Zacieranie

W każdym browarze technologia produkcji piwa rozpoczyna się na dziale warzelni. W wyniku kilku postępujących po sobie etapów, otrzymywana jest słodka, klarowna ciecz, tzw. brzeczka piwna. Celem procesów zachodzących na warzelni jest przemiana złożonych składników słodu w formy prostsze, które stanowią podstawę dla późniejszej fermentacji1,2.

Pierwszy etap ma swój początek przy okazji pozyskania słodu od zewnętrznego przedsiębiorstwa. Otrzymany surowiec przechodzi podstawową kontrolę pod kątem jakości, następnie jest poddawany oczyszczaniu mechanicznemu i sortowaniu przy pomocy specjalnych urządzeń: sit, szczotek, czy też działających w oparciu o magnetyzm aparatów. Słód następnie jest kondycjonowany poprzez nawilżanie, w celu uniknięcia nadmiernej kruchości łuski. Zachowanie jej odpowiedniej elastyczności usprawnia proces filtracji brzeczki3. Mechaniczny rozkład ziaren słodu następuje podczas procesu śrutowania. Śrutowanie ma na celu wydobycie z wnętrza ziaren skrobi, aby umożliwić enzymom zawartym w słodzie jej późniejszy rozkład. Należy jednak pamiętać aby w trakcie tego etapu nie uszkodzić łuski ziarna, gdyż będzie ona później stanowić materiał filtracyjny. Rodzaj śrutownika oraz jego ustawienia powinny być więc dostosowane do stosowanego systemu filtracji1.  Przy zbyt dużym stopniu zmielenia słodu, pory złoża filtracyjnego szybko się zatykają, co w konsekwencji prowadzi do dłuższego czasu wysładzania i konieczności mechanicznego rozluźnienia złoża. Jeśli przemiał jest zbyt mały, wydajność procesu zacierania spada, ponieważ część skrobi zostaje uwięziona w łusce i odrzucona razem z nią4,5. Wyróżnia się dwa sposoby śrutowania słodu: na sucho i na mokro. W śrutowaniu na sucho łuska jest mniej lub bardziej uszkadzana także przy ochronnym traktowaniu i swoją czynność jako materiał filtracyjny może spełniać tylko warunkowo. Jeżeli jednak słód przed śrutowaniem namoczymy, łuska i wnętrze ziarna wchłoną wilgoć i staną się elastyczne. Możemy wtedy wnętrze ziarna po prostu wygniatać z łuski, która przy tym praktycznie nie zostaje uszkodzona. Dzięki temu uzyskuje się lepszą zdolność filtracyjną warstwy młóta słodowego4. W mniejszych browarach ze względów ekonomicznych najczęściej spotykane jest śrutowanie na sucho. Słód podczas tego procesu jest śrutowany pomiędzy walcami ustawionymi parami. W ten sposób otrzymuje się grysik drobno i grubo zmielony, mąkę i łuskę. Najwięcej ekstraktu (80-90%) pochodzi z mąki i drobnego grysiku5. Proces ten umożliwia sprawne przejście składników ekstraktu do wody. Ześrutowany słód jest mieszany z wodą i trafia do kadzi zaciernej3.

Zacieranie jest kluczowym etapem w produkcji piwa, w czasie którego dochodzi do rozkładu substancji zawartych w słodzie poprzez wykorzystanie enzymów rodzimych w nim zawartych. Fermentowalne węglowodany uzyskuje się w następstwie rozkładu skrobi. Cukry te są później przekształcane przez drożdże w alkohol w trakcie fermentacji6,7. Enzymy uczestniczące w hydrolizie substancji obejmują amylazy, proteazy, peptydazy, transglutanazy i fosforylazy. Głównymi czynnikami regulującymi aktywność tych enzymów są temperatura, pH, czas i stężenie brzeczki8. Dwa główne enzymy rozkładające skrobię, uwalniane ze słodu to α i β amylaza9,10. α-amylaza bardzo szybko redukuje nierozpuszczalną i rozpuszczalną skrobię, dzieląc jej cząsteczki na wiele krótszych łańcuchów (tzn. częściowo fermentowalne frakcje polisacharydowe, dekstrynę i maltotriozę), które mogą być aktywowane przez β-amylazę. α− amylaza może rozłożyć wszystkie dekstryny na maltozę, glukozę i małe rozgałęzione „dekstryny graniczne”, jednak konwersja skrobi przez szybciej działającą β-amylazę jest bardziej skuteczna. β-amylaza jest bardziej selektywna niż α-amylaza, ponieważ odrywa dwa cukry jednocześnie z łańcucha skrobi. Enzym ten wytwarza maltozę, najczęstszy cukier występujący w słodzie10,11. Całkowity rozkład skrobi do maltozy i dekstryn przez amylazy nazywa się scukrzaniem. Rozkład skrobi musi być monitorowany, ponieważ pozostałości nierozłożonej skrobi i dekstryn powodują tzw. zmętnienia skrobiowe w gotowym piwie. Degradację skrobi można łatwo monitorować, sprawdzając kolor mieszaniny próbki zacieru i roztworu jodu (test jodyny). Pozytywna próba jodowa, czyli obecność skrobi w roztworze jest oznaczana kolorem niebieskim/czarnym12. Brak zauważalnej zmiany zabarwienia próbki zacieru w kontakcie z jodem świadczy o powodzeniu tego procesu13.

Tabela 1. Enzymy aktywne podczas zacierania: rozkład skrobi14
Enzym Optymalne pH Optymalna temperatura (°C) Temperatura inaktywacji (°C) Reakcja hydrolizy Produkt
Rozkład skrobi
β-amylaza 5,4 – 5,6 60  – 65 70 Wiązanie α-1,4 na końcu nieredukującym skrobi Maltoza
α-amylaza 5,5 – 5,8 70 – 75 80 Wiązanie α-1,4 w skrobi Dekstryny
Dekstrynaza graniczna 5,1 – 5,5 55 – 60 65 – 70 Wiązanie α-1,6 skrobi Dekstryny (proste łańcuchy)
Maltaza 6,0 35 – 40 40 Maltoza 2 cząsteczki glukozy
Sacharaza 5,5 50 55 – 67 Sacharoza Glukoza + Fruktoza
Tabela 2. Enzymy aktywne podczas zacierania: rozkład białek14
Enzym Optymalne pH Optymalna temperatura (°C) Temperatura inaktywacji (°C) Rodzaje hydrolizy Produkt

Rozkład białek

Endo-peptydaza 5.0 – 5.5 50 – 60 60 – 80 Wiązania peptydowe wewnątrz łańcucha Krótkie peptydy
Karboksy-peptydaza 4.8 – 5.6 50 – 60 70 Wiązania peptydowe na końcu karboksylowym Aminokwasy
Aminopeptydaza 7.0 – 7.3 40 – 45 50 – 55 Wiązania peptydowe na końcu aminowym Aminokwasy
Dipeptydaza 8.0 – 8.8 40 – 45 50 Dipeptydy 2 aminokwasy
Tabela 3. Enzymy aktywne podczas zacierania: rozkład ścian komórkowych14
Enzym Optymalne pH Optymalna temperatura (°C) Temperatura inaktywacji (°C) Reakcja hydrolizy Produkt

Rozkład ścian komórkowych

Endo-β-1,4-glukanaza 4.5 – 5.0 40 – 45 50 – 55 Wiązania β-1,4 β-glukany o niskiej masie cząsteczkowej
Endo-β-1,3-glukanaza 4.6 – 5.5 60 70 Wiązania β-1,3 β-glukany o niskiej masie cząsteczkowej
Solubilaza-β-glukanowa 6.3 – 7.0 62 – 70 73 Wiązanie pomiędzy β-glukanem a białkiem β-glukany o wysokiej masie cząsteczkowej
Endoksylanaza 5.0 45 Pentozan: łańcuch ksylanu Ksyloza
Egzoksylanaza 5.0 45 Pentozan: łańcuch ksylanu Ksyloza
Arabinozydaza 4.6 – 4.7 40 – 50 60 Pentozan: łańcuch araboksylanu Arabinoza

Wyróżnia się dwie najczęściej stosowane techniki zacierania: infuzyjne oraz dekokcyjne. Zacieranie infuzyjne jest metodą, która powstała w Wielkiej Brytanii i polega na stopniowym podgrzewaniu zacieru w jednej kadzi zaciernej do uzyskania pożądanej temperatury13. Infuzyjnie zaciera się przeważnie słody dobrze rozluźnione15. Metoda ta jest najczęściej kojarzona z produkcją piw górnej fermentacji (ale, stout), jednak browary z powodzeniem stosują procesy infuzyjne także do produkcji piw dolnej fermentacji15. Metoda dekokcyjna wywodzi się z Niemiec i obejmuje zacieranie w kadzi oraz kotle zaciernym. Polega ona na gotowaniu części zacieru w kotle i zawracaniu go ponownie do kadzi. Od tego ile razy jest powtarzany ten schemat zależy jego nazwa: zacieranie dwuwarowe lub trójwarowe15. W szczególności system ten był używany do słodów słabo rozluźnionych, a obecnie stosuje się go w celu uzyskania charakterystycznego profilu smakowego oraz w celu zachowania piwowarskiej tradycji5.

Filtracja i wysładzanie

Proces filtracji ma na celu oddzielenie części płynnej zacieru (brzeczki) od stałej (wysłodzin). Filtracja przebiega w kadzi filtracyjnej, na której dnie znajduje się filtr najczęściej w postaci tzw. fałszywego dna ze szczelinami umożliwiającymi spływanie brzeczki przy jednoczesnym zatrzymaniu łuski słodowej, która służy jako złoże filtracyjne16,13,17. Można także filtrować brzeczkę wykorzystując filtry zacierowe, gdzie roztwór przepływa przez specjalne płótna filtracyjne5. Podczas filtracji zacieru, w momencie gdy płynąca brzeczka jest wolna od widocznych drobin, przystępuje się do skierowania brzeczki przedniej do kotła warzelnego z jednoczesnym rozpoczęciem wysładzania18. Wysładzanie polega na wypłukiwaniu z ziaren możliwie jak największej ilości cukrów jednocześnie unikając wypłukiwania tanin. W tym celu wykorzystywana jest gorąca woda zwykle w ilości 1,5 razy większej niż użyta do zacierania. Temperatura wody do wysładzania powinna wynosić około 78C, gdyż wraz ze wzrostem temperatury rośnie rozpuszczalność tanin szczególnie gdy pH zacieru wzrośnie powyżej 616,13. W praktyce piwowarskiej stosuje się następujące metody wysładzania:

  • ciągłe (fly sparging) – zwykle najbardziej wydajne, polega na ciągłym dolewaniu wody, aby jej poziom utrzymywał się około 2,5 cm nad złożem filtracyjnym, ale unikając mieszania z brzeczką i wzburzania złoża,
  • „na raty” (batch sparging) – metoda polegająca na całkowitym odfiltrowaniu brzeczki, po którym wlewa się wodę do kadzi filtracyjnej i cały proces rozpoczyna na nowo,
  • Partii-gale – stara, angielska metoda, zbliżona do wysładzania „na raty”, jednak brzeczka uzyskana po każdym etapie używana jest do produkcji osobnego piwa13.

Dzięki filtracji uzyskanego zacieru powstaje klarowna brzeczka przednia, bogata w wiele cennych składników słodu4. Produktem ubocznym po zacieraniu i filtracji jest młóto tzw. wysłodziny. Nie jest ono wykorzystywane w dalszej produkcji i stanowi około 85% całkowitych produktów ubocznych. Wysłodziny są wartościową paszą dla zwierząt, zasobną m.in. w białko21,22. Trwają również badania nad wykorzystaniem młóta do żywienia ludzi, z uwagi na fakt, że jest to cenne źródło wielu składników odżywczych23.

Gotowanie brzeczki

Klarowna brzeczka uzyskana po filtracji zacieru trafia do kotła warzelnego przystosowanego do długiego i intensywnego gotowania5. Głównymi celami gotowania brzeczki są:

  • Sterylizacja: gotowanie przez czas 15-20 minut, zapewnia niemal całkowitą redukcję liczby żywych mikroorganizmów w brzeczce,
  • Przyspieszenie reakcji Maillarda: brzeczka zawiera cukry, białka i aminokwasy. Na skutek wrzenia następuje szereg reakcji chemicznych pomiędzy aminokwasami a cukrami redukującymi, co przyczynia się do powstawania związków smakowo-zapachowych, odpowiadających za nuty karmelowe, słodowe oraz chlebowe w piwie. Związki te wpływają również na wzrost intensywności barwy brzeczki,
  • Denaturacja białek: wszystkie białka i enzymy pozostałe po procesie zacierania są ogrzewane w wodzie o kwaśnym odczynie (pH 5,0 – 5,5). Skutkuje to rozerwaniem wiązań peptydowych i powstaniem białek o krótszych łańcuchach. Następuje całkowita inaktywacja enzymów i powstają duże ilości aminokwasów, stanowiących pożywkę dla drożdży w trakcie fermentacji. Pozostałe krótkołańcuchowe proteiny są usuwane jako osad.
  • Odparowanie wody: po wysładzaniu brzeczka może nie mieć odpowiedniej gęstości dla stylu piwa, które chcemy uzyskać. Zazwyczaj podczas gotowania przy otwartym kotle, stopień odparowania wynosi 10% na godzinę.
  • Usuwanie DMS: siarczek dimetylu (DMS) powstaje w wyniku rozkładu S-metylometioniny (SMM) w kwaśnym środowisku wodnym. SMM jest naturalnie występującym w słodzie aminokwasem. DMS nadaje piwu zapach gotowanych warzyw, zwłaszcza kukurydzy, kapusty i buraków. Związek ten jest lotny i może zostać usunięty z brzeczki w trakcie gotowania w ok. 50%.
  • Wytrącanie osadów: osad powstaje na skutek tworzenia się kompleksów pomiędzy białkami i polifenolami w trakcie gotowania brzeczki. Osady gorące, tzw. „przełom”, są to duże skupiska osadu utworzone w podwyższonej temperaturze. Dzięki wytrąceniu tych osadów, uzyskuje się większą klarowność oraz redukcję „herbacianych” aromatów pochodzących od polifenoli24.
  • Obniżenie pH: w trakcie gotowania brzeczka zyskuje kwaśniejszy charakter (pH spada zazwyczaj o ok. 0,1 – 0,3 jednostek) na skutek wytworzenia się związków melanoidowych, dodatku chmielu, wytrącenia alkalicznych fosforanów na skutek ich reakcji z jonami Ca2+ i Mg2+.

Cały proces gotowania trwa najczęściej od 45 do 60 minut. Dodatek chmielu na tym etapie powoduje wzbogacenie brzeczki w składniki aromatyczne oraz te nadające goryczkę. Zawarte w nim α-kwasy ulegają izomeryzacji do izo-α-kwasów, które w głównej mierze są odpowiedzialne za odczuwalną goryczkę piwa5. Związkami odpowiadającymi za charakterystyczny aromat chmielu są olejki eteryczne. Podczas gotowania następuje szybkie ich ulatnianie, dlatego odmiany aromatyczne dodaje się do kotła 10-20 minut przed zakończeniem procesu.

Ekstrakcja i izomeryzacja składników chmielu:

Goryczka z chmielu – szyszki chmielu lub granulat dodaje się na początku procesu wrzenia. Konieczne jest utrzymywanie wysokiej temperatury przez pewien czas, aby uzyskać wysoką wydajność izomeryzacji alfa-kwasów. Wydajność izomeryzacji zależy od:

  • charakteru izohumulonu (kohumulon daje najlepszą wydajność),
  • czasu wrzenia,
  • pH (wyższe pH daje wyższą wydajność, ale uzyskana goryczka przy niższym pH jest bardziej zrównoważona i subtelniejsza, a zatem preferowana),
  • Stężenia humulonu (spadek wydajności przy wzroście stężenia),
  • Zastosowanie bardziej wydajnych procedur ekstrakcji (takich jak stosowanie wyższych temperatur),
  • Rozmiar fragmentów chmielu (szybkość ekstrakcji jest większa dla zmielonych szyszek lub granulek chmielu)12.

 

Tabela 4. Cele procesu gotowania brzeczki12
Cel Wpływ  parametrów
Ekstrakcjaα−kwasów Temperatura, rozmiar chmielu
Izomeryzacja α-kwasów Temperatura, czas gotowania, pH, stężenie humulonu
Koagulacja białek (powstawanie gorącego osadu) Czas gotowania, charakter i sposób gotowania, system grzewczy, konfiguracja przepływu brzeczki, temperatura czynnika grzewczego, skład brzeczki (modyfikacja słodu, temperatura zacierania, pH)
Sterylizacja brzeczki i inaktywacja enzymów w celu ustalenia składu brzeczki Czas gotowania, temperatura
Tworzenie związków redukujących i aromatycznych (Reakcje Maillarda) Zawartość wody, pH, tlen, stężenie, temperatura, czas reakcji (wrzenia)
Tworzenie substancji barwiących pH, parametry wpływające na reakcje Maillarda
Usuwanie niepożądanych lotnych związków aromatycznych Temperatura, czas gotowania, pH, szybkość odparowania
Zakwaszenie brzeczki Dodatek chmielu, intensywność reakcji Maillarda, fosforany alkaliczne, zawartość jonów Ca2+ i Mg2+, rodzaj słodu
Odparowanie wody Temperatura, czas gotowania

Metody chmielenia

Chmielenie zacieru (mash hopping)

Metoda ta polega na dodaniu chmielu na etapie zacierania. W temperaturze zacierania izomeryzacja alfa kwasów praktycznie nie zachodzi wcale, więc nie należy się spodziewać żadnej goryczki dodając chmiel na tym etapie. Uznaje się jednak, że chmielenie zacieru może wprowadzić unikalny smak oraz aromat do gotowego piwa. Lżejsze olejki lotne odpowiedzialne za aromaty kwiatowe i owocowe zostaną później odparowane w wyniku gotowania, jednak cięższe olejki, utlenione składniki chmielu i inne związki aromatyczne mogą przetrwać aż do finalnego produktu25.

Chmielenie brzeczki przedniej (first wort hopping)

Metoda ta ma na celu dawać podobne efekty jak chmielenie zacieru (mash hopping) oraz przyjemną, łagodną goryczkę. Na przełomie XX w. chmielenie brzeczki przedniej było powszechną praktyką, stosowaną w celu zwiększenia utylizacji chmielu. W tej technice chmiel dodaje się do kotła warzelnego na początkowych etapach filtracji zacieru. Następnie namacza się go w brzeczce przez cały czas trwania filtracji i pozostawia w niej na czas gotowania26. W eksperymentalnych warkach utylizacja chmielu w wyniku chmielenia brzeczki przedniej wynosiła 30-55%, użyta porcja surowca zawierała odmianę, która pierwotnie była przygotowana jako dodatek aromatyczny i normalnie byłaby dodana na 10 minut przed końcem gotowania25.

Chmielenie w trakcie gotowania brzeczki

Metoda ta jest najpopularniejszą metodą chmielenia piwa. W zależności od momentu dodania chmielu dzieli się ją na dwa rodzaje:

– Wczesne „Na goryczkę”. Dodatek chmielu stosuje się na początku gotowania, w trakcie którego zachodzi izomeryzacja humulonów do izohumulonów, które uznaje się za główny związek odpowiedzialny za goryczkę piwa27,28. Piwa chmielone na tym etapie charakteryzują się niskim aromatem chmielowym, gdyż większość związków lotnych zostaje odparowana, utleniona lub oddzielona mechanicznie29.

– Późne „Na aromat”. Dodatek chmielu następuje pod koniec gotowania, co sprawia, że większość α-kwasów nie zostaje zizomeryzowana, a jednocześnie mniej olejków aromatycznych z chmielu ulegnie odparowaniu na skutek działania wysokiej temperatury29. W wyniku tego uzyskujemy bardziej aromatyczne piwo o słabszej goryczce.

Chmielenie whirlpoolowe i hop stand

W obydwu tych metodach dodatek chmielu następuje po zakończeniu gotowania, różnią się jednak tylko zbiornikiem, w którym to zachodzi:

– Hop Stand – chmiel dodaje się do kotła warzelnego po ustaniu wrzenia lub osobnej kadzi osadowej po usuwaniu osadów gorących.

– Chmielenie Whirlpoolowe – chmiel dodaje się do kadzi typu Whirlpool lub kotła warzelnego z funkcją kadzi whirlpool (whirlpoolokotła)4.

Na tym etapie kontakt brzeczki z chmielem jest krótki, co w połączeniu z obniżeniem się temperatury pozwala na większe zachowanie aromatycznych związków lotnych, oraz zmniejszoną izomeryzację alfa kwasów29.

Hopbacking

Tradycyjne urządzenie hop back służyło do odfiltrowania osadów gorących z brzeczki, za złoże filtracyjne służyły szyszki chmielu. Gorąca brzeczka przepływała przez urządzenie, wypłukując związki lotne z chmielu i – oczyszczona z osadów gorących – przepompowywana była następnie do urządzenia chłodniczego (np. wymiennika płytowego). W nowoczesnych browarach funkcję tę przejęły kadzie osadowe i whirlpool, głównie z powodu upowszechnienia się w piwowarstwie granulatu chmielowego, którego cząsteczki są zbyt małe (praktycznie nie odróżnialne od osadów gorących), aby posłużyć za złoże filtracyjne30. W niektórych browarach rzemieślniczych stosuje się mniejszy hop back umieszczony za whirlpoolem w celu wprowadzenia dodatkowych aromatów do wstępnie oczyszczonej brzeczki31.

Chmielenie na zimno (dry hopping)

Metoda ta polega na dodaniu porcji chmielu pod koniec fermentacji, zwykle po oddzieleniu piwa od osadu drożdżowego po zakończeniu fermentacji głównej. Chmiel namacza się w piwie od kilku dni do kilku tygodni. Celem chmielenia na zimno jest podbicie aromatu chmielowego w piwie, ale bez zwiększania wyczuwalnej goryczki32. Jest to możliwe dzięki niskiej temperaturze ekstrakcji (4-20C), w której nie dochodzi do odparowania olejków aromatycznych z chmielu. Podczas chmielenia na zimno ważnymi czynnikami są: dobór odmiany, data zbioru, zawartość olejków w wybranym chmielu i jego ilość33, ale także zawartość alkoholu w piwie, która może wpływać na wypłukiwanie niepożądanych składników z chmielu do gotowego produktu34.

Podczas produkcji piwa powstają różnego typu zmętnienia, które mogą tworzyć gorące i zimne osady35. Garbniki będące składnikami chmielu, do których zaliczamy taninę, katechinę i antocyjanogeny, wpływają korzystnie na goryczkę i pełnię smakową piwa4. Substancje te wraz z jonami metali i białkami tworzą gorące osady, które należy usunąć, ze względu na ich niekorzystny wpływ na dalsze części procesu, np. przyczyniają się do zlepiania komórek drożdżowych czy do problemów podczas filtracji piwa. Oddzielenie (separacja) osadów gorących w browarach przemysłowych powszechnie przebiega w kadzi wirowo-osadowej zwanej whirpoolem. W zbiorniku tym wykorzystuje się zjawisko sedymentacji grawitacyjnej (formowania się osadu w postaci stożka), w centralnej części dna zbiornika. Pierwszy opis tego zjawiska został opublikowany przez Alberta Einsteina w 1926 roku36. Kadź wirowa jest obecnie najbardziej rozpowszechnionym aparatem do klarowania brzeczki. Jej stosowanie umożliwia zmniejszenie zarówno nakładów pracy, jak i kosztów eksploatacji w porównaniu do pozostałych metod. Jest to najbardziej efektywna oraz najtańsza z metod oddzielania i usuwania gorącego osadu37,38,39.

Klarowna brzeczka, często za pomocą wymienników płytowych, poddawana jest chłodzeniu, podczas którego wytrąca się osad zimny4. W przeciwieństwie do osadu gorącego składa się on z cząstek mniejszych, ulegających rozpuszczeniu w trakcie podwyższania temperatury. Bardzo trudne jest jego całkowite usunięcie, ale wiadomo, że im szybciej schładza się brzeczkę tym większa ilość osadu zimnego zostanie wytrącona4,15.

Warto też wspomnieć, że często stosowanym zabiegiem, szczególnie w dużych browarach jest warzenie brzeczki z wykorzystaniem technologii HGB (High Gravity Brewing). Polega ona na wytworzeniu brzeczki o stężeniu wyższym niż jest to założone w specyfikacji danego piwa po to, aby na późniejszych etapach produkcji poddać ją rozcieńczeniu (standaryzacja brzeczki do odpowiedniego ekstraktu). Umożliwia to znaczne zwiększenie wydajności działów produkcyjnych browaru oraz wykorzystywanie jednej brzeczki do produkcji różnych piw o odmiennych parametrach4,40. Proces HGB jest kolejnym sposobem obniżenia kosztów produkcji w browarnictwie przemysłowym4,17.

Fermentacja i filtracja

Schłodzoną do temperatury inokulacji brzeczkę nastawną napowietrza się, aby zapewnić optymalne warunki dla rozwoju drożdży przy zapoczątkowaniu fermentacji. Podczas jej trwania, komórki drożdżowe wykorzystują ekstrakt brzeczki do wytworzenia alkoholu etylowego oraz dwutlenku węgla. W wyniku tego procesu otrzymujemy piwo młode (tzw. zielone)5,7. W praktyce browarniczej wyróżniamy dwa podstawowe rodzaje fermentacji: fermentację górną i dolną, różniące się głównie użytymi szczepami drożdży oraz warunkami przeprowadzania procesu. Dodatkowo w wyniku górnej fermentacji otrzymuje się zazwyczaj większą ilość olejów fuzlowych oraz estrów, natomiast smak piwa fermentacji dolnej jest znacznie łagodniejszy13. Przy produkcji piw typu Ale stosuje się wyższe temperatury niż podczas fermentacji piwa typu Lager. Proces fermentacji brzeczki nastawnej trwa około tygodnia i zależy od ilości ekstraktu w brzeczce, temperatury nastawnej, temperatury fermentacji oraz uzyskania odpowiedniego stopnia odfermentowania4,41,42. Proces ten w tradycyjnych zbiornikach (skrzyniach o kształcie prostokąta lub poziomych cylindrycznych zbiornikach) zachodził w temperaturze 20oC przez 4 dni a następnie przez 10 dni w 12oC5. Ciekawym sposobem fermentacji jest prowadzenie jej w kadziach otwartych. Ta tradycyjna metoda w dalszym ciągu bywa wykorzystywana. Stosując ją trzeba jednak pamiętać o szczególnej dbałości w zakresie higieny, gdyż możliwe jest powstawanie zakażeń z powietrza3,4.

Głównymi etapami fermentacji klasycznej (w otwartych kadziach) są:

  • Zasianie drożdży – w tym czasie następuje znaczny przyrost biomasy komórek drożdżowych (3-4 razy). Faza ta ulega zahamowaniu kiedy drożdże wykorzystają zawarty w brzeczce tlen,
  • Niskie krążki – rozpoczyna się fermentacja alkoholowa. Na powierzchni brzeczki powstaje piana, często brunatniejąca pod wpływem zawartych w chmielu żywic,
  • Wysokie krążki – zachodzi wzmożone wydzielanie piany, jest to faza najbardziej intensywnej fermentacji,
  • Opadanie krążków – zakończenie fermentacji, drożdże sedymentują na dno zbiornika4,40,41.

Ciągły rozwój technologii browarniczej spowodował pojawienie się nowego sposobu fermentacji wykorzystującego tanki cylindryczno-stożkowe (CKT). Lepsze wyniki można uzyskać przeprowadzając w nich fermentację dolną z użyciem drożdży Saccharomyces pastorianus. Ich osadzanie w dolnej części zbiornika ułatwia filtrację. Zazwyczaj podczas fermentacji wartość ekstraktu brzeczki zmniejsza się od 3 do 4 razy13. Kiedy piwowar chce zakończyć fermentację, uruchamia chłodzenie części stożkowej tanku, co powoduje sedymentację drożdży. Ogrzane na płytowym wymienniku piwo może dalej dojrzewać w tanku. Po około 2-3 dniach piwo jest schładzane, zazwyczaj do temperatury -0,5°C i leżakuje 4-7 dni5,40.

Podczas fermentacji powstaje także kilka produktów ubocznych wpływających na jakość piwa. Oleje fuzlowe występują w piwie zazwyczaj w stężeniach 40-200 mg/l, jednak już przy zawartości powyżej 100 mg/l oddziałują niekorzystnie na smak piwa. W piwach fermentacji górnej jest ich zazwyczaj około 2 razy więcej niż w piwach dolnej fermentacji. Ich liczba jest uzależniona od stężenia brzeczki, jej natlenienia oraz temperatury podczas fermentacji1,2,4,15. Zachodzące w komórkach drożdżowych reakcje enzymatyczne skutkują tworzeniem się estrów, decydujących o aromacie piwa. Związki te, występujące w ilości od 10 do 80 mg/l powstają w czasie intensywnej fermentacji. Głównymi estrami piwa są octan etylu, octan izoamylu i octan izobutylu. Im większa zawartość ekstraktu w brzeczce nastawnej i wyższa temperatura procesu fermentacji, tym estrów w gotowym produkcie będzie więcej5,15.

Oprócz tych składników można także wskazać związki charakterystyczne dla piwa młodego, które ulegają przemianom w czasie dojrzewania. Należą do nich głównie diacetyl, związki siarki i aldehydy15. Pierwszy z nich już w niewielkich ilościach odpowiada za nieprzyjemny, słodki smak i maślany aromat piwa. Podczas procesu dojrzewania związek ten ulega przemianom do butanodiolu, który charakteryzuje się bardzo wysokim progiem wyczuwalności. Za specyficzny smak, określany często jako piwniczny odpowiada z kolei aldehyd octowy wytwarzany głównie podczas fazy wysokich krążków. Jego zawartość, podobnie jak diacetylu obniża się w trakcie dojrzewania piwa z poziomu 20-40 mg/l do 8-10 mg/l. Obecne w napoju po fermentacji związki siarki wywołują nieczysty, niepożądany smak piwa. Lotny siarkowodór jest łatwo usuwany podczas dojrzewania ale zawartość siarczku dimetylu (DMS) praktycznie się nie zmienia4,5,41.

Podczas produkcji piw niepasteryzowanych oraz tradycyjnych piw beczkowych stosuje się często wtórną fermentację polegającą na pozostawieniu drożdży w piwie po fermentacji lub dodaniu nowych komórek5. Dodatek glukozy lub innego materiału, który mogą wykorzystać komórki drożdżowe spowoduje zużycie pozostałego w opakowaniu tlenu, podniesienie poziomu CO2 i utrwalenie piwa w sposób naturalny13.

Po fermentacji piwo kierowane jest do tanków leżakowych chyba, że zastosowano tanki typu CKT. Podczas tego etapu następuje stopniowe schładzanie oraz nasycenie produktu dwutlenkiem węgla. Na dnie zbiornika zbierają się pozostałości drożdży oraz inne osady (klarowanie piwa). W dojrzałym piwie obserwuje się zmniejszenie zawartości związków tworzących bukiet piwa zielonego. Najczęściej postęp tego procesu określa się na podstawie ilości diacetylu. Poziom poniżej 0,1 mg/l tego związku uważa się za wyznacznik dojrzałości piwa4,5.

Obecnie obserwuje się tendencję do maksymalnego skracania czasu fermentacji i dojrzewania w celu redukcji kosztów. Najczęściej przeznacza się na te procesy nie więcej niż 20 dni4.

Dla podniesienia trwałości napoju stosuje się filtrację przeprowadzaną według jednego z dwóch podstawowych sposobów: filtracja wgłębna i filtracja powierzchniowa. Pierwszy z nich polega na wprowadzeniu dość głębokiej warstwy materiału, przez który będzie filtrowane piwo. Złoże to charakteryzuje się labiryntową konstrukcją, co skutkuje długą drogą przepływu cieczy. Należy tutaj odpowiednio dostosować filtr do ilości i składu zanieczyszczeń obecnych w piwie, aby zapobiec jego zatykaniu się. W filtracji powierzchniowej stosuje się specjalne przegrody, na których osadzają się związki oddzielane od piwa. Najbardziej popularnym materiałem pomocniczym przy filtracji piwa jest ziemia okrzemkowa4,17,20.

Rozlew

Końcowym etapem w procesie produkcji piwa jest jego rozlew najczęściej do butelek, puszek, kegów lub beczek. W celu mikrobiologicznego ustabilizowania produktu można stosować końcową pasteryzację. Jej parametry określa często jednostka pasteryzacyjna (PU) – 1 jednostka oznacza przebywanie piwa przez 1 minutę w pasteryzatorze w temperaturze 60oC. Zazwyczaj stosuje się pasteryzację równą od 5 do 15 PU4,5,20.

Literatura

  1. Andrews J.M.H. 2006. Brewing New technologies, pod red. Bamforth C.W. Woodhead Publishing Limited, ISBN-13: 978-1-84569-173-8.
  2. Bamforth C.W. 2010. Beer Is Proof God Loves Us Reaching for the Soul of Beer and Brewing, 213-217, ISBN-10: 0-13-706507-8.
  3. Hardwick W. A., 1995. Handbook of Brewing. Nowy Jork. Marcel Dekker.
  4. Kunze W., 2014, Technology Brewing & Malting, VLB, Berlin.
  5. Lewis M., Young T., 2001. Piwowarstwo. Warszawa. Wydawnictwo Naukowe PWN.
  6. Montanari L., Floridi S., Marconi O., Tironzelli M., Fantozzi P. Effect of mashing procedures on brewing. European Food Research and Technology. 2005, 221, 175-179, Briggs i in., 2004.
  7. Briggs D.E., Boulton C., Brooks P., Stevens R. 2004. Brewing Science and practice. Woodhead Publishing Limited, ISBN 0-8493-2547-1.
  8. Owuama CI (1997) World J Microbiol Biotechnol 13;253-260.
  9. Bamforth CW (2000) Chem Educ 5;102-112.
  10. MacGregor AW, Bazin SL, Macri LJ, Babb JC (1999) J Cereal Sci 29;161-169.
  11. Goldammer T (2000) The Brewers’ Handbook. Apex, Clifton, VA.
  12. Hui Y. H. Handbook of Food Products Manufacturing. Wiley 2007. 
  13. Fałat Z., 2005. Wszystko o piwie. Warszawa, Rzeszów, Agencja Wydawnicza Ad Oculos.
  14. Willaert R. 2007. The Beer Brewing Process: Wort Production and Beer Fermentation. W: Y. H. Hui, Handbook of Food Products Manufacturing (449-451). Hoboken, John Wiley & Sons, Inc.
  15. Dylkowski W., 1974. Browarnictwo. Warszawa, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne.
  16. Palmer J. J. 2006. Getting the wort out (Lautering). W: How to Brew (177-188). Boulder, Brewers Publications.
  17. Bamforth, C.W. 2006. Brewing: new technologies. Cambridge, England: Woodhead Publishing Limited and CRC Press.
  18. Buhler T.M. 1996. Effects of physical parameters in mashing lautering performance. Praca doktorska, Loughbotough University of Technology.
  19. Briggs D.E., Boulton C., Brooks P., Stevens R. 2004. Brewing Science and practice. Woodhead Publishing Limited, ISBN 0-8493-2547-1.
  20. Boulton C. 2013. Encyclopaedia of brewing. John Wiley & Sons, Ltd. ISBN 978-1-4051-6744-4.
  21. Xiros, C., and Christakopoulos, P. 2012. Biotechnological potential of brewers spent grain and its recent applications, Waste Biomass Valorization 3, 213–232.
  22. Mussatto, S.I. 2014. Brewer’s spent grain: A valuable feedstock for industrial applications, Journal of the Science of Food and Agriculture, 94, 1264–1275.
  23. Lynch K.M., Steffen E.J., Arendt E.K. 2016. Brewers’ spent grain: a review with an emphasis on food and health, Journal of the Institute of Brewing, 122, 553–568.
  24. Mosher M., Trantham, K. 2017. Wort Boiling. W: Brewing Science: A Multidisciplinary Approach (227-261). Cham, Spronger.
  25. Bamforth C., Russell I., Stewart G. 2011. Beer: A quality perspective. California, Academic Press.
  26. Fix G., J. 1999. Principles of brewing science: a study of serious brewing issues. Boulder, Colo. : Brewers Publications.
  27. Malowicki M. G., Shellhammer T. H. 2006. Factors affecting hop bitter acid isomerization kinetics in a model wort boiling system. Journal of the American Society of Brewing chemists, 1(62), 29-32.
  28. Jaskula B., Kafarski P., Aerts G., De Cooman L. 2008. A Kinetic Study on the Isomerization of Hop -Acids. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 56(15), 6408-6415.
  29. Biendl M. 2009. Hops and health. Technical Quarterly: Master Brewers Association of the Americas. 45, 1-7.
  30. Horsney I. 2013. Brewing. London, Royal Society of Chemistry.
  31. Buttrick P. 2011. Hop back. W: G. Oliver (Ed.), The Oxford Companion to Beer (453). New York, Oxford University Press.
  32. Smith B. 2008. Dry Hopping. Enhanced Hops Aroma http://beersmith.com/blog/2008/05/21/dry-hopping-enhanced-hops-aroma/.
  33. Bailey B., Schonberger C., Drexler G., Gahr A., Newman R., Poschl M., Geiger E. 2009. The influence of hop harvest date on hop aroma in dry-hp[[ed beers. Technical Quarterly of the Master Brewers Association of the Americas. 46(2), 1-7.
  34. Schonberger C., Kostelecky, T. 2011. 125th anniversary review: The role of hops in brewing. Journal of the Institute of Brewing. 117(3), 259-267.
  35. Lewis M.J., Bamforth C.W. 2006. Essays in Brewing Science, Springer Science+Business Media, LLC, e-ISBN 13: 978-0387-33011-2.
  36. Einstein A., 1926, Die Ursache der Mäanderbildung der lußläufe und des sogenannten Baer’schen Gesetzes, Naturwissenschaft 14, 2, 223-224.
  37. Bamforth C.W. 2003. Beer: Tap into the Art and Science of Brewing, Second Edition, Oxford University Press, Inc. ISBN 0-19-515479-7.
  38. Goode D.L., Arendt E.K. 2006.Developments in the supply of adjunct materials for brewing, pod red. Bamforth C.W. Brewing. New technologies, CRC Press LLC, Woodhead Publishing Limited.
  39. Sterczyńska, M., Stachnik, M, 2017, Techniczno-technologiczne aspekty klarowania brzeczki piwnej, Inżynieria Przetwórstwa Spożywczego 4/4–2017 (24), 23-27.
  40. Pazera T., Rzemieniuk T., 1998. Browarnictwo. Warszawa. WSiP.
  41. Boulton C., Quain D. 2001. Brewing Yeast and Fermentation, Blackwell Science Ltd, ISBN 0-632-05475-1.
  42. Kucharczyk K., Cioch M., 2014, Gospodarka drożdżowa w browarze, Postępy techniki przetwórstwa spożywczego 1/2014.