9.1.3. Производство пива

Пиво является слабоалкогольным напитком, приготовляется в основном из ячменного солода и хмеля путем сбраживания сусла пивоваренными дрожжами.

Характеристика рас дрожжей, используемых в пивоварении. Дрожжи, используемые в пивоварении, относятся к видам Saccharomyces cerevisiae и Saccharomyces carlsbergensis.

Дрожжи Saccharomyces cerevisiae относятся к дрожжам верхового брожения и используются редко, в основном для темных и специальных сортов пива.

Дрожжи Saccharomyces carlsbergensis осуществляют низовое брожение пивного сусла – оседая на дно бродильных емкостей. Эти дрожжи хорошо бродят при температуре 5 – 10 °С и широко используются для приготовления стандартного и сортового пива.

Для получения высококачественного пива дрожжи должны обладать следующими свойствами:

• высокой бродильной активностью. Бродильную активность определяют по степени сбраживания сусла (показатель, характеризующий отношение массы сброженного экстракта к массе сухого вещества в начальном сусле).

• флокуляционной способностью – медленно и полно оседать на дно бродильных аппаратов в конце главного брожения. Различия в флокуляционных свойствах лежат в основе разделения дрожжей на хлопьевидные и пылевидные. Хлопьевидные дрожжи в конце главного брожения слипаются в комки – флокулы и при низовом брожении оседают, образуя плотный осадок, а при верховом – поднимаются на поверхность. Пылевидные дрожжи в течение всего процесса остаются во взвешенном состоянии.

• умеренной способностью к размножению. Очень активное размножение дрожжей нежелательно, т.к. при этом расходуются экстрактивные вещества сусла и образуется большое количество побочных продуктов (в среднем в процессе брожения биомасса дрожжей увеличивается в 3 – 4 раза);

• стабильностью морфологических и физиологических свойств; Морфологическое состояние дрожжей отражает их физиологический статус. Наличие большого количества морфологически измененных клеток, особенно в сочетании с пониженными бродильными свойствами, является признаком дегенерации культуры. Большое количество клеток с зернистой протоплазмой, крупными вакуолями и отсутствие почкующихся клеток характеризуют старую культуру. Высокое содержание мертвых клеток (более 10 %) свидетельствует о возможных нарушения технологического процесса: медленное главное брожение, развитие некоторых видов посторонних микроорганизмов. Упитанность дрожжей определяют по содержанию в клетках гликогена, и его наличие дает представление о способности дрожжей к брожению. В нормально упитанных дрожжах 70 – 75 % клеток содержат гликоген. Меньшее количество клеток с гликогеном в производственных дрожжах свидетельствует о старости дрожжевых клеток или о недостаточном их питании.

Основные стадии технологического процесса.

Разведение чистых культур дрожжей в пивоваренном производстве.

Задачей разведения чистой культуры является увеличение биомассы дрожжей от объема пробирки до объема, вводимого в бродильный аппарат.

Разведение чистой культуры дрожжей ведут на стерильном охмеленном сусле с концентрацией сухих веществ 11 – 13 %, постепенно адаптируя дрожжи к суслу и низкой температуре. Процесс разведения состоит из двух стадий: лабораторной и цеховой.

Приготовление пивного сусла. Солод и другие необходимые по рецептуре зернопродукты измельчают для обеспечения и ускорения физических и биохимических процессов при затирании. Дробленый солод засыпают в заторный аппарат, в который предварительно наливают подогретую воду. Затор нагревают с необходимой скоростью с выдерживанием пауз при определенных температурах. Полнота осахаривания определяется по йодной пробе. Затем затор перекачивают на фильтрование в фильтрационный аппарат. Фильтрованное сусло и промывные воды перекачиваются в сусловарочный аппарат и подвергаются кипячению с хмелем.

Превращение веществ ячменя при солодоращении и веществ солода во время затирания и варки сусла происходит под действием ферментов солода без участия микроорганизмов. Под действием ферментов солода при затирании и варке в сусле повышается содержание сбраживаемых сахаров, белки сусла расщепляются сначала до пептидов, а затем до аминокислот. Биохимический состав сусла оказывает существенное влияние на жизнедеятельность дрожжей и качество готового продукта:

• углеводный состав определяется наличием в сусле сбраживаемых и несбраживаемых сахаров. Содержание сбраживаемых сахаров в сусле составляет 70 – 80 % сухих веществ. Это мальтоза (60 – 70 %), мальтотриоза (15 – 20 %), глюкоза (10 – 15 %). Быстрее всего сбраживаются моносахара, медленее мальтоза и хуже всего мальтотриоза.

• азотистый состав. Азотистые вещества необходимы клеткам для синтеза компонентов, обеспечивающих их рост и размножение. Наиболее ценными и важными источниками азота являются аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания. От биосинтеза и распада аминокислот зависит образование ароматических веществ. Образуемые при биосинтезе дрожжей аминокислоты придают пиву бархатистую консистенцию. При неблагоприятных условиях культивирования они могут быть причиной дрожжевого привкуса и помутнения пива.

Сбраживание пивного сусла дрожжами. Осветленное и охлажденное сусло подают в бродильный танк.

Превращение веществ сусла во время брожения является биохимическим процессом, вызываемым микроорганизмами – пивоваренными дрожжами.

Микробиологические процессы в бродящем пивном сусле. Для брожения семенные дрожжи задают из расчета 0,5 л на 100 л сусла. Процесс размножения дрожжевых клеток происходит в пять стадий. В процессе брожения количество дрожжей возрастает в 3 – 4 раза.

Размножение дрожжей начинается раньше, чем вызываемый ими процесс спиртового брожения. Однако размножение происходит быстро и заканчивается в основном за 3 – 4 суток, в то время как брожение происходит в течение почти всей стадии главного брожения (7—10 суток) и продолжается в период дображивания.

Увеличение массы дрожжей при брожении зависит от количества заданных дрожжей, количества экстракта в сусле, содержания растворенного кислорода и температуры. При малом количестве задаточных дрожжей процесс брожения протекает медленнее, но прирост будет большим. Наоборот, большое количество заданных дрожжей обеспечивает большую скорость брожения и меньший прирост биомассы. Для производства наиболее выгоден второй путь, так как при этом сокращаются потери экстракта на образование дрожжей. Кроме того, уменьшения прироста дрожжей при брожении можно достигнуть удалением растворенного кислорода из сусла, так как при наличии его ускоряется размножение дрожжей. В аэробных условиях происходит потребление экстракта, однако спирт не образуется, а в среде накапливаются окисленные продукты, усложняющие и удлиняющие последний период созревания пива.

Скорость размножения дрожжей зависит температуры: При низкой температуре размножение дрожжей замедляется, но вырастают они более крупными с большим запасом резервных веществ и высокой бродильной активностью. При повышении температуры увеличивается потребность дрожжей в питательных веществах, размеры клеток уменьшаются, они не содержат запасных веществ и вырастают более слабыми.

Многие вещества ингибируют размножение дрожжей. Так, при содержании этилового спирта в среде более 1,5 % размножение их замедляется, а при концентрации более 3 % замедляется сбраживание дрожжами сахаров сусла.

Кислоты минеральные и органические также являются ингибиторами: 0,5 % серной кислоты в среде убивает дрожжи за 1 – 2 ч; так же действует уксусная кислота при содержании ее в среде в количестве 1 %. Однако содержание в среде 1 % молочной кислоты дрожжи переносят сравнительно легко.

Дрожжи, потребляя питательные вещества сусла, увеличивают свою биомассу. К концу главного брожения в связи с 3 – 4-х кратным увеличением биомассы клеточная удельная поверхность дрожжей возрастает, что приводит к их слипанию (флокуляции). При слипании клеток образуются хлопья (флокулы), отчего способность дрожжей осветлять пиво называется хлопьеобразованием или флокуляцией. При низовом брожении можно контролировать флокуляцию дрожжей, чтобы получить необходимую степень сбраживания и оставить достаточное количество диспергированных дрожжей для дображивания пива.

Таким образом, конец брожения определяется флокуляцией дрожжей. Главное брожение ведется 5-10 суток.

По окончании главного брожения на дне чана образуется плотный осадок, состоящий из трех слоев. Нижний слой дрожжей образуется старыми слабосбраживающими клетками дрожжей, оседающими быстрее других. Средний слой дрожжей состоит из наиболее активно бродящих дрожжей и крупных хлопьев белка, верхний слой образуют мелкие дрожжевые клетки с пониженной способностью к флокуляции, а также белковый осадок и хмелевые смолы. Для получения семенных дрожжей используют только средний слой.

После главного брожения дрожжи отделяют, промывают холодной водой и используют для производственных целей, считая их первой генерацией. Производственные дрожжи при условии хороших бродильных свойств и отсутствия в них вредных для пива микроорганизмов можно использовать до 10 генераций.

Биохимические процессы в бродящем пивном сусле. Сусло сбраживают до получения определенного количества спирта, соответствующего сорту пива. Большая часть сахаров сусла сбраживается с образованием спирта и углекислого газа. Это – экзотермический процесс, который сопровождается выделением тепла.

В результате брожения в сусле накапливаются продукты спиртового брожения (в % масс): углекислый газ 0,3 – 0,5 и этанол 3 – 6 в зависимости от сорта пива. Большая роль при брожении принадлежит азотистым соединениям.

Азотистый состав сусла при брожении значительно изменяется, так как на построение белков размножающихся дрожжей используется около 40 % аминного и 60 – 80 % аммонийного азота. После прекращения размножения дрожжей количество аминного азота в пиве может незначительно повыситься вследствие выделения из них около 15% ассимилированного азота, а также образования новых аминокислот из белков сусла под действием протеолитических ферментов дрожжей; общее количество белкового азота в пиве при этом уменьшается.

В процессе брожения в пиве образуются побочные продукты. Так, в пиве в начале брожения накапливаются альдегиды, далее под влиянием анаэробных условий они восстанавливаются и количество их уменьшается. Образуются высшие спирты и эфиры, обусловливающие аромат и вкус готового продукта, и органические кислоты, концентрация летучих веществ в пиве очень небольшая – около 0,5 %, но они участвуют в формировании букета – вкуса и аромата готового продукта.

Побочными продуктами брожения являются четырехуглеродные соединения, например диацетил, ацетоин и 2,3-бутиленгликоль. Четырехуглеродные соединения, особенно диацетил, обладают специфическим запахом (в отечественных сортах пива содержится диацетила 0,4 – 1,0 мг/л). При увеличении количества диацетила в пиве появляется медовый привкус, который раньше приписывали только бактериальной инфекции («сарцинное заболевание» пива).

В результате биохимических процессов, протекающих в сусле при брожении, титруемая кислотность увеличивается. Концентрация водородных ионов (рН) в среде также изменяется. Изменение рН и титруемой кислотности приводит к уменьшению растворимости белков и хмелевых веществ. При этом часть белков выпадает в осадок, образуя хлопья, а хмелевые вещества и более легкие частицы белков поднимаются на поверхность, образуя «покрышку», или деку. Изменение содержания в пиве азотистых веществ, фосфатов и органических кислот приводит к изменению буферности среды.

Дображивание и созревание пива. Молодое пиво перекачивается в аппараты дображивания расположенные в специально охлажденном помещении с температурой 2 – 3 ^оС, где происходит его созревание при заданной температуре и давлении. Длительность дображивания от 6 до 100 суток в зависимости от сорта пива. Процесс дображивания осуществляется пылевыми дрожжами.

Продукт, полученный в конце процесса готов к употреблению и розливу.

Микроорганизмы, инфицирующие сусло и пиво. Микроорганизмы, занесенные в сусло и пиво, вызывают различные «заболевания», выражающиеся в появлении запаха и вкуса, несвойственных пиву, и снижении его качества.

В сусле и пиве встречаются различные микроорганизмы. Часть их попадает из воздуха, с солодовой пылью или с зерном (эпифитная микрофлора). Микробы могут быть занесены и с водой, куда они попадают из почвы с фекалиями. При этом в сусло и пиво могут попадать и патогенные микроорганизмы, вызывающие заболевание человека.

Микроорганизмы, развивающиеся в сусле и пиве, принадлежат к различным группам – к бактериям, плесневым грибам и дрожжам. Они могут быть безвредными, «сопутствующими» или вредителями производства.

Бактерии. По количеству представителей, а также по причиняемому ими ущербу и порче продукции первое место принадлежит бактериям. Попав в производство, они постепенно адаптируются к условиям технологического процесса, видоизменяются и так приспособляются, что борьба с ними представляет известные трудности. Наносимый ими вред выражается не только в ухудшении качества (стойкости) пива, но и в порче его вкуса вплоть до полной непригодности.

Lactobacillus. Молочнокислые бактерии являются потенциальными вредителями, вызывающими помутнение и почти всегда быстрое прокисание пива. Группа объединяет микроорганизмы, которые при сбраживании углеводов образуют главным образом молочную кислоту (гомоферментативные бактерии). Lactobacillus устойчивы к повышенной кислотности и антисептическому действию хмеля.

Lactococcus. В охмеленном сусле и пиве образуют муть, осадок, молочную кислоту или диацетил, иногда ослизнение. Вызывают «сарцинное» заболевание пива, искажающее его вкус и запах. Пиво приобретает неприятный вкус и характерный медовый запах, который вызван диацетилом, образуемым педиококками.

Acetobacterium – кислотоустойчивы и развиваются в широком пределе рН – от 4,5 до 3,2. Так как в качестве источников углерода уксуснокислые бактерии используют спирт и сахара, то на пивоваренном заводе они находят идеальные условия для развития. Могут образовывать в пиве слизь даже при ограниченном количестве воздуха, например в бутылочном пиве. При росте их в пиве образуется полисахаридное желатинообразное вещество декстран. Интенсивное образование в пиве слизи зависит от содержания в нем декстринов. При этом сахара никакого влияния на процесс образования слизи не оказывают.

Flavobacterium используют глюкозу и фруктозу сусла. В инфицированном пиве появляется шелковистая муть, легкий запах сероводорода и яблок.

Escherihia coli. Кишечная палочка является показателем санитарного состояния предприятия.

Zymomonas. Бактерии устойчивы к веществам хмеля и низкой температуре. Они образуют этанол, ацетальдегид и СО₂. При развитии в пиве бактерии придают ему неприятный посторонний запах и вкус и вызывают помутнение.

Дрожжи. В пивоваренном производстве встречаются такие дрожжи, которые могут испортить вкус и ухудшить качество пива. При развитии диких дрожжей в сусле и пиве могут появиться посторонний запах, сильное помутнение, неприятные горечь и вкус, осадок. Дикие дрожжи оседают хуже, чем культурные пивоваренные дрожжи, поэтому затрудняют осветление пива и коагуляцию дрожжей. Посторонний запах и вкус пиву сообщают высшие спирты, эфиры летучих кислот и горькие вещества, которые образуются дикими дрожжами.

Saccharomyces pastorianus сбраживают углеводы, придают пиву горький привкус, неприятный запах, вызывают помутнение.

Saccharomysec ellipsoideus. Сбраживают углеводы, вызывают порчу вкуса и помутнение.

Pichia. В пиве образуют летучие кислоты и другие вещества, из-за которых пиво приобретает фруктово-эфирный и лекарственный привкус.

Candida. Развиваются на поверхности сусла и пива в виде белой или сероватой пленки. Придают пиву неприятный вкус и запах.

Candida mycoderma сахара не сбраживает. Обладают большой скоростью размножения и в случае инфицирования способны накапливаться в больших количествах.

Torulopsis. Могут вызывать помутнение пива и ухудшают его вкус. Главная опасность состоит в том, что мертвые клетки служат питательным материалом для других микроорганизмов.

В пивоварении встречаются представители нескольких видов плесневых грибов.

Aspergillus – встречается на поврежденном зерне, на хмеле, в сырых помещениях завода, в емкостях и таре, на остатках пива.

Penicillium является паразитом зеленого солода: врастая в ячменное зерно со стороны корешков, он умерщвляет зародыш. При этом солод темнеет, осахаривающая способность его снижается до минимума, что сильно затрудняет процесс варки сусла. Сусло, полученное из пораженного солода, имеет более высокую кислотность, чем сусло из здорового солода.

Oidium – молочная плесень, встречается на зеленом солоде, в дробине, на мокрых стенах емкостей, соприкасающихся с затором или суслом.

Rhizopus – черная плесень. Продукты, пораженные плесенью, затягиваются белым паутинообразным мицелием. Rhizopus является опаснейшим вредителем солодовенного цеха и наносит солоду такой же вред, как и Penicillium.