Про пиво очима хіміка. Частина 1

Привіт %username%.

Як я і обіцяв раніше, я трохи зник у зв'язку зі своїм відрядженням. Ні, вона ще не закінчилася, але навіяла деякі думки, якими я вирішив поділитися з тобою.

Йтиметься про пиво.

Я не буду топити за ті чи інші сорти, сперечатися, який смак і колір в організмі змінюється менше від моменту вживання до моменту… ну ти зрозумів – я хочу просто поговорити про те, як бачиться мені процес виробництва, відмінності та впливу пива на наш організм із погляду хімії.

Багато хто вважає, що пиво – напій простого люду – і дуже помиляються, багато хто вважає, що пиво шкідливе – і теж помиляються, втім, як і ті, що вважають, що пиво – не шкідливе. І ми розберемо і це

І на відміну від попередніх статей — я постараюся позбавити лонгридів, а краще поділю цю розповідь на кілька. І якщо на якомусь етапі інтересу не буде — просто перестану травмувати мозок бідного читача.

Ну їдьмо.

Історія питання

Історія пива у світі налічує кілька тисячоліть. Перші згадки про нього відносяться до епохи раннього неоліту. Вже 6000 років тому людина використовувала технології, що дозволяють перетворювати хліб на ароматний напій — та й взагалі вважається, що пиво — найдавніший алкогольний напій у світі.

Історія походження пива почалася ще до нашої ери, а лаври винахідників належать шумерам. Їхній клинопис, виявлений Е. Хубером у Месопотамії, містив близько 15 рецептів цього напою. Мешканці Межиріччя використовували для приготування пива полбу (спельту). Її перемелювали з ячменем, заливали водою, додавали трави та залишали бродити. На основі одержаного сусла робили напій. Зверни увагу: по суті винайдено пшеничне пиво, але про хмелі ніхто ще нічого не говорив, тобто, по суті, варився грюйт або трав'яне пиво. При цьому солод був не пророщеним.

Наступною віхою історія появи пива стала Вавилонська цивілізація. Саме вавилоняни вигадали, як покращити напій. Вони пророщували зерно, а потім його сушили, одержуючи солод. Пиво на зерні та солоді зберігалося не більше доби. Для того щоб зробити напій ароматнішим, до нього додавали прянощі, дубову кору, листя дерев, мед — вже тоді придумали харчові добавки, ще б пак, адже до Райнхайтсгебота чи зрозумілому — німецького закону про чистоту пива було ще близько 5000 років!

Поступово пиво поширилося у Стародавньому Єгипті, Персії, Індії, на Кавказі. А ось у Стародавній Греції воно популярністю не користувалося, оскільки вважалося напоєм бідних. Тоді й виникли всі ці забобони.

Історія створення пива набула розвитку з початком Середньовіччя. Цей період називають періодом другого народження пива. Вважається, що сталося воно у Німеччині. Німецька назва Bier походить від старонімецького Peor або Bror. Хоча та сама англійська Ale (ель) нібито етимологічно сходить до праіндоєвропейського кореня, імовірно зі значенням «сп'яніння». Індоєвропейське походження кореня переконливо доводиться в порівнянні з сучасними датським і норвезьким øl, а також ісландським öl (німецька група мов, до якої належала і давньоанглійська) і литовським і латиським alus — пиво (балтійська група індоєвропейської сім'ї) ), а також естонським õlu та фінським olut. Коротше, ніхто не знає, як вийшло слово, бо хтось напортачив у Стародавньому Вавилоні — ну і кожен тепер називає пиво по-різному. Втім, і варять по-різному.

Саме у Середньовіччі у напій почали додавати хміль. З його появою покращилися смакові якості пива, а термін його зберігання став тривалішим. Пам'ятай, %username%: хміль насамперед був консервантом для пива. Тепер напій можна було перевозити, і він став предметом торгівлі. З'явилися сотні рецептів та різновидів пива. Деякі вчені з яких регіонів вважають, що родоначальником культивування хмелю були слов'яни, адже на Русі вже в IX столітті пивоваріння було широко поширене.

До речі, у середні віки легкі елі повсюдно вживалися у Європі замість води. Пивко могли собі дозволити навіть діти — і так, це було саме пиво, а не квас, як дехто вважає. Пили не тому, що темні й хотіли спитися, а тому, що покуштувавши води можна було легко рушити кінці від цілої купи вже відомих і ще невідомих хвороб. При рівні медицини на рівні подорожника та бабки-повитухи – це було надто небезпечно. До того ж так зване столове пиво («small ale») було ще й поживним і чудово йшло за обіднім столом у колосальних кількостях, оскільки алкоголю там було близько 1%. Логічне питання «а що тоді вбивало всю заразу?» ми також обов'язково розглянемо.

XIX століття ознаменувалося черговим проривом історія виникнення пива. Спочатку Луї Пастер відкрив залежність між бродінням та дріжджовими клітинами. Він опублікував результати дослідження у 1876 році, а через 5 років, у 1881 році, датський учений Еміль Крістіан Хансен отримав чисту культуру пивних дріжджів, що стало поштовхом для промислового пивоваріння.

Якщо говорити про історію безалкогольного пива, то поштовхом до його появи став Акт Волстеда 1919 року, який ознаменував початок епохи сухого закону в США: фактично було заборонено виробництво, перевезення та продаж алкогольних напоїв міцніше 0,5%. Тож це вже навіть не «small ale». Випуском таких практично безалкогольних напоїв на основі солоду займалися всі пивоварні компанії, щоправда, згідно із законом, напій довелося називати «злаковий напій», який народ негайно назвав «гумовою жінкою» «майже пивом» («near beer»). Насправді для того, щоб перейти зі звичайного, забороненого, до нового «майже пива», достатньо було додати до виробничого процесу лише один додатковий етап (і ми обов'язково згадаємо про нього), що не сильно подорожчало кінцевий продукт і дозволило максимально швидко повернутися до виробництва традиційного напою: "Думаю, це буде славний час для пива", - сказав президент США Франклін Рузвельт, підписуючи акт Каллена-Харрісона 22 березня 1933 року, який дозволив підняти міцність у напоях до 4%. Акт набув чинності 7 квітня, а тому відтоді ця дата – Національний день пива у США! Кажуть, що вже 6 квітня американці вишиковувалися в чергу в бари, а коли пробила заповітна опівночі, то… Коротше, статистика каже, що за одне лише 7 квітня в США було випито півтора мільйона бочок пива. А ти випив кухоль пива 7 квітня, %username%?


До речі, якщо буде цікаво — я в одній із наступних частин розповім про ще суворіший сухий закон — і це навіть не СРСР, а Ісландія.

На даний момент пиво не вариться хіба що в Антарктиді, хоча це неточно. Існують десятки категорій та сотні стилів - і якщо цікаво, то ознайомитися з їх описом можна тут. Пиво — далеко не так просто, як вважається, вартість пляшки іноді може перевищувати вартість ящика вина — і я зараз говорю не про вино сорту «Шато де ля Пакет».

Тому %username%, якщо зараз ти за читанням відкрив пляшечку пива — переповнися повагою і продовжуй читати далі.

складові

Перед тим, як розбирати те, із чого складається пиво, коротко згадаємо технологію виробництва цього напою.

Пиво – як і дуже багато в цьому світі – є продуктом неповного згоряння. Насправді бродіння – процес, завдяки якому ми куштуємо це задоволення, так само як і твоя, %username%, здатність читати ці рядки – є продукт неповного згоряння цукрів, тільки у разі пива цукру згоряють не в тебе в мозку, а в дріжджів у ланцюжку метаболізму.
Як і в результаті будь-якого згоряння, продуктами є вуглекислий газ та вода – але пам'ятаєш я сказав «неповне»? І справді: у виробництві пива дріжджам не дають переїдати (хоча це й не зовсім коректно, але для загального розуміння картини годиться) – а тому, крім вуглекислого газу, утворюється ще й спирт.

Оскільки їжею виступає не чистий цукор, а суміш різних сполук – то й продуктом виступає не просто вуглекислий газ, вода і спирт – а цілий букет, завдяки чому і існують ці самі пива. Зараз я розповім про деякі основні інгредієнти, а також принагідно розвінчу деякі міфи про пиво.

Вода.

Згадуючи те, що все-таки я хімік, перейду на нудну хімічну мову.

Пиво являє собою водний розчин екстрактивних речовин солоду, що не зазнали змін у ході бродіння і дображивания пива, етилового спирту та смако-ароматичних речовин, які є або вторинними метаболітами дріжджів, або походять з хмелю. До складу екстрактивних речовин входять незброжені вуглеводи (α- та β-глюкани), фенольні речовини (антоціаногени, оліго- та поліфеноли), меланоїдини та карамелі. Їх вміст у пиві в залежності від масової частки сухих речовин у початковому суслі, складу сусла, технологічних режимів бродіння та штамових особливостей дріжджів коливається від 2,0 до 8,5 г/100 г пива. З цими ж показниками процесу пов'язаний вміст спирту, масова частка якого в пиві може становити від 0,05 до 8,6%, та смакоароматичних речовин (вищих спиртів, ефірів, альдегідів тощо), синтез яких залежить як від складу сусла і, особливо від режимів бродіння та природи дріжджів. Як правило, для пива, при зброджуванні якого використовують низові дріжджі, концентрація вторинних продуктів метаболізму дріжджів не перевищує 200 мг/л, тоді як пива верхового бродіння їх рівень перевищує 300 мг/л. Ще меншу частку у пиві становлять гіркі речовини хмелю, кількість яких у пиві не перевищує 45 мг/л.

Все це дуже нудно, цифри насправді можуть відрізнятись у більші та менші сторони, але суть ти вловив: всього цього дуже мало на тлі вмісту води у пиві. Приблизно як і ти %username% пиво приблизно на 95% складається з води. Не дивно, що якість води впливає на пиво безпосередньо. І, до речі, це — одна з причин, чому один і той же сорт пива, що виробляється різними заводами в різних місцях, може відрізнятися за смаком. Конкретний і, мабуть, найвідоміший приклад — Pilsner Urquell, який намагалися варити в Калузі, але нічого не вийшло. Зараз це пиво виробляється тільки в Чехії через особливу м'яку воду.

Жодна пивоварня не стане варити пиво, не перевіривши попередньо воду, з якою їй доведеться працювати — якість води надто важлива для кінцевого продукту. Основними гравцями в цьому плані виступають ті ж самі катіони та аніони, які ти бачиш на пляшці будь-якого газування - тільки рівні контролюються аж ніяк не в діапазоні "50-5000" мг/л, а куди точніше.

Розберемося, на що впливає склад води?

Ну насамперед вода має відповідати СанПіН, а тому одразу відкидаємо важкі метали та інше токсичне — цієї погані у воді взагалі не повинно бути. Основні обмеження для води, що застосовується безпосередньо у виробництві пива (при затиранні), стосуються таких показників як величина рН, жорсткість, співвідношення між концентраціями іонів кальцію та магнію, яке у питній воді взагалі не регламентується. Значно менше у воді для пивоваріння повинно бути іонів заліза, кремнію, міді, нітратів, хлоридів, сульфатів. Не допускається наявність у воді нітритів, які є сильними токсинами для дріжджів. У два рази менше у воді має бути мінеральних компонентів (сухий залишок) і в 2,5 рази нижче за показник ГПК (хімічне споживання кисню — окислюваність). Оцінюючи придатність води для пивоваріння внесений такий показник, як лужність, який відсутній у нормативах для питної води.

Крім того, додаткові вимоги пред'являються до води, яка використовується для коригування масової частки сухих речовин та спирту у високощільному пивоварінні (high-gravity brewing). Ця вода має бути, по-перше, мікробіологічно чиста, а по-друге, деаерована (тобто практично не містити розчинний у воді кисень) і містити ще менше іонів кальцію та бікарбонатів у порівнянні з водою, рекомендованою для пивоваріння взагалі. Що таке високощільне пивоваріння?Якщо ти не знав, то технологія високощільного пивоваріння полягає в тому, що з метою підвищення продуктивності цеху варять сусло з масовою часткою сухих речовин на 4...6% перевищує масову частку сухих речовин готового пива. Далі це сусло розбавляють водою до бажаної масової частки сухих речовин або до бродіння, або вже готове пиво (так-так, пиво розбавляють - але це тільки на заводі, і про це я пізніше теж розповім). При цьому з метою отримання пива, яке не відрізняється за смаком від пива, отриманого за класичною технологією, не рекомендується підвищувати екстрактивність початкового сусла більше 15%.

Надзвичайно важливо підтримувати у воді правильний рН — я говорю зараз зовсім не про смак готового пива, а про процес зброджування сусла (до речі, як було знайдено — на смак це не впливає — ти просто не відчуєш такої тонкої різниці). Справа в тому, що від рН залежить активність ферментів, які дріжджі використовують для того, щоб їсти. Оптимальним вважається значення 5,2..5,4, але іноді це значення зміщують у вищу сторону, щоб підвищити гіркоту. Величина рН впливає на інтенсивність обмінних процесів у клітинах дріжджів, що відбивається на коефіцієнті приросту біомаси, швидкості росту клітин та синтезі вторинних метаболітів. Так, у кислому середовищі утворюється в основному етиловий спирт, тоді як у лужному - інтенсифікується синтез гліцерину та оцтової кислоти. Оцтова кислота негативно позначається на процесі розмноження дріжджів, тому її необхідно нейтралізувати, коригуючи рН у процесі бродіння. Для різної «їди» може бути різне значення рН оптимального: наприклад, для метаболізму сахарози потрібно 4,6, для мальтози – 4,8. рН - один з основних факторів утворення складних ефірів, про які ми поговоримо пізніше і які і створюють ті самі фруктові запахи пива.

Коригування рН - це завжди баланс карбонатів і гідрокарбонатів у розчині, саме вони і визначають це значення. Але й тут не все так просто, бо, крім аніонів, є й катіони.

У пивоварінні мінеральні катіони, що входять до складу води, ділять на хімічно активні та хімічно неактивні. Хімічно активними катіонами є всі солі кальцію та магнію: так, присутність кальцію та магнію (і до речі натрію з калієм) на тлі високого вмісту карбонатів підвищує рН, тоді як кальцій та магній (тут вже натрій та калій у прольоті) – але у співдружності з сульфатами та хлоридами знижують рН. Граючи з концентраціями катіонів і аніонів, можна досягти оптимального значення кислотності середовища. При цьому пивовари більше люблять кальцій, ніж магній: по-перше, саме з іоном кальцію пов'язане таке явище як флокуляція дріжджів, а по-друге - при усуненні тимчасової жорсткості кип'ятінням (це як у чайнику) карбонат кальцію випадає в осад і може бути видалений , тоді як карбонат магнію осаджується повільно і за охолодженні води знову частково розчиняється.

Але насправді кальцій та магній – це ще квіточки. Щоб не перевантажувати статтю, просто зведу разом деякі впливи домішок іонів у воді на різні фактори виробництва та якості пива.

Вплив на процес пивоваріння

• Іони кальцію - Стабілізують альфа-амілазу та збільшують її активність, внаслідок чого підвищується вихід екстракту. Збільшують активність протеолітичних ферментів, за рахунок цього зростає вміст загального та α-амінного азоту в суслі.
• Визначають рівень зниження рН сусла при затиранні, кип'ятінні сусла з хмелем та бродінні. Визначають флокуляцію дріжджів. Оптимальною є концентрація іонів 45-55 мг/л сусла.
• Іони магнію - Входять до складу ферментів гліколізу, тобто. необхідні як бродіння, так розмноження дріжджів.
• Іони калію - Стимулюють розмноження дріжджів, входять до складу ферметних систем та рибосом.
• Іони заліза - Негативний вплив на процеси затирання. При концентрації понад 0,2 мг/л можуть спричинити дегенерацію дріжджів.
• Іони марганцю - Входять як кофактор в ферменти дріжджів. Вміст має перевищувати 0,2 мг/л.
• Іони амонію - Можуть бути присутніми тільки в стічних водах. Абсолютно неприйнятні.
• Іони міді – При концентраціях понад 10 мг/л – токсичні для дріжджів. Можуть бути мутагенним фактором для дріжджів.
• Іони цинку - У концентрації 0,1 - 0,2 мг/л стимулюють розмноження дріжджів. При високих концентраціях пригнічують активність α-амілази.
• Хлориди - Знижують флокуляцію дріжджів. При концентрації понад 500 мг/л уповільнюють процес бродіння.
• Гідрокарбонати При високих концентраціях призводять до підвищення рН, а отже до зниження активності амілолітичних та протеолітичних ферментів, знижують вихід екстракту. та сприяють підвищенню кольоровості сусла. Концентрація має перевищувати 20 мг/л.
• Нітрати При концентраціях більше 10 мг/л виявляються у стоках. У присутності бактерій сімейства Enterbacteriaceae утворюється токсичний нітрит-іон.
• Силікати Знижують активність бродіння при концентрації більше 10 мг/л. Силікати відбуваються здебільшого із солоду, але іноді, особливо навесні, причиною їхнього підвищення в пиві може бути вода.
• Фториди - До 10 мг/л не впливає.

Вплив на смак пива

• Іони кальцію — Знижують екстракцію танінів, які надають пиву грубої гіркоти та в'яжучого смаку. Знижують утилізацію гірких речовин хмелю.
• Іони магнію — Надають гіркого смаку пиву, який відчувається при концентрації більше 15 мг/л.
• Іони натрію - При концентраціях понад 150 мг/л зумовлюють солоний смак. При концентраціях 75...150 мг/л знижують повноту смаку.
• Сульфати - Надають пиву терпкості та гіркоти, обумовлюють післясмак. При концентрації більше 400 мг/л надають пиву сухий смак (привіт, Guiness Draught!). Можуть передувати утворенню сірчистих смаків та запахів, пов'язаних із життєдіяльністю інфікуючих мікроорганізмів та дріжджів.
• Силікати — впливають на смак непрямим шляхом.
• Нітрати - Негативно впливають на процес бродіння при концентрації понад 25 мг/л. Можливість утворення токсичних нітрозамінів.
• Хлориди - Надають пиву тонший і солодкий смак (так, але якщо немає натрію). При концентрації іонів близько 300 мг/л підвищують повноту смаку пиву і надають йому смаку дину і аромат.
• Іони заліза При вмісті в пиві більше 0,5 мг/л збільшують колір пива, з'являється коричнева піна. Надають пиву металевого присмаку.
• Іони марганцю — Подібно до впливу іонів заліза, але набагато сильніші.
• Іони міді — Негативно впливають на стабільність смаку. Пом'якшують сірчистий присмак у пива.

Вплив на колоїдну стійкість (каламутність)

• Іони кальцію - Осаджують оксалати, тим самим знижують можливість появи оксалатного помутніння в пиві. Збільшують коагуляцію білків при кип'ятінні сусла з хмелем. Знижують екстракцію кремнію, що сприятливо позначається на колоїдній стійкості пива.
• Силікати - Знижують колоїдну стійкість пива у зв'язку з утворенням нерозчинних сполук з іонами кальцію та магнію.
• Іони заліза - Прискорюють окислювальні процеси, викликають колоїдне помутніння.
• Іони міді - Негативно впливають на колоїдну стабільність пива, виступаючи каталізатором окислення поліфенолів.
• Хлориди — покращують колоїдну стійкість.

Ну як? Насправді різні стилі пива формувалися в різних куточках світу завдяки різній воді. У пивоварів з однієї місцевості виходило вдале пиво з вираженим солодовим смаком та ароматом, а у виробників з іншої виходив чудовий напій з помітним хмелевим профілем — все тому, що в різних регіонах була різна вода, на базі якої одне пиво виходило краще за інше. Зараз, наприклад, склад води для пива вважається оптимальним у такому вигляді:

Однак зрозуміло, що завжди є відхилення — і ці відхилення часто зумовлюють те, що «Балтика 3» із Пітера — зовсім не «Балтика 3» із Запоріжжя.

Цілком логічно, що будь-яка вода, що використовується для виробництва пива, проходить кілька стадій підготовки, включаючи аналіз, фільтрацію та, при необхідності, коригування складу. Дуже часто пивоварня проводить процес підготовки води: одержувана тим чи іншим чином вода піддається видаленню хлору, зміні мінерального складу та коректуванню жорсткості та лужності. Всім цим можна не морочитися, але тоді — і те, якщо пощастить з номінальним складом води — пивоварню вдасться зварити лише пару-трійку сортів. Тому контроль та підготовка води виконується ЗАВЖДИ.

Сучасні технології, за наявності достатніх засобів, дозволяють отримати воду з будь-якими потрібними характеристиками. Базою може служити хоч міська водопровідна вода, хоч здобута безпосередньо з артезіанського джерела. Є й екзотичні випадки: одна шведська броварня, наприклад, зварила пиво із очищених стічних вод, а чилійські умільці роблять пиво на воді, зібраній у пустелі із туману. Але зрозуміло, що при серійному виробництві дорогий процес водопідготовки впливає на кінцеву вартість — і, можливо, саме тому вже згаданий Pilsner Urquell не виробляється більше ніде, окрім будинку в Чехії.

Думаю, що для першої частини вистачить. Якщо моя розповідь виявиться цікавою, у наступній частині ми поговоримо про ще два обов'язкові інгредієнти пива, а можливо — і про одне необов'язкове, обговоримо, чому ж пиво по-різному пахне, чи є «світле» та «темне», а також торкнемося дивних букв OG, FG, IBU, ABV, EBC. Може щось буде ще, а може чогось не буде, а з'явиться в третій частині, в якій я планую пройтися коротко за технологією, а потім розібратися з міфами і помилками щодо пива, в тому числі, що його «розбавляють» і "зміцнюють", також поговоримо про те, чи можна пити прострочене пиво.

А може, буде і четверта частина… Вибір за тобою, %username%!

Джерело: habr.com