Процессы, происходящие при главном брожении пивного сусла

При главном брожении протекают биологические, биохимические и физико-химические процессы.

Биологический процесс - это процесс размножения дрожжей, который был рассмотрен ранее. При классической норме засева дрожжевых клеток 20 млн./см³ максимальная концентрация дрожжей во взвешенном состоянии наблюдается в среднем на четвертые сутки и достигает 50-60 млн./см³. В конце главного брожения при снижении температуры происходит интенсивное оседание дрожжей и осветление пива. Концентрация дрожжевых клеток во взвешенном состоянии составляет 1,5-3,5 млн./см³.

Основной биохимический процесс - процесс спиртового брожения.

 

С₆Н₁₂О₆ = 2С₂Н₅ОН + 2СО₂ + Q

 

При брожении выделяется энергия (Q), которая частично усваивается дрожжами в виде АТФ и рассеивается в среду в виде тепла. Поэтому возникает необходимость в охлаждении сбраживаемого сусла. При сбраживании в сусле резко снижается содержание сахаров, накапливается спирт и углекислый газ. Схема спиртового брожения представлена на рис. 19. Схема составлена с учетом того, что фосфодиоксиацетон легко переходит в фосфоглицериновый альдегид. Поэтому в схеме дальнейшему превращению подвергаются две молекулы альдегида.

В результате сбраживания сахаров снижается массовая доля сухих веществ в сусле. По классической технологии, например, сусло с экстрактивностью 11 % сбраживают до содержания видимого экстракта 4,0-4,5 %. На современных заводах даже при использовании классического оборудования проводят более глубокий выброд сусла.

 

 

Алкогольдегидрогеназа (1.1.1.1)

Пируватдекарбоксилаза (4.1.1.1)

Пируваткиназа (2.7.1.40)

Фосфоглицеромутаза (2.5.7.3)

Фосфоглицераткиназа (2.7.2.3)

Триозофосфатдегидрогеназа (1.2.1.12)

Триозофосфатизомераза (5.3.1.1) (2.7.1.11)

Альдолаза (4.1.2.7)

+СО2

+2АТФ

+2АТФ

Этиловый спирт

Уксусный альдегид

Пировиноградная кислота

Фосфоенолпировиноградная кислота

2-Фосфоглицериновая кислота

3-Фосфоглицериновая кислота

1,3-Дифосфоглицериновая кислота

3-Фосфоглицериновый альдегид

+Н3РО4

Фосфодиоксиацетон

+АДФ

Рис. 19. Схема спиртового брожения

 

 

Кроме основных продуктов брожения - этилового спирта и углекислого газа в сусле накапливаются также вторичные и побочные продукты брожения, такие как высшие спирты (сивушные масла), эфиры, альдегиды, органические кислоты, кетоны, сернистые соединения, которые оказывают большое влияние на вкус и аромат пива.

Образование высших спиртов протекает несколькими путями. По Эрлиху, высшие спирты образуются из аминокислот в результате их дезаминирования с образованием кетокислоты, которая декарбоксилируется в альдегид, восстанавливающийся в соответствующий спирт. Отщепленная аминогруппа переносится на новые углеродные цепи с образованием аминокислоты, необходимой дрожжам для синтеза белка.

По И.Я. Веселову, высшие спирты образуются путем переаминирования аминокислот с пировиноградной кислотой. В результате реакции образуется аланин и кетокислота, которая декарбоксилируется в альдегид, восстанавливающийся в соответствующий спирт.

Из лейцина образуется 2-пентанол, из изолейцина - пентанол, из валина - 2-бутанол.

Высшие спирты образуются в основном при главном брожении (80 %). При дображивании наблюдается лишь незначительное увеличение их концентрации. Больше всего в пиве образуется изоамилового, изобутилового, пропилового спирта. К концу главного брожения в пиве накапливается примерно 40-80 мг/дм³ высших спиртов. Высшие спирты относятся к букетообразующим компонентам пива, однако высокая концентрация этих побочных продуктов (свыше 100 мг/дм³) негативно отражается на вкусе готового пива. Высокая температура брожения, интенсивная аэрация и перемешивание бродящей среды, повышенная экстрактивность сусла и пониженное содержание в нем аминного азота обуславливают высокую концентрацию высших спиртов. Содержание высших спиртов в пиве зависит также от штамма дрожжей и нормы их введения.

Другими важнейшими букетообразующими побочными продуктами брожения являются эфиры. Они образуются путем конденсации альдегидов, а также путем этерификации при участии ферментов дрожжей из органических кислот и спиртов. Эфиры образуются в основном при главном брожении. При дображивании их количество несколько возрастает. Например, при содержании эфиров в молодом пиве 47 мг/дм³ в готовом пиве после дображивания было обнаружено 68 мг/дм³ эфиров. Эфиры формируют букет пива, однако слишком высокая концентрация эфиров придает пиву неприятный фруктовый привкус. Готовое пиво верхового брожения в 1 дм³ содержит до 80 мг эфиров, а низового брожения - до 60 мг. Наибольшее влияние на вкус и аромат пива оказывают следующие эфиры: этилацетат, изоамилацетат, изобутилацетат, β-фени-лацетат, этилкапроат, этилкаприлат.

Содержание эфиров возрастает с увеличением концентрации начального сусла, с повышением степени сбраживания, при слабой аэрации и высокой температуре брожения, при перемешивании бродящей среды.

При брожении образуются альдегиды, важнейшим из которых является ацетальдегид. Он образуется из пировиноградной кислоты. Активно выделяется в пиво в первые три дня брожения и придает ему вкус зеленого яблока, «зеленый» вкус, который при снижении концентрации ацетальдегида постепенно исчезает. В 1 дм³ молодого пива содержится 20-40 мг уксусного альдегида, а в готовом пиве - 8-10 мг/дм³. Повышению концентрации ацетальдегида способствует недостаточная аэрация сусла, повышенная температура брожения и норма внесения дрожжей.

Особую роль в пивоварении играет такой побочный продукт брожения, как диацетил.

Диацетил (СН₃СОСОСН₃) - естественный продукт жизнедеятельности дрожжей. Образуется из предшественника - α-ацетолактата, который является продуктом валинового синтеза. Предшественник диацетила образуется из пировиноградной кислоты (ПВК).

 

окислительное

ацетилирование декарбоксилирование

ПВК ацетомолочная кислота диацетил

 

Диацетил придает пиву сладкий, медовый вкус и запах, а в больших концентрациях - неприятный, маслянистый. Активно накапливается на первых стадиях брожения, когда идет интенсивное размножение дрожжей. В дальнейшем диацетил восстанавливается дрожжами до ацетоина и 2,3-бутандиола, которые не активны во вкусовом отношении, так как имеют высокое пороговое значение. Благодаря этому процессу вкус пива облагораживается. Восстановление диацетила происходит во второй половине главного брожения и при дображивании. Содержание диацетила в готовом пиве не должно превышать 0,1 мг/дм³. Снижению концентрации диацетила способствует проведение брожения и созревания при высоких температурах, при низких значениях рН, при достаточном количестве активных дрожжевых клеток во взвешенном состоянии, при применении определенных штаммов дрожжей.

В процессе главного брожения образуются органические кислоты, летучие (уксусная, муравьиная) и нелетучие (молочная, янтарная, лимонная, пировиноградная). На первом этапе брожения в среду выделяются также жирные кислоты: капроновая, каприловая, лауриновая, которые могут отрицательно влиять на вкус и пеностойкость пива.

При метаболизме дрожжей в среду выделяются сернистые соединения - Н₂S, меркаптаны (тиоспирты). Н₂S в небольших концентрациях придает пиву свежий «сернисто-дрожжевой» тон, а в больших количествах - «луковый». Меркаптаны отвечают за возникновение в пиве «засвеченного» привкуса. Содержание летучих сернистых соединений снижается с повышением температуры брожения.

Кроме основного биохимического процесса - брожения, на данной стадии производства происходит и ряд других процессов.

Значительно изменяется окислительно-восстановительный потенциал - редокс-потенциал (rH₂), который характеризует окислительно-восстановитель-ную способность среды. При брожении восстанавливающая способность сусла увеличивается за счет потребления кислорода дрожжами и вытеснения его диоксидом углерода. Величина rH₂ в сусле больше 20, в молодом пиве около 10. Чем ниже величина rH₂ при главном брожении, тем выше качество получаемого пива.

За счет образования углекислоты и органических кислот, преимущественно янтарной и молочной, а также за счет потребления дрожжами первичных фосфатов и ионов аммония снижается рН среды до 4,2-4,6 и увеличивается на 0,4-0,6 ед. титруемая кислотность. Цветность снижается при главном брожении на 0,15-0,20 ед. за счет выделения в пену и осадок красящих веществ, за счет снижения рН и восстановления окисленных дубильных веществ.

Изменяется азотистый состав сусла. Дрожжи потребляют азотосодержащие вещества сусла и выделяют в среду азотистые продукты обмена. Дрожжи усваивают около 50 % азота сусла и выделяют в среду примерно 1/3 от потребляемого азота. Общее содержание азотистых веществ снижается на 30-35 %, так как часть азота выделяется и при коагуляции белка.

При брожении пиво насыщается диоксидом углерода. В молодом пиве содержится 0,2 % СО₂. Растворимость двуокиси углерода возрастает при понижении температуры и увеличении давления. Образующийся в ходе брожения диоксид углерода сначала растворяется в сусле, а затем выделяется в виде пузырьков, на которых адсорбируются поверхностно-активные вещества (белки, пектин, хмелевые смолы). При слипании таких пузырьков на поверхности сбраживаемого сусла образуется пена.

При брожении из пива выделяется часть коллоидно-растворенных веществ. Изогумулоны адсорбируются дрожжами, а также выводятся в пену пузырьками диоксида углерода. Часть горьких и полифенольных веществ становятся нерастворимыми и выпадают в осадок при снижении рН. Некоторые коллоиды становятся нерастворимыми в присутствии спирта.