Вступление
Эта статья даёт базовые знания, полезные для понимания химии воды в пивоварении. Вода — основной и самый главный «кирпичик» в деле пивоварения. Объём воды в пиве может доходить до 97%, поэтому она является самым важным компонентом пива. В воде может быть растворено множество ионов и веществ. Хоть вода и кажется простой, её ионный состав может в значительной мере влиять на качество и восприятие готового пива.
Источники воды
Происхождение воды имеет прямое влияние на её пригодность для пивоварения. Одни пивовары полагаются на городскую водопроводную воду, другие же могут иметь свои колодцы, скважины, сборники дождевых осадков и другие местные источники. Тип источника также может влиять на количество воды и постоянство её минерального состава.
Городские источники, как правило, имеют подтверждение о том, что вода безопасна и пригодна для питья. Городские станции водоподготовки обычно используют открытые (реки, озёра и водохранилища) и подземные источники (скважины и колодцы). Различные процессы могут повлиять на количество и качество воды из источника в течении года. К примеру, большие объёмы талого снега или сильный ливень могут привнести более мягкую воду в поверхностный источник, который в другое время года становится более минерализованным за счёт подземных вод. К тому же, источники городской воды могут меняться между поверхностными и подземными во время засушливых периодов.
Городские станции водоподготовки обязаны дезинфицировать питьевую воду и поддерживать дезинфицирующие свойства в водопроводной системе. Чаще всего в этих целях используются галогенные соединения (обычно — хлорные). Если сырая вода не подходит для питья ввиду своей жёсткости или излишней минерализации, станции водоподготовки могут обрабатывать воду для снижения жёсткости или минерализации перед направлением её к потребителю через водопровод.
Различные ионные составляющие воды могут повлиять на процесс затирания и вкусовые ощущения в готовом пиве. Ионы в основном попадают в воду из почвы и каменных минералов, с которыми она контактирует, протекая через своё окружение. В местностях, где почва и каменные минералы менее растворимы, уровень минерализации воды может быть меньше. В свою очередь, если почва и минералы более растворимы, значительное количество ионов может растворится в воде. Влияние этих растворённых ионов на процесс пивоварения представлено в следующих частях статьи.
Колодцы питаются водой от подземных водоносных слоёв. Если эти слои изолированы от озёр, рек, болот и морской воды, качество воды из них более-менее постоянно в течении года. Колодцы же, которые не изолированы от озёр и рек, могут иметь качество воды весьма сходным с качеством воды той системы, с которой они связаны. Как и с поверхностными источниками, на минерализацию подземной воды влияет тип почвы или минералов, через которые она протекает. Подземная вода, протекающая через известняк и гипсовые образования обычно более жёсткая, чем вода, протекающая через гранит или известняк.
Скважины наполняются из других источников подземной воды. Как и с источниками, описанными выше, понимание качества воды из скважины также важно. Вкус и ионный состав воды должен быть подходящий для пивоварения, и вода должна быть очищена от химикатов и микробов. Полигоны, свалки отходов и водоочистные сооружения — примеры производств, которые могут влиять на состояние подземного источника. Происхождение воды из скважины само по себе не может являться гарантией того, что она безопасна для питья и пригодна для пивоварения.
Вода в реках и озёрах может менять своё качество в тёплые периоды из-за естественного увеличения количества водорослей и микробов (цветение), что может дать ей неприятный вкус и запах. Эти вкусовые и ароматические составляющие могут остаться в воде после её обработки на городских водоочистных сооружениях и привнести нежелательные вкусы и ароматы в пиво.
Если вода, доступная пивовару, имеет низкое качество, дополнительная водоподготовка может помочь исправить ситуацию. Такие мероприятия как дистилляция, обратный осмос, угольная фильтрация, умягчение воды гашеной известью (реакция Кларка), кипячение, добавление минералов могут улучшить качество воды из источника. Понимание источника воды, его ограничений и склонностей к изменению может помочь повысить качество и целостность продукта.
Минералы и химия пивоварения
Растворённые в воде минералы имеют важное влияние на общую химию процесса пивоварения. Ионы из этих минералов изменяют рН воды, её жёсткость, щёлочность, остаточную щёлочность и минеральный состав. Эти параметры являются самыми важными факторами в определении пригодности воды для пивоварения. Изменение одного параметра может повлиять на другие. Обсуждение каждого из них представлено далее.
РН воды
рН является мерой кислотности или щёлочность водного раствора и зависит от концентрации ионов водорода (H+) в растворе. Очень малый процент молекул воды (H2O) в растворе естественным образом распадается на два иона: протон (ядро водорода, Н+) и гидроксил (ОН-). Нейтральный рН (7.0) указывает на равное количество этих ионов в чистой воде (при 25 градусах Цельсия). Кислые растворы имеют рН от 0 до 7, тогда как основные имеют рН от 7 до 14. рН обычной городской водопроводной питьевой воды находится в значениях примерно между 6.5 и 8.5. График, расположенный ниже, показывает рН диапазон обычной водопроводной воды и рН затора при затирании.
рН сырой воды, используемой в процессе варки пива не иммеет особо важного значения для пивовара. Главный интерес — в рН затора во время затирания. Такие факторы, как основность воды и засыпь солодов имеют более значительное влияние, чем начальный рН сырой воды.
рН затора влияет на разные факторы, в их числе: сбраживаемость, цвет, прозрачность, вкус сусла и пива. Слегка кислый затор между 5.2 и 5.8 рН (при комнатной температуре) улучшает энзимные процессы во время затирания. Нижние значения этого промежутка дают более сбраживаемое сусло и тонкое тело. Также при этих параметрах повышается эффективность затирания, достигается более светлый цвет, улучшается коагуляция белка при варке, и пиво в итоге имеет меньшую склонность к замутнению. Позволяя рН затора опуститься ниже этих значений, можно увеличить возможность растворения излишнего количества белков в сусле (De Clerck, 1957). Более высокие значения из этого диапазона дают менее сбраживаемое сусло и более плотное тело (Briggs et. al., 1981). Регулирование рН затора позволяет пивовару получать сусло с нужным характером, необходимым для готового пива. В большинстве случаев рекомендуется удерживание рН затора в значениях между 5.3 и 5.5.
Даже небольшое увеличение рН затора может привести к проблемам в готовом пиве. Повышенный рН сусла и пива делает ощущение горечи в напитке более грубым и менее приятным. Изомеризация альфа-кислот во время варки увеличивается при повышении рН сусла, что может добавить излишней грубости. Другая проблема заключается в том, что высокий рН сусла и готового пива замедляет процесс снижения уровня диацетила в пиве во время его созревания. При затирании с рН выше, чем 6.0 возможно вымывание неприятных на вкус силикатов, танинов и полифенолов из зерна в сусло (Briggs et. al., 1981). Снижение рН промывочной воды до 5.5-6.0 может помочь избежать повышения рН затора при промывке.
Показания при измерении рН зависят от температуры затора. Существует два главных фактора, влияющих на измерения. Первый — химические изменения, вызванные энергетическими изменениями в воде, что облегчает протонам водорода (Н+) отрыв от молекул кислот в заторе. Второй — изменения отклика электрода рН-метра с изменением температуры. Эти два фактора дают показания рН на 0.2–0.3 выше при 60 градусах, чем при измерении при комнатной температуре. Поэтому стоит стандартизировать температуру измерения рН. Все значения рН, представленные в этой статье, измерены при комнатной температуре (20–25 градусов).
Пивоварам стоит отметить себе, что ATC рН-метры (ATC — Automatic Temperature Compensating, Автоматическая компенсация температуры — прим. ред.) компенсируют только отклик электрода рН-метра при изменении температуры. Эта функция никак не компенсирует то реальное повышение рН, что было упомянуто выше. Все измерения рН должны проводиться при комнатной температуре. Также, следует заметить, что в большинстве рН-метров электрод является тонкой стеклянной колбой, которая будет подвергаться большему стрессу при измерениях при высокой температуре, что приведёт к его преждевременному выходу из строя. Исходя из этого, использование ATC рН-метров не востребовано в пивоварении, так как всё так же требуется снижение измеряемого образца до комнатной температуры для избегания вариативности показаний и повреждения электрода рН-метра.
Замечание 1: рН-метры требуют регулярной калибровки для проверки их измерительной точности. Рекомендуется пользоваться калибровочными буферными 4.86 и 8.01 растворами. Храните Ваш рН-метр так, как указано в инструкции к нему.
Замечание 2: Пластиковые рН-полоски, часто используемые пивоварами, по отзывам дают неточные показания, ниже на 0.2–0.3 единицы от реальных. Следует с осторожностью пользоваться рН-полосками для измерений рН затора. При невозможности измерить рН другим способом, кроме как рН-полосками, пивовару советуется получать значения рН на 0.2 единицы ниже запланированных, чтобы не превысить допустимый рН. Показания рН-полоски в районе 5.0–5.2 говорят о приемлемом уровне рН в 5.3–5.5. Так как принцип действия рН-полосок на их реакции с растворёнными в воде ионами, относительно слабая ионная активность конкретной воды может не дать быстрых показаний. Производители рекомендуют оставлять полоски в растворе хотя бы на минуту. Бумажные рН-полоски не рекомендуются для использования в пивоварении, так как имеют меньшую точность, чем пластиковые.
Жёсткость
Жёсткость воды в первую очередь связана с кальцием и магнием в её составе. Высокая концентрация ионов кальция или магния даёт жёсткую воду, низкая — мягкую.
Распространено заблуждение среди пивоваров, что для пивоварения жёсткая вода нежелательна. Это неправда. Более подходящее описание пригодности воды может быть выражено так:
Жёсткость → Хорошо
Щёлочность → Плохо
Жёсткость или мягкость воды не говорит о пригодности или непригодности для пивоварения. Как будет показано в следующих разделах, как и очень мягкая, так и очень жёсткая вода могут быть использованы, если для затирания достигнута подходящая щёлочность. Не смотря на то, что в пивоварении часто требуется минимальное содержание кальция, вода средней и высокой жёсткости может быть желательной для приготовления пива определённых стилей. Хоть и в противовес вышесказанному, определённый уровень щёлочность может также быть востребованным. Проблема в том, что очень много водных источников имеют слишком высокую щёлочность, чем требуется в пивоварении. Высокая щёлочность может привести к слишком высокому рН при затирании.
Жёсткость воды бывает постоянной и временной. Эти формы жёсткости будут рассмотрены далее.
Ÿ Временная (устранимая) жёсткость — результат соединения кальция или магния с карбонатами и бикарбонатами в воде. Временную жёсткость можно понизить кипячением или умягчением гидрокарбонатом кальция.
Ÿ Постоянная жёсткость — результат соединения кальция или магния с такими анионами, как хлориды и сульфаты. Эти соединения не могут быть убраны кипячением. Необходимо провести мероприятия для уменьшения постоянной жёсткости воды. В их числе — дистилляция, деионизация, обратный осмос.
Ÿ Общая жёсткость — сумма временной и постоянной жёсткостей.
Щёлочность
Щёлочность — мера «буферной» ёмкости раствора и его способности к нейтрализации сильных кислот и сопротивляться изменению рН. Щёлочность выражается в количестве кислоты, требующейся для понижения рН раствора до определённого рН (обычно 4.3–4.5). Щёлочность главным образом связана с концентрацией карбонатов (CO3), бикарбонатов (HCO3) и гидроксилов (ОН-) в воде. Более высокая щёлочность требует большего количества кислоты для изменения рН.
Щёлочность имеет значительное влияние на вкус пива. Повышенная щёлочность может привести к слишком высокому рН сусла и пива, от чего вкус пива пострадает. Высокий рН сусла и пива может дать «dull» вкусы, грубую горечь, и тёмный цвет пива. Соответственно, когда щёлочность низкая, рН пива и сусла тоже будут слишком низкими, что по-своему влияет на вкус пива. Вкус пива отличается от вкуса вина главным образом из-за разницы в щёлочности между пивным суслом и винной мезгой. Вкус вина может быть охарактеризован как кисло-сладкий, в ту очередь как пива — горько-сладкий. Кислотность вина поддерживает баланс с его сладостью, в то время как в пиве эту роль играет хмельная горечь. Щёлочность винной мезги обычно отрицательная, т.к. его рН ниже 4.3. После брожения рН вина обычно опускается до значений 3.0–3.5. Щёлочность пивного сусла позволяет сохранять рН пива в диапазоне 4.0–4.5 единиц и помогает избежать винно-кислого характера.
Даже при использовании воды с очень низкой щёлочностью, компоненты солода буферизуют сусло и дают рН в приемлемом диапазоне (5.2–5.4). Пивоварам следуют избегать излишнего окисления сусла, если они не хотят получить пиво с терпким или винным характером. Влияние щёлочности воды на процесс пивоварения можно оценить с помощью понятия остаточной щёлочности.
Остаточная щёлочность
Остаточная щёлочность (ОЩ) — это величина, выведенная из жёсткости и щёлочности воды, помогающая оценить потенциальное состояние рН при затирании. ОЩ была описана в 1940-ые Полем Кольбахом (Paul Kohlbach). Он показал, что во время затирания кальций и магний в воде реагирует с фосфатными составляющими (фитином) солода, производя кислоты, которые нейтрализуют щёлочность воды. Это взаимодействие жёсткости воды и её щёлочности выражается остаточной щёлочностью. ОЩ — специфичный показатель в пивоварении и важный фактор при определении пригодности воды для пивоварения. ОЩ рассчитывается по формуле, где кальций, магний и щёлочность указываются в мЭкв/л или ppm (Parts Per Million). Уравнение ниже предполагает использование в качестве ppm как CaCO3.
С ОЩ пивовар может лучше понимать взаимодействие щёлочности и жёсткости воды и её влияние на химию затирания и производительность. Упрощённая диаграмма, изображающая щёлочность, твёрдость и ОЩ представлена ниже. Линии постоянной ОЩ пересекают график по диагонали. Этот график основан на работе A.J. Delange.
Как видно из графика, ОЩ может быть изменена как регулировкой жёсткости, так и щёлочности. Как вариант, «бёртонизация» воды путём добавлением гипса и/или сульфата магния является примером уменьшения ОЩ путём уменьшения щёлочности. Дегазация воды кипячением может быть использована для уменьшения ОЩ с большими значениями устранимой жёсткости, так как этот процесс уменьшает щёлочность. Разбавление воды дистиллированной водой или водой из обратного осмоса уменьшает ОЩ разбавляемой воды.
ОЩ даёт примерное представление о том, каким будет рН затора будет в конечном итоге, и если есть необходимость в корректировке характеристик воды. Хоть график и предполагает, что цвет пива влияет на желаемую ОЩ, эта связь более сложная. Кислотность, обеспечиваемая разными типами солода не пропорциональна цвету, который они дают пиву. Следовательно, прямой связи между цветом пива и ОЩ быть не может.
Различные солода, используемые в пивоварении, в целом можно разделить на четыре категории: базовый солод, карамельный солод, жжёный солод и кислый солод. Каждая категория имеет различные характеристики кислотного содержимого.
Ÿ Базовые солода — это солода, которые не прошли температурную обработку для превращения их крахмального содержимого в сахара, и которые имеют относительно низкую цветность (<20 Lovibond или <52 EBC).
Ÿ Карамельными называют солода, которые прошли температурную обработку для превращения их крахмального содержимого в сахара, и которые имеют цветность до 200 Lovibond (~530 EBC).
Ÿ Жжёные солода — солода, которые были поджарены до цветности более 200 Lovibond (~530 EBC).
Ÿ Кислый солод — светлый солод, который опрыскан молочной кислотой и используется для корректировки рН затора.
Содержание кислот в жжёных и кислых солодах является относительно постоянным в каждой категории и их содержание кислоты в них существенно не изменяется с изменением цвета. В базовых и карамельных солодах содержание кислоты действительно изменяется с их цветностью. В таблице ниже описаны основные изменения содержания кислоты для разных категорий солода. Информация по содержанию кислот в солодах была взята исследования, выполненного Kai Troester, 2009. Имейте в виду, что есть зёрна и солода, которые не совсем соответствуют отношениям, представленным ниже. Не стоит ориентироваться на цветность при прогнозировании рН затирания.
| Отношения кислотного содержимого | |
| Тип солода | Кислоты (mEq / lb) |
| Базовый | (0.28 x Lovibond Rating) |
| Карамельный | (0.21 x Lovibond Rating) + 2.5 |
| Жжёный | |
| Кислый |
Даже при том, что между цветом пива и ОЩ не может быть прямых и точных отношений, общее соотношение очевидно. Более светлые напитки выигрывают от низкой ОЩ а тёмные сорта — от высокой. В то время как кислотное содержимое затора увеличивается, ОЩ воды также должен пропорционально увеличиваться для поддержания нужного рН.
Успех в производстве светлого пива в Пльзене в мягкой и низкощёлочной воде, встречающейся там (ОЩ около 0). В то время как известность бледных элей из Бёртона-на-Тренте связана с очень высокой жёсткостью местной воды, хотя её ОЩ такая же низкая. Воды с низкой ОЩ хорошо подходят для производства светлого пива, т.к. рН затора с большей вероятностью будет в нужном диапазоне. Для варки тёмных же сортов такая вода не так хорошо подходит, потому кислые тёмные солода в засыпи могут сместить показания рН затора ниже желательных значений, что снизит эффективность работы энзимов и, возможно, привнесёт в пиво острый, кислый и терпкий характер.
Успех в производстве тёмных сортов пива в таких местах как Дублин, Эдинбург и Лондон, где вода имеет высокую ОЩ, связан с использованием тёмных солодов в засыпи. Повышенная щёлочность воды и в результате повышенная ОЩ смягчает увеличенное содержание кислоты из тёмного зерна, что позволяет производить более мягкие на вкус тёмные сорта пива, которые варят в этих местностях. Эти условия дали им репутацию мест, где варят хорошее тёмное пиво. Без дополнительного добавления тёмных солодов с кислотной составляющей, чтобы нейтрализовать высокую щёлочность, рН затора не опускался бы в желаемый диапазон для хорошей работы ферментов и получаемое пиво могло бы иметь резкий характер из-за выщелачивания силикатов, дубильных веществ и полифенолов в сусло во время затирания. Светлое пиво хорошего качества в этих местностях производить гораздо сложнее, если не понижать щёлочность используемой воды. При использовании воды с повышенной щёлочностью для производства светлого пива требуется дополнительное добавление кислот. В этих целях можно использовать кислотную паузу при затирании, кислый солод или жидкие кислоты.
Регулирование кислотного содержимого солодовой засыпи и щёлочности воды имеет важное значение для получения затора, который имеет рН в оптимальном диапазоне от 5,2 до 5,8. Ферментативные процессы в заторе затруднены, когда рН затора выходит за пределы этого диапазона. Ферментная активность зависит от рН и температуры, как это показано на графике (Palmer, 1999).
Как видно из графика, различные ферменты хорошо работают в широком диапазоне рН. Поэтому точное попадание в нужные значения рН не является критическим для успеха. Достижение значений рН, которые находятся в пределах одной десятой или двух желаемых может дать приемлемые результаты. Общие рекомендации для ориентировочных значений рН затора приведены в таблице ниже.
| Предлагаемые рН затора (измеренные при комнатной температуре) | |
| Свойства | рН затора |
| Более сбраживаемое сусло с менее плотным телом | 5.3–5.4 |
| Менее сбраживаемое сусло с более плотным телом | 5.4– 5.5 |
| Больше резкости и терпкости в пиве | 5.1–5.2 |
| Светлое пиво | 5.3–5.4 |
| Тёмное пиво | 5.4–5.6 |
| Пиво с хмельным профилем | 5.3–5.5 |
| Пиво с солодовым профилем | 5.2–5.3 |
Минеральный состав
Растворённые минералы (ионы), как правило, присутствуют во всех природных водах, хотя в дождевой воде их концентрация может быть очень низкой. Тип и концентрация этих растворённых минералов могут оказать глубокое воздействие на пригодность воды для использования в пивоварении, производительность затирания и восприятие вкуса пива. Обсуждение растворённых минералов, которые имеют непосредственное отношение к пивоварению, представлено ниже. Минералы образуют ионы, когда они растворяются в воде. Ионы могут быть заряжены положительно (катионы) и отрицательно (анионы).
Нежелательные ионы
В первую очередь вода должна быть высокого качества и пригодной для питья. Это подразумевает отсутствие загрязнителей, железа, марганца, нитритов, нитратов и сульфидов. Органическим и химическим загрязнениям не место в пиве. Рассматриваемые далее ионы часто встречаются в водопроводной воде, но их концентрации должны быть низкими, чтобы не влиять на пиво.
Железо в воде может ощущаться на вкус в концентрациях больше 0.3 ppm (мг/л). Железо имеет сильный металлический вкус, и этот вкус очень легко привнести в пиво. В популярных руководствах указано, что концентрация железа должна быть ниже 0.1 ppm, чтобы избежать его вкуса в пиве.
Марганец может ощущаться при концентрациях выше 0.05 ppm. Марганец имеет сильный металлический вкус, который чётко ощущается в пиве.
Нитраты не является большой проблемой в пивоварении, но, как правило, их содержание должно быть меньше 44 ppm — большие концентрации могут вызвать отравление у детей. 44 ppm нитратов эквивалентны 10 ppm азота. Порог их восприятия в воде — около 44 ppm. Оптимальное значение для пивоварения — не более 25 ppm (De Clerck, 1957). Высокое содержание нитратов в воде может привести к их конверсии в нитриты при затирании, а их содержание в среде в концентрации более 0.1 ppm делает её ядовитой для дрожжей.
Сульфиды в воде могут давать запахи серы или тухлых яиц, которым также не место в готовом продукте.