поскольку пищей выступает не чистый сахар, а смесь самых разных соединений – то и продуктом выступает не просто углекислый газ, вода и спирт – а целый букет, благодаря чему и существуют эти самые пива. Сейчас я расскажу о некоторых основных ингредиентах, а также попутно развенчаю некоторые мифы о пиве.

Вода.

Вспоминая то, что всё-таки я — химик, перейду на скучный химический язык.

Пиво представляет собой водный раствор экстрактивных веществ солода, не претерпевших изменения в ходе брожения и дображивания пива, этилового спирта и вкусо-ароматических веществ, являющихся либо вторичными метаболитами дрожжей, либо происходящими из хмеля. В состав экстрактивных веществ входят несброженные углеводы (α- и β-глюканы), фенольные вещества (антоцианогены, олиго- и полифенолы), меланоидины и карамели. Их содержание в пиве в зависимости от массовой доли сухих веществ в начальном сусле, состава сусла, технологических режимов брожения и штаммовых особенностей дрожжей колеблется от 2,0 до 8,5 г/100 г пива. С этими же показателями процесса связано содержание спирта, массовая доля которого в пиве может составлять от 0,05 до 8,6%, и вкусоароматических веществ (высших спиртов, эфиров, альдегидов и т.п.), синтез которых зависит как от состава сусла и, особенно от режимов брожения и природы дрожжей. Как правило, для пива, при сбраживании которого используют низовые дрожжи, концентрация вторичных продуктов метаболизма дрожжей не превышает 200 мг/л, в то время как для пива верхового брожения их уровень превышает 300 мг/л. Еще меньшую долю в пиве составляют горькие вещества хмеля, количество которых в пиве не превышает 45 мг/л.

Всё это очень скучно, цифры на самом деле могут отличаться в большие и меньшие стороны, но суть ты уловил: всего этого очень мало на фоне содержания воды в пиве. Примерно как и ты, %username%, пиво примерно на 95% состоит из воды. Неудивительно, что качество воды влияет на пиво самым непосредственным образом. И кстати это — одна из причин, почему один и тот же сорт пива, производимый разными заводами в разных местах, может отличаться по вкусу. Конкретный и, наверное, самый известный пример — Pilsner Urquell, который как-то пытались варить в Калуге, но ничего не вышло. Сейчас это пиво производится только в Чехии из-за особой мягкой воды.

Ни одна пивоварня не станет варить пиво, не проверив предварительно воду, с которой ей предстоит работать — качество воды слишком важно для конечного продукта. Основными игроками в этом плане выступают те же самые катионы и анионы, которые ты видишь на бутылке любой газировки — только уровни контролируются отнюдь не в диапазоне «50-5000» мг/л, а куда точнее.

Разберёмся, на что же влияет состав воды?

Ну в первую очередь вода должна соответствовать СанПиН, а потому сразу отбрасываем тяжёлые металлы и прочее токсичное — этой дряни в воде вообще быть не должно. Основные ограничения для воды, применяемой непосредственно в производстве пива (при затирании), касаются таких показателей как величина рН, жесткость, соотношения между концентрациями ионов кальция и магния, которое в питьевой воде вообще не регламентируется. Значительно меньше в воде для пивоварения должно содержаться ионов железа, кремния, меди, нитратов, хлоридов, сульфатов. Не допускается наличие в воде нитритов, которые являются сильными токсинами для дрожжей. В два раза меньше в воде должно быть минеральных компонентов (сухой остаток) и в 2,5 раза ниже показатель ХПК (химическое потребление кислорода — окисляемость). При оценке пригодности воды для пивоварения внесен такой показатель, как щелочность, который отсутствует в нормативах для питьевой воды.

Кроме того, дополнительные требования предъявляются к воде, которая используется для корректировки массовой доли сухих веществ и спирта в высокоплотном пивоварении (high-gravity brewing). Эта вода должна быть, во-первых, микробиологически чистая, а во вторых, деаэрирована (т.е. практически не содержать растворимый в воде кислород) и содержать ещё меньше ионов кальция и бикарбонатов по сравнению с водой, рекомендованной для пивоварения вообще. Что такое высокоплотное пивоварение?Если ты не знал, то технология высокоплотного пивоварения заключается в том, что с целью повышения производительности варочного цеха варят сусло с массовой долей сухих веществ на 4…6% превышающее массовую долю сухих веществ готового пива. Далее, это сусло разбавляют водой до желаемой массовой доли сухих веществ либо до брожения, либо уже готовое пиво (да-да, пиво разбавляют — но это только на заводе, и об этом я позже тоже расскажу). При этом с целью получения пива, не отличающегося по вкусу от пива, полученного по классической технологии, не рекомендуется повышать экстрактивность начального сусла более 15%.

Чрезвычайно важно поддерживать в воде правильный рН — я говорю сейчас вовсе не о вкусе готового пива, а о процессе сбраживания сусла (кстати, как было найдено — на вкус это как раз не влияет — ты просто не почувствуешь столь тонкую разницу). Дело в том, что от рН зависит активность ферментов, которые дрожжи используют для того, чтобы кушать. Оптимальным считается значение 5,2..5,4, но иногда это значение смещают в более высокую сторону, чтобы повысить горечь. Величина рН оказывает влияние на интенсивность обменных процессов в клетках дрожжей, что отражается на коэффициенте прироста биомассы, скорости роста клеток и синтезе вторичных метаболитов. Так, в кислой среде образуется в основном этиловый спирт, в то время как в щелочной — интенсифицируется синтез глицерина и уксусной кислоты. Уксусная кислота отрицательно сказывается на процессе размножения дрожжей, а потому её необходимо нейтрализовать, корректируя рН в процессе брожения. Для различной «еды» может быть разное значение оптимального рН: например, для метаболизма сахарозы нужно 4,6, для мальтозы – 4,8. рН — один из основных факторов образования сложных эфиров, о которых мы поговорим позже и которые и создают те самые фруктовые запахи пива.

Корректировка рН — это всегда баланс карбонатов и гидрокарбонатов в растворе, именно они и определяют это значение. Но и тут не всё так просто, потому что кроме анионов есть и катионы.

В пивоварении минеральные катионы, входящие в состав воды, делят на химически активные и химически неактивные. Химически активными катионами являются все соли кальция и магния: так, присутствие кальция и магния (и кстати натрия с калием) на фоне высокого содержания карбонатов повышает рН, в то время как кальций и магний (тут уже натрий и калий в пролёте) — но в содружестве с сульфатами и хлоридами понижают рН. Играя с концентрациями катионов и анионов, можно добиться оптимального значения кислотности среды. При этом пивовары больше любят кальций, чем магний: во-первых, именно с ионом кальция связано такое явление как флокуляция дрожжей, а во-вторых — при устранении временной жесткости кипячением (это как в чайнике) карбонат кальция выпадает в осадок и может быть удалён, в то время как карбонат магния осаждается медленно и при охлаждении воды снова частично растворяется.

Но на самом деле кальций и магний — это ещё цветочки. Чтобы не перегружать статью, просто сведу вместе некоторые влияния примесей ионов в воде на различные факторы производства и качества пива.

Влияние на процесс пивоварения

• Ионы кальция — Стабилизируют альфа-амилазу и увеличивают ее активность, в результате чего повышается выход экстракта. Увеличивают активность протеолитических ферментов, за счет этого возрастает содержание в общего и α-аминного азота в сусле.
• Определяют уровень снижения рН сусла при затирании, кипячении сусла с хмелем и брожении. Определяют флокуляцию дрожжей. Оптимальным является концентрация ионов 45-55 мг/л сусла.
• Ионы магния — Входят в состав ферментов гликолиза, т.е. необходимы как для брожения, так и для размножения дрожжей.
• Ионы калия — Стимулируют размножение дрожжей, входят в состав ферметных систем и рибосом.
• Ионы железа — Отрицательное влияние на процессы затирания. При концентрации более 0,2 мг/л могут вызвать дегенерацию дрожжей.
• Ионы марганца — Входят в качестве кофактора в ферменты дрожжей. Содержание не должно превышать 0,2 мг/л.
• Ионы аммония — Могут присутствовать только в сточных водах. Абсолютно неприемлемы.
• Ионы меди — При концентрациях более 10 мг/л – токсичны для дрожжей. Могут являться мутагенным фактором для дрожжей.
• Ионы цинка — В концентрации 0,1 – 0,2 мг/л стимулируют размножение дрожжей. При высоких концентрациях ингибируют активность α-амилазы.
• Хлориды — Снижают флокуляцию дрожжей. При концентрации более 500 мг/л замедляют процесс брожения.
• Гидрокарбонаты — При высоких концентрациях приводят к повышению рН, а следовательно к снижению активности амилолитических и протеолитических ферментов, снижают выход экстракта. и способствуют повышению цветности сусла. Концентрация не должна превышать 20 мг/л.
• Нитраты — При концентрациях более 10 мг/л обнаруживаются в стоках. В присутствии бактерий семейства Enterbacteriaceae образуется токсичный нитрит-ион.
• Силикаты — Снижают активность брожения при концентрации более 10 мг/л. Силикаты происходят большей частью из солода, но иногда, особенно весной, причиной их повышения в пиве может быть вода.
• Фториды — До 10 мг/л не оказывает влияния.

Влияние на вкус пива

• Ионы кальция — Снижают экстракцию таннинов, которые придают пиву грубую горечь и вяжущий вкус. Снижают утилизацию горьких веществ хмеля.
• Ионы магния — Придают горький привкус пиву, который ощущается при концентрации более 15 мг/л.
• Ионы натрия — При концентрациях более 150 мг/л обуславливают соленый вкус. При концентрациях 75…150 мг/л – снижают полноту вкуса.
• Сульфаты — Придают пиву терпкость и горечь, обуславливают послевкусие. При концентрации более 400 мг/л придают пиву «сухой вкус» (привет, Guiness Draught!). Могут предшествовать образованию сернистых вкусов и запахов, связанных с жизнедеятельностью инфицирующих микроорганизмов и дрожжей.
• Силикаты — Оказывают влияние на вкус косвенным путем.
• Нитраты — Отрицательно влияют на процесс брожения при концентрации более 25 мг/л. Возможность образования токсичных нитрозаминов.
• Хлориды — Придают пиву более тонкий и сладкий вкус (да-да, но если нет натрия). При концентрации ионов около 300 мг/л повышают полноту вкуса пиву и придают ему дынный вкус и аромат.
• Ионы железа — При содержании в пиве более 0,5 мг/л увеличивают цвет пива, появляется коричневая пена. Придают пиву металлический привкус.
• Ионы марганца — Подобно влиянию ионов железа, но намного сильнее.
• Ионы меди — Отрицательно влияют на стабильность вкуса. Смягчают сернистый привкус у пива.

Влияние на коллоидную стойкость (мутность)

• Ионы кальция — Осаждают оксалаты, тем самым снижают возможность появления оксалатного помутнения в пиве. Увеличивают коагуляцию белков при кипячении сусла с хмелем. Снижают экстракцию кремния, что благоприятно сказывается на коллоидной стойкости пива.
• Силикаты — Снижают коллоидную стойкость пива в связи с образованием нерастворимых соединений с ионами кальция и магния.
• Ионы железа — Ускоряют окислительные процессы, вызывают коллоидное помутнение.
• Ионы меди — Отрицательно влияют на коллоидную стабильность пива, выступая катализатором окисления полифенолов.
• Хлориды — Улучшают коллоидную стойкость.

Ну каково? На самом деле разные стили пива формировались в разных уголках мира благодаря в том числе разной воде. У пивоваров из одной местности получалось удачное пиво с выраженным солодовым вкусом и ароматом, а у производителей из другой выходил замечательный напиток с заметным хмелевым профилем — все потому, что в разных регионах была разная вода, на базе которой одно пиво получалось лучше, чем другое. Сейчас, например, состав воды для пива считается оптимальным в таком виде:

Однако понятно, что всегда есть отклонения — и эти отклонения часто обуславливают то, что «Балтика 3» из Питера — вовсе не «Балтика 3» из Запорожья.

Вполне логично, что любая вода, используемая для производства пива, проходит несколько стадий подготовки, включая анализ, фильтрацию и, при необходимости, корректировку состава. Очень часто пивоварня проводит процесс подготовки воды: получаемая тем или иным образом вода подвергается удалению хлора, изменению минерального состава и корректировке жесткости и щелочности. Всем этим можно не заморачиваться, но тогда — и то, если повезет с номинальным составом воды — у пивоварни получится сварить лишь пару-тройку сортов. Поэтому контроль и подготовка воды выполняется ВСЕГДА.

Современные технологии, при наличии достаточных средств, позволяют получить воду с практически любыми нужными характеристиками. Базой при этом может служить хоть городская водопроводная вода, хоть добытая напрямую из артезианского источника. Есть и экзотичные случаи: одна шведская пивоварня, например, сварила пиво из очищенных сточных вод, а чилийские умельцы делают пиво на воде, собранной в пустыне из тумана. Но понятно, что при серийном производстве дорогой процесс водоподготовки влияет на конечную стоимость — и, возможно, именно потому уже упомянутый Pilsner Urquell не производится больше нигде, кроме как дома в Чехии.

Думаю, что для первой части хватит. Если мой рассказ окажется интересным, в следующей части мы поговорим о ещё двух обязательных ингредиентах пива, а возможно — и об одном необязательном, обсудим, почему же пиво по-разному пахнет, есть ли «светлое» и «тёмное», а также коснёмся странных букв OG, FG, IBU, ABV, EBC. Может что-то будет ещё, а может — чего-то не будет, а появится в третьей части, в которой я планирую пройтись вкратце по технологии, а затем разобраться с мифами и заблуждениями касательно пива, в том числе, что его «разбавляют» и «крепят», также поговорим о том, можно ли пить просроченное пиво.

А может будет и четвёртая часть… Выбор за тобой, %username%!

Источник: habr.com