Пиво в нас любили завжди. За сучасною номенклатурою галузей виробництво пива відносять до біотехнології. Воно включає в себе кілька складних процесів, тісно пов'язаних між собою, і в кожному доводиться строго підтримувати біохімічні та фізичні параметри. Технологи вже не беруться керувати цими перетвореннями без знання фізики, хімії, технічної мікробіології та інших наук.
Загальна історія пива
У пива багатовікова історія, проте вчені і сьогодні багато працюють над тим, щоб розгадати механізми перетворень його компонентів і удосконалити технологію. У той же час виробництво пива - справа творча, воно багато в чому залежить від складу сировини, умов її переробки, від дріжджів, і в кожному окремому випадку фахівець, спираючись на знання і інтуїцію, підбирає умови, щоб отримати напій найкращої якості.
Зараз основні компоненти пива - ячмінь, хміль і вода, проте так було не завжди. Стародавні китайці варили пиво з рису, в доколумбовій Америці індіанці балували себе напоєм з кукурудзи. Відомості про пиво, зварене з ячменю, дійшли до нас від шумерів. Процес пивоваріння докладно описаний на глиняних табличках, яким більше п'яти тисяч років. Шумери знали кілька десятків сортів пива, в тому числі гірке ячмінне і м'яке, з додаванням меду. В ті часи гурмани потягували напій через очеретяні трубочки. Від шумерів пиво поширилося в Стародавній Єгипет, де воно входило в щоденний раціон будівельників пірамід, а звідти - до Стародавньої Греції і Вірменії, там його називали «ячмінним вином». У IX столітті пивоваріння стало широко відомо і в Київських, і Новгородських землях.
У X-XVI століттях в пиво повсюдно додавали цілющі трави, так що воно виходило лікувальним. Однак в 1516 році баварський герцог Вільгельм IV прийняв закон про пивне виробництво, за яким в пивоварінні заборонялося використовувати будь-які компоненти, за винятком солоду, хмелю, води і дріжджів. І вводити такі добавки в пиво перестали.
Солод і хміль не відразу увійшли в рецептуру напою. Готувати солод з зерна першими почали мешканці Месопотамії і Єгипту. А слов'яни відкрили, що в пиво можна додавати шишки запашної ліани - хмелю, що росте в лісах помірного пояса, які надавали напою неповторний смак і аромат. Для цього ж використовували і пряні рослини: ялівець, шавлія, квітки вересу. У Київській Русі солод, пиво та хміль становили обов'язкову частину оброку селян за користування землею.
Сьогодні головне зернова сировина у виробництві пива - ячмінь. Інші злаки - рис, кукурудзу, пшеницю - застосовують тільки як добавки, солод з них не роблять. За складом до ячменю дуже близька пшениця, проте для солодоращения і пивоваріння в цілому все-таки більше підходить ячмінь. Пророщування ячменю легше регулювати, як сільськогосподарська культура він менш вимогливий до клімату та грунту, а ячмінне пиво смачніше, ніж з будь-якого іншого зерна.
До складу ячменю входять хімічні сполуки багатьох класів. Звичайно, головна з них - крохмаль, з якого в процесі бродіння утворюється спирт. Ще в ньому є целюллоза, геміцелюлоза, пектинові речовини, жири, азотисті речовини (білки і нуклеїнові кислоти), вітаміни, мінеральні речовини і поліфеноли. Останні особливо впливають на якість пива. Раніше ці речовини називали таніни або дубильними речовинами, а зараз загальноприйнята назва «поліфеноли». Вивчати ці сполуки стали після того, як з'ясували, що вони мають відношення до помутніння пива. Приблизно 80% поліфенолів вноситься в пиво з солоду, а решта 20% - з хмелем. Більшість поліфенолів - антоціаногени, вони псують колір пива, знижують стійкість піни, стабільність запаху і смаку.
Загальна пивна технологія
Всю пивну технологію можна розділити на дві великі частини: виробництво солоду та приготування самого пива.
Дещо про пивний солод
Для того щоб зробити солод, зерно замочують, і воно проростає, а потім пророщене зерно, що вже стало солодом, висушують. Ячмінь замочують не тільки для насичення вологою, але і щоб відмити від залишків пилу, видалити домішки. Проникнення води в зерно обумовлено різними механізмами. Серед них осмос - виборча проникність мембрани зерна для води і розчинних речовин, ефект Гіббса-Доннана (великі заряджені частинки - білки і нуклеїнові кислоти - викликають нерівномірний розподіл невеликих іонів по різні боки мембрани). Крім того, вода захоплюється органічними макромолекулами зерна, а розчинені речовини переносяться в область більшої концентрації за допомогою активного транспорту, з витратою енергії.
Розм'яклі оболонки зерна пропускають воду, зародок оживає і починає дихати, тому потрібно забезпечити йому приплив повітря. Дихаюче зерно поглинає кисень, виділяє в навколишнє середовище тепло, вуглекислий газ і воду. При цьому воно «худне», маса його зменшується за рахунок витрачання цукрів. Якщо кисню не вистачає, зародок задихається і починається бродіння, а бродити йому ще не час. Утворюється етиловий спирт, який пригнічує проростання. Процес бродіння дуже невигідний зерну і в енергетичному відношенні: щоб забезпечити себе необхідною кількістю енергії, в цьому випадку потрібно витратити набагато більше цукрів, ніж при диханні. Зайві витрати вуглеводів призводять до втрати екстрактивних речовин, а їх необхідно зберегти і надалі віддати «на поживу» дріжджів.
Наступна технологічна операція - пророщування зерна (солодоращення). Можна припустити, що ідея використовувати солод для виготовлення напою виникла, коли стародавні люди спробували застосувати в їжу непридатне, проросле при поганому зберіганні зерно, запасене на зиму. Солодоращение проводять для пробудження від сну сплячих ферментів, які перетворять нерозчинні речовини зерна в розчинні.
На цьому етапі хімічний склад зерна сильно змінюється. Найсильніше перетворюється крохмаль: ферменти амілази розрізають його на вільні цукру (мальтозу). Це дуже важливо, тому що дріжджі не утворюють амілазу і не в змозі впоратися з довгою молекулою крохмалю, а зброджують тільки цукру. Подібні перетворення відбуваються і з речовинами інших класів. Над цим працює цілий комплекс ферментів - цитаза, естерази.
Білкові сполуки при гідролізі протеазами утворюють необхідні дріжджам поживні азотисті речовини, що в підсумку впливає на смак, колір, пінність готового пива і його стабільність при зберіганні. При цьому накопичуються низькомолекулярні, небілкові азотисті речовини, альбумін, глобулін, проламіни і глютелін. Старанніше всіх над цим працюють кислотні протеази, названі так тому, що вони найбільш активні в кислому середовищі, при рН»3,8.
При солодорощенні використовують різні технологічні прийоми, спрямовані відразу на дві мети: прискорити процес і зменшити втрати поживних речовин на розвиток паростків і корінців. Для цього у воду додають вітаміни і регулятори росту, такі, як гіберелова кислота, гетероауксин, а також біологічно активні речовини, отримувати які можна досить несподіваними способами: з зимових бруньок бузини, берези, тополі, груші або з зимових сухих шишок сосни. Застосовують і фізичні методи впливу на зерно - обробку ультразвуком, електричним полем і навіть гамма-променями.
Коли солодорощення закінчується, солод підсушують, попередньо видаливши паростки, і використовують для отримання пивного сусла. Хоча стадії приготування пива однакові, кожен його сорт за смаковими і колірним характеристикам відрізняється від іншого. Саме в залежності від властивостей застосовуваного солоду пиво буває світле або темне. Для темного, наприклад, потрібен спеціальний барвний солод. Карамельний отримують обжаркою зеленого солоду при температурі 120-80°С, а барвний (паленки) з кавовим смаком - обжаркою сильно зволоженого солоду при температурі до 240°С.
Наступний етап - сусло
Отримавши солод, приступають до головного: приготування і зброджування сусла. У процесі приготування сусла триває більш глибокий гідроліз крохмалю і білків. Висушений солод подрібнюють, додають воду. При цьому цінні для пива з'єднання (в тому числі глюкоза, мальтоза, пентози, дісахариди, мінеральні речовини, наприклад фосфати, а також амінокислоти пролін, лейцин, фенілаланін, валін) переходять у водний розчин, який фільтрацією відокремлюють від роздробленого солоду. Процентну концентрацію всіх цих сполук в суслі ви можете знайти на етикетці вашої пляшки слідом за словами «початкова екстрактивність сусла».
Відфільтроване сусло варять з хмелем. Шишки хмелю (для цього придатні тільки жіночі неопиленние рослини) збагачують сусло специфічними ароматичними і гіркими речовинами, а варіння стерилізує і руйнує ферменти. Зміни гірких кислот хмелю при кип'ятінні сусла - дуже складний процес, цілий ланцюжок послідовно проходять реакцій. Розрізняють a- гіркі кислоти (гумулон) і b-кислоти (лупулон). Характеристику хмільної гіркоти сусла висловлює «індекс гіркоти». У світле пиво додають менше хмелю, ніж в темне, адже воно повинне бути не таким гірким. Крім того, варіння сусла з хмелем підсилює кольоровість - це пов'язано з окисленням поліфенолів сусла і карамелізації цукрів. Посилити забарвлення можна, якщо довше і інтенсивніше кип'ятити сусло з хмелем, а також регулювати кислотність - таким чином підсилюють або уповільнюють окислення. Після варіння хміль відокремлюють, і охолоджене сусло піддають спиртовому бродінню.
Про дріжджі для доброго пива та наслідки
Провідну роль в бродінні грають живі організми - дріжджі. У природі їх величезна кількість, але не всі можуть виробляти досить спирту. На це здатні дріжджі роду Saccharomyces - круглі або овальні клітини розміром 5-10/5-15 мкм. Як і будь-який живий організм, дріжджі реагують на фактори навколишнього середовища - температуру, наявність важких металів і на повноцінність харчування. За зовнішнім виглядом клітини можна визначити її фізіологічний стан. Молоді клітини дрібні, старі - більший і за формою нагадують цифру «вісім» з нерівними кружками.
Маленький - молода клітина-брунька, яка потім відокремиться від материнської і буде жити самостійно. Клітини також розрізняються за кількістю що містяться в них жирів, які видно під мікроскопом у вигляді крапель. Усередині старих клітин краплі великі, в молодих жиру може взагалі не бути. Чи добре дріжджів годували, видно по їх вгодованості - вмістом в клітці глікогену, який забарвлюється розчином Люголя в червоно-бурий колір. Якщо клітини не голодували, то 70-75% з них містять глікоген. Найбільш активно зброджують вуглеводи зрілі клітини.
У пивоварінні застосовують дріжджі верхові - плаваючі на поверхні рідини у вигляді щільної піни (таке пиво називають пивом верхового бродіння) і дріжджі низові (пиво низового бродіння), які осідають на дно ємності. У нашій країні частіше використовують низові дріжджі, а верхові - в основному для темних сортів пива.
Від раси дріжджів багато в чому залежить смак, запах і аромат пива. Для того щоб у пива був неповторний смак, культивують певні раси дріжджів. Їм дають імена: це може бути номер (41), буква (F) або ціле слово (Львівська). Роботу по їх виведенню можна віддалено порівняти з селекцією рослин. Вивчають технологічні властивості дріжджів: з якою швидкістю вони зброджують цукру, при якій оптимальній температурі, який склад які виникають речовин, морфологія клітин (розміри і форма). Для кожної раси дається докладний опис, і вона дбайливо зберігається в колекції чистих культур.
Мікробіологічні колекції є при пивоварних заводах і в деяких наукових організаціях, що займаються виділенням і описом нових дріжджів. Завдання колекції - зберігати життєздатність виділеної раси і її чистоту.
Основний продукт спиртового бродіння - звичайно, етиловий спирт, але у формуванні смаку і аромату провідну роль відіграють побічні продукти, такі, як ароматичні спирти, ефіри, органічні кислоти. І якщо всі пивні дріжджі утворюють приблизно однакову кількість спирту, то побічні продукти бродіння у всіх різні. Вищі спирти - це легколетючі речовини з характерним запахом і смаком. З них в пиві найбільше ізопропанола. У нього дуже неприємний і різкий запах, але, коли його мало, він надає пиву приємний тонкий аромат. Всі вищі спирти разом становлять не що інше, як сивушні масла.
Ще один важливий компонент пива - діацетил, він визначає зрілість і якість напою. Нормальний вміст його коливається від 0,2 до 0,5 мг/л, а у великих кількостях діацетил робить пиво неприємним на смак. Чи будуть дріжджі його синтезувати, пов'язане з кількістю кисню в суслі. Пліснявий запах пива надає ацетоін, гіркота в смаку - 2,3- бутиленгліколь. Незрілий смак молодого пива пов'язаний з присутністю в ньому сірчистого ангідриду, сірководню та меркаптанів, для утворення яких дріжджі використовують сірку. З органічних кислот приємний присмак в невеликих кількостях здатна надавати оцтова кислота. Пропіонова, навпаки, дає гіркоту, масляна і валеріанова - неприємний запах поту, мурашина - різкий смак. При підборі дріжджів перевагу віддають тим, які здатні утворювати більше летючих кислот, що поліпшують аромат. Однак не завжди здатність дріжджів синтезувати багато запашних з'єднань є плюсом.
Тут можна і перестаратися. Ефіри в занадто великих кількостях додадуть пиву фруктовий, банановий або парфумерний аромати, зовсім недоречні в благородному напої.
Для запуску бродіння в сусло вносять певну кількість заздалегідь вирощених в стерильних умовах дріжджових клітин, підтримують необхідну для життєдіяльності мікроорганізмів температуру, кислотність середовища (рН), редокспотенціал (rН2). Щоб прискорити бродіння, беруть більше дріжджів або підігрівають сусло. Такі методи мають як плюси, так і мінуси, тому їх попередньо випробують в лабораторних масштабах. Умови, що дозволяють отримати напій швидше без втрати його цінних і звичних для споживача властивостей, переносяться на виробництво.
В останні роки перспективним стало застосування іммобілізованих дріжджів, «приклеєних» до субстрату-носія: целофану, альгінової кислоти, капрону, поліетилену, керамічних бусів. Це теж прискорює процес, оскільки збільшується площа контакту клітин з сброджуваним середовищем. Крім того, бродінням стає легше керувати, можна налагодити безперервне виробництво, так як біомасу дріжджів не доводиться видаляти після кожного циклу - клітини довше зберігають життєздатність. З такими дріжджами не потрібна трудомістка стерильна стадія попереднього підрощування клітин.
Коли закінчується бурхливе бродіння, молоде пиво направляють в відділення доброджування, де його довго витримують при низькій температурі 0-3°С в герметичних ємностях, щоб не йшов вуглекислий газ, а кисень не окислює цінні речовини, руйнуючи смак і аромат. Під час доброджування дріжджі осідають на дно, захоплюючи за собою інші великі частки, і напій стає прозорим. Відділення дріжджів важливо з органолептичної точки зору - продукти розпаду відмерлих клітин, переходячи в пиво, додадуть йому неприємний «дріжджовий» тон. Окислювально-відновні процеси в дозріваючому пиві формують тонкий, приємний, закінчений смак і аромат напою. Виділений при бродінні діоксид вуглецю створює надлишковий тиск (приблизно 0,3-0,7 атм), завдяки якому пиво піниться.
Для якості пива піна не менш важлива, ніж смак і аромат. Будь знавець скаже, що без хорошої піни і пиво - не пиво. Її стійкість визначається за часом, за яке вона розпадається і зникає. Це пов'язано з явищем поверхневого натягу. За сучасними уявленнями піна - це дисперсна система: роль фази тут грає вуглекислий газ, а роль середовища - рідина. Структура такої системи - скріплені між собою осередки-бульбашки вуглекислого газу, покриті тонкою плівкою поверхнево-активних речовин, головні з яких - білки і хмільні смоли. Вміст діоксиду вуглецю в готовому пиві знаходиться в межах 0,35-0,45 масових відсотків. Цей компонент, крім утворення піни, також відповідає за свіжість смаку і тонізуючі властивості. У хорошого пляшкового пива мінімальна висота піни - не менше 40 мм, а тримаються вона повинна не менше чотирьох хвилин. Такому пиву можна поставити "п'ятірку". Якщо ж мінімальна висота піни 10 мм і тримається вона менше хвилини, пиво отримає «двійку» за піноутворення, і ніякі інші органолептичні показники, навіть найвищого рівня, його не врятують - з дегустації воно знімається.
Фінішна пивоваріння - розлив
Готове пиво обробляють перед розливом в герметично закритих апаратах, щоб запобігти втраті вуглекислого газу і окислення киснем повітря. В пиво додають реагенти, які не дозволяють йому помутніти, а потім фільтрують. Напій розливають в тару із спеціального резервуара-збірки, куди подається вуглекислий газ. Пиво в транспортній тарі повинно протягом певного часу зберігати початкові властивості. Для цього треба запобігти розмноженню в напої дріжджів або інших мікроорганізмів. Один з технологічних прийомів для цього - пастеризація, при якій розлите в пляшки або банки пиво витримують протягом 20 хвилин при температурі 60°С. А можна розливати пиво гарячим, при цьому воно стерилізується разом з тарою. Іноді вдаються до знепліднюючої фільтрації - пиво розливають в стерильну тару через фільтри з порами, які не пропускають мікроорганізми і дріжджі. Що потрапили в пиво бактерії можуть зіпсувати весь труд пивовара, «збагативши» напій недоречними ароматами - діацетильним запахом сиру, запахами мила, жиру, воску, вареної капусти.
Готове пиво містить 2,5-5% екстрактивних речовин. Близько 80% з них - це цукри, потім в порядку зменшення концентрації слідують азотисті речовини (білки високо- і низькомолекулярні, амінокислоти і аміачний азот), гліцерин, мінеральні речовини (солі калію, натрію, фосфору). Гіркі (ізогумолони), фарбувальні і поліфенольні сполуки становлять не більше 2,5% від суми екстрактивних речовин.
А вода в пиві - головне
Кілька слів потрібно сказати і про воду, яка бере участь на всіх стадіях приготування, а також використовується для технічних потреб. Її хімічний склад суттєво впливає на хід процесу. У колишні часи при проектуванні заводу і прийнятті рішення про місце його будівництва завжди з'ясовували, чи є поблизу підходяща за складом вода в необхідній кількості.
Для пива не годиться вода з великою жорсткістю, обумовленої підвищеним вмістом гідрокарбонатів кальцію і магнію. Гідрокарбонати кальцію, вступаючи в реакцію обмінного розкладання з фосфатами сировини, переводять їх в нерозчинні сполуки, тим самим відбираючи в дріжджів їжу. При замочуванні зерна у воді з високою жорсткістю воно пізніше проростає. Пиво, приготоване на жорсткій воді, залишає гіркий смак, від реакції середовища (рН) залежить здатність ферментів гідролізувати крохмаль і швидкість росту дріжджових клітин. Так, при високих значеннях рН пиво може придбати борошнистий запах. Крім того, слаболужне середовище - підходяще місце проживання для сторонньої мікрофлори. Іони металів у воді (залізо, мідь, цинк, кадмій, алюміній і деякі інші) знижують стійкість піни і можуть викликати помутніння готового напою.
Жорстку воду пом'якшують содово-вапняковим розчином, недостатньо чисту - фільтрують через кварцовий пісок, знезаражують хлором. В останні роки пивовари вчаться використовувати мембрани - спосіб, добре розроблений і описаний в літературі для різних виробництв. Наприклад, ультрафільтрація через мембрану з діаметром пор 10 нм дозволяє виправити відразу кілька показників: знизити жорсткість, зменшити вміст іонів металів, повністю видалити зважені речовини і мікрофлору. Однак гарна природна вода завжди краще, так як всі способи її доопрацювання суттєво збільшують собівартість продукції.
Всі пивні процеси на контролі
Само собою зрозуміло, що на всіх етапах виробництва - від прийому сировини до отримання готової продукції - ведеться ретельний технологічний контроль. Для цього розроблені та затверджені хімічні, фізичні і мікробіологічні методи. Всі виробники і контролюючі організації користуються для визначення основних показників пива єдиними методами - це виключає розбіжності. Застосовують як прості методи «мокрої» хімії (титрування), так і складні апаратурні - хроматографію, спектрометрию. Чим глибше наші знання в області біохімії бродіння, тим складніше стає апаратура. Сьогодні технологи визначають навіть ті речовини, які знаходяться в невеликій кількості, але тим не менше теж впливають на властивості пива. На потужному і багатому пивоварному заводі ці процеси можуть бути максимально автоматизовані. Так, наприклад, для визначення вологості зерна широко використовують автоматичні вологоміри: вони зважують зерно, швидко висушують його інфрачервоними променями і проводять розрахунок вологості. Дріжджі перед внесенням в сусло ретельно вивчають під мікроскопом: підраховують кількість молодих, старих і мертвих клітин, загальне їх число, контролюють чистоту культури - стежать, щоб не було інших мікроорганізмів.
І тільки одна, найбільш важлива оцінка якості пива не піддається автоматизації - органолептика. Якою б складною і багатофункціональною не була апаратура для встановлення складу входячих в пиво речовин, вона не може замінити досвідченого дегустатора. Хімічний аналіз лише доповнює його оцінку. Речовин-маркерів смаку і аромату, концентрацію яких в напої можна чітко пов'язати з органолептичної оцінкою, кілька десятків, в той час як загальний вміст в пиві різних речовин, визначення яких на сьогоднішній день аппаратурно можливо, вимірюється сотнями. Однак концентрації кожного з них не можуть відтворити всю повноту картини, яку відчувають органи дотику і нюху. І навіть такий складний прилад, як «штучний ніс», зовсім не фантастика, а реально існуючий і в продажі пристрій, не замінює натуральний ніс людини.
Ось який довгий шлях проходить пиво - продукт високої харчової біотехнології, перш ніж ви піддінете кришечку ключем або смикнете за кільце на банці.
