Главные ионы в пивоварении

Главные ионы, которые представляют интерес для пивовара, представлены в таблице ниже. Эти ионы имеют огромное влияние на качество и восприятие пива.

Главные ионы в пивоварении
Катионы	Анионы
Кальций	Хлориды
Магний	Сульфаты
Натрий	Бикарбонаты

Эту таблицу можно также составить по-другому. Кальций, магний и бикарбонаты дают жёсткость и щёлочность, которые влияют на рН затора. Натрий, хлориды, сульфаты и магний влияют на вкус, что добавляет важные нюансы в общее восприятие пива.

Ионы в пивоварении
Влияют на жёсткость и щёлочность	Влияют на вкус
Кальций	Натрий
Магний	Хлориды
Бикарбонаты	Сульфаты
	Магний

Обсуждение влияния каждого из ионов представлено ниже.

Кальций — главный ион, влияющий на жёсткость воды. Он благотворно влияет на ферментативные процессы при затирании и важен для клеточных стенок дрожжей. Обычное сусло из пшеницы или ячменя имеет достаточно кальция для здоровья дрожжей. В заторе кальций реагирует с фосфатами солода (фитины), понижая рН затора и выпадая в раствор фосфатом кальция и высвобождая протоны. Кальций улучшает осаждение бруха и дрожжей, и ограничивает вымывание силикатов из лузги солода. Он также уменьшает замутнённость пива и возможность «гашинга», ускоряет процесс фильтрации и промывки затора, и в положительном ключе влияет на вкус хмеля. Идеальный диапазон содержания кальция в воде для элей — 50–100 ppm. Превышение этих значений может вызвать чрезмерное осаждение фосфатов из раствора, которые являются важными питательными веществами для дрожжей. Т.к. в ходе таких же реакций из раствора также высвобождаются оксалаты (соли щавелевой кислоты), недостаточное количество свободных ионов кальция приводит к образованию пивного камня на оборудовании (оксалат кальция). Для избегания его образования рекомендуемая концентрация кальция в воде — не менее 40 ppm. Меньшие концентрации могут быть приемлемы для производства пива вроде пилснера, с пониманием того, что могут потребоваться дополнительные меры для обеспечения надлежащего осветления пива и удаления пивного камня. Использование воды с низким содержанием кальция никак не повлияет на брожение, т.к. ячмень и пшеница имеют его в достаточном количество для дрожжей. Главные проблемы при использовании такой воды — ухудшение осаждения дрожжей и образование пивного камня. Эти вопросы можно решить такими методами как лагеризация пива, его фильтрация, и химическая обработка оборудования для удаления камня. Содержание кальция должно примерно соответствовать тому уровню, в котором эволюционировали конкретные дрожжи. Например, английские дрожжи развивались в среде с высоким содержанием кальция, тогда как чешские — с очень низким. Другое соображение состоит в том, что содержание кальция в воде можно изменять, чтобы увеличить или уменьшить способность дрожжей к осаждение. К примеру, если дрожжи выпадают преждевременно, можно уменьшить содержание кальция для предотвращения такой ситуации. В производстве лагера для достижения лучших результатов всегда используется вода с низким содержанием кальция. Увеличение содержания кальция может быть полезным инструментом для понижения рН воды для затирания. Кальций имеет слабое влияние на вкус пива, но образует пары с анионами, которые могут увеличить минеральный привкус при высоких концентрациях. Другая проблема, с которой можно столкнуться при высокой концентрации кальция заключается в том, что кальций заменяет магний в метаболизме дрожжей, что негативно влияет на их состояние и производительность. Избегайте чрезмерного содержания кальция, когда производительность дрожжей ниже ожиданий. (Замечание: добавление кальция в промывочную воду не повлияет на рН, т.к. отсутствуют фитины из солода. Для понижения рН промывочный воды следует использовать кислоты)

Магний — второй ион, определяющий жёсткость воды. Он подчёркивает кислые и горькие вкусы, когда присутствует в низких концентрациях, но при высоких делает их вяжущими. Магний — питательное вещество для дрожжей и важный сопутствующий фактор для некоторых ферментов. Как и кальций, магний реагирует с солодом, но с более слабым эффектом при сравнении с первым. Предпочтительная концентрация магния – от 0 до 30 ppm. Не рекомендуется превышать значение в 40 ppm. Минимальное значение в 5 ppm положительно влияет на осаждение дрожжей — ячмень или пшеница в заторе легко обеспечат такую концентрацию. Увеличение концентрации магния в воде с целью понижения рН неэффективно, т.к. позволительная концентрация этого иона в пивоварении мала.

Натрий — кислый, солёный вкус натрия подчёркивает вкус пива, когда представлен в небольшом количестве. Он ядовит для дрожжей и дают грубый вкус при высоких концентрациях. Он подчёркивает вкус, когда присутствует с хлором и придаёт ему «округлость». Предпочтительная концентрация натрия — от 0 до 150 ppm, но верхний предел должен быть уменьшен в воде с высокой концентрацией сульфатов, чтобы избежать грубости и резкости во вкусе. Рекомендованная максимальная концентрация на практике — 100 ppm, но пивоварам следует помнить, что вода в исторических центрах пивоварения имеет не более 60 ppm. Настоятельно рекомендуется придерживаться не более 60 ppm концентрации натрия. Хоть эти рекомендации практически универсальны для любого пива, некоторые исторические стили вроде Gose могут иметь более высокое содержание натрия (~250ppm) как часть желаемого вкусового профиля, но этот натрий обычно добавляется уже в отбродившее пиво.

Ионы хлора подчёркивают полнотелость и сладость, и улучшают стабильность и прозрачность пива. Идеальный диапазон 10–100 ppm, но верхний предел должен быть уменьшен в воде с высокой концентрацией сульфатов, чтобы избежать резкости или минерального привкуса. При использовании воды с концентрацией сульфатов более 100 ppm, рекомендуется не превышать количество хлора более чем в 50 ppm. Минеральный привкус Dortmunder Export связан с концентрациями хлоридов в 130 ppm и сульфатов в 300+ ppm соответственно. Учтите, что ионы хлора — это не то же самое, что и дезинфицирующие средства на основе хлора.

Сульфаты обеспечивают более острые и сухие ощущения в сильно охмелённом пиве. Идеальные концентрации лежат в диапазоне от 0 до 350 ppm, хотя не стоит превышать значения в 150 ppm, если пиво не сильно охмелено. Концентрации выше 350 ppm привносят в пиво сернистые ароматы. По этой причине слепое копирование таких профилей воды, как в Бёртоне-на-Тренте — не самый лучший путь к получению идеального пива. Содержание сульфатов должно быть относительно низким при варке континентального лагера с использованием классических благородных хмелей, так как сушащие свойства сульфатов в ощущении хмелевой горечи неприемлемы с такими сортами хмеля, и мешают ощущению солодовости, характерному для такого пива. Тем не менее, даже при варке пива с акцентом на солод, добавление некоторого количества сульфатов может помочь сделать сухой финиш, чтобы он не был слишком полным и надоедливо-обволакивающим.

Бикарбонаты являются сильным щелочным буфером, и обычно ответственны за щёлочность большинства типов питьевой воды. Кислоты, производимые во время затирания могут нейтрализовать часть бикарбонатов в воде. Если кислот из солода не хватит для нейтрализации бикарбонатов воды, рН затора может не опуститься до оптимальных значений, что приведёт к ослаблению ферментативных процессов и сделает вкус хмеля более грубым. При варке светлых сортов пива рекомендуется не превышать значение в 50 ppm, иначе следует добиваться кислотного баланса добавлением кальция, чтобы понизить остаточную щёлочность (RA) воды. При варке тёмных сортов пива, некоторое количество бикарбонатов может потребоваться для компенсации кислотности тёмных солодов. Высокое содержание бикарбонатов (и сильная щёлочность, как следствие) нежелательно для промывочной воды из-за увеличения возможности вымывания из солода силикатов, танинов и полифенолов в сусло. Контроль и регулировка содержания бикарбонатов в воде важно для достижения желаемого рН при затирании.

Щёлочность можно приблизительно выражена из концентрации бикарбонатов, если рН воды меньше 8.5. Формула ниже отображает это отношение:

Щёлочность (ppm как CaCO3) = Бикарбонаты(ppm)*0.83

Кислоты

Кислоты могут быть важным компонентом для регулировки минерального состава воды. Кислоты бывают в твёрдых и жидких формах и все отдают протоны (ионы водорода, Н+) в раствор и понижают рН. Кислоты также отдают в раствор свой анион. Зачастую эти анионы имеют свои конкретные вкусы и запахи, и соответственно, они привносятся в пиво при превышении определённого порога. Одни кислоты более ощутимы в пиве, чем другие.

Фосфорную (ортофосфорную) кислоту сложнее всего ощутить в пиве, т.к. пиво уже содержит такие фосфатные составляющие. Это самая часто используемая кислота в пивоварении и пищевой промышленности в целом в силу своей вкусо-ароматической нейтральности.

Хлорная и серная кислоты могут дадут ионы хлора и сульфатов, которые могут быть нежелательны в конкретном пиве.

Лимонная, яблочная и винная кислоты могут привнести в пиво фруктовые и эфирные ощущения.

Молочная и уксусная кислоты дадут пиву свои уникальные привкусы. Молочная даёт мягкую и ровную кислинку, в то время как уксусная — едкую и острую.

Менее значимые ионы

Существуют менее важные в пивоварении ионы, не имеющие такого влияния на результат, как описанные выше. Но некоторые всё же имеют благотворное или вредное воздействие на пиво в зависимости от их концентрации.

Калий является компонентом солода и в любом случае привносится в сусло. Содержание калия в воде имеет некоторое влияние на вкус, добавляя солоноватость при высоких концентрациях. Содержание калия в воде в количестве более чем 10 ppm может мешать нормальной работе некоторых ферментов. Однако, учитывая количество калия, вносимого солодом, вполне возможно, что более высокая концентрация калия в воде может быть допустимой. Т.к. калий присутствует в солоде, нет необходимости добавлять его в воду.

Цинк является важным микроэлементом для дрожжей при концентрациях от 0.1 до 0.2 ppm. В количестве большем, чем 1 ppm он ядовит для них. Цинк присутствует в солоде в достаточном количестве, поэтому нет необходимости специально добавлять его в воду.

Минералы и пивные стили

Исторические стили пива, которые были разработаны по всему миру, иногда были результатом условий воды, присутствующей в этой области. Перед пониманием, измерением и способностью регулировать химический состав воды, люди развивали стили пива так, чтобы они соответствовали профилю местной воды. Обычно пиво тёмных сортов развивалось в местностях с водой с высокой остаточной щёлочностью (ОЩ), в то время как светлые — с водой с низкой ОЩ. К тому же, ионы, влияющие на вкус пива в местной воде также влияли на стили. Например, сорта с плотным солодовым телом встречались в местностях с низким содержанием сульфатов воде, в то время как хмельные — в местностях с высокой концентрацией таковых.

Примеры концентраций различный ионов в водах разных регионов представлены в таблице ниже. Существует целый ряд литературных источников, которые обеспечивают различные значения соответствующих ионных концентраций для этих пивоваренных вод. Для некоторых из этих литературных источников, процитированные ионные концентрации могут быть неверными, поскольку указанный ионный баланс не может существовать на приемлемом для затирания уровне рН, и они не подкреплены фактическими лабораторными данными. Концентрации, приведённые в таблице ниже, были получены в лабораторных исследованиях, и сверены с историческими и современными данными. Эти профили также немного скорректированы для обеспечение правильного ионного баланса. Также в таблице для каждого профиля указана его ОЩ.

Минеральный состав воды разных исторических центров пивоварения
Город	Концентрация (ppm)	ОЩ
Кальций	Магний	Натрий	Сульфаты	Хлориды	Бикарбонаты
Бёртон
Дортмунд
Дублин
Эдинбург
Лондон
Мюнхен
Пльзень
Вена

Хоть и указанные выше профили соответствуют реальной воде, которая там встречается, это не значит, что пивоварни в этих регионах не занимаются водоподготовкой.

Например, скважинная вода в Бёртоне начинает свой путь в Mercia Mudstone (подземная геологическая аргиллитная структура, на основе гипса) и проходит через песчано-гравийный водоносный слой, и уже потом смешивается с дождевой водой и водой из реки Трент. Чем больше пивовары региона использовали этот источник воды, тем больше сульфатные глубинные воды становились разбавлены другими менее минерализованными водными источниками. Количество осадков и уровня воды в реке также влияет на качество подземной воды.

Расположение источника воды в Бёртоне также имеет значение. На пивоварне Marston содержание воды в скважине доходит до 800 ppm. В то же время на пивоварне Coors их содержание всего около 200. Эти значения были измерены в одно время и вода получена из одного и того же водоносного слоя (Pearson, 2010). Из этого следует вывод, что «настоящей» бёртоновской воды не существует. Исследования показывают, что богатая сульфатами подземная вода разбавляется водой из реки, и пивовары не варят со столь высокими концентрациями сульфатов, как было указано в таблице выше.

Другими примерами могут служить воды Мюнхена и Вены с их высокой щёлочностью и, соответственно, высокой ОЩ, что делает производство светлых сортов там сложной задачей — а ведь именно ими эти города и славятся. Это говорит о том, что пивовары там занимаются водоподготовкой, причём достаточно давно.

Как было замечено выше, пивовары в этих исторических локациях подготавливали свою воду. Например, избавлялись от излишний бикарбонатов кипячением, пользовались кислым солодом и кислым суслом для понижения щёлочности воды.

Водоподготовка

Любой источник воды может давать воду, не подходящую для конкретного стиля. В лучшем случае он сможет обеспечить производство нескольких сортов пива без дополнительной подготовки. Водоподготовка может потребоваться по нескольким причинам:

1-й Удаление хлора

2-й Изменение жёсткости

3-й Изменение щёлочности

4-й Изменение минерального профиля

Хлор встречается в водопроводной воде из-за использования на водоочистных станциях дезинфицирующих веществ на основе хлора. Содержание остаточного хлора обычно около 2–3 ppm. Удаление хлора из пивоваренной воды имеет решающее значение для получения хороших результатов. Хотя термин хлор используется здесь в общем смысле, гипохлорит, хлорамин, диоксид хлора, брома и другие дезинфицирующие реагенты используются на станциях городской водоподготовки. Хлор в воде диссоциирует, образую ион гипохлорита (OCL-). Если эти соединения не будут удалены из воды, они соединяются с органическими соединениями в сусле, образуя хлорфенолы. Хлорофенолы могут ощущаться в пиве при таких низких концентрациях, как 10 ppb, и они имеют характерный лекарственный аромат пластырей и бинтов. Как было сказано выше, в обычной водопроводной воде эти концентрации могут быть в 100 раз выше.

Использование отбеливателя в качестве дезинфицирующего средства может привести к тому, что слишком много хлора останется на оборудовании и воде. Использование других средств вроде йода и препаратов на кислотной основе более эффективно, т.к. не даёт посторонних ароматов и не требует смывания.

Есть несколько способов избавиться от хлора в воде:

1-й Кипячение

2-й Аэрация

3-й Добавление метабисульфита

4-й Добавление аскорбиновой кислоты

5-й Фильтрация через активированный уголь

4.1.1. Кипячение — эффективный метод, но требует много времени и энергии. Для полного удаления хлора вам потребуется как минимум несколько часов кипячения.

4.1.2. Аэрация воды может использована для удаления хлора, но скорость этого процесса невысокая. Скорость дехлорации зависит в таком случае от площади поверхности воды и скорости аэрации. Большую часть хлора можно удалить в течении суток непрерывной аэрации, но хлорамину потребуется минимум несколько суток, чтобы покинуть воды.

4.1.3. Метабисульфит — эффективное средство для удаления хлора и хлорамина. Он продаётся в таблетированной форме метабисульфита калия или натрия. Оба вида одинаково эффективны. Если в вашей воде повышенное содержание натрия, стоит использовать метабисульфит калия. Добавление этого химиката в количестве 9 мг/л избавит от хлорных соединений водопроводную воду добавит 2–3 ppm калия или натрия, 8 ppm сульфатов и 3 ppm хлора. Химическая реакция, отображающая этот процесс представлена ниже. Стоит отметить, что производятся дополнительные протоны и щёлочность воды уменьшится.

метабисульфит (S2O5-2) + монохлорамин (2NH2Cl) + 3H20 → 2NH4+ + 2Cl- + 2SO4-2 + 2H+

метабисульфит (S2O5-2) + гипохлорит (2OCl-) + H20 → 2Cl- + 2SO4-2 + 2H+

4.1.4. Добавление аскорбиновой кислоты также эффективно для удаления хлорных соединений. Как понятно из названия, это — кислота, и она понижает рН воды, если не среагирует с хлорными составляющими. При добавлении в дистиллированную воду она понизит её рН до 3.0. Её иногда используют на водоочистных станциях, но её кислотные свойства и высокая цена делают её менее привлекательной по сравнению с метабисульфитами. Добавление 7,5 мг/л аскорбиновой кислоты уберёт 3 мг хлорамина. В ходе химической реакции этой кислоты с хлорамином образуются аммиак, хлор и дегидрированная аскорбиновая кислота. Не стоит боятся полученного аммиака — его концентрация будет крайне низкой, и в данных количествах он является питательным веществом для дрожжей.

Аскорбиновая кислота (C6H8O6) + монохлорамин (NH2Cl) → NH4+ + Cl- + C6H6O6

Аналогичная реакция с OCl-:

Аскорбиновая кислота (C6H8O6) + гипохлорит (OCl-) → H2O + Cl- + C6H6O6

4.1.5. Фильтрация активированным углём — эффективный способ дезинфекции воды и удаления хлора. При использовании угольного фильтра из воды удаляются как NH2Cl, так и OCl-, оставляя ионным состав воды практически неизменённым. Хоть OCl- удаляется таким способом очень быстро, хлорамин отфильтровывается очень медленно. Плюсом угольного фильтра является то, что он удаляет из воды органические вещества, что положительно влияет на вкус и запах воды.

Хлорные составляющие удаляются реакцией окисления на поверхности угля.

Активированный уголь (C*) + гипохлорит (OCl-) → окисленный уголь (OC*) + хлор (Cl-)

Активированный уголь (C*) + монохлорамин (NH2Cl) + H2O → окисленный уголь(OC*) + хлор (Cl-) + аммиак (NH4+)

Эффективность удаления хлоритов и хлораминов зависит от времени контакта воды с углём. Потому рекомендуется фильтровать воду через такие фильтры как можно медленнее для более качественной очистки и продления срока службы фильтра.

Для удаления хлорита требуется минимум 40 секунд, для удаления хлорамина — минимум 6 минут. Время контакта рассчитывается из объёма фильтрационного картриджа и скорости потока воды.

Проверка

Качество удаления хлорита и хлорамина можно проверить с помощью специальных тестовых наборов, продающихся в магазинах для аквариумистов и бассейнов. Рекомендуется использовать капельные тесты, а не полоски, т.к. первые дают более точные показания при очень низких концентрациях, с которыми приходится работать пивоварам, ведь хлориты и хлорамины ощутимы в пиве даже при концентрациях в 10 ppb.

Изменение жёсткости

Увеличить жёсткость воды довольно просто. Добавить в воду гипс (сульфат кальция), сульфат магния, хлорид кальция, мел (карбонат кальция) и соду (гидрокарбонат кальция) легко. Гораздо сложнее понизить жёсткость. Рассмотрим следующие способы понижения жёсткости:

4.2.1. Разбавление дистиллированной водой или водой из обратноосмотического фильтра. Дистиллированная вода полностью свободна от минералов, в то время как воде из обратного осмоса (ОО) они присутствуют, хоть и в мизерном количестве. Оба типа воды крайне мягкие в соответствующих пропорциях понижают жёсткость разбавляемой воды. Минеральный состав этих вод крайне беден, и не рекомендуются использовать их в количестве 100% без дополнительного добавления минералов, чтобы не получить проблем при затирании, брожении и во вкусе и аромате пива.

Примерный состав воды после обратноосмотической мембраны представлен ниже. Стоит отметить, что вода перед обратноосмотической мембраной прошла обработку ионнообменным фильтром, поэтому наблюдается повышенное содержание натрия.

Вода из обратноосмотического фильтра
Ион	Ca	Mg	Na	SO4	Cl	HCO3
Концентрация (ppm)
Процент пропуска мембраной (%)