Производство пива

Изменение азотистого состава. Во время главного брожения изменяется содержание азотистых веществ из-за потребления, а затем выделения их дрожжевыми клетками, а также образования белково-полифенольных комплексов, выпадающих в осадок при понижении рН и накоплении спирта.

Количество аминокислот  сусла при брожении уменьшается  пропорционально интенсивности размножения дрожжей. В конце брожения, когда прирост дрожжей прекращается, количество аминокислот начинает увеличиваться вследствие образования аминокислот из белков сусла под действием протеолитических ферментов дрожжей.

При начальном  содержании аминокислот в сусле (по азоту) ®25 мг/100 см³ в период главного брожения их количество снижается до ® 13 мг/100 см³, а в конце либо увеличивается до 15 мг/100 см³, либо остается на том же уровне. При брожении потребляется примерно 25-40 % аминокислот сусла и 28 - 48 % общего азота сусла. Содержание общего азота ниже по сравнению с содержанием аминокислот, поскольку часть белков при сбраживании коагулирует и выпадает в осадок вместе с дрожжами.

Несмотря  на то,  что дрожжи могут синтезировать все аминокислоты, роль прямой ассимиляции их из сусла очень велика. Причем прямое использование аминокислот сусла обеспечивает наиболее быстрый рост дрожжей.

Различные аминокислоты потребляются дрожжами с разной скоростью. В период дображивания в наибольшей степени дрожжами потребляются метионин, серии, цистеин -  49 - 60 % от общего их количества, усвоенного за весь цикл развития. Видимо, эти аминокислоты ответственны не только за биосинтез и действие ферментов, но и за процесс почкования и деления клеток. На всех других стадиях брожения в основном усваиваются глутаминовая кислота, фенилаланин и лейцин. В период логарифмической фазы роста дрожжи потребляют лейцин, лизин, тирозин, аминомасляную кислоту, фенилаланин, глутаминовую кислоту. В этой фазе они усваиваются на 44 - 77 %.

Несмотря  на то, что белковые вещества образуют незначительную часть экстракта (от 3,1 до 5,6 %), они влияют на пенообразование и могут быть причиной помутнения пива. Это в первую очередь касается высокомолекулярных продуктов расщепления белков — альбумоз и пептонов.

Наибольшее потребление  дрожжами азотистых веществ сусла происходит в начале главного брожения. Их количество в клетках достигает 40 – 45% содержания сухого вещества, дальнейшее усвоение клетками азотистых веществ не превышает нескольких процентов.

Изменение кислотности (рН). Молодое пиво по сравнению с исходным суслом имеет более высокую кислотность, его рН почти на целую единицу ниже. Кислотность повышает, с одной стороны, образующийся углекислый газ, с другой — органические кислоты, которые являются побочными продуктами спиртового брожения.

Нормальный рН пива  находится в пределах от 4,4 до 4,0.  Установлено, что при главном брожении, как только бродящее сусло  насыщается углекислым газом, рН снижается приблизительно до 4,4. Последующее снижение происходит уже не только под влиянием углекислого газа, даже при перенасыщении, но и в результате образования органических кислот.

Кислотность очень благотворно  влияет на вкусовые качества пива и  на его  биологическую стабильность.

Конечный  рН молодого пива почти не зависит  от рН исходного сусла. Однако здесь проявляются буферы, содержащиеся в сусле, главным образом фосфаты, под влиянием которых рН пива не уменьшается ниже 4,0. Если предположить, что дрожжи того же типа образуют почти одинаковое количество кислот, то конечный рН пива тем ниже, чем меньше буферов было в сусле. Поэтому пиво, изготовленное из засыпи, содержащей заменители солода, главным образом сахар, имеет более низкий рН, чем пиво, полученное из чистого солода.

При брожении сусла система буферов изменяется, с одной стороны, в результате потребления дрожжами фосфатов и при фосфорилировании, с другой — вследствие образования органических кислот, которые в присутствии соответствующих солей функционируют как буферы.

Влияние семенных дрожжей в целом незначительно  и вытекает из несколько отличающегося образования кислот отдельными расами дрожжей.  Известно, что пиво из более интенсивно бродящего сусла имеет  более низкий рН. Более низкий рН имеет также и пиво, инфицированное кислотообразующими бактериями.

Образование побочных продуктов брожения. Главным продуктом спиртового брожения является этиловый спирт, слабый водный раствор которого почти безвкусен  и поэтому не оказывает значительного влияния  на вкус пива. Более активными в этом отношении являются побочные продукты брожения: высшие спирты, эфиры карбоновых кислот, карбонильные соединения, карбоновые кислоты, альдегиды, кетоны.

Образование побочных продуктов брожения и синтез запасных веществ дрожжей зависят от условий процесса. Значительное влияние  на этот процесс оказывает азотный обмен дрожжей и скорость размножения. Некоторые продукты (например, пируват) накапливаются при размножении, другие (ацетат)  - когда дрожжевые клетки не растут. Так как на построение биомассы дрожжей используется часть энергии, полученной от брожения, то изменение степени роста означает, что больше или меньше энергии может быть использовано для синтеза побочных продуктов брожения. Например, при стимулировании роста дрожжей образуется меньше эфиров и больше высших спиртов.

Из высших спиртов (их в сброженных продуктах найдено около 50) основную массу составляют изоамиловый, изобутиловый  и пропиловый – примерно 90%. Механизм образования  побочных продуктов имеет  большой теоретический и практический интерес. Установлено, что при образовании высших спиртов протекают два процесса: декарбоксилирование и гидролитическое дезаминирование.

Аминокислота  сначала дегидрируется в иминокислоту и через реакцию с водой при отщеплении аммиака переходит в соответствующую α-карбоновую кислоту, из которой путем декарбоксилирования образуется альдегид, который затем восстанавливается в соответствующий алкоголь. 

Таким образом, из лейцина образуется изоамиловый  спирт, содержание которого достигает 70% к общему количеству сивушных масел.

Из изолейцина образуется активный амиловый спирт, из валина - изобутиловый спирт.

Кроме того, высшие спирты могут быть образованы и без участия  аминокислот, а именно через уксусную кислоту: уксусная кислота —> ацетоацетат —> ацетоин —> изопропанол, или ацетон + ацетальдегид  —> ββ-диметилакролеин  —> 2-пентанол (изоамиловый спирт). Таким путем  изовалериановая кислота превращается в изоамиловый спирт.

В некоторых  случаях последняя стадия высшего спирта может заканчиваться не реакцией восстановления, а реакцией окисления; в этом случае вместо спирта образуется кислота, например, янтарная.

Аминокислоты превращаются в соответствующие спирты только в присутствии сбраживаемого сахара.

Содержание  высших спиртов в пиве количественно  и качественно зависит от состава сусла, от вида и количества присутствующих аминокислот, от типа дрожжей, нормы их введения, аэрации и  других факторов. В пиве они появляются уже в начале брожения и их  количество возрастает  в течение периода брожения.

Альдегиды и  кетоны – это продукты превращения углеводов и аминокислот. Альдегиды образуются при декарбоксилировании кетокислот. Кроме того, альдегиды при брожении могут образовываться также при окислении спиртов, причем как ферментативным, так и химическим путем.   Из альдегидов в пиве преобладает ацетальдегид, придающий пиву незрелый вкус.

При низкой концентрации присутствие в пиве ацетальдегида не проявляется ни в запахе, ни во вкусе. И наоборот, производные ацетальдегида, главным образом диацетил и ацетоин, оказывают неблагоприяное влияние на органолептику  пива.

Диацетил  образуется при брожении не только в пиве, инфицированном педиококками или молочными бактериями, но и при развитии  культурных рас пивоваренных дрожжей.  Содержание в пиве  диацетила до 0,2 мг/л  считается нормальным. Более высокое его содержание придает пиву нежелательный, неприятный (медовый)  запах и привкус.

Исходным  продуктом для синтеза диацетила являются пировиноградная кислота и тиаминпирофосфат, а также Мп²⁺ или Mg²⁺. Процесс в этом случае катализируют последовательно ферменты пируватдекарбоксилаза,ацетолактатдекарбоксилаза,α-ацетолактатсинтетаза.

По другому  варианту дрожжи в присутствии NAD превращают пировиноградную кислоту в ацетил-СоА, который, конденсируясь с другой молекулой пировиноградной кислоты, образует α-ацетомолочную кислоту с последующим декарбоксилированием ее в ацетоин. Превращение ацетоина в диацетил катализируют ацетоиндегидрогеназа и NADH₂. Схема реакций синтеза дрожжами ацетоина и диацетила [2]: 

 

 

                                                                  СН₃

        (1.1)

Ацетоин, так  же как и диацетил, влияет на вкус пива и является причиной так называемого  подвального (затхлого) привкуса пива (свыше одного  мг/дм³).

Диацетил  и ацетоин образуются на первой стадии брожения, когда дрожжи сильно размножаются и происходит энергичный азотистый обмен веществ. Слишком позднее аэрирование, вызывающее новый синтез дрожжевой массы,  приводит к образованию ацетоина и одновременно стимулирует его окисление до диацетила. Наличие сбраживаемого сахара повышает способность дрожжей восстанавливать диацетил.

Три соединения — ацетоин, диацетил и 2,3 - бутандиол образуют в пиве окислительно-восстановительную систему. В зависимости от активности действующих в этой системе ферментов превалируют те или иные продукты превращения. Если в пиве преобладают восстановительные процессы, то накапливается 2,3-бутандиол. В аэробных условиях увеличивается количество ацетоина и диацетила, ухудшающих качество пива.

Дрожжи обладают способностью восстанавливать диацетил в 2,3 -бутандиол в стадии активного размножения. Более низкие концентрации диацетила, которые могут быть получены в пиве в результате редукции живыми дрожжами, равны 0,2 мг/ дм³. Установлено, что на практике запах диацетила можно удалить из пива путем добавления свежих густых дрожжей от 0,5 до 1,0 дм³/гл.

Сложные эфиры, являющиеся главной составной частью запаха (букета) пива, образуются при сбраживании сусла  из летучих и нелетучих  органических кислот и спиртов в результате реакций, катализируемых эстеразами дрожжей, т.е. реакций этерификации (биологическая этерификация).

Кроме того, эфиры  накапливаются также и при  биосинтезе в дрожжевых клетках. Установлено: образование сложных эфиров может происходить по реакции между альдегидами как исходными продуктами образования кислот и высших спиртов.  Анализы показывают, что при реакции этерификации уменьшается концентрация альдегидов, а не кислот, т.е. в этом случае  имеет место химическая этерификация.

По мере уменьшения в среде концентраций спирта и  кислоты скорость образования сложных  эфиров уменьшается и в определенный момент в системе устанавливается  подвижное равновесие, после которого их количество не увеличивается.

Общее содержание сложных эфиров в пиве колеблется от  35  до  83 мг/дм³: при низовом брожении всегда образуется сложных эфиров меньше, чем при верховом. При брожении большую часть эфиров захватывает улетучивающийся углекислый газ. При брожении крепкого сусла (с более высокой концентрацией) и сусла, полученного с добавлением заменителей солода, сложных эфиров образуется больше.

Присутствие сернистых соединений, сероводорода и меркаптанов считается основной причиной неприятного (незрелого) вкуса молодого пива. Для синтеза органических сернистых соединений дрожжи используют серу из сульфатов, сульфитов и азотистых соединений, содержащих серу.

В сырье  и производственном цикле обнаружено следующее количество серы:

- в солоде 79, в хмеле  97, в дрожжах 715 мг на 100 г сухого остатка;

- в сусле около 65 мкг/дм³;

- в бродильных газах  от 48,5 до 84,7 мкг/м²;

- в молодом пиве  от 42,6 до 58,8 мкг/ дм³;

- в готовом пиве  от 42,6 до 47,5 мкг/ дм³.

Если брожение протекает медленно, то в бродильные газы сероводорода переходит больше, чем при быстром ходе брожения.

Содержание  летучих меркаптанов при брожении снижается, в то время как при дображивании возрастает. Меркаптаны образуются при главном брожении и их содержание достигает при этом  своего максимума (около 60%); при использовании хлопьевидных дрожжей в пиве содержится  больше меркаптанов (0,97 мг/дм³), чем при применении пылевидных дрожжей (0,5 мг/дм³). Образование меркаптанов поддерживают взвеси, попавшие в сусло.

Кислород, редуцирующие веществами rН₂. Кислород, содержащийся в сбраживаемом сусле, используется для дыхания уже в процессе размножения в начале брожения. Де Клерк обнаружил в конце брожения остаточный кислород (0,25 мг/л).

Редуцирующие  вещества при брожении почти не изменяются.

Окислительно-восстановительный  потенциал rН₂ при брожении снижается с 20 в исходном сусле до 11 в молодом пиве.

Содержание  изогумулонов и полифенолов. Содержание изогумулонов при брожении резко уменьшается в зависимости от вида применяемых дрожжей:  на 9,4% при использовании дрожжей седиментирующих и на 13,4% при применении пылевидных дрожжей. Считается, что потери возникают в результате адсорбции этих веществ на дрожжах и поэтому зависят от размножения клеток; последующие потери возникают вследствие увлечения изогумулона бродильными деками вместе с пузырьками углекислого газа.

Полифенольные (дубильные) вещества также уменьшаются при брожении и потери их достигают 1/3.