Zacieranie jednotemperaturowe - wpływ poszczególnych czynników na fermentowalność brzeczki i wydajność

Powszechnie wiadomym jest, że wiele czynników wpływa na fermentowalność brzeczki piwnej. Przedstawiona tutaj seria eksperymentów ma na celu nie tylko określenie, które czynniki uwzględnione w badaniu mają wpływ na fermentowalność brzeczki ale też jak duży jest to wpływ.

W artykule „Understanding Attenuation” wspomniane jest, że końcowe odfermentowanie piwa zależy głównie od 2 czynników: granicy (potencjału) odfermentowania i zdolności drożdży do zbliżenia się do tej granicy. Granica odfermentowania jest zależna od zacierania, i może być ustalona na podstawie szybkiego testu fermentacji. Dla uproszczenia te eksperymenty skupiają się na zacieraniu jedno temperaturowym i wpływie następujących parametrów zacierania:

• Temperatura przerwy scukrzającej: To pierwszy czynnik, który przychodzi do głowy gdy myślimy o warzeniu z zacieraniem. Przy pojedynczej przerwie scukrzającej temperatura zacierania ma wielki wpływ na fermentowalność uzyskanej brzeczki. Im niższa temperatura (w granicach pewnego przedziału) tym dłużej beta-amylaza będzie wstanie pracować i produkować maltozę.
• Czas: Obok temperatury jest to jeden z najistotniejszych parametrów zacierania – określa jak długo enzymy będą pracować nad zacierem.
• pH zacieru : beta- i alfa-amylazy mają różne optymalne zakresy pH i z tego powodu pH zacieru może wpłynąć na stosunek aktywności pomiędzy tymi enzymami.
• Śrutowanie: większe fragmenty ziaren trudniej się uwadniają i uwalniają skrobie na działanie enzymów. W rezultacie dużo skrobi uwalnia się po czasie, gdy aktywność beta-amylazy jest już obniżona. Skutkiem grubszego śrutowania jest niższa granica odfermentowania.
• Stosunek wody do słodu : aktywność enzymatyczna amylaz jest zależna od gęstości zacieru. Rzadsze zaciery sprzyjają produkcji maltozy, przez co zwiększają fermentowalność brzeczki.
• Zasyp (słód bazowy) :zaciery ze słodów o wysokiej sile diastatycznej (Pils, Pale) dadzą bardziej fermentowalne brzeczki ponieważ zawierają więcej beta-amylazy która jest w stanie wytworzyć więcej maltozy w porównaniu do zacierów o niskiej sile diastatycznej (słód monachijski, duży udział surowców niesłodowanych) przy tej samej temperaturze przerwy scukrzającej.

Sprzęt i metodologia

Ryc. 1 Próbki były zacierane w termosie ze stali nierdzewnej.

Ryc. 2 Zacier był odcedzany i wysładzany na sitku ze stali nierdzewnej

Ryc. 3 Brzeczka była gotowana przez 15 minut na średnim ogniu

Ryc. 4 Po gotowaniu gorącą brzeczkę filtrowano przez lejek wyłożony papierowym ręcznikiem

Ryc. 5 Fermentacja próbki drożdżami piekarskimi.

Wszystkie eksperymenty zostały przeprowadzone w relatywnie małej skali. Woda była podgrzewana w mikrofali. Czas ogrzewania wody w mikrofali był każdorazowo notowany i wykorzystywany jako wskazówka przy dalszych eksperymentach. Po kilku próbach możliwe stało się zbliżenie do założonej temperatury zacierania przez ustalenie odpowiedniego czasu ogrzewania wody. Następnie woda była wlewana do małego termosu ze stali nierdzewnej i pozostawiana celem wyrównania i ewentualnej korekty temperatury przez dodatkowe podgrzanie lub pozostawienie otwartego naczynia celem wychłodzenia do pożądanej temperatury. Termos zatykany był styropianowym korkiem z zamocowanym termometrem alkoholowym, którego końcówka zanurzona była w zacierze a odczyt temperatury był dokonywany bez otwierania pojemnika. Po zmierzeniu ustalonej temperatury wody dodawano słód. Po pięciu minutach zacierania dokonywany był kolejny pomiar temperatury, po 30 minutach od wsypania słodu znowu mierzono temperaturę. Wtedy całość była mieszana i po kolejnych pięciu minutach odczytywano temperaturę. Po raz ostatni temperaturę mierzono na koniec zacierania. Po 60 minutach zacierania wykonywana była próba jodowa, choć nie we wszystkich próbkach gdyż czasem po prostu o tym zapomniałem. Następnie zacier był odcedzany na gęstym sicie ze stali nierdzewnej. We wszystkich przypadkach już po 2 minutach pierwsza porcja brzeczki trafiała do gotowania. W międzyczasie woda do wysładzania była podgrzewana w mikrofali, po czym dokładnie mieszana z młótem i ponownie odcedzana. Po 15 minutach wrzenia brzeczka była filtrowana przez ręcznik papierowy założony na lejek. Trafiała do małych, wysterylizowanych przez wygotowanie butelek. Ze względu na duży nakład pracy później zrezygnowałem z tej metody sterylizacji, uznając wpływ ewentualnych infekcji na odfermentowanie za mało znaczący. Butelki były tylko myte i niejako sterylizowane w zmywarce do naczyń. Butelki były dopełniane wodą oczyszczoną na drodze odwróconej osmozy, aby we wszystkich znajdowało się tyle samo płynu. Przy pierwszych eksperymentach nie przejmowałem się dokładnym poziomem brzeczki w butelce, dopóki wystarczyło jej do dokonania 2 pomiarów areometrem, ale później zdecydowałem dopełniać butelki do jednakowej objętości, aby oprócz odfermentowania zmierzyć wpływ poszczególnych metod na wydajność. Po zatkaniu butelek folią aluminiową brzeczka była zostawiana do wystygnięcia, po czym mierzono ekstrakt przy użyciu areometru (zakres 0 – 40 Plato) i zaszczepiano brzeczkę ½ łyżeczki suchych drożdży piekarskich. Suche drożdże piekarskie zostały wybrane ze względu na niską cenę i konsystencję. Wcześniej w testach szybkiej fermentacji ustaliłem, że odfermentowują one podobnie do drożdży piwowarskich górnej fermentacji. Próbki fermentowały przez 4 – 6 dni w temperaturze 20C. Od czasu do czasu były potrząsane aby wzburzyć drożdże z dna po 4-6 dniach drożdże opadały na dno i nie dało się zauważyć żadnych oznak fermentacji. Wtedy mierzyłem gęstość końcową przy użyciu dokładniejszego areometru (0,990 – 1,020). Oba areometry były wcześniej kalibrowane w różnych roztworach cukru (20, 10, 5, 2.5, 0 Plato), w odczytach uwzględniano poprawkę na temperaturę.

Eksperymenty z czasem zacierania

W eksperymentach związanych z czasem zacierania następujące parametry były stałe:

• słód – Weyermann Pilsner Malt
• ilość słodu – 70g
• szerokość szczeliny w śrutowniku – 0,55mm
• Woda oczyszczana w procesie odwróconej osmozy, nie modyfikowane pH zacieru (w rezultacie pH zacieru ustaliło się na 5,4)
• ilość wody do zacierania – 240ml
• początkowa temperatura zacierania – 67C lub 72C
• ilość wody do wysładzania – 250ml
• wydajność wysładzania wynosiła około 90%
• czas gotowania brzeczki – 15min

Ta tura doświadczeń była wykonana jako ostatnia, ale jej wyniki będą omówione jako pierwsze, bo najlepiej uwidaczniają jaka jest różnica pomiędzy zacieraniem w różnych temperaturach. Aby zmniejszyć spadek temperatury zacieru, termos był dodatkowo owijany arkuszami pianki używanej do pakowania. Mimo tych zabiegów wciąż obserwowano spadek temperatury o około 3C na godzinę.

Eksperymenty z temperaturą zacierania

W eksperymentach związanych z temperaturą (zacierania?) następujące parametry były stałe:

• słód – Weyermann Bohemian Pilsner Malt
• ilość słodu – 80g
• szerokość szczeliny w śrutowniku – 0,55mm
• Woda oczyszczana w procesie odwróconej osmozy, nie modyfikowane pH zacieru (w rezultacie pH zacieru ustaliło się na 5,4)
• ilość wody do zacierania – 240ml
• czas zacierania – 60min
• ilość wody do wysładzania – 250ml
• wydajność wysładzania wynosiła około 90%
• czas gotowania brzeczki – 15min

Eksperymenty z pH zacieru

W eksperymentach związanych z pH (zacierania?) następujące parametry były stałe:

• słód – Weyermann Bohemian Pilsner Malt
• ilość słodu – 70g
• szerokość szczeliny w śrutowniku – 0,55mm
• Woda oczyszczana w procesie odwróconej osmozy
• ilość wody do zacierania – 240ml
• początkowa temperatura zacierania – 73 – 74,2C
• czas zacierania – 60min
• ilość wody do wysładzania – 250ml
• wydajność wysładzania wynosiła około 90%
• czas gotowania brzeczki – 15min
• końcowa objętość brzeczki - ???

pH zacieru było regulowane białym destylowanym octem (5% kwasu octowego) lub sodą oczyszczoną (5% roztwór NaHCO3), które były dodawane w określonej objętości przez małą strzykawkę. pH próbek było mierzone na koniec zacierania. Z powodu zużycia miernika pH i faktu, ze nie działała w nim funkcja kalibracji, korekta odczytów była dokonywana przez zbadanie próbki, roztworu buforowego 4,01 i roztworu buforowego 7,01. Faktyczne pH próbki ustalano następującym równaniem:

faktyczne pH = 4 + 3 * [(pH próbki – pH bufora 4,01) / (pH bufora 7,01 – pH bufora 4,01)]

Dodatkowo próbki były badane paskami do pomiaru pH EMD's colorpHast strip, które porównywano ze skalą kolorów w świetle żarówki żarnikowej. Odczytywanie wyników w świetle świetlówek fluorescencyjnych zniekształca kolory pasków a tym samym wyniki. Wszystkie próbki były schłodzone do temperatury pokojowej przed pomiarem pH. Do pomiarów wykorzystano pH-metr Milwaukee pH53.

Eksperymenty z grubością śruty

W eksperymentach związanych z grubością śrutowania następujące parametry były stałe:

• słód – Weyermann Bohemian Pilsner Malt
• ilość słodu – 70g
• średnia temperatura zacierania – 68C
• Woda oczyszczana w procesie odwróconej osmozy, nie modyfikowane pH zacieru (w rezultacie pH zacieru ustaliło się na 5,4)
• ilość wody do zacierania – 240ml
• czas zacierania – 60min
• ilość wody do wysładzania – 250ml
• wydajność wysładzania wynosiła około 90%
• czas gotowania brzeczki – 15min

Słód był śrutowany regulowanym, dwu wałkowym śrutownikiem (Schmidling Maltmill). Szczelina pomiędzy wałkami była mierzona szczelinomierzem o dokładności +/- 0,02mm.

Eksperymenty z gęstością zacieru

W eksperymentach związanych z gęstością zacieru następujące parametry były stałe:

• słód – Weyermann Bohemian Pilsner Malt
• ilość słodu – 70g (w próbkach o stosunku 2,57l/kg i 5l/kg) oraz 120g (w drugiej próbce 2,57l/kg)
• szerokość szczeliny w śrutowniku – 0,55mm
• Woda oczyszczana w procesie odwróconej osmozy, nie modyfikowane pH zacieru (w rezultacie pH zacieru ustaliło się na 5,4)
• całkowita ilość wody użyta w procesie – 5,6l/kg (próbki z 70g słodu – 390ml, próbka ze 120g – 670ml)
• czas zacierania – 60min
• wydajność wysładzania wynosiła około 80%
• czas gotowania brzeczki – 15min

Ilość wody do zacierania została przeliczona w ten sposób, aby osiągnąć stosunek 2,57 lub 5 litrów/kilogram słodu. Ze względu na duży spadek temperatury w próbce o gęstości 2.57l/kg przy 70g słodu, kolejna próba dla tej gęstości została wykonana z odpowiednio większą ilością wody i słodu. Po zacieraniu dolano wody do uzyskania stosunku 5.6l/kg. W celu utrzymania wydajności na tym samym poziomie w tej serii eksperymentów nie stosowano wysładzania, a tylko mieszano całą wodę z zacierem przed jego odcedzeniem na sitku.

Eksperymenty z rodzajem słodu

W eksperymentach związanych z rodzajem słodu następujące parametry były stałe:

• ilość słodu – 70g
• średnia temperatura zacierania – 70C
• szerokość szczeliny w śrutowniku – 0,55mm
• Woda oczyszczana w procesie odwróconej osmozy, modyfikowane pH zacieru
• ilość wody do zacierania – 240ml
• czas zacierania – 60min
• ilość wody do wysładzania – 250ml
• wydajność wysładzania wynosiła około 90%
• czas gotowania brzeczki – 15min

Barwa słodu ma wpływ na pH zacieru – z tego powodu wykonano jedno zacieranie bez modyfikowania pH. Opierając się na jego wyniku woda do zacierania kolejnej próbki była modyfikowana roztworem octu lub sody tak aby osiągnęła pH zbliżone do 5,3-5,5.

Eksperymenty z zawartością wapnia

W eksperymentach związanych z zawartością wapnia następujące parametry były stałe:

• słód – Weyermann Bohemian Pilsner Malt
• ilość słodu – 70g
• średnia temperatura zacierania – 69C
• szerokość szczeliny w śrutowniku – 0,55mm
• ilość wody do zacierania – 240ml
• czas zacierania – 60min
• ilość wody do wysładzania – 250ml
• wydajność wysładzania wynosiła około 90%
• czas gotowania brzeczki – 15min

W celu wytworzenia wody o zróżnicowanej zawartości jonów wapnia ale stałej alkaliczności rezydualnej (która zmieniałaby pH zacieru) 1,05g chlorku wapnia i 1g kredy dodano do 2 litrów wody destylowanej. W rezultacie otrzymano wodę o zawartości wapnia ~343mg/l (ppm) i alkaliczności rezydualnej równej 0. Zmienna koncentracja jonów Ca w wodzie do zacierania została otrzymana przez zmieszanie w różnych proporcjach powyższego roztworu i wody destylowanej. Jednak w celu utrzymania jednakowej zawartości Ca w gotowej brzeczce woda do wysładzania była mieszana w odwrotnym stosunku. Na przykład, jeśli woda do zacierania w danym eksperymencie składała się w 80% z wody destylowanej i 20% z wody wzbogaconej w wapń , woda do wysładzania była otrzymywana z 20% wody destylowanej i 80% wzbogaconej w wapń. Kreda w zasadzie nie rozpuszcza się w wodzie, dlatego przygotowany roztwór przed każdym użyciem był wstrząsany by poderwać zawiesinę z dna.

Omówienie wyników

Czas

Ryc. 6 Zależność fermentowalności brzeczki i wydajności od czasu zacierania

Ryc. 7 Wyniki próby jodowej przeprowadzonej na płynnej części zacieru po zakończeniu zacierania.

Po przeanalizowaniu relacji pomiędzy czasem zacierania, fermentowalnością (granicą odfermentowania) brzeczki, i wydajnością ekstrakcji, zaobserwowano dwa trendy. Zacieranie w niższej z testowanych temperatur (67C/152F) skutkowało początkowo słabszą wydajnością i fermentowalnością brzeczki w porównaniu do zacierania w temp. 72C/162F. Da się to wytłumaczyć niższą aktywnością zarówno alfa- i beta-amylazy w niższej temperaturze. Po dłuższym czasie zacier utrzymywany w niższej temperaturze dawał bardziej fermentowalną brzeczkę. Jest to skutkiem większej stabilności beta-amylazy w niższej temperaturze. Mimo, że początkowo enzymy nie są aż tak aktywne jak w wyższej temperaturze, pozostają aktywne na dłużej i w związku z tym są w stanie wytworzyć więcej maltozy, co zwiększa fermentowalność brzeczki. W temperaturze dezaktywacji beta-amylazy (70C i więcej), enzym ten staje się „sprinterem” – początkowo wytwarza maltozę dużo szybciej ze względu na podwyższoną temperaturę, ale szybko jest dezaktywowany, przez co nie jest w stanie „przerobić” tyle cukrów, co w niższej temperaturze. Pod względem wydajności zacierania wybiją się zaciery o wyższej temperaturze. Jest to wynikiem większej aktywności alfa-amylazy i, być może, lepszego skleikowania skrobi. Alfa-amylaza jest głównym enzymem przetwarzającym skrobię na rozpuszczalne w wodzie łańcuchy glukozowe. Niestety spadek temperatury w trakcie zacierania był zauważalny (~3C/h, patrz. Ryc.8), przez co beta-amylaza doznała mniej szkód niż gdyby temperatura 72C utrzymała się przez cały czas zacierania. Uwidacznia się to ciągłym wzrostem fermentowalności brzeczki otrzymanej przez zacieranie w 72C. Może to być efekt aktywności alfa-amylazy, ale przyjmuje się, że jest to skutek działania resztkowej beta-amylazy. Co prawda alfa-amylaza również jest w stanie wytworzyć cukry fermentowane, ale nie jest w tym wydajna. Efekt dezaktywacji beta-amylazy uwidacznia się stopniowym wzrostem fermentowalności brzeczki a następnie jej gwałtownym spadkiem po przekroczeniu temperatury zacierania 67C (Ryc. 11). Ta temperatura, determinując stopień dezaktywacji beta-amylazy, jest przy zacieraniu głównym czynnikiem wpływającym na stopień odfermentowania. Kolejna obserwacja (ryc. 7) pokazuje, że gorętszy zacier szybciej dawał negatywny wynik próby jodowej (próba zawartości skrobi w zacierze), niż zacier o temperaturze 67C. Również jest to skutek zwiększonej aktywności alfa-amylazy w temperaturze 72C.

Ryc. 8 Profil temperaturowy zacierania różnych próbek w tej serii. Średni spadek temperatury wynosił 3C na godzinę.

Temperatura

Kolejna seria eksperymentów opisywana tu pokazuje wpływ temperatury zacierania na fermentowalność brzeczki. Niestety niewielka pojemność próbek (zacieranie w termosie) i mieszanie zacieru po 30 minutach powodowały znaczący spadek temperatury zacieru. Z tego powodu na osiach x wykresów (ryc. 10 i 11) podano średnie temperatury zacierania. Przybliżone profile zacierania wszystkich próbek przedstawia ryc.9. Zasyp następował przy czasie 0 a po 60 minutach zacier był szybko odcedzany. Średnio temperatura zacieru spadała o 4C. pH brzeczki mierzone w temperaturze pokojowej wynosiło 5.5.

Ryc. 9 Profil zacierania dla różnych próbek mających określić zależność wydajności od temperatury zacierania

Ryc.10 obrazuje granice odfermentowania uzyskane w różnych eksperymentach tej serii. Dwie rzeczy są zaskakujące. Po pierwsze, wszystkie dane ładnie dopasowują się do krzywej wykresu i różnice pomiędzy próbkami zacieranymi podobnie nie są duże. Świadczy to o dużej powtarzalności i niskim błędzie statystycznym w tym eksperymencie. Po drugie, otrzymany wykres pokrywa dość dobrze się z nielicznymi danymi zawartymi w literaturze [Narziss 2005].

Ryc. 10 Odfermentowanie i przybliżona wydajność eksperymentów z temperaturą zacierania

Kolejnym znaczącym spostrzeżeniem jest niemal idealna liniowość wykresu odfermentowania po przekroczeniu punktu maksimum. Funkcja liniowa odpowiadająca uzyskanym wynikom ma nachylenie ~4%/C. Oznacza to, że podniesienie temperatury zacierania o 1C obniży poziom odfermentowania brzeczki o 4%. Zależność ta okazuje się prawdziwa dla dość szerokiego (12C) zakresu temperatur. Część wykresu dążąca do maksimum odfermentowania nie jest aż tak stroma. Tłumaczy się to wyższą aktywnością beta-amylazy, która produkuje maltozę gdy tylko skrobia ulegnie skleikowaniu i alfa-amylaza rozbije cząsteczki amylozy i amylopektyny na krótsze łańcuchy dekstrynowe. Dane dotyczące wpływu temperatury zacierania na fermentowalność brzeczki zawarte w literaturze nie pokazują takiej liniowej zależności po przekroczeniu maksimum fermentowalności [Briggs, 2004]. Przypuszczalnie inny przebieg krzywej odfermentowania otrzymanej w tym eksperymencie wynika ze względnie dużego spadku temperatury w trakcie zacierania. Oprócz pomiaru odfermentowania wykonywano również próbę jodową po zakończeniu zacierania i na początku gotowania. Jej wyniki są pokazane na górze ryc.10. Uwagę zwraca mahoniowy kolor będący dowodem obecności dekstryn. Spodziewano się tego w próbkach o niskiej fermentowalności, ale nawet próbka nr 10, która odfermentowała w 87%, dała silnie mahoniowe zabarwienie próby jodowej. By potwierdzić trend trzeba by wykonać więcej prób jodowych dla próbek zacieranych w temperaturze powyżej 66C. Wyniki próby jodowej na początku gotowania były zaskakująco słabe, pomimo, że starano się ogrzać brzeczkę jak najszybciej by zminimalizować czas jej pozostawania w zakresie temperatur sprzyjających aktywności alfa-amylazy (68-78C). Trzeba zauważyć, że takie szybkie podgrzewanie brzeczki nie jest możliwe do zrealizowania przy normalnym warzeniu, nawet bez wykonywania mash-outu brzeczka spędza trochę czasu w tym zakresie temperatury podczas podgrzewania do wrzenia. Późniejsze eksperymenty (nr 12 i dalsze) przeprowadzono w sposób umożliwiający porównanie wydajności przez pomiar objętości brzeczki po gotowaniu. Ponieważ wydajność wysładzania może być uznana za stałą (wszystkie próbki był wysładzane 1 raz, w ten sam sposób), różnice w wydajności warzelni muszą być w dużym stopniu spowodowane różnicami w efektywności konwersji (czyli w stopniu konwersji skrobi zawartej w słodzie). Z kilku uzyskanych jak dotąd wyników ewidentnie widać, że niższa temperatura zacierania daje niższą efektywność. Było to do przewidzenia, ponieważ mniej skrobi uległo skleikowaniu i alfa-amylaza, będąca głównym enzymem odpowiedzialnym za hydrolizę skrobi, jest mniej aktywna. Trzeba jednak zauważyć, że wszystkie próbki były zacierane przez 60 minut, więc mniejsza efektywność przy niskiej temperaturze może zostać zrekompensowana dłuższym czasem zacierania.

Ryc. 11 Oczekiwany poziom ekstraktu końcowego otrzymanego po fermentacji brzeczki 12 Blg w zależności od temperatury zacierania

Rycina 11 pokazuje inny sposób ukazania wyników fermentowalności. W tym zestawieniu założono, że ekstrakt początkowy brzeczki uzyskanej w każdym eksperymencie wynosił około 12 Plato (1.048 SG). Zamiast pokazywać stopień odfermentowania, na podstawie fermentowalności brzeczki obliczono końcowy ekstrakt piwa. Takiego odczytu moglibyśmy się spodziewać po szybkim teście fermentacji lub po bardzo głęboko odfermentowujących drożdżach pozostawiających niewiele (lub wcale) cukrów fermentowanych.

pH

pHmetr kontra paski wskaźnikowe

Tabela 1 Dostosowywanie pH wody i zmierzone pH

Tabela 1 przedstawia modyfikacje pH dokonywane w poszczególnych próbkach ich wartość pH mieszoną pHmetrem i paskiem wskaźnikowym. Pierwsza kolumna to numer eksperymentu, a druga ilość roztworu octu lub sody które zostały dodane. Interesujący jest fakt, że pomimo braku modyfikacji pH w próbkach nr 19 i 13 oraz podobnych wskazaniach pHmetru odczyty z pasków dla tych próbek znacznie się różnią. W próbkach 24, 25 i 26 widać kolejną ciekawą obserwację – dodano do nich różne ilości roztworu kwasu, wskazania pHmetru były dla nich różne, ale ich pH zmierzone paskami wskaźnikowymi było takie samo – 4,7. Taki sam efekt zaobserwowałem konfrontując odczyty z pHmetru i pasków kilka miesięcy wcześniej (wyniki opisano w innym artykule). Kolejny akapit pokaże, że 2 z tych 3 próbek (nr 25 i 26) znacząco różniły się poziomem odfermentowania, co świadczy że istotnie miały inne pH.

Ryc. 12 Porównanie odczytów z pasków wskaźnikowych i skorygowanych odczytów pH metru

Rycina 12 przedstawia porównanie odczytów z pasków wskaźnikowych i pHmetru. Największa rozbieżność wynosiła 0,5 (próbka 24), co jest znaczącą wartością przy warzeniu, ale wystąpiła przy wartości pH zwykle nie spotykanej w zacierach.

Rezultaty zacierania

Eksperymenty z pH przeprowadzono przez zacieranie jednotemperaturowe w około 73.5C. Temperatura ta jest dobrze umiejscowiona na wykresie opracowanym na podstawie wcześniejszych doświadczeń(?). Wyniki prób z różnym pH przedstawia rycina 13.

FRyc. 13 Wyniki próby jodowej, stopień odfermentowania i wydajność warzelni w funkcji pH zacieru

Ryc. 14 Porównanie koloru brzeczki po 15 minutach gotowania dla eksperymentów nr 23 (pH 5.5) i 22 (pH6,5). Wyraźnie ciemniejszy kolor próbki o wyższym pH wynika z silniejszych reakcji maillarda.

Ryc. 15 Dla próbki 28 (pH 4.55) brzeczka na końcu zacierania i po gotowaniu wykazał pozytywną próbę jodową, czyli zawierała skrobię.

Pierwszym wnioskiem jest, że optymalne pH dla głębokiego odfermentowania to 5.4-5.6. Zgadza się to optymalnym pH dla beta-amylazy według literatury [Narziss, 2005]. Dodatkowo kształt otrzymanej krzywej fermentowalności zgadza się z kilkoma podanymi przez Narzissa wartościami dla różnych pH. Narziss jednak nie podał informacji o innych parametrach zacierania, które mogły mieć wpływ na fermentowalność brzeczki, takich jak temperatura zacierania, gęstość zacieru (choć przypuszczalnie było to 4l/kg). Z tego powodu można wnioskować że wszystkie wartości pH podane w tej książce mierzono w temperaturze pokojowej. Poza przedziałem pH 5.4 – 5.6 poziom odfermentowania się zmniejsza. Nachylenie krzywej jest bardziej strome w kierunku niższego pH zacieru niż wyższego. Może to być wynikiem różnego obniżenia aktywności beta-amylazy. Próbka nr 26 odchyla się od krzywej wykresu, ale może to być spowodowane jej zacieraniem w niższej niż średnia temperaturze. Pomimo, że wcześniejsze doświadczenia pokazały spadek fermentowalności o 4% na każdy stopień Celsjusza, nie wiadomo czy ta zależność obowiązuje również dla niskiego pH zacieru. Wydajność warzelni również wykazuje zależność od pH zacieru. Nie jest to zaskakujące, ponieważ wielu piwowarów domowych odnotowuje wzrost wydajności po korekcie pH do optymalnego poziomu. Poziomem zapewniającym najlepszą wydajność wydaje się być pH w granicach 5.2 – 5.3, czyli trochę niższe niż zapewniające najlepszą fermentowalność brzeczki. Może to być spowodowane lepszą aktywnością alfa-amylazy w tym przedziale pH, choć Narziss podaje optymalne pH dla tego enzymu pomiędzy 5.6 a 5.8 [Narziss, 2005]. Dwie próbki o skrajnym pH odchylają się od linii wykresu zależności wydajności od pH. Eksperyment 28 przeprowadzony przy pH bliskim 4,5 dał wydajność wyższą niż eksperyment przy pH 4.8. Podobne wyniki dał eksperyment 22, ale po jego powtórzeniu (próbka 27), wydajność pasowała do trendu. Prawdopodobnie niezgodności te wynikają z niedokładnych pomiarów, a nie z niespodziewanych skoków wydajności. Wyniki próby jodowej przeprowadzanej na końcu zacierania odpowiadały wynikom wydajności i fermentowalności. Najsłabszą reakcję wykazały próbki o optymalnym pH (5,2 – 5,6), podczas gdy obie próbki skrajne po 60 minutach zacierania wciąż zawierały skrobię w płynnym zacierze (fioletowe zabarwienie próby jodowej). Niestety nie wykonano prób jodowych dla próbek o niemodyfikowanym pH. W próbce numer 28 (pH 4.55) dodatkowo wykonano próbę jodową po gotowaniu brzeczki, i skrobia wciąż była w niej obecna. To pokazuje, że pH zacieru poniżej 5 nie zapewnia wystarczającej aktywności enzymów aby przetworzyć skrobię ze słodu, czego rezultatem jest obecność skrobi w brzeczce i co za tym idzie w gotowym piwie. Uzyskana niższa wydajność i silniejsza reakcja z jodyną stoją w opozycji do wartości zakresów pH i temperatury dla alfa-amylazy podawanych przez Palmera w „How To Brew” [Palmer, 2006]. Podaje on, że alfa-amylaza jest wystarczająco aktywna przy pH 4,5 i niższym.

Grubość śrutowania

Ryc. 16 Poziom odfermentowania i wydajność warzelni zależnie od szerokości szczeliny w śrutowniku.

Ryc. 17 Próba jodowa na próbce młóta z eksperymentu 33 (0,95mm) (zakreślona na czerwono)

Wykres 16 przedstawia wyniki serii testów z różną grubością śrutowania. Poziom odfermentowania brzeczki wykazuje znikomą zależność od grubości śruty. Zdaje się to wskazywać, że albo grubsza śruta uwalnia niewiele dodatkowej skrobi, lub że bata-amylaza jest aktywna podczas całego zacierania. Jako, że temperatura zacierania tej serii eksperymentów wynosiła 68C, tyle co jedna z temperatur w serii eksperymentów z czasem, można założyć, niewielkie różnice w fermentowalności brzeczki były spowodowane oboma tymi czynnikami. Wydajność warzelni wykazuje dużo większy związek z grubością śrutowania. Im drobniejsza śruta tym większa wydajność. Różnica pomiędzy śrutą 0,35 mm a 0,95 mm wynosiła jedynie około 10%. Doniesienia o znacząco zwiększonej wydajności po zmniejszeniu grubości śrutowania przez wielu piwowarów domowych skłaniały mnie do spodziewania się większej różnicy. Jednakże standardowe ustawienie wielu śrutowników u piwowarów domowych jak i w sklepach piwowarskich przekracza 0,9 mm, co nie zostało wzięte pod uwagę przy podejmowaniu decyzji o przeprowadzeniu testów w zakresie 0,35 – 0,95 mm. Zależność wydajności od grubości śrutowania może być tłumaczona większym udziałem mąki i drobnych cząstek w drobniejszej śrucie, co ułatwia dostęp wody i enzymów do skrobi, co jest konieczne do rozłożenia jej na rozpuszczalne węglowodany (dekstryny, cukry). Literatura mówi, że drobniejsze śrutowanie prowadzi do uzyskania bardziej fermentowanej brzeczki. Taka zależność nie została potwierdzona w tej serii eksperymentów, ale biorąc pod uwagę większą skuteczność przetwarzania skrobi w drobnej śrucie i w zasadzie niezmienną fermentowalność, można powiedzieć, że drobniejsze śrutowanie daje bardziej fermentowany ekstrakt niż przy grubszej śrucie. Gdyby tak się działo w zacierach wykazujących mniejszą zależność wydajności przetwarzania skrobi od grubości śruty (na przykład gdyby w którymś eksperymencie osiągnięto blisko 100% przetworzenie skrobi), taki zacier prawdopodobnie cechowałby się zwiększona fermentowalnością. W eksperymencie 33 (szczelina śrutownika 0,95 mm) trochę zużytego młóta zostało rozgniecione i poddane próbie jodowej. Uzyskano głęboko fioletowe zabarwienie (ryc. 17), wskazujące na zawartość skrobi. Pokazuje to że przyczyną spadku wydajności jest wciąż obecna w ziarnie, nieprzetworzona skrobia. Ale działo się tak również z młótem z eksperymentów z drobniejsza śrutą. Z jakiegoś powodu wszystkie przeprowadzane eksperymenty osiągały mniejszą efektywność przetwarzania skrobi, niż obserwuje się to w pełnowymiarowych warkach zacieranych przez 60 minut. Wskazują na to wyniki prób jodowych, które często wskazywały obecność resztkowej skrobi po 60 minutach zacierania, co nie zdarzało mi się przy normalnych warkach. Przyczyną tego może być spadek temperatury i słabe mieszanie zacieru w eksperymentalnych mikro warkach.

Gęstość zacieru

Ryc. 18 Wpływ gęstości zacieru na odfermentowanie i wydajność.

Wyniki doświadczeń z gęstością zacieru były poniekąd zaskakujące. Wbrew powszechnemu przekonaniu nie zaobserwowano różnicy w fermentowalności brzeczki otrzymanej z gęstego (2,57l/kg) i rzadkiego (5l/kg) zacieru. Literatura poświęcona piwowarstwu domowemu sugeruje, że rzadki zacier daje bardziej fermentowaną brzeczkę, ale opracowania dotyczące przemysłowego piwowarstwa podają, że gęstość zacieru nie ma większego wpływu na fermentowalność przy użyciu dobrze zmodyfikowanych słodów [Narziss, 2005]. Briggs cytuje dane, które nie pokazują różnicy w fermentowalności spowodowanej gęstością zacieru [Briggs 2004]. Zostało o potwierdzone w tym doświadczeniu, ponieważ wszystkie otrzymane wartości leżały na krzywej identycznej jak w eksperymentach z temperaturą. Próby ze stosunkiem wody do słodu 2,57l/kg przeprowadzono dwukrotnie, ponieważ w pierwszej serii mała objętość próbki powodowała spadek temperatury w trakcie zacierania aż o 5C. W celu zachowania jednakowego spadku temperatury przy zacieraniu obu serii zwiększono objętość tych próbek, uzyskując spadek temperatury o 2 stopnie, czyli tyle samo co w próbkach o stosunku 5l/kg. Ostatecznie jednak okazało się to nie mieć wpływu na wyniki. Znaczącą różnicę zaobserwowano natomiast w wydajności zacierania. Przy gęstych zacierach wydajność utrzymywała się stale w zakresie 58 – 60% niezależnie od temperatury zacierania, ale w przypadku rzadszych zacierów ujawniła się silna zależność wydajności od temperatury i zawsze była wyższa niż w gęstym zacierze. To pozwala sądzić, że rzadkie zaciery zapewniają lepszą ekstrakcję słodu. Briggs również podaje że rzadsze zaciery mogą przetworzyć więcej skrobi, ale jako optymalny pod tym względem stosunek wody do słodu podaje 2,5 l/kg [Briggs, 2004].

Rodzaj słodu

Ryc. 19 Poziom odfermentowania próbek zacieranych w 69C z trzech różnych słodów

Ryc. 20 Wydajność warzelni w zależności od rodzaju zacieranego słodu

Różne słody pod wpływem suszenia w różnych temperaturach dostarczają do zacieru inną ilość enzymów. Ta zmienność siły enzymatycznej wpływa na różnice w fermentowalności brzeczki i wydajności. Wykres 19 przedstawia poziomy odfermentowania przy różnych wartościach pH dla każdego słodu. Różnica pomiędzy słodem jasnym monachijskim a pils jest niewielka. Z kolei przy ciemnym słodzie monachijskim zanotowano znaczący spadek fermentowalności przy tych samych temperaturach zacierania. Jest to skutek zmniejszonej aktywności beta-amylazy spowodowany jej mniejszą zawartością w słodzie (w pewnym stopniu również alfa-amylazy). Trzeba jednak zauważyć, że próba ze słodem monachijskim ciemnym w której uzyskano najniższą fermentowalność była zacierana w temperaturze około 2C wyższej niż inne próbki o tym samym pH. Jeśli założymy, że spowodowało to 4% spadek fermentowalności (jak wynika z eksperymentów z temperaturą), to poziom odfermentowania w tej próbnie powinien być nieco wyższy. Zwróćmy uwagę, że poziom odfermentowania brzeczki uzyskanej z mieszanki tych słodów byłby inny niż średnia warzona uzyskanych tu wyników, ponieważ słód pils zawiera o wiele więcej enzymów niż monachijski ciemny, przez co podniesie fermentowalność bardziej niż wynikałoby to z jego udziału wagowego. Wydajność warzelni (ryc. 20) nie była tak zróżnicowana, choć ciemniejsze słody wykazały jej nieznaczny spadek. Jest to poniekąd zaskakujące, gdyż niedawno warzona warka 20-sto litrowa na ciemnym słodzie monachijskim wykazywała zdecydowanie wolniejszą konwersję niż przy zasypach ze znacznym udziałem jasnego słodu.

Zawartość wapnia

FRyc. 21 Odfermentowanie i wydajność dla 4 próbek zacieranych przy różnym stężeniu jonów wapnia. Liczby powyżej punktów określają pH próbki mierzone w temperaturze pokojowej.

Jak już wspomniano wcześniej, w żadnej próbce nie udało się osiągnąć 100% przetworzenia skrobi ze słodu do rozpuszczalnych cukrów. Zdarza się to rzadko nawet w pełno skalowych warkach (20 l) zacieranych jednotemperaturowo. Jedna z różnic pomiędzy „dużymi” warkami a eksperymentalnymi zacierami jest rodzaj użytej wody. Podczas eksperymentów używano wody oczyszczonej metodą odwróconej osmozy o zawartości związków rozpuszczonych około 30-50 mg/l (ppm), podczas gdy w normalnych warkach wykorzystuje się wodę oczyszczoną przez odwróconą osmozę z dodatkiem soli piwowarskich. Z tego powodu wysnuto przypuszczenie, że zawartość soli mineralnych w wodzie ma większy wpływ na zacieranie niż tylko alkaliczność rezydualna i w konsekwencji pH zacieru. Jonem o przypuszczalnie największym znaczeniu jest wapń. Briggs podaje, że jony wapnia stabilizują alfa-amylazę [Briggs, 2004], jednak w temperaturze przerwy scukrzającej (poniżej 70C) enzym ten jest i tak dość stabilny, więc dobroczynny wpływ wapnia powinien być mało znaczący. Doświadczenia wykazały nieznaczną tendencję spadkową w fermentowalności brzeczki wraz ze wzrostem koncentracji jonów wapnia w wodzie. Jednak różnica pomiędzy wartościami skrajnymi wynosi tylko około 1%, więc mieści się w granicach błędu pomiarowego. Z tego powodu można założyć, że zawartość wapnia nie ma wpływu na fermentowalność brzeczki. Nieznacznie większy wpływ zaobserwowano w przypadku wydajności. Tu różnica wynosiła około 3%, ale jako, że jest to obserwacja poczyniona na niewielkiej liczbie próbek, które dodatkowo różniły się pH zacierania, wyniki można uznać za mało wiarygodne, pomimo, że trend wzrostu wydajności wraz ze wzrostem zawartości wapnia zgadza się z teoretycznymi przewidywaniami.

Wnioski

Fermentowalność brzeczki i wydajność zacierania zależą od wielu czynników, z których jedne są bardziej znaczące, a inne mniej. Przy zacieraniu jednotemperaturowym sterowanie temperaturą i czasem zacierania to najskuteczniejsze narzędzia do osiągnięcia zamierzonego poziomu odfermentowania piwa. Zacieranie powinno być wystarczająco długie by zaszło całkowite rozłożenie skrobi \lub chociaż by w brzeczce nie znajdowała się nie rozłożona skrobia (negatywny wynik próby jodowej). Można to osiągnąć już po 15 – 30 minutach ale dłuższe zacieranie może być konieczne do osiągnięcia zamierzonej fermentowalności. pH zacieru powinno być zawsze kontrolowane i utrzymywane w granicach 5.4 – 5.7 przy pomiarze w temperaturze pokojowej (5,05 – 5,35 przy pomiarze w temperaturze zacierania). Takie pH można osiągnąć modyfikując wodę do zacierania ( alkaliczność rezydualną) lub/i dodając do zacieru kwasy albo odpowiednie sole. Piwowarzy którzy nie śrutują słodu samodzielnie nie będą w stanie wpłynąć na grubość używanej śruty i będą musieli zaakceptować niższą wydajność konwersji lub zapewnić zacierowi odpowiednio dużo czasu i „siły” (enzymatycznej? – przyp. tłum.) by osiągnąć zadowalający poziom rozłożenia skrobi. Jeżeli sami śrutujemy słód możemy poprawić wydajność przez drobniejsze śrutowanie, jednak tylko do momentu gdy rozmiar śruty nie będzie utrudniał filtracji. Gęstość zacieru nie wydaje się mieć wpływu na fermentowalność otrzymanej brzeczki, ale rzadsze zacieranie pozwala osiągnąć znacząco wyższą wydajność rozkładu skrobi. Piwowarzy borykający się z problemem słabej wydajności mogą spróbować zacierać w stosunku 3-4l wody na kilogram słodu, bo w ten sposób ułatwiona jest konwersja skrobi. Przy pracy z dużą ilością ciemniejszych słodów mogą się pojawić problemy z niską wydajnością i odfermentowaniem spowodowane małą zawartością enzymów (siła diastatyczną) w tych słodach. Może to być zrównoważone niższą temperaturą i dłuższym czasem zacierania, lub dodatkiem 10-20% jasnego słodu o dużej sile enzymatycznej. Skład używanej do zacierania wody również może mieć wpływ na efekty zacierania i to nie tylko poprzez alkaliczność rezydualną i przez to pH, ale jest to wpływ nieznaczny, drugorzędny.

Dodatki

Tabele

Eksperymenty z czasem zacierania

Eksperymenty z temperaturą zacierania

Eksperymenty z pH

Eksperymenty z grubością śruty

Eksperymenty z gęstością zacieru

Eksperymenty z typem słodu

Eksperymenty z zawartością wapnia

Źródła

[Narziss, 2005] Prof. Dr. agr. Ludwig Narziss, Prof. Dr.-Ing. habil. Werner Back, Technische Universitaet Muenchen (Fakultaet fuer Brauwesen, Weihenstephan), Abriss der Bierbrauerei. WILEY-VCH Verlags GmbH Weinheim Germany, 2005

[Palmer, 2006] John J. Palmer, How to Brew, Brewers Publications, Boulder CO, 2006

[Briggs, 2004] Dennis E. Briggs, Chris A. Boulton, Peter A. Brookes, Roger Stevens, Brewing Science and Practice, Published by Woodhead Publishing, 2004

Powyższy artykuł jest tłumaczeniem tekstu ze strony na wiki braukaiser.com, autorstwa Kai'a Troestera.