Продолжаем публиковать видеозаписи выступлений спикеров Второго международного семинара для технологов и руководителей пивоваренных предприятий, организованного компанией Profimalt. О разных видах затирания и факторах, влияющих на его эффективность, рассказала доктор технических наук, профессор кафедры технологии бродильных и сахаристых производств Воронежского государственного университета инженерных технологий Алла Чусова.

Виды затирания

Существуют способы затирания: настойный и отварочный. Если рассматривать подробнее, то, что в настойном, что в отварочном есть специфические паузы затирания, которые мы выдерживаем. Это белковая пауза, пауза мальтозная, пауза общего осахаривания, без которых, к сожалению, наш крахмал не сможет расщепиться до сбраживаемых сахаров. Поэтому и при отварочном, и при настойном способе все эти паузы мы выдерживаем.

Настойное затирание

Варианты настойного способа затирания. На первом графике представлено, что начало затирания начинается при температуре ниже температуры клейстеризации. На втором графике представлено, что начало затирания при температуре равной или превышающей температуру клейстеризации.

Что такое температура клейстеризации? Всем известно, что на клейстеризованный крахмал ферменты, содержащиеся в солоде, действуют намного лучше. Если брать данные, то температура клейстеризации солода 60-66 градусов, но иногда пивовары встречаются с нюансами. Когда крахмал солода представлен не только крупными гранулами, но и мелкими гранулами, тогда диапазон температуры клейстеризации бывает 70 градусов. Но в основном крахмал солода клейстеризуется при температуре 60-66 градусов. На этот клейстеризованный крахмал лучше всего действуют ферменты, поэтому мы и выдерживаем наши паузы – белковую, мальтозную и осахаривания. Белковую мы начинаем выдерживать при температуре 50-52 градуса.

Иногда, если у нас солод хорошо модифицированный, то производители пива начинают затирать солод при температуре 63 градуса. Тем самым они экономят время и пробрасывают паузу белковую. Все задают вопрос: «А что же, у нас в пивном сусле не накапливаются аминокислоты, которые являются питанием для дрожжей?». Но если солод хорошо модифицированный, то уже при затирании белки в виде аминокислот переходят в раствор, поэтому если мы начинаем затирать при температуре 63 градуса, то этим самым мы экономим время на затирание.

Одноотварочное совмещенное затирание

Есть и отварочный способ затирания. На первом слайде представлен одноотварочный совмещенный способ затирания. Он заключается в том, что доходя до температуры паузы мальтозной, производители пива отбирают 1/3 густой части затора в другой заторный аппарат. И эту отобранную массу они кипятят, тем самым достигают лучшей клейстеризации крахмала.

А потом наступает стадия разжижения крахмала, а если сравнивать клейстеризованный или разжиженный крахмал, то на разжиженный крахмал действуют лучше ферменты. Но, когда мы отбираем отварку, происходит не только клейстеризация и разжижение крахмала, но и ферменты тоже подвергаются определенным процессам. В общем заторе остается меньше ферментов для расщепления крахмала. Этот нюанс производители пива должны учитывать.

Раздельное затирание

Есть раздельный способ затирания. Он заключается в том, что начинают сначала затирать солод или соложеное сырье, 1/3 часть, потом выдерживают белковую паузу, паузу мальтозную, потом прокипятили нашу отварку. Только тогда добавляют основную часть солода с водой. Температура начинает равняться температуре мальтозной паузы.

Затирание с кипячением всей густой части затора

Еще существует способ затирания с кипячением всей густой части затора. Когда начинается процесс затирания, то после белковой паузы при температуре 50-52 градуса ждут, когда наш затор расслоится на густую и жидкую часть.

Жидкую часть перекачивают в другой заторный аппарат, в ней сохраняются по максимуму все ферменты. Густую часть мы нагреваем сначала до мальтозной паузы, потом до паузы осахаривания, а потом кипятим. Когда прокипятили, эту часть можно вернуть назад в жидкую часть. Все ферменты, которые находятся в жидкой части, они не подвержены температуре и на этот разжиженно-клейстеризованный крахмал они начинают лучше всего действовать.

Двухотварочное затирание

Двухотварочный способ затирания. Мы здесь видим, что у нас две отварки, но производители каждый раз должны учитывать, что когда они отбирают одну отварку, то цветность сусла возрастает, а когда две отварки, то цветность сусла резко возрастает.

Если мы делаем отварочный способ затирания, то мы должны учитывать, что идет увеличение цветности сусла – это минус, если светлый сорт пива и плюс, если темный сорт. Также иногда, когда отварка кипит, происходит испарение диметилсульфида, а это выгодно отражается на вкусе пива. Поэтому прежде, чем делать ту или иную отварку или работать настойным способом, нужно иметь в виду, что мы хотим в конечном итоге.

Мы должны учитывать, что при отварке происходит разрыв стенок клеток эндосперма под действием выделяющегося пара; происходит освобождение из белковой матрицы крахмальных гранул; ускорение клейстеризации крахмала; инактивация содержащихся в ней ферментов.

Трехотварочное затирание

Существует и трехотварочный способ затирания. Если производитель не хочет добавлять, например, карамельный жженый солод для придания соответствующего цвета, то он может спокойно перейти на трехотварочный способ затирания. Тем самым цвет пивного сусла станет больше 2,5 единиц цветности, и пиво будет по цвету темным.

Но по стоимости это достаточно дорого и большинство производителей работают на настойном способе затирания. Сейчас все солода отвечают требованиям, и производители пива могут спокойно работать на настойном способе затирания.

Ферментативный гидролиз при затирании

Поговорим об условиях ферментативного гидролиза при затирании. Все знают, что при ферментативном гидролизе должна выдерживаться специальная температура, продолжительность паузы, кислотность затора, концентрация затора.

Ферменты – это биологические катализаторы белковой природы, они уменьшают энергию активации, ускоряя специфические реакции. Обладают специфичностью по отношению к субстрату и к катализируемой реакции. Если происходит гидролиз с участием ферментов, то в 2 раза меньше нужно энергии активации, если гидролиз проходит без участия ферментов.

Все знают, что есть белки и крахмал – это субстрат. Наши амилазы – это ферменты, которые действуют. На белки действуют протеазы, на крахмал они не действуют, поэтому ферменты и субстраты это как замок к ключу. К одному субстрату подойдет только один ключ, т.е. определенный состав ферментов.

Какие факторы влияют на ферменты

Факторы, влияющие на ферменты: температура, рН, концентрация субстрата и концентрация ферментов. Если брать мальтозную паузу, то этот график показывает, что оптимальная температура действия для мальтозной паузы у нас 61-63 градуса. При этой температуре фермент действует на 100%, но это не значит, что если у нас температура затирания начинается с 45 градусов, то при этой температуре наш фермент не действует. Он тоже будет действовать, но не на 100%, а на 20-40%. Т.е. если мы начинаем затирать при 45 градусах, то при этой температуре будут не только гидролизоваться наши белки, но также произойдет частичный гидролиз крахмала. Бета-амилаза дойдет до активности в 100% при температуре в 63 градуса, потом резко наступает спад активности.

Это зависимость активности фермента от длительности термического воздействия. Максимальная длительность термического воздействия установлена при 65 градусах, ферменты действуют аж 140 минут. Но столько времени пивоварам не нужно и они сами решают по конечной степени сбраживания, какой длительности мальтозные паузы они будут выдерживать. Помимо температур влияет и рН затора. Для действия альфа-амилазы это 5,6-5,8, для бета-амилазы 5,4-5,6. Если наложить один на другой, то оптимум действия амилазы получается 5,6. Если 5,4, то активность фермента будет 80%, на 5,8 тоже 80%. Только резко щелочная зона снизит активность ферментов практически на 100%.

Также на активность ферментов влияет концентрация затора. Практически все пивовары используют концентрацию затора 1,4, но эти графики свидетельствуют о том, что чем более концентрирован затор, тем активность ферментов будет лучше. Но пивовары должны учитывать, что в концентрированном заторе могут возникнуть проблемы при фильтровании затора. А именно затор, в котором гидромодуль 1/3 будет фильтроваться намного медленнее, чем заторы с гидромодулем ¼. Поэтому основные ферментативные реакции при затирании это гидролиз крахмала и гидролиз белковых веществ.

При превращении крахмала при затирании сначала происходит клейстеризация крахмала, потом разжижение крахмального клейстера (при отварке) и собственно ферментативный гидролиз.

Оптимум действия альфа- и бета-амилаз при различных условиях определения активности. Обратите внимание, если брать чисто раствор крахмала, то рН для альфа-амилазы 5,6, а температура 60-65 градусов. Но если брать затор, т.е. помимо крахмала там содержатся и другие вещества, на втором месте там белок, то рН уже 5,6-5,8, а температура 72-75 градусов. Бета-амилаза любит кислую зону – рН 4,6. Если затор, то рН 5,4-5,6, но температура уже 60-65 градусов.

Также влияет температура затирания на конечное сбраживание сусла, потому что по нему мы можем судить, насколько полно мы сбродили пивное сусло, остались ли в готовом пиве сахара. Максимальная степень сбраживания сусла наблюдается при температуре затирания 62 градуса. Чем больше мы будем выдерживать эту паузу, тем больше будет конечная степень сбраживания сахаров.

При гидролизе крахмала при затирании должно быть обеспечено полное осахаривание затора (контролируется при йодной пробе), получение требуемых значений конечной степени сбраживания сусла. Пивовары также должны обращать внимание на соотношение сбраживаемых и несбраживаемых продуктов гидролиза крахмала. Их количество зависит от количества и состава амололитических ферментов, от доступности крахмала для действия ферментов и от условий затирания.

От чего зависит длительность процесса осахаривания

Влияние температуры на длительность процесса осахаривания. Здесь установлено, что чем выше температура, но выше 78 градусов мы не можем повышать температуру, продолжительность осахаривания у нас сокращается, доходит до 5 минут.

Влияние рН затора на длительность осахаривания и конечную степень сбраживания сусла. При значении затора рН 5,4 происходит максимальное количество сбраживаемых сахаров – 77,4. Но минимальная продолжительность осахаривания наблюдается при рН затора 5,64. Т.е. производители решают или накопить больше сбраживаемых сахаров или наоборот сократить продолжительность осахаривания.

Как влияет концентрация затора. Чем концентрированнее затор, например, соотношение 1:2, тем выше продолжительность осахаривания, 30 минут. Чем затор менее концетрированнее, тем продолжительность осахаривания ниже. Но конечная степень сбраживания сусла наоборот больше при концентрированном заторе и меньше, если затор менее концентрированный.

Условия эффективного ферментативного гидролиза крахмала: обеспечение оптимальных значений рН для проявления активности амилаз; присутствие достаточного количества ионов кальция; оптимальная концентрация затора; оптимальные значения температур для проявления активности альфа- и бета-амилаз; оптимальная продолжительность технологических пауз. Помимо гидролиза крахмала, который должен обеспечивать мальтозы 40-45%, мальтотриоза 11-13%, глюкозы 5-7%, т.е. всего 64-72% сбраживаемых углеводов. Пивовары должны знать, что конечная степень сбраживания для светлых сортов пива находится в пределах 79-83%, для темных – 68-75%.

Какие факторы влияют на гидролиз белка

Помимо гидролиза крахмала происходит также гидролиз белковых веществ. Основные ферменты, гидролизующие белки солода – это эндопептидаза и экзопептидаза. Ферменты расщепляют белок, и для пивоваров самое главное – это количество аминного азота, потому что он является питанием для дрожжей. Если его в пивном сусле не будет хватать, то дрожжи начинают расщеплять сами себя, вкус пива может резко измениться. Свободных аминных азотов в сусле должно быть достаточно. Например, при 55 градусах наблюдается максимальное количество свободного аминного азота, поэтому конечная степень сбраживания 71,5, а при 52,5 градусов свободный азот 15,5, а общий азот 72,5 мг, т.е. мы решаем, что нам лучше – 52 или 55, но в основном это где-то 52-53 градуса.

Содержание общего и свободного аминного азота. Если изначальная температура затирания в заторе была 45 градусов, то обращаем внимание, что у нас накапливается больше аминного азота, чем при температуре затирания 55 градусов. Свободного аминного азота у нас 103-119 мг, в зависимости от продолжительности этой паузы. Поэтому с одной стороны, если не хватает количества аминного азота — выгодно начинать затирание при температуре 45 градусов.  

Здесь показана продолжительность нашей белковой паузы. Я уже говорила, что иногда производители пробрасывают эту белковую паузу, но общий азот, высокомолекулярный азот, осаждаемый MgSO4, коагулируемый азот – я бы не сказала, что очень сильно отличается. Это свидетельствует о том, что если у нас высоко растворенный солод, то пробрасывает нашу белковую паузу.

Влияние рН на гидролиз белковых веществ. Мы здесь наблюдаем, что при рН 5,4 у нас наблюдаются максимальные значения. А вот концентрация затора никак практически не влияет на гидролиз белковых веществ. Вот на гидролиз крахмала влияет, а здесь если брать 1:2,5 или 1:4, то тот же самый аминный азот у нас 151, а при 1:4 148 – всего лишь каких-то 3 мг. Поэтому концентрация затора не влияет на действие наших ферментов.

Сравнение способов затирания

В заключении я бы хотела сказать о сравнении способов затирания. Начинаем с отварочного способа затирания. Достоинства: повышается степень клейстеризации и разжижения крахмала. Но вы должны учитывать, что белки той части затора, которую кипятят, меньше расщепляются. Если они меньше расщепляются, то производитель должен наблюдать за коллоидной стойкостью. И примечание, что отварочный способ увеличивает выход экстракта где-то на 1-2%.

Еще достоинство – происходит более сильное выщелачивание веществ, содержащихся в мякинных оболочках. Недостаток – уменьшение активности ферментов в объединенном заторе, поэтому гидролиз крахмала с одной стороны может пройти на все 100%, если той активности ферментов, которые находятся в солоде достаточно.

Ну и примечание: изменяются условия растворения отдельных компонентов, азотистых соединений, сахаридов, дубильных веществ, меланоидинов и минеральных веществ.

В достоинствах отварочного способа – усиленно испаряется диметилсульфид. Это с одной стороны хорошо, потому что диметилсульфид придает пиву привкус вареных овощей или сладкой кукурузы, но иногда происходит пригорание к стенкам или дну аппарата при медленном перемешивании.

Также плюс – максимальное извлечение веществ, придающих пиву вкус и цвет (для темных сортов пива), но занимает больше времени. Производители должны учитывать, что если особенно в летний период идет спрос на пиво, то должны определенным количеством варок заполнить наш бродильный аппарат. А если мы будем делать на отварочном способе затирания, то количество варок за сутки, конечно, будет меньше, чем при настойном.

Образуется больше меланоидинов – это вещества, которые обуславливают цвет нашего сусла. Достоинство: выход экстракта на 1-2% выше по сравнению с настойным способом. Недостатки: трудно осуществить на двухпосудном варочном оборудовании. Примечание: потребляется больше энергии, в среднем на 20%, при кипячении отварки.

Теперь настойный способ. Позволяет полностью использовать ферменты зерна, выход экстракта варочного цеха на 1-2% меньше по сравнению с отварочным способом затирания и переработка солода высокого качества. Возможность автоматизации технологического процесса приготовления пивного сусла, сведение к минимуму количество рабочего персонала, вдобавок ко всему низкое потребление энергии. Требуется только одна обогреваемая емкость, т.к. затор не перекачивается, поглощение воздуха минимально. Кислород при затирании ведет к окислению полифенолов, а с ними и к размыванию вкуса и более высокой цветности готового пива.

Если производитель работает с качественным солодом, то отварочный способ затирания нецелесообразно использовать по сравнению с настойным. Цель: кипячение отварки, перевести наш крахмал сначала в клейстаризованное состояние, потом в разжиженное. Потом наша отварка возвращается к основному затору, где содержатся ферменты. Уже на этот крахмал действуют ферменты, легче действуют и по времени меньше нужно. Температура затора, который перекачивается на фильтрацию, не должна превышать 78 градусов, потому что мы проверяем полноту осахаривания затора перед фильтрованием, он не должен давать синий окраски с йодом, и после фильтрования, когда уже сусло набирается.

Иногда возникает проблема, что после набора сусла мы начинаем проверять полноту осахаривания, а наше сусло дает коричневую окраску с йодом. В заторе не было, показывала желтая окраска, а после фильтрации откуда-то вылезла коричневая окраска. Это значит, что произошел неполный гидролиз нашего крахмала. Если будет температура больше 78 градусов, то в заторе остается только один фермент, все остальные ферменты гидролизованы, это альфа-амилаза.

Производителям пива необходимо, чтобы альфа-амилаза доосахаривала крахмал, который содержится в дробине, особенно в трудно растворенных кончиках зерна. Кончики зерна практически не гидролизуются, очень трудно расщепить крахмал, который в них содержится. Но промывание дробины происходит, вода выщелачивает этот крахмал и у нас получается этот окрас.

Если получили при йодной пробе бурый цвет, то здесь можно добавить ферментный препарат или из вашего солода сделать солодовую вытяжку и добавить в затор. Вы же не можете вечно придерживать температуру 75 градусов, значит, где-то произошел сбой, и осахаривание произошло не полностью. Например, поможет ферментный препарат «Терманил 120 Л». Там содержится термостойкая альфа-амилаза, которая выдерживает даже температуру кипения затора. Если брать статистику на этот фермент, то он выдерживает до 120 градусов.