§ 17.3. Технологія пива

Виробництво пива включає такі основні технологічні процеси: приготування пивного сусла, зброджування сусла, доброджуван- ня і дозрівання пива, освітлення і розлив пива у пляшки або кеги. На рис. 17.1 показано технологічну схему виробництва пива.

Приготування пивного сусла складається з п’яти стадій: під­готовка зернопродуктів (очищення, сортування, подрібнення); переведення екстрактивних речовин зернопродуктів (крохмаль, білки тощо) у розчин, тобто сусло (затирання); фільтрування затору (відокремлення сусла); охмелення сусла в результаті його кип’ятіння із хмелем або хмелевими препаратами; освітлення й охолодження сусла.

Найважливішим технологічним процесом під час приготу­вання сусла є перетворення нерозчинних компонентів солоду та його замінників (ячмінь, пшениця, рис, кукурудза, сорго, тритикале та інші зернові культури) у розчинний екстракт.

Рис. 17.1 — Принципово-технологічна схема виробництва пива

Перед подрібненням солод і його замінники очищають від пилу, органічних і неорганічних домішок. Для очищення зер- нопродуктів використовують повітряно-ситові сепаратори з маг­нітними пристроями, рухомими ситами та пиловідокремлюва- чами. Солод перед подрібненням зволожують, завдяки чому оболонка стає м’якшою і краще відокремлюється від ядра, утво­рюючи оптимальний фільтрувальний шар при розподілі затору на сусло і дробину.

Метою подрібнення солоду і зернопродуктів є створення най­сприятливіших умов для дії води і ферментів на фракції поме­лу, а також прискорення фізичних і хімічних процесів, чим за­безпечується швидке розчинення речовин та ферментативне перетворення нерозчинних сполук (крохмаль, білки тощо) у роз­чинні. Потрібно домогтися повного переведення екстракту зерно­продуктів у сусло.

При подрібненні зернопродуктів, як і солоду, оболонка повин­на залишатися у вигляді якнайбільших часточок, що забезпечує не тільки утворення оптимального пухкого фільтрувального ша­ру, а й значно перешкоджає переходу в сусло небажаних речовин.

Таке подрібнення у пивоварній промисловості можуть забез­печити тільки спеціальні вальцьові дробарки. Це шести-, чотири- і двовальцьові установки з автоматичним регулюванням і конт­ролюванням якості помелу.

Переведення екстрактивних речовин зернопродуктів і солоду у розчин (затирання) проводять у заторному апараті, де здійс­нюється змішування подрібненого солоду і зернопродуктів із во­дою, нагрівання і кип’ятіння заторної маси. Апарат являє со­бою циліндричну місткість із подвійним сферичним дном, що утворює парову камеру, за допомогою якої нагрівають і кип’ятять заторну масу. Апарат обладнаний розподільним краном для спря­мування перекачуваної заторної маси у фільтраційний апарат.

На стадії затирання ферменти, що є в солоді або добавлені ферментні препарати, розщеплюють наявні в ньому та інших зла­кових культурах крохмаль і білки. Продукти розщеплення — прос­ті цукри, амінокислоти та нижчі пептиди, можуть бути викорис­тані дріжджами під час зброджування сусла.

Під час виробництва пива солод використовують не тільки як основну сировину, а і як носій ферментів для розщеплення нерозчинних речовин. Але солодування — дорогий процес для накопичення ферментів. Значної економії можна досягти при частковій заміні солоду непророщеним зерном і ферментними препаратами (комплекс ферментів).

У процесі затирання в заторному апараті необхідно створи­ти оптимальні температурні умови для дії ферментів. Крохмаль піддається ферментативним змінам, що відбуваються у три ста­дії: клейстеризація, розрідження й оцукрення. Ферментативний гідроліз білків у заторному апараті відбувається під дією про­теолітичних ферментів.

Оптимальними температурними паузами під час затиран­ня солоду є: початок затирання за температури 40-45° С для розрідження затору під впливом цитолітичних та інших фер­ментів, потім температура затору підвищується до 50-52” С (білкова пауза), оптимальна температура для дії пептидаз; для одукрення крохмалю граничною температурою є 73° С, бо вона є оптимальною, для дії амілаз.

Отже, змінюючи температуру, тривалість витримування за­тору за певних температур, а також pH, можна регулювати фер­ментативні процеси і змінювати вихід екстракту, одержувати необхідні співвідношення між окремими продуктами гідролізу крохмалю і білків.

На ферментативні процеси при затиранні й, відповідно, на вихід екстракту та його склад, а також на коагуляцію білків і органолептичні показники готового пива, значно впливає показ­ник pH. Оптимальний показник pH для дії комплексу основних ферментів солоду під час затирання знаходиться в діапазоні 5-5,3. Якщо цей показник знаходиться вище, затор підкислю­ють молочною кислотою, тобто знижують значення pH.

На затирання 100 кг зернової сировини витрачається 400-500 л води. Гідромодуль затору значно впливає на швид­кість ферментативних реакцій під час затирання, оскільки про­цес оцукрювання і розкладу білків сповільнюється за зміни кон­центрації заторів.

У пивоварінні застосовують два способи затирання: настійний і відварний. За настійного способу для приготування затору вико­ристовують воду, підігріту до такої температури, щоб початко­ве її значення при змішуванні води із солодом було 40° С. У заторний апарат набирають половину розрахункової кількості води, а по­тім — одночасно подрібнений солод і залишок води при перемі­шуванні. Затор витримують ЗО хв за температури 40” С. Під час перемішування його підігрівають до 52° С зі швидкістю 2° С за хвилину і для ефективності дії пептидаз за цієї температури роблять паузу на ЗО хв. Далі масу підігрівають до 63” С (мальтоз­на пауза), витримують ЗО хв, потім — до 72” С і витримують до кінцевого оцукрювання, що визначають за йодною пробою. Оцук­рений затор нагрівають до 76-78” С і перекачують у фільтра­ційний апарат на фільтрування.

Одновідварний спосіб полягає в тому, що в заторний апарат набирають 1/2 від усієї маси води, яку витрачають на один затор, нагрівають її до такої температури, щоб після внесення подріб­неного солоду температура затору досягла 50-52° С. Потім вми­кають мішалку і спускають в апарат із бункера подрібнений со­лод, водночас подаючи решту води.

Температуру заторної маси після розмішування встановлю­ють у межах 50-52” С, що відповідає оптимуму для дії протео­літичних ферментів. За цієї температури затор витримують ЗО хв (білкова пауза), потім при вимкненій мішалці спускають у від­варний апарат 1/3 густої маси. Цю частину затору називають відваром. У відварному апараті заторну масу під час перемішу­вання підігрівають до 62-63° С і витримують 20 хв (мальтозна пауза), далі її підвищують до 70-72” С і витримують 15 хв для оцукрювання крохмалю. Після оцукрювання масу нагрівають до кип’ятіння і кип’ятять 20 хв за працюючої мішалки. Щоб зберегти активність ферментів в основному заторі, відвар перека­чують у заторний апарат повільно, спрямовуючи його у центр апарата для кращого перемішування. Одновідварний спосіб за­стосовують тільки під час перероблення добре розчиненого со­лоду з високою оцукрювальною здатністю.

Двовідварний спосіб затирання дає змогу переробляти со­лод різної якості, тому температурний режим затирання може змінюватися.

Тривідварний спосіб застосовують переважно під час виго­товлення темних сортів пива й перероблення погано розчине­ного солоду задля підвищення виходу екстракту.

Із солодом відповідної якості можна переробляти не більше 30% несолодженої сировини, тому що ферментів, які вносяться в затор із солодом, недостатньо для гідролізу крохмалю і білка. У пивоварній промисловості як несолоджену сировину переважно використовують пивоварний ячмінь II сорту (зі зниженою здат­ністю до проростання), а також кукурудзяне, пшеничне та ін­ше борошно).

Для успішного ферментативного гідролізу білків і крохмалю використовують ферментні препарати амілоризин ПХ (0,6-1% до маси сировини), цитороземін ПХ (0,5-1% до маси сировини), амілосубтилін Г10Х (0,03% до маси сировини) і мультиензимну композицію МЕК-1 (0,025% до маси сировини).

Щоб здійснити нормальний процес затирання, кількість фер­ментних препаратів, які вносять, повинна забезпечити гідроліз біополімерів зернових культур за час, установлений для зати­рання. Залежність кількості ферментних препаратів, які вно­сять, від кількості несолодженого ячменю в заторі встановлю­ють експериментально.

Застосування екологічно чистих ферментних препаратів у пи­воварінні не знижує якості кінцевого продукту, підвищує його стійкість і збільшує прибутки. При використанні ферментних препаратів на стадії виробництва сусла рекомендуються настій­ний, одновідварний роздільний, одновідварний сумісний способи затирання, які реалізуються згідно з технологічними інструк­ціями та регламентами.

Фільтрування затору, тобто розділення його на сусло і дро­бину, проводять у фільтраційному апараті в такій послідовнос­ті: підготовка фільтраційного апарата, заливка сит водою (=15 хв), перекачування затору у фільтраційний апарат (=20 хв), відстоювання затору (25-30 хв), пропускання мутного сусла через крани і повернення його у фільтраційний апарат (=10 хв), фільт­рування першого сусла (=90 хв), промивання дробини (=120 хв), вивантаження дробини (=25 хв).

Для фільтрування пивних заторів застосовують також фільтраційні преси, на яких усі трудомісткі процеси механізо­вані та автоматизовані.

Відфільтроване сусло, що надходить із фільтраційного апа­рата або фільтрпреса, кип’ятять із хмелем у сусловарильному апараті. Метою кип’ятіння сусла із хмелем є стабілізація його складу, упарювання до встановленої концентрації, екстрагу­вання із хмелю ароматичних і гірких речовин, інактивація фер­ментів, коагуляція білків та стерилізація сусла для забезпе­чення чистого бродіння й одержання стійкого продукту.

Після введення сусла в сусловарильний апарат температуру в ньому встановлюють у межах 63-75° С. За цих умов а-амілаза оцукрює крохмаль, який перейшов у сусло після промивання дро­бини. Після закінчення введення в сусловарильний апарат промив­них вод із фільтраційного апарата і при досягненні повного набору сусла його нагрівають до кип’ятіння і кип’ятять близько 2 год.

Хміль і продукти його перероблення вносять із урахуванням норми гірких речовин у гарячому суслі й умісту а-кислот у хме­лі. Норми гірких речовин (г/дал) у гарячому суслі для пива різних найменувань у допустимих межах залежать від способу виготовлення пива, якості хмелепродуктів, зернової сировини та води. У сусловарильний апарат хміль вносять порціями згід­но з технологічною інструкцією.

Сусло в сусловарильному апараті необхідно кип’ятити з та­кою інтенсивністю, щоб кількість води, яка випаровується, становила не менше 5-6% за 1 год. Кінець кип’ятіння визначають за масовою часткою сухої речовини в суслі, наявністю в ньому ве­ликих пластівців коагульованих білків і прозорості в гарячому стані. Масову частку сухої речовини визначають в охолодже­ній пробі сусла цукроміром.

Охмелене сусло — складна полідисперсна система (дисперсні колоїди, суспензії, емульсії та молекулярнорозчинні речовини). В екстракті сусла знаходяться в % до СР: мальтоза, глюкоза, фруктоза, декстрини (разом 60-70%), сахароза — 2-8; пенто­зани — 3-4; незброджувані декстрини — 15-20; сирий білок — 3-6; мінеральні речовини — 1,5-2.

У суслі також є хмелеві гіркі кислоти, смоли, дубильні ре­човини, ефірне хмелеве масло (близько 150-200 мг дубильних і 100-180 мг гірких речовин на 1 л сусла). З азотовмісних спо­лук у суслі є альбумози та пептони, амінокислоти, аміди, а також аміачний азот. Значна частина азотовмісних сполук (45-50%) являє собою речовини, що засвоюються дріжджами.

Після кип’ятіння сусло пропускають через хмелевіддільник, а потім направляють на охолодження та освітлення для зни­ження температури від 100 до 6 або 15° С (залежно від методів бродіння), насичення сусла киснем, щоб в аеробних умовах бродіння дріжджі активно розмножувались і осаджували завис­лі часточки. Повне освітлення сусла під час охолодження усуває труднощі, що виникають у процесі основного бродіння, а також запобігає розвитку диких дріжджів, помутнінню та інфікуван­ню пива.

Попереднє охолодження сусла і його освітлення проходять у відстойному апараті, який має форму циліндричного резервуа­ру із сорочкою або змієвиком із плоским, трохи похилим дном і сферичною кришкою.

Освітлення сусла можна проводити також у гідроциклонному апараті, який являє собою циліндр із конічною кришкою і плос­ким дном. Гаряче сусло входить в апарат у вигляді струменя тангенційно через вхідний патрубок зі швидкістю 20 м/с, завдя­ки чому відбувається обертання його всередині апарата. Завис­лі частинки сусла під дією гідродинамічних сил збираються в центрі дна, де утворюється конус осаду, який періодично від­водиться. Сусло освітлюють також на сепараторах.

Найбільш ефективним і гігієнічним способом підготовки сусла до бродіння є його охолодження на пластинчастих тепло­обмінниках, які використовуються і для пастеризації пива та стерилізації сусла.

Для попереднього охолодження сусла у пластинчастому теп­лообміннику використовують артезіанську воду температурою до 20° С, а для остаточного охолодження — льодяну воду темпе­ратурою 1° С або ропу.

Контроль підготовки сусла до бродіння (охолодження та освіт­лення) полягає в установленні нормативного ступеня зброджу­вання, втрат екстракту між сусловарильним і бродильним апа­ратами, ступеня освітлення та біологічному контролі. Утрати екстракту від варильного до бродильного відділення визначають, виходячи з різниці між виходами екстракту в цих відділеннях. На основі одержаних даних установлюють кількість сусла у бро­дильному апараті. Утрати екстракту від варильного до бродильного відділення не повинні перевищувати 1%. Для їх зменшення слід старанно видалити сусло з відстою та хмелевої дробини.

Зброджування пивного сусла проходить у бродильних апара­тах різних типів. Збудниками бродіння є дріжджі, які являють собою одноклітинні мікроорганізми рослинного походження. Дріжджова клітина складається з оболонки, ядра й цитоплазми.

Дріжджі містять у своєму складі 75% води і 25% сухої ре­човини, до якої належать азотовмісні речовини, безазотисті екстрактивні речовини, мінеральні речовини та жири. До скла­ду дріжджів входять також вітаміни В_1? В₂, В₆, С, Е, Д₂, а та­кож внутрішньоклітинні й позаклітинні ферменти.

Розмноження і ріст дріжджів здійснюються завдяки аси­міляції розчинних у суслі поживних речовин, а хімічна енер­гія для цього виробляється у клітині. Одночасно з асиміляцією в організмі клітини відбуваються процеси дисиміляції, тобто розпад речовин, що супроводжується виділенням енергії, яка використовується для синтезу з метою підтримання життя клі­тини. Таким чином, обидва процеси — асиміляція і дисиміля­ція взаємопов’язані й здійснюються у клітині одночасно.

Бродіння і дихання — дві форми дисиміляції. Бродіння є анаеробним обміном речовин дріжджової клітини, коли вугле­води частково перетворюються в етиловий спирт і діоксид вуг­лецю, на відміну від дихання; цей самий субстрат повністю окислюється з утворенням діоксиду вуглецю та води.

Дріжджі протягом усього періоду росту одночасно зі зброджу­ванням цукрів асимілюють із амінокислот близько 45% азоту, органічних і неорганічних амонійних солей з утворенням і ви­діленням азотистих речовин, летких і нелетких кислот.

Розмноження дріжджових клітин брунькуванням — основ­ний шлях їх нагромадження за нормальних умов у бродильному апараті. Спочатку на материнській клітині в аеробних умовах утворюється маленька дочірня брунька, яка, досягнувши від­повідної величини, відокремлюється від материнської клітини і веде самостійне життя, тобто асимілює поживні речовини й розмножується. Період часу від початку брунькування мате­ринської клітини до брупькування дочірньої називають триваліс­тю генерації.

Культивування (розмноження) дріжджів у пивоварінні про­водять періодичним і напівбезперервним способами.

Важливе значення для освітлення пива після його зброджу­вання має аглютинація (флокуляція або склеювання та осідан­ня) дріжджових клітин, тобто здатність дріжджів укрупнюва­тися в конгломерати (аглютинати) і швидко осідати на дно. Це пов’язано з електричним зарядом дріжджів і їх автолізом. Під дією власних ферментів при старінні клітини відбувається біо­хімічний розпад білків, вуглеводів та жирів і вони розчиняють­ся, тобто піддаються автолізу.

Розрізняють сильно- і слабозброджувальні дріжджі, а також дріжджі верхового і низового бродіння. Усі пивні дріжджі зав­жди повинні бути мікробіологічно чистими, пластівцеподібними, швидко зброджувати сусло й осідати на дно, утворюючи чисте освітлене й прозоре пиво з повним смаком і ароматом. До таких дріжджів належить раса 11 сильнозброджувальна з високою здатністю до освітлення. Пиво, одержане з її використанням, приємного смаку. Дріжджі рас 41 і 44 — середьозброджувальні, з високою здатністю до осадження та освітлення. Пиво з ними має м’який, повний і чистий аромат. Заслуговують уваги львівсь­кі раси дріжджів Є і Р, та чеська Р і німецька 34-М. Міцність пива при зброджуванні німецькими расами може досягати 10% об. за високої концентрації сусла (18% сухої речовини і більше). Це дріжджі низового бродіння.

Дріжджі верхового бродіння (191-К та інші) застосовують переважно для одержання темних або спеціальних сортів пива.

Механізм спиртового бродіння в анаеробних умовах являє собою складний біохімічний процес перетворення вуглеводів у результаті метаболізму дріжджів і дії їх ферментів у спирт та діоксид вуглецю і виражається рівнянням:

С₆Н₁₂0₆ = 2С₂Н₅ОН + 2С0₂ +118 кДж.

Із 180 г глюкози теоретично можна одержати 92 г спирту, 88 г діоксиду вуглецю та ряд побічних вторинних продуктів (глі­церин, янтарна кислота, вищі спирти (близько 50), альдегіди та інші). Пі д час аеробного бродіння з повним окисленням вуглево­дів утворюється вода, діоксид вуглецю і великий приріст біомаси.

Під час бродіння сусла пиво насичується діоксидом вугле­цю до 0,02% і після витримування у відділенні доброджування

за температури близько 0° С і тиску до 0,13 мПа кількість С0₂ збільшується до 0,4-0,45%.

Сучасна технологія пива характеризується суміщенням бродіння і доброджування у циліндроконічному апараті. Суть її полягає в тому, що в одному апараті великого об’єму (від 100 до 2 000 м³) із добовим заповненням його суслом за температури 8-19° С та дріжджами суміщають два ступені: головне бродін­ня і доброджування. Увесь біотехнологічний процес триває 14-15 діб замість 28 (для Жигулівського пива).

З першим освітленим суслом у конічну частину апарата вво­дять сильнозброджувальні дріжджі (300 г на 1 гл сусла) і про­водять аерацію стерильним повітрям. Температура бродіння підтримується в інтервалі від 9 до 14° С і регулюється подачею холодоагенту (через зовнішні пояси або виносний теплообмін­ник). Закінчення бродіння визначають за припиненням змен­шення масової частки сухої речовини у пиві протягом 24 год. На п’яту добу досягають видимої кінцевої масової частки 2,2-2,5% сухої речовини. Потім пиво охолоджують до утворення щільного осаду дріжджів за температури 0,5-1,5° С. У ци­ліндричній частині температура 3-4° С зберігається протягом 6-7 діб, а потім знижується до 0,5-1,5° С і проводять процес доброджування пива. Дріжджі знімають з конічної частини че­рез 10 діб від початку бродіння.

У пивоварінні застосовують низку способів зброджування пив­ного сусла і доброджування пива. Це періодичний, прискоре­ний, напівбезперервний у циліндроконічних бродильних апа­ратах тощо.

За класичною традиційною технологією розрізняють холод­не (5-8° С) і тепле (7-12° С) бродіння в апаратах періодичної дії. Основний показник бродіння — кінцевий ступінь зброджуван­ня. За низового бродіння в молодому пиві залишають частину вуглеводів (1-1,5% ) для доброджування і природного насичен­ня пива діоксидом вуглецю.

У разі роботи на чистій культурі основою є дріжджі, які одержують зі спеціальних лабораторій. Розмноження дріжджів у поступово зростаючих кількостях стерильного сусла досягає об’єму, необхідного для введення в один виробничий бродиль­ний апарат. Осад дріжджів після першого зброджування за класичною періодичною технологією у виробничому апараті називають засівними дріжджами першої генерації. Після на­ступного зброджування сусла дріжджами першої генерації в осаді одержують дріжджі другої генерації, а осад дріжджів, використаний, наприклад, у десяти бродильних циклах, відпо­відно називають дріжджами десятої генерації і т. д.

У класичній технології дотримуються двоступеневого бродіння, за яким відразу після головного бродіння в окремих апаратах (перший ступінь) молоде пиво звільняється від основ­ної маси дріжджів, охолоджується та доброджує (другий сту­пінь) і дозріває у спеціальних апаратах. Метою доброджування є завершення розпочатого при головному бродінні біохімічного перетворення дріжджами, що залишилися, решток екстракту в кінцеві продукти — діоксид вуглецю, спирт, ефіри, альдегі­ди, вищі спирти, органічні кислоти, амінокислоти тощо. При цьому діацетил перетворюється в ацетоїн, тобто відбувається остаточне формування аромату, смаку, піностійкості та стій­кості пива.

Під час доброджування пива в горизонтальних або верти­кальних апаратах відбуваються ті самі біохімічні процеси, що й під час головного бродіння, але через низьку температуру і не­велику кількість дріжджових клітин вони значно сповільнені. Уміст розчинного діоксиду вуглецю збільшується від 0,2% до 0,4% за оптимального тиску в апараті 0,04-0,07 МПа.

Після дозрівання пиво витримують і фільтрують. Для підви­щення стійкості його попередньо обробляють таніном, актив­ним вугіллям, протеолітичними ферментними препаратами. Осідання і своєчасне виокремлення дріжджових клітин сприяють зникненню складних хімічних перетворень, що суттєво впли­ває на формування смаку та аромату пива, головним чином, за рахунок утворення ароматичних спиртів та ефірів.

Після витримування пиво фільтрують через діатомітові, мемб­ранні або інші фільтри задля видалення макромолекул білків, дріжджових клітин, білково-дубильних сполук та хмелевих смол.

Розлив пива у скляні пляшки здійснюють на автоматичних лініях, які складаються з автомата для виймання пляшок із ящика, пляшкомийної машини, розливного, закупорювально­го, бракеражного, етикетувального автоматів та автомата для укладання пляшок в ящики. Пиво розливають також у пласт­масові екологічно чисті пляшки, пивні банки зі спеціальної листової жерсті, призначеної для харчових продуктів і напоїв, та кеги місткістю 10-60 л.