Пенная биотехнология («ХиЖ», №5, 2005)
Пиво в нашей стране любили всегда, но в последние годы оно стало особенно популярно. И причина не только в том, что на рынке появилось множество импортных сортов, но и в том, что отечественные пивовары не отстают от иностранцев и тоже выпускают высоко качественный напиток, способный потеснить на прилавке заморские сорта. По современной номенклатуре отраслей производство пива относят к биотехнологии. Оно включает в себя несколько сложных процессов, тесно связанных между собой, и в каждом приходится строго поддерживать биохимические и физические параметры. Технологи уже не берутся управлять этими превращениями без знания физики, химии, технической микробиологиии других наук.
У пива многовековая история, однако ученые и сегодня много работают над тем, чтобы разгадать механизмы превращений его компонентов и усовершенствовать технологию. В то же время производство пива — дело творческое, оно во многом зависит от состава сырья, условий его переработки, от дрожжей, и в каждом отдельном случае специалист, опираясь на знания и интуицию, подбирает условия, чтобы получить напиток наилучшего качества.
Сейчас основные компоненты пива — ячмень, хмель и вода, однако так было не всегда. Древние китайцы варили пиво из риса, в доколумбовой Америке индейцы баловали себя напитком из кукурузы. Сведения о пиве, сваренном из ячменя, дошли до нас от шумеров. Процесс пивоварения подробно описан на глиняных табличках, которым более пяти тысяч лет. Шумеры знали несколько десятков сортов пива, в том числе горькое ячменное и мягкое, с добавлением меда. В те времена гурманы потягивали напиток через тростниковые трубочки. От шумеров пиво распространилось в Древний Египет, где оно входило в ежедневный рацион строителей пирамид, а оттуда — в Древнюю Грецию и Армению, там его называли «ячменным вином». В IX веке пивоварение стало широко известно и в Киевских, и Новгородских землях.
В X-XVI веках в пиво повсеместно добавляли целебные травы, так что оно получалось лечебным. Однако в 1516 году баварский герцог Вильгельм IV принял закон о пивном производстве, по которому в пивоварении запрещалось использовать какие-либо компоненты, за исключением солода, хмеля, воды и дрожжей. И вводить такие добавки в пиво перестали.
Солод и хмель не сразу вошли в рецептуру напитка. Готовить солод из зерна первыми начали жители Месопотамии и Египта. А славяне открыли, что в пиво можно добавлять шишки душистой лианы — хмеля, растущего в лесах умеренного пояса, которые придавали напитку неповторимый вкус и аромат. Для этого же использовали и пряные растения: можжевельник, шалфей, цветки вереска. В Киевской Руси солод, пиво и хмель составляли обязательную часть оброка крестьян за пользование землей.
Сегодня главное зерновое сырье в производстве пива — ячмень. Другие злаки — рис, кукурузу, пшеницу — применяют только как добавки, солод из них не делают. По составу к ячменю очень близка пшеница, однако для солодоращения и пивоварения в целом все-таки больше подходит ячмень. Проращивание ячменя легче регулировать, как сельскохозяйственная культура он менее требователен к климату и почве, а ячменное пиво вкуснее, чем из любого другого зерна.
В состав ячменя входят химические соединения многих классов. Конечно, главное из них — крахмал, из которого в процессе брожения образуется спирт. Еще в нем есть целюллоза, гемицеллюлоза, пектиновые вещества, жиры, азотистые вещества (белки и нуклеиновые кислоты), витамины, минеральные вещества и полифенолы. Последние особенно влияют на качество пива. Раньше эти вещества называли таннинами или дубильными веществами, а сейчас общепринято название «полифенолы». Изучать эти соединения стали после того, как выяснили, что они имеют отношение к помутнению пива. Примерно 80% полифенолов вносится в пиво из солода, а остальные 20% — с хмелем. Большинство полифенолов — антоцианогены, они портят цвет пива, снижают стойкость пены, стабильность запаха и вкуса.
Всю пивную технологию можно раз делить на две большие части: производство солода и приготовление самого пива. Для того чтобы сделать солод, зерно замачивают, и оно прорастает, а затем пророщенное зерно, уже ставшее солодом, высушивают. Ячмень замачивают не только для насыщения влагой, но и чтобы отмыть от остатков пыли, удалить примеси. Проникновение воды в зерно обусловлено различными механизмами. Среди них осмос — избирательная проницаемость мембраны зерна для воды и растворимых веществ, эффект Гиббса-Доннана (большие заряженные частицы — белки и нуклеиновые кислоты — вызывают неравномерное распределение небольших ионов по разные стороны мембраны). Кроме того, вода захватывается органическими макромолекулами зерна, а растворенные вещества переносятся в область большей концентрации при помощи активного транспорта, с затратой энергии.
Размякшие оболочки зерна пропускают воду, зародыш оживает и начинает дышать, поэтому нужно обеспечить ему приток воздуха. Дышащее зерно поглощает кислород, выделяет в окружающую среду тепло, углекислый газ и влагу. При этом оно «худеет», масса его уменьшается за счет расходования Сахаров. Если кислорода не хватает, зародыш задыхается и начинается брожение, а бродить ему еще не время. Образуется этиловый спирт, который угнетает прорастание. Процесс брожения очень невыгоден зерну и в энергетическом отношении: чтобы обеспечить себя необходимым количеством энергии, в этом случае нужно израсходовать гораздо больше сахаров, чем при дыхании. Излишние затраты углеводов приводят к потере экстрактивных веществ, а их необходимо сохранить и в дальнейшем отдать «на съедение» дрожжам.
Следующая технологическая операция — проращивание зерна (солодоращение). Можно предположить, что идея использовать солод для изготовления напитка возникла, когда древние люди попытались применить в пищу непригодное, проросшее при плохом хранении зерно, запасенное на зиму. Солодоращение проводят для пробуждения ото сна спящих ферментов, которые превратят нерастворимые вещества зерна в растворимые.
На этом этапе химический состав зерна сильно изменяется. Сильнее всего преображается крахмал: ферменты амилазы разрезают его на свободные сахара (мальтозу). Это очень важно, потому что дрожжи не образуют амилазу и не в состоянии справиться с длинной молекулой крахмала, а сбраживают только сахара. Подобные превращения происходят и с веществами других классов. Над этим работает целый комплекс ферментов — цитазы, эстеразы. Белковые соединения при гидролизе протеазами образуют необходимые дрожжам питательные азотистые вещества, что в итоге влияет на вкус, цвет, пенистость готового пива и его стабильность при хранении. При этом накапливаются низкомолекулярные, небелковые азотистые вещества, альбумин, глобулин, проламин и глютелин. Усерднее всех над этим трудятся кислотные протеазы, названные так потому, что они наиболее активны в кислой среде, при pH ≈ 3,8.
При солодоращении используют разные технологические приемы, направленные сразу на две цели: ускорить процесс и уменьшить потери питательных веществ на развитие ростков и корешков. Для этого в воду добавляют витамины и регуляторы роста, такие, как гибберелловую кислоту, гетероауксин, а также биологически активные вещества, получать которые можно весьма неожиданными способами: из зимних почек бузины, березы, тополя, груши или из зимних сухих шишек сосны. Применяют и физические методы воздействия на зерно — обработку ультразвуком, электрическим полем и даже гамма-лучами.
Когда солодоращение заканчивается, солод подсушивают, предварительно удалив ростки, и используют для получения пивного сусла. Хотя стадии приготовления пива одинаковы, каждый его сорт по вкусовым и цветовым характеристикам отличается от другого. Именно в зависимости от свойств применяемого солода пиво бывает светлое или темное. Для темного, например, нужен специальный красящий солод. Карамельный получают обжаркой зеленого солода при температуре 120-80°С, а красящий (жженку) с кофейным вкусом — обжаркой сильно увлажненного солода при температуре до 240°C.
Получив солод, приступают к главному: приготовлению и сбраживанию сусла. В процессе приготовления сусла продолжается более глубокий гидролиз крахмала и белков. Высушенный солод дробят, добавляют воду. При этом ценные для пива соединения (в том числе глюкоза, мальтоза, пентозы, дисахариды, минеральные вещества, например фосфаты, а также аминокислоты пролин, лейцин, фенилаланин, валин) переходят в водный раствор, который фильтрацией отделяют от раздробленного солода. Процентную концентрацию всех этих соединений в сусле вы можете найти на этикетке вашей бутылки вслед за словами «начальная экстрактивность сусла».
Отфильтрованное сусло варят с хмелем. Шишки хмеля (для этого пригодны только женские неопыленные растения) обогащают сусло специфическими ароматическими и горькими веществами, а варка стерилизует и разрушает ферменты. Изменения горьких кислот хмеля при кипячении сусла — очень сложный процесс, целая цепочка последовательно проходящих реакций. Различают альфа-горькие кислоты (гумулон) и бета-кислоты (лупулон). Характеристику хмелевой горечи сусла выражает «индекс горечи». В светлое пиво добавляют меньше хмеля, чем в темное, ведь оно должно быть не таким горьким. Кроме того, варка сусла с хмелем усиливает цветность — это связано с окислением полифенолов сусла и карамелизацией Сахаров. Усилить окраску можно, если дольше и интенсивнее кипятить сусло с хмелем, а также регулировать кислотность — таким образом усиливают или замедляют окисление. После варки хмель отделяют, и охлажденное сусло подвергают спиртовому брожению.
Ведущую роль в брожении играют живые организмы — дрожжи. В природе их огромное множество, но не все могут производить достаточно спирта. На это способны дрожжи рода Saccharomyces — круглые или овальные клетки размером 5-10 • 5-15 мкм. Как и любой живой организм, дрожжи реагируют на факторы окружающей среды — температуру, наличие тяжелых металлов и на полноценность питания. По внешнему виду клетки можно определить ее физиологическое состояние. Молодые клетки мелкие, старые — крупнее и по форме напоминают цифру «восемь» с неравными кружками. Маленький — молодая клетка-почка, которая затем отделится от материнской и будет жить самостоятельно. Клетки также различаются по количеству содержащихся в них жиров, которые видны под микроскопом в виде капель. Внутри старых клеток капли крупные, в молодых жира может вообще не быть. Хорошо ли дрожжей кормили, видно по их упитанности — содержанию в клетке гликогена, окрашивающегося раствором Люголя в красно-бурый цвет. Если клетки не голодали, то 70-75% из них содержат гликоген. Наиболее активно сбраживают углеводы зрелые клетки.
В пивоварении применяют дрожжи верховые — плавающие на поверхности жидкости в виде плотной пены (такое пиво называют пивом верхового брожения) и дрожжи низовые (пиво низового брожения), оседающие на дно емкости. В нашей стране чаще используют низовые дрожжи, а верховые — в основном для темных сортов пива.
От расы дрожжей во многом зависит вкус, запах и аромат пива. Для того чтобы у пива был неповторимый вкус, культивируют определенные расы дрожжей. Им дают имена: это может быть номер (41), буква (F) или целое слово (Львовская). Работу по их выведению можно отдаленно сравнить с селекцией растений. Изучают технологические свойства дрожжей: с какой скоростью они сбраживают сахара, при какой оптимальной температуре, каков состав образующихся веществ, морфология клеток (размеры и форма). Для каждой расы дается подробное описание, и она бережно хранится в коллекции чистых культур. Микробиологические коллекции есть при пивоваренных заводах и в некоторых научных организациях, занимающихся выделением и описанием новых дрожжей. Задача коллекции — сохранять жизнеспособность выделенной расы и ее чистоту.
Основной продукт спиртового брожения — конечно, этиловый спирт, но в формировании вкуса и аромата ведущую роль играют побочные продукты, такие, как ароматические спирты, эфиры, органические кислоты. И если все пивные дрожжи образуют примерно одинаковое количество спирта, то побочные продукты брожения у всех разные. Высшие спирты — это легколетучие вещества с характерным запахом и вкусом. Из них в пиве больше всего изопропанола. У него весьма неприятный и резкий запах, но, когда его мало, он придает пиву приятный тонкий аромат. Все высшие спирты вместе составляют не что иное, как сивушное масло.
Еще один важный компонент пива — диацетил, он определяет зрелость и качество напитка. Нормальное содержание его колеблется от 0,2 до 0,5 мг/л, а в больших количествах диацетил делает пиво неприятным на вкус. Будут ли дрожжи его синтезировать, связано с количеством кислорода в сусле. Плесневый запах пиву придает ацетоин, горечь во вкусе — 2,3-бутиленгликоль. Незрелый вкус молодого пива связан с присутствием в нем сернистого ангидрида, сероводорода и меркаптанов, для образования которых дрожжи используют серу. Из органических кислот приятный привкус в небольших количествах способна придавать уксусная кислота. Пропионовая, наоборот, дает горечь, масляная и валериановая — неприятный запах пота, муравьиная — резкий вкус. При подборе дрожжей предпочтение отдают тем, которые способны образовывать больше летучих кислот, улучшающих аромат. Однако не всегда способность дрожжей синтезировать много душистых соединений является плюсом. Здесь можно и перестараться. Эфиры в слишком больших количествах придадут пиву фруктовый, банановый или парфюмерный ароматы, совсем неуместные в благородном напитке.
Для запуска брожения в сусло вносят определенное количество заранее выращенных в стерильных условиях дрожжевых клеток, поддерживают необходимую для жизнедеятельности микроорганизмов температуру, кислотность среды (pH), редокс-потенциал (rH2). Чтобы ускорить брожение, берут больше дрожжей или подогревают сусло. Такие методы имеют как плюсы, так и минусы, поэтому их предварительно опробуют в лабораторных масштабах. Условия, позволяющие получить напиток быстрее без потери его ценных и привычных для потребителя свойств, переносятся на производство.
В последние годы перспективным стало применение иммобилизованных дрожжей, «приклеенных» к субстрату-носителю: целлофану, альгиновым кислотам, капрону, полиэтилену, керамическим бусам. Это тоже ускоряет процесс, поскольку увеличивается площадь контакта клеток со сбраживаемой средой. Кроме того, брожением становится легче управлять, можно наладить непрерывное производство, так как биомассу дрожжей не приходится удалять после каждого цикла — клетки дольше сохраняют жизнеспособность. С такими дрожжами не нужна трудоемкая стерильная стадия предварительного подращивания клеток.
Когда заканчивается бурное брожение, молодое пиво направляют в отделение дображивания, где его долго выдерживают при пониженной температуре 0-3°С в герметичных емкостях, чтобы не уходил углекислый газ, а кислород не окислял ценные вещества, разрушая вкус и аромат. Во время дображивания дрожжи оседают на дно, увлекая за собой другие крупные частицы, и напиток становится прозрачным. Отделение дрожжей важно с органолептической точки зрения — продукты распада отмерших клеток, переходя в пиво, придадут ему неприятный «дрожжевой» тон. Окислительно-восстановительные процессы в дозревающем пиве формируют тонкий, приятный, законченный вкус и аромат напитка. Выделяющийся при брожении диоксид углерода создает избыточное давление (примерно 0,3-0,7 атм), благодаря которому пиво пенится.
Для качества пива пена не менее важна, чем вкус и аромат. Любой знаток скажет, что без хорошей пены и пиво — не пиво. Ее стойкость определяется по времени, за которое она распадается и исчезает. Это связано с явлением поверхностного натяжения. По современным представлениям пена — это дисперсная система: роль фазы здесь играет углекислый газ, а роль среды — жидкость. Структура такой системы — скрепленные между собой ячейки-пузырьки углекислого газа, покрытые тонкой пленкой поверхностно-активных веществ, главные из которых — белки и хмелевые смолы. Содержание диоксида углерода в готовом пиве находится в пределах 0,35-0,45 массовых процентов. Этот компонент, помимо образования пены, также отвечает за свежесть вкуса и тонизирующие свойства. У хорошего бутылочного пива минимальная высота пены — не менее 40 мм, а держатся она должна не менее четырех минут. Такому пиву можно поставить «пятерку». Если же минимальная высота пены 10 мм и держится она менее минуты, пиво получит «двойку» за пенообразование, и никакие другие органолептические показатели, даже высочайшего уровня, его не спасут — с дегустации оно снимается.
Готовое пиво обрабатывают перед розливом в герметично закрытых аппаратах, чтобы предотвратить потерю углекислого газа и окисление кислородом воздуха. В пиво добавляют реагенты, которые не позволяют ему помутнеть, а затем фильтруют. Напиток разливают в тару из специального резервуара-сборника, куда подается углекислый газ. Пиво в транспортной таре должно в течение определенного времени сохранять исходные свойства. Для этого надо предотвратить размножение в напитке дрожжей или других микроорганизмов. Один из технологических приемов для этого — пастеризация, при которой разлитое в бутылки или банки пиво выдерживают в течение 20 минут при температуре 60°С. А можно разливать пиво горячим, при этом оно стерилизуется вместе с тарой. Иногда прибегают к обеспложивающей фильтрации — пиво разливают в стерильную тару через фильтры с порами, не пропускающими микроорганизмы и дрожжи. Попавшие в пиво бактерии могут испортить весь труд пивовара, «обогатив» напиток неуместными ароматами — диацетильным запахом творога, запахами мыла, жира, воска, вареной капусты.
Готовое пиво содержит 2,5-5% экстрактивных веществ. Около 80% из них — это сахариды, затем в порядке уменьшения концентрации следуют азотистые вещества (белки высоко- и низкомолекулярные, аминокислоты и аммиачный азот), глицерин, минеральные вещества (соли калия, натрия, фосфора). Горькие (изогумолоны), красящие и полифенольные соединения составляют не более 2,5 % от суммы экстрактивных веществ.
Несколько слов нужно сказать и о воде, которая участвует на всех стадиях приготовления, а также используется для технических нужд. Ее химический состав существенно влияет на ход процесса. В прежние времена при проектировании завода и принятии решения о месте его строительства всегда выясняли, есть ли поблизости подходящая по составу вода в необходимом количестве.
Для пива не годится вода с большой жесткостью, обусловленной повышенным содержанием гидрокарбонатов кальция и магния. Гидрокарбонаты кальция, вступая в реакцию обменного разложения с фосфатами сырья, переводят их в нерастворимые соединения, тем самым отнимая у дрожжей пищу. При замачивании зерна в воде с высокой жесткостью оно позднее прорастает. Пиво, приготовленное на жесткой воде, оставляет горький вкус, от реакции среды (pH) зависит способность ферментов гидролизовать крахмал и скорость роста дрожжевых клеток. Так, при высоких значениях pH пиво может приобрести мучнистый запах. Кроме того, слабощелочная среда — подходящее местообитание для посторонней микрофлоры. Ионы металлов в воде (железо, медь, цинк, кадмий, алюминий и некоторые другие) снижают стойкость пены и могут вызвать помутнение готового напитка.
Жесткую воду умягчают содово-известняковым раствором, недостаточно чистую — фильтруют через кварцевый песок, обеззараживают хлором. В последние годы пивовары учатся использовать мембраны — способ, хорошо разработанный и описанный в литературе для различных производств. К примеру, ультрафильтрация через мембрану с диаметром пор 10 нм позволяет исправить сразу несколько показателей: снизить жесткость, уменьшить содержание ионов металлов, полностью удалить взвешенные вещества и микрофлору. Однако хорошая природная вода всегда предпочтительней, так как все способы ее доработки существенно увеличивают себестоимость продукции.
Само собой разумеется, что на всех этапах производства — от приема сырья до получения готовой продукции — ведется тщательный технологический контроль. Для этого разработаны и утверждены химические, физические и микробиологические методы. Все производители и контролирующие организации пользуются для определения основных показателей пива едиными методами — это исключает разногласия. Применяют как простые методы «мокрой» химии (титрование), так и сложные аппаратурные — хроматографию, спектрометрию. Чем глубже наши знания в области биохимии брожения, тем сложнее становится аппаратура. Сегодня технологи определяют даже те вещества, которые находятся в следовых количествах, но тем не менее тоже влияют на свойства пива. На мощном и богатом пивоваренном заводе эти процессы могут быть максимально автоматизированы. Так, например, для определения влажности зерна широко используют автоматические влагомеры: они взвешивают зерно, быстро высушивают его инфракрасными лучами и производят расчет влажности. Дрожжи перед внесением в сусло тщательно изучают под микроскопом: подсчитывают количество молодых, старых и мертвых клеток, общее их число, контролируют чистоту культуры — следят, чтобы не было других микроорганизмов.
И только одна, наиболее важная оценка качества пива не поддается автоматизации — органолептика. Какой бы сложной и многофункциональной ни была аппаратура для установления состава входящих в пиво веществ, она не может заменить опытного дегустатора. Химический анализ лишь дополняет его оценку. Веществ-маркеров вкуса и аромата, концентрацию которых в напитке можно четко связать с органолептической оценкой, несколько десятков, в то время как общее содержание в пиве различных веществ, определение которых на сегодняшний день аппаратурно возможно, измеряется сотнями. Однако концентрации каждого из них не могут воссоздать всю полноту картины,которую чувствуют органы осязания и обоняния. И даже такой сложный прибор, как «искусственный нос», совсем не фантастика, а реально существующее и продаваемое устройство, не заменяет натуральный нос человека.
Вот какой долгий путь проходит пиво — продукт высокой пищевой биотехнологии, прежде чем вы подденете крышечку ключом или дернете за колечко на банке.
Кандидат технических наук
И.В.Селиверстова
