Биохи́мия пи́ва включает химические изменения при производстве и выдержке пива, в которых участвуют ферменты, вырабатываемые организмами. Особое значение в этих превращениях имеет активность пивных дрожжей и ферментов солода.
В пиве содержится более 800 соединений, которые определяют его вкус и аромат. Основными ингредиентами пива являются вода, этанол и углеводы. Многие вещества, сильно влияющие на органолептические характеристики пива, встречаются лишь в следовых количествах, однако они имеют ключевое значение для его общего качества из-за низких порогов обнаружения. Эти соединения также проявляются в многочисленных взаимодействиях друг с другом. Можно выделить синергетический эффект, когда одно соединение усиливает восприятие другого, и антагонистический эффект, когда одно соединение снижает восприятие другого. Сложность состава пива, многочисленные взаимодействия и важность даже незначительных различий в концентрации различных соединений вызывают значительные трудности в достижении предполагаемого органолептического профиля готового пива.
История
Исторически сложилось так, что пиво — это ферментированный напиток, приготовленный из зерна. В настоящее время термин «пиво» сужается до охмеленного напитка, полученного из сжиженного крахмала, ферментированного специфическими штаммами дрожжей Saccharomyces.
Знания о пиве, произведённом много веков назад, получены на основе археологических артефактов и письменных документов. Однако, в отличие от вина, существует несколько химических археологических находок, подтверждающих присутствие пива в неолитической Месопотамии. Присутствие пива в старых ёмкостях можно обнаружить путём обнаружения оксалатов, главным образом оксалатов кальция, которые являются основным компонентом образования пивного осадка, так называемого «пивного камня».
Интерпретация старых документов также затруднена. На сегодняшний день в процессе производства пива выделяют три основных этапа: соложение (проращивание и сушка зерна), затирание (ферментативное разложение природных полимеров) и ферментация (микробиологическая трансформация различных соединений). Производство пива не обязательно основывалось на этой концепции много веков назад, что может привести к недоразумениям. Другая трудность заключается в том, что старые термины, этимологически связанные с пивом (например, древнеанглийское «beor»), не всегда использовались в контексте напитков на зерновой основе; они также могли означать, например, медовуху или перебродившие фруктовые соки.
Исторические растительные добавки
На протяжении тысячелетий в пиво добавляли различные травы, чтобы придать ему аромат и продлить сроки хранения. Травяная смесь для производства пива в северо-западной Европе и Скандинавии называлась грюйтом gruit или грутом grut. Впервые слово грюйт появляется в записях 999 года. Император Оттон III употребляет его в двояком смысле — и как ингредиент при производстве пива, и как название права на его производство, поскольку с 811 года вместе с эдиктом Capitulare de villis Карла Великого это право было ограничено (кроме продукции для личного пользования). Скорее всего, грюйт также привнёс в пиво дрожжи и изначально оно могло напоминать хлеб. Грюйт покупали у местных городских властей или епископов. Это была ранняя форма налогообложения пива. Например, в городе Дордрехт пивовары должны были идти в специальное здание со своим солодом, где к нему подмешивался грюйт. Церковь перестала взимать плату за него в XV веке.
Состав травяной смеси варьировался в зависимости от региона, но ключевым ингредиентом была восковница. Кроме того, он мог содержать в том числе кориандр, тысячелистник и хмель, а также растения, содержащие психоактивные вещества.
Со временем возникла сильная конкуренция между пивом с добавлением восковницы и пивом с добавлением хмеля. В литературе имеется много противоречивой информации о первом использовании хмеля в пиве. Первое упоминание о добавлении хмеля в пиво относится к 822 году, когда аббат Адельхар из Корбей дал инструкции своему монастырю Consuetudines Corbeienses. В Польше, Прибалтике и России хмель стал господствовать ещё в XIII веке; в северо-западной Европе популярность восковницы постепенно снижалась с XIV века (за исключением Британских островов), пока в XVIII веке не стал преобладать хмель. Слухи о том, что он ядовит, способствовали исчезновению восковницы, хотя современные исследования этому противоречат.
Дрожжи Когда-то роль дрожжей в производстве пива не осознавалась. До XV—XVI веков сусло после кипячения заражали переносимыми по воздуху дрожжами. Этот метод был очень ненадёжен и сопряжён с высоким риском заражения нежелательными микроорганизмами. Первое упоминание о воздушных дрожжах при производстве пива относится к 1551 году в Мюнхене, хотя, скорее всего, до 1300 года пивовары использовали часть бродящей пивной пены, чтобы начать брожение другой. Затем пивовары начали выращивать дрожжи отдельно и позже добавлять их в сусло. Однако инфекции и повышенная температура были проблемой, особенно летом.
Иногда пивной бочонок с дрожжами сушили и смешивали с мукой, чтобы получилось тесто, которое при добавлении воды могло вызвать брожение. Вместо сушки осадок также можно было добавлять непосредственно в новое сусло, как в случае с готовым пивом или хлебом. Кроме того, из-за неаккуратной очистки посуды с шероховатой поверхностью на ней всегда оставались дрожжевые клетки. Использование чистых культур дрожжей, а значит, и определённый контроль над этим процессом, стал возможным только в конце XIX века. Эмиль Кристиан Хансен был первым, кто стал работать с чистым штаммом дрожжей, который был выделен им в 1883 году и назван Saccharomyces carlsbergensis.
До XVI века дрожжи верхового брожения обычно использовались в производстве пива по всей Европе. Низовое брожение, вероятно, впервые появилось в баварских монастырях и впервые упоминается в XV веке. Баварцы заметили, что качество производимого летом пива значительно ниже, потому что оно очень подвержено заражению и закислению. В 1533 году князь Максимилиан I Баварский запретил варить пиво с 23 апреля по 29 сентября без специального разрешения. В связи с производством пива при более низких температурах был подобран штамм дрожжей, который лучше справлялся с брожением в таких условиях и имел тенденцию опускаться на дно сосуда. Из-за летнего перерыва нужно было производить больше пива и хранить его до следующей осени, поэтому оно получило название «лагер». Пиво отличалось стойкостью, а его вкус отличался от других видов пива того времени.
В XIX веке появились новые технологии и возможности. Охлаждение сусла, чаны для брожения, резервуары для выдержки и наличие природного льда для охлаждения пива в подземных погребах означали, что запрет на летнее пивоварение был снят в 1850 году. Появление в 1875 году холодильника позволило производить лагер везде и вне зависимости от времени года. Пиво низового брожения становилось всё более и более популярным и начало заменять пиво верхового брожения. В моду вошли новые виды пива, особенно Pilsner, разработанный Йозефом Гроллом в 1842 году.
Важные научные открытия В 1762 году Майкл Комбрун опубликовал «Опыт пивоварения» (), в котором подчеркивал необходимость использования термометра во время пивоварения и соложения. Антуан Лавуазье (1789) и Жозеф Гей-Люссак (1815) внесли свой вклад в открытие механизмов процесса брожения, благодаря которым было установлено химическое уравнение окисления глюкозы до CO2 и этанола. В 1833 году Ансельм Пайен открыл и выделил первый фермент — диастазу. В 1835 году швед Йёнс Якоб Берцелиус сформулировал принципы катализа, а Юстус фон Либих применил их к брожению сахаров, получив достаточно подробное его описание. В 1837 году трое учёных Шарль Каньяр де Ла-Тур, Фридрих Кютцинг и Теодор Шванн независимо друг от друга открыли, что дрожжи являются живыми организмами. Карл Баллинг в 1843 году разработал надёжный метод измерения и контроля превращения сахаров в сусле в этанол во время ферментации. В конечном итоге Луи Пастер в 1855—1875 годах однозначно установил роль дрожжей в спиртовом брожении, его физиологические аспекты и различия между аэробным и анаэробным метаболизмами.
Хотя существует много источников о пивоварении до середины XIX века, возможность других использовать эти рекомендации была ограничена, поскольку отсутствовала очень важная информация, такая как характеристики оборудования, используемого в производстве, или надёжные измерения. Научные теории, касающиеся этих процессов, могли возникнуть только после введения в пивоварение термометров, измерителей сахара, унифицированных мер и сопоставимого оборудования.
Вода Современные пивоварни потребляют от около 2 л до 5,7 л воды для производства 1 л пива. Вода, служащая непосредственно сырьём для производства пива (в среднем около 2 л на 1 л готового пива) составляет около 90 % его состава и должна не только соответствовать качеству питьевой воды, но и соответствовать дополнительным требованиям. Они связаны с технологическим процессом и желаемым качеством пива.
Соли, растворённые в воде Важнейшими параметрами воды в пивоварении являются жёсткость и остаточная щёлочность. Некарбонатная (постоянная) жёсткость воды ограничивается заданной концентрацией соединений кальция. На неё не влияет приготовление пищи, так как кальций находится в виде солей сильных кислот, таких как хлорид кальция или сульфат кальция. С другой стороны, карбонатная жёсткость (переходная) формируется гидрокарбонатом кальция Ca(HCO3)2 понижается во время приготовления — Ca(HCO3)2 распадается с образованием нерастворимого карбоната кальция. Однако ионы бикарбоната повышают рН, что влияет на ферментативные процессы и коллоидные явления — создают неблагоприятное помутнение. Между тем, при производстве пива желательно добиться низкого рН затора и сусла (около 5,5) для лучшей ферментативной активности и более высокого выхода. Более того, более высокий рН может привести к большему выщелачиванию дубильных и горьких веществ из солодовой оболочки, что может придать пиву терпкую, неприятную горечь.
Параметр остаточной щёлочности используется для определения приемлемых подщелачивающих свойств воды для пивоварения. Это разница между подщелачивающими свойствами HCO-3 и свойства подкисляющих катионов (главным образом кальция и магния, которые реагируют с вымываемыми из солода фосфатами с выделением протонов). Остаточная щёлочность может быть выражена формулой:
— остаточная щёлочность в °n (немецкие градусы) — общая щёлочность в °n — кальциевая жёсткость в °n — жёсткость по магнию в °n
и — коэффициенты, позволяющие учесть меньшие окислительные свойства катионов Ca2+ и Mg2+ по отношению к подщелачивающим свойствам HCO-3.
Более высокая остаточная щёлочность означает более высокий рН затора и сусла. В заторе более высокое значение рН может быть дополнительно связано с более длительным процессом фильтрации.
Смягчение воды для производства пива в основном включает обезуглероживание. Наиболее часто для этой цели применяют: декарбонизацию кальцием (добавление Ca(OH)2 и образование нерастворимого CaCO3), ионообменная технология, мембранная технология (обратный осмос, нанофильтрация), фильтрация (активированный уголь, фильтры для обезжелезивания). В средние века, когда методы очистки воды были неизвестны, жёсткость воды в том или ином регионе влияла на характер местного пива. Пивовары, варящие пильзнерское пиво, использовали очень мягкую воду, для мюнхенского пива использовалась жёсткая вода, а для дортмундского пива использовалась очень жёсткая вода.