Главное брожение

12.04.2017
Сусло по своему химическому составу является хорошей питательной средой не только для дрожжей, но и для других микроорганизмов, а так как процесс брожения ведется не в стерильных условиях, то инфекция на этой стадии может попасть в сусло.
Помимо применения низких температур и наличия в охмеленном охлажденном сусле хмелевых веществ, обладающих бактерицидными свойствами, важным фактором борьбы с инфекцией являются продукты, выделяемые дрожжами при брожении, — спирт и углекислый газ; чем раньше они начнут выделяться в сусло, тем эффективнее их действие. Дрожжи задают непосредственно в сусло в начальный момент заполнения бродильного чана или в ток сусла, поступающего по трубопроводу в бродильный чан; в последнем, случае вступает в действие еще один очень существенный дли брожения фактор — размешивание среды.
Аэрирование сусла в некоторой степени способствует подавлению развития посторонних, преимущественно анаэробных, микроорганизмов, находящихся в охмеленном сусле; кроме того, аэрирование способствует усиленному размножению дрожжей.
При размножении дрожжей происходит увеличение концентрации водородных ионов за счет углекислоты, выделившейся при брожении, и образования ряда органических кислот.
По время главного брожения из бродящего сусла выделяются некоторые вещества охмеленного сусла, создающие на его поверхности уплотненный слой, называемый декой; одновременно основная масса размножившихся дрожжей оседает. Молодое пиво, получившееся в результате главного брожения, подвергают дополнительной обработке для насыщения его углекислотой, осветления и создания вкусовых и ароматических свойств, присущих готовому пиву. Вес это осуществляется при дображивании пива при температуре еще более низкой, чем при брожении.
Главное брожение протекает при температуре 6—9° С в течение 7-й сут., а процесс дображивания при температуре 1—2° С в период от нескольких недель до нескольких месяцев,
О течении главного брожения можно судить по накоплению основного продукта брожения — спирта — и выделению углекислого газа. В практической работе для этой цели определяют убыль экстрактивных веществ бродящего сусла. В табл. 93 показано изменение показателей сусла во время главного брожения.

Наиболее важным процессом является сбраживание сахара, Моносахаридная фракция углеводов сусла состоит из фруктозы и глюкозы. Ряд исследователей установили наличие небольших количеств арабинозы, ксилозы и рибозы, а также галактозы.
Дисахаридная фракция в основном состоит из мальтозы, но имеется также и сахароза, а из трисахаридов — мальтотриоза и более сложные полисахариды.
Изменения, происходящие с углеводами до время сбраживания сусла концентрацией 10,65%, определенные Глерстеном при помощи хроматографического анализа, показаны в табл. 94.

Таким образом, моносахаридная и дисахаридная фракции потребляются при брожении почти полностью и в пиве мальтоза остается только в виде следов; изомальтоза не сбраживается. Трисахариду сбродили больше чем на 85%; по-видимому, несброженными остались трисахариди, содержащие 1,6-связи.
Из смеси сахаров сусла быстрее всех сбраживаются фруктоза и глюкоза. Ди- и трисахариди непосредственно не сбраживаются дрожжами; они предварительно должны подвергнуться гидролизу ферментами дрожжевых клеток. Из дисахаридов легко и быстро инвертируется сахароза уже в самом начале брожения сахарозой, которая находится на поверхностном слое дрожжевой клетки. Мальтозу дрожжи начинают потреблять только тогда, когда в сусле почти не остается ни фруктозы, ни глюкозы. В пивных дрожжах содержится мало ферментов, расщепляющих трисахариды, поэтому мальтотриоза может даже новее не сбраживаться.
Паноза, состоящая из трех глюкозних молекул, соединенных ?-1,6 и ?-1,4-связями, хотя и является трисахаридом, но отличается от мальтотриозы, имеющей только 1,4-связи, тем, что не сбраживается дрожжами, сбраживающими мальтотриозу, и остается в пиве в неизменяемом виде. Ее не сбраживают и дрожжи, не сбраживающие мальтотрпозы. Все это имеет определенную связь с динамикой образования некоторых метаболитов (альдегидов, диацетила, ацетоина). Общим для всех сахаров является то, что альдегиды и С4-соединения (диацетил и ацетоин) образуются с самого начала брожения, но количество образующихся при этом веществ для различных сахаров неодинаково.
Состав углеводов отечественного пива показан на хроматограммах (рис. 34 и 35). Из сахаров Л. Шмидтом установлено наличие фруктозы, глюкозы, мальтозы и изо мальтозы, а также пентоз — арабинозы, ксилозы и рибозы; содержатся и мальтотриозы.


Кроме того, на хроматограмме были отмечены два пятна, сахар которых не был идентифицирован: одно ниже мальтозы, а другое выше изомальтозы.
Довольно резкие изменения происходят во время главного брожения в составе веществ сусла. Значительно сокращается общее количество белка, а также отдельных его фракций, В табл. 95 показано изменение количества азотистых веществ во время брожения, по данным Сандегрена, Энебо и др.
Здесь происходят два процесса: снижение количества азотистых веществ вследствие потребления их в процессе брожения, а частично за счет образования белководубильных компонентов, выпадающих из сусла вследствие понижения pH, накопления спирта и некоторых других факторов; и повышение содержания азотистых веществ за. счет выделения их дрожжевыми клетками.

Приблизительно 50% азота, содержащегося в сусле, усваивается дрожжами, и пиво в результате брожения содержит около 50% общего количества азота сусла и около 16,5% азота, выделенного дрожжами.
Дрожжи могут ассимилировать все аминокислоты, по некоторые из них предпочтительно, что следует из данных, приведенных в табл. 96 (по Сандегрену, Энебо и др.).

К азотистым соединениям, которые усваиваются дрожжами в большей степени, чем другие, относятся аспарагиновая кислота, аспарагин, серил и треонин. Напротив, ?-аминомасляная кислота, аланин, глицин и тирозин утилизируются только частично но время главного брожения, но при дображивании использование их повышается.
Сбраживание сусла сопровождается изменением кислотности — нарастанием концентрации водородных ионов. Величина pH быстро снижается в результате образования углекислоты и некоторых органических кислот и в конце главного брожения находится в пределах 4,3—4,5 (рис. 36 и 37).
Главное брожение

Буферная фосфатная система сусла (первичный — вторичный фосфаты) во время брожения усиливается за счет введения углекислых солей и солей органических кислот. В пиве имеются следующие буферные системы: первичный фосфат — бикарбонат— угольная кислота и органические кислоты — соли органических кислот, pH пива вне зависимости от начального pH сусла (в пределах 0,2—0,4) устанавливается примерно на одинаковом уровне. Это положение обусловлено тем, что при более низком pH в сусле распад белков протекает полнее и количество буферных веществ в нем больше. При более высоком pH протеолитический гидролиз происходит слабее и буферных веществ накапливается меньше. Кислотам, образующимся при брожении, сдвинуть pH труднее, поэтому разница в величине pH сусла и пива в этих условиях уменьшается.
Снижение pH во время брожения сопровождается осветлением пива.
Происходит выделение и выпадение некоторых фракций белков с одновременным оседанием дрожжей. Осаждается при этом и та часть холодного бруха сусла, которая, хотя бы и в небольшом количестве, перешла с суслом в бродильный чан.
Дрожжевые клетки при переносе их в сусло обволакиваются слизистой пленкой, имеющей в основном белковый характер и содержащей, кроме того, дубильные вещества, нерастворимые кальциевые соли, кремневую кислоту и гуммиобразные вещества. Эта слизистая пленка может растворяться протеиназой дрожжей. Если протеиназа недостаточно активна, дрожжевые клетки благодаря наличию слизистой оболочки собираются в крупные агрегаты, которые оседают на дно чана.
Если же протеиназа достаточно активна и растворяет белки слизистой оболочки, дрожжи длительное время остаются во взвешенном состоянии. У некоторых дрожжей указанное состояние является нормальным, поэтому различают оседающие, хлопьевидные, легко агглютинирующие дрожжи (типа Заац) и дрожжи пылевидные (типа Фроберг). Первые из них сбраживают сусло относительно неглубоко, вторые же благодаря тому, что находятся во взвешенном состоянии длительный период времени, обладают высокой сбраживаемостью. Осветление пива, сброженного хлопьевидными дрожжами, происходит иногда в бродильном чане, и пиво перекачивается в лагерные танки уже более или менее прозрачным. Однако агглютинация зависит еще от ряда факторов. Известно, что дрожжи из аппаратов чистых культур нс агглютинируют в достаточной степени при первой задаче их, так же ведут себя и хорошо промытые дрожжи, в особенности если они промыты щелочными растворами. Дрожжи должны привыкнуть к среде (состав сусла, его физические свойства). Спирт в концентрации до 3% способствует агглютинации. В сусле содержатся вещества, задерживающие агглютинацию, однако имеются и вещества, которые способствуют ей, так что дрожжи оседают значительно раньше, чем они успевают выбродить сусло до нужного предела. Одно из таких веществ отметил Кудо при работе с японскими шестирядными ячменями. Это вещество, вызывающее преждевременное оседание дрожжей, содержится в солоде, и активность его усиливается при продолжительном затирании. Вещество, выделенное из дробины при помощи кипящей воды, значительно усиливало процесс оседания дрожжей. Добавление в сусло такадиастаза предотвращало это явление, а добавление па панна не оказывало никакого действия, отсюда был сделан вывод, что это вещество имеет углеводный характер и является каким-то полисахаридом, вероятно, относящимся к гуммиобразным веществам.
Изменение концентрации водородных ионов при брожении связано с процессом размножения дрожжей; чем быстрее происходит размножение, тем быстрее увеличивается кислотность. Таким образом, эти оба момента способствуют образованию хлопьев и тем самым понижают сбраживание. Наоборот, чем медленнее происходит процесс размножения дрожжей и нарастание кислотности, тем позднее наступает оседание и тем выше сбраживаемость.
Изменение кислотности пива сопровождается выделением ряда веществ, растворимость которых зависит от реакции среды, в частности горьких веществ хмеля. Кроме того, происходит выделение белков в виде крупных агрегатов, а также агглютинация и оседание дрожжевых клеток. Образующиеся скопления обладают большой адсорбционной поверхностью, они способны: частично увлекать при осаждении хмелевые вещества. В табл. 97 приведены данные, характеризующие изменение величины горьких веществ при использовании 236 г хмеля на 1 гл сусла и кипячении в течение 2 ч (по Кольбах у и Фогелю).

Величина окислительно-восстановительного потенциала во время брожения понижается (рис. 38), причем большую роль в изменении его играют дрожжи. Они хотя и не выделяют в сусло заметных количеств растворенных редуцирующих веществ, но тормозят окислительные процессы, быстро поглощая кислород.

Сусло перед брожением имеет довольно высокий окислительно-восстановительный потенциал (rН около 20). В самом пиве какого-нибудь значительного исчезновения или образования редуцирующих веществ во время брожения не происходит. Добавление дрожжей в охлажденное сусло вызывает быструю ассимиляцию растворенного кислорода дрожжевыми клетками. Некоторое окисление сусла при этом происходит, ко основная масса кислорода затрачивается на обменные реакции в дрожжевой клетке. Таким образом, дрожжи являются защитной системой против окисления сусла во время брожения. Кроме того, выделяющийся в это время углекислый газ вытесняет кислород, что вместе с действием низких температур замедляет окисление, rН во время брожения по мере сбраживания веществ сусла понижается и постепенно достигает величины, близкой к 10. В табл. 98 показано изменение величины гН во время брожения (по Вельхонеру).

В закрытых бродильных чанах rН пива ниже, чем в открытых, хотя образующаяся над поверхностью пива дека в значительной мере предохраняет пиво от действия кислорода воздуха. По данным автора, окислительно-восстановительный потенциал в готовом охмеленном сусле составляет 23,92, в молодом пиве — в открытых чанах 15,27, в закрытых чанах 11,68.
В бродящем сусле к тем окислительно-восстановительным системам, которые создались в нем в результате затирания, присоединяется ряд таких же систем, образовавшихся в процессе брожения, которое протекает в анаэробных условиях; влияние на этот процесс кислорода воздуха может иметь место только в открытых чанах.
Цвет пива во время брожения становится менее интенсивным (рис. 39), что может быть следствием выноса в деку красящих веществ и восстановления окисленных дубильных веществ. Понижение pH во время брожения тоже может оказать влияние на цветность пива.

Следует отметить, что температурные режимы брожения в разных странах применяются разные. Например, применяемые в странах европейских резко отличаются от принятых в США. Пиво по своим вкусовым свойствам получается тоже разнос. Конечно, здесь играет роль не только режим брожения, но и ряд других обстоятельств. Попытки изучить влияние температурного режима брожения делались неоднократно.
Автор сравнил результаты холодного и теплого режимов брожения при доведении сбраживания до одной и той же величины. При колодном режиме дрожжи задавались при температуре 6° С, а максимальная температура достигала 8—9° С, при теплом режиме была принята температура соответственно 12° С и 13,5—14° С.
В табл. 99 приведены данные, характеризующие степень сбраживаемости пива при холодном и теплом брожении.

Очень близкие результаты (56,4 и 55,1% сбраживания) были получены при холодном ведении процесса брожения через семь суток, а при теплом — через трое суток.
Молодое пиво, быстро охлажденное на теплообменнике до 5° С, передано на дображивание в дубовые лагерные бочки при температуре в подвале 3° С, где пиво было выдержано в течение 27 сут. Процесс выдержки пива в обоих случаях проходил с одинаковой интенсивностью; быстрое охлаждение пива, сброженного при температуре 14° С, способствовало такому же осветлению его перед поступлением в подвал, как и пива, сброженного при низкой температуре.
pH пива в обоих случаях и после брожения, и после дображивания был почти одинаковым. Сбраживаемость пива, несколько отличающаяся от контроля, после дображивания выравнивалась, и показатели содержания алкоголя и действительного экстракта и обоих случаях были в готовом пиве очень близкими.
Несколько хуже при теплом режиме брожения протекала коагуляция белков, и в молодом пиве наблюдалась некоторая разница, которая не выравнивалась к после дображивания, Показатели вязкости пива и содержания коллоидов в обоих случаях были почти одинаковы. Некоторое различие наблюдалось в ненестойкости.
Дображивание пива не вызывало никаких осложнений. В тех случаях, когда вследствие недостаточного отделения дрожжей при брожении они попадали в лагерные бочки, дображивание протекало несколько бурно.
Коллоидное состояние веществ пива при холодном и теплом ведении процесса брожения, по-видимому, должно быть разное; изменение дисперсности коллоидных веществ зависит от скорости нарастания кислотности и, конечно, от температуры. Кислотность при указанных двух режимах нарастает разными темпами, поэтому полного совпадения ожидать трудно, но значительного приближения достичь можно. Близкие показатели молодого пива при разных режимах брожения можно получить, если приостановить течение теплого брожения на той стадии, до которой доводят пиво холодного брожения. Основное правило заключается в том, что пиво должно быть сброжено так, чтобы до конечной степени сбраживания оставалось около 10%. Это следует учитывать как при холодном, так и теплом брожении. По достижении такой степени сбраживания молодое пиво должно быть готово к передаче и подвал, т. е. иметь температуру около 5° С. Для этого, помимо усиленного охлаждения в течение последних суток, необходимо еще добиться резкого охлаждения пива в момент перекачки (пиво пропускают через промежуточный противоточный холодильник).
Автор достиг большого приближения в показателях пива, сброженного по указанным двум режимам брожения, по вязкости, пенообразованию и пеностойкости. Общее количество коллоидов равнялось при холодном ведении брожения 23,08 г на на 1 л, с при теплом 23,30; после добра жива ни я соответственно 21,76 и 22,08 г. Относительная вязкость пива в первом случае составляла 1,560, но втором — 1,542, В пенообразующей способности готового пива, сброженного по двум режимам, разницы не было. Оба образца пива оценивались одинаковым столбом пены, но стойкость пены при холодном брожении была выше, чем при теплом. Появление свободных от пены участков поверхности в первом случае произошло через 10,32 мин, а во втором — через 9,21 мин. Некоторыми дегустаторами была отмечена небольшая разница между образцами пива во вкусовом отношении.
Если же пиво при теплом режиме брожения было переброжено выше нормы, например, до 63,1 % вместо 55,1, то удовлетворительных результатов нельзя было получить ни по физико-химическим, ни по органолептическим показателям. Например, относительная вязкость при более высоком переброде равнялась 1,368, а при более низком — 1,451; высота пены была соответственно 22,5 и 26,5 см. Во вкусовом отношении пиво теплого брожения в этом случае значительно уступало пиву холодного брожения.
И.Я. Веселов, И.М. Грачева, Л.Л. Иванова провели несколько опытов по сравнению теплого режима брожения (начальная температура брожения 8° С и максимальная 12° С) с холодным (5 и 9° С соответственно). Продолжительность брожения в первом случае 5 сут, во втором — 6, но выдержку Жигулевского пива в первом случае сократили до 15 сут, вместо 21. Результаты исследования на содержание редуцирующих веществ, pH, содержание общего азота, распределение фракций азотистых веществ по Лундину, на общее количество аминокислот не показали существенного различия, что позволило сделать вывод, что интенсификация процесса приготовления пива путем повышения температуры главного брожения от 5 до 8° С существенно не сказалась на составе азотистых веществ сусла и пива.
В другой своей работе те же исследователи в заводских условиях, близких к указанным выше, не установили существенных изменений в процессе и характере образования высших спиртов.
Е.Я. Калашников (с сотрудниками УкрНИИПП) в своей работе (1937 г.) сравнивал результаты двух режимов брожения; 1) начальная температура 9° С, максимальная 12—13° С и конечная 6—8° С и 2) начальная 9° С, максимальная 8—9° С и конечная 4,5—6° С. При этом было установлено, что при выдержке пива второго режима вкусовые качества с 16 го дня но 21-й улучшились, а у пива первого режима улучшение происходило с 12-го до 16-го дня, а затем наблюдалось ухудшение. По стойкости пиво первого режима уступало пиву второго режима брожения.
По-видимому, изменение температурного режима брожения связано не только с продолжительностью брожения, но требует изменения сроков выдержки пива.
Перемешивание бродящего сусла способствует ускорению процесса брожения. Это с достаточной ясностью подтверждается в аналитическом методе определения конечной степени сбраживания при сравнении двух модификаций этого определения. Если вести анализ при периодическом взбалтывании сусла с дрожжами, полученный результат достигается за 24 ч, при непрерывном размешивании — за 4—5 ч.
Предложенные автором и широко внедренные в промышленность чаны в виде горизонтальных танков имеют преимущество перед чанами других конструкций по двум обстоятельствам. В них обрадуются довольно сильные конвекционные токи бродящей жидкости от центра к периферии, а площадь оседания дрожжей значительно больше, чем в вертикальных бродильных чанах; она равняется половине обшей внутренней поверхности танка, Наличие конвекционных токов бродящей жидкости и большая площадь соприкосновения сусла с массой дрожжей позволяют ускорить процесс сбраживания сусла.
Это наглядно показано автором и А.П. Зубенко на стеклянных бродильных сосудах при сравнении одних и тех же цилиндрических сосудов, расположенных вертикально и горизонтально.
Процесс главного брожения сопровождается выделением из сбраживаемого сусла ряда веществ, имеющих большое значение в создании органолептических свойств пива и его осветления. Изменение кислотности сопровождается выделением белковых веществ, особенно тех, изоэлектрическая точка которых лежит в непосредственной близости к pH пива. Вместе с белковыми веществами выделяется часть дубильных и горьких веществ и смол, а также вещества мертвых дрожжевых клеток. Эти хлопьевидные вещества обладают большой поверхностью и адсорбируют на пей более мелкие образования — частички холодного труба, ослабевшие дрожжевые клетки, частички мертвых клеток. Все эти агрегаты, выделившиеся из сбраживаемого сусла, вследствие своей плотности стремятся осесть на дно чана, но, встречая сопротивление со стороны пузырьков углекислого газа, выносятся на поверхность, где сначала образуют завитки светлого цвета в виде пены, которая постепенно спадает. Структурные элементы (твердая фаза) после удаления углекислого газа конденсируются на поверхности пива в виде сплошного, достаточно плотного слоя выделений (дека).
Дека примерно на 16% состоит из хмелевых веществ, которые выделяются вследствие нерастворимости при постепенно понижающейся величине pH, в результате чего содержание ценных горьких веществ хмеля понижается и бродящее пиво имеет меньшую горечь, чем сусло. Наряду с веществами хмеля удаляются и горькие, и дубильные вещества оболочки солода.
Потемнение деки обусловлено окислением кислородом воздуха веществ, входящих в ее состав, и в первую очередь дубильных веществ и горьких смол. Дека приобретает коричневый и даже черный цвет, особенно сильно выраженный в конце брожения, когда кислород воздуха легко диффундирует через слой углекислоты на поверхность пива.
Количество деки зависит от количества задаваемого в сусло хмеля, например при задаче хмеля 250 г на 1 г л было собрано 6,8 кг деки со 100 гл пива, а при задаче 370 г — 7,9 кг.
Если вещества окисленной и подсохшей деки в открытых бродильных чанах не будут удалены вовремя, то они вследствие смачиваемости и более высокой плотности могут после затухания брожения опять погрузиться в пиво, но не способны в нем раствориться и оседают на поверхность осевшей на дно чана дрожжевой массы.
В охмеленном сусле, поступающем после охлаждения в бродильные чаны, содержится еще значительное количество частиц холодного труба, что, как уже упоминалось, является нежелательным для нормального брожения. Для удаления этих взвешенных частичек было предложено предварительное брожение. При применении чанов предварительного брожения, в особенности большой емкости, обслуживающих несколько бродильных чанов, достигается более равномерная концентрация начального сусла, а продувание воздухом, применяемое для перемешивания сусла с дрожжами, способствует более равномерному развитию дрожжевых клеток.
Чаны предварительного брожения служат буферной емкостью, которая способствует получению пива более равномерного качества и проведению процесса брожения в одинаковых условиях с предварительным энергичным перемешиванием. Конечно, при этом происходит отделение частиц грубого труба, если они не были выделены раньше, и других крупных загрязнении, но основной цели — сколько-нибудь полное удаление холодного труба — при этом не достигается,
Дрожжи чувствительны к внешним условиям среды, а условия, создаваемые при закрытом брожении, отличаются от условий открытого брожения. Дрожжам необходимо приспособиться к новым условиям, только после этого они развиваются нормально, Ф. Виндиш утверждает, что дрожжевые клетки при развитии в закрытом чане в анаэробных условиях получаются больших размеров, богаче ферментами к обладают большей способностью к почкованию, чем при открытом брожении, что благоприятно отражается и на дальнейшем ходе брожения. Он также считает, что пиво, сброженное в закрытом чане, характеризуется большей свежестью, лучшей пеностойкостью и полнотой вкуса вследствие более прочной связываемости углекислого газа.
Автор и А.П. Зубенко показали на опытах брожения в стеклянных бродильных сосудах, что при закрытом брожении деки образуется значительно меньше и свойства ее другие, чем при открытом брожении. При закрытом брожении дека более рыхлая светло-коричневого цвета. Она собирается у стенок бродильного чана, оставляя большую часть поверхности свободной от деки. В открытых контрольных сосудах дека была нормальная, плотная, темного, почти черного цвета и покрывала всю поверхность пива.
При изготовлении пива в бродильных сосудах в виде горизонтальных танков пена завитков сначала собирается над пивом, заполняя сферическую часть цилиндра над жидкостью, затем пена спадает и дека в виде плотной массы концентрируется на внутренней поверхности стенок несколько выше поверхности пива. Несмотря на то что зеркало жидкости в данном случае значительно меньше, чем в открытом сосуде, дека на ней занимает лишь небольшую часть поверхности, располагаясь на поверхности пива не сплошной пленкой, а в виде отдельных островков.
При сливании пива из сосуда дека остается на стенках в виде плотного коричневого наслоения; частицы же плавающей на поверхности пива деки постепенно отходят к боковым стенкам сосуда, где л остаются или частично медленно перемещаются на поверхность дрожжевой массы. Таким образом, дека удаляется из пива и в лагерную посуду пивом не увлекается.
Следует отмстить, что использование хмеля при закрытом брожении, если во время брожения люки бродильного чана не открываются, вследствие отсутствия окислительных процессов более полное. Часть горьких веществ хмеля, которая при открытом брожении выделяется в деку, здесь небольшая и много этих веществ остается в пиве.