Методы рационального использования хмеля
При обычных способах изготовления пива использование горьких веществ хмеля недостаточное, только 20-30% их переходит в готовое пиво, остальное теряется по ходу технологического процесса. Если общее количество их принять за 100, то потери горьких веществ (в %) распределяются следующим образом: в хмелевой дробине 20-30, в трубе 40-50, в деке и дрожжах 10-15.
Помимо плохой растворимости в сусле и пиве, горькие вещества обладают склонностью образовывать адсорбционные соединения с выпадающими в осадок белковыми веществами и входить в белково-дубильные комплексы. Кроме того, они способны к быстрому и легкому окислению и осмолению.
Одним из важных моментов в рациональном использовании хмеля является правильность задачи его в сусло. Как было указано, при кипении сусла с хмелем в течение 2 ч количество изогумулона в сусле постепенно увеличивается. Правда, основная масса горьких веществ переходит в сусло в течение первого часа, поэтому наиболее рациональным с экономической точки зрения следует считать максимально допустимый срок, т. е. 2 ч. Отсюда вытекает, что вносить хмель следует в один прием. Учитывая ароматизацию пива, которая все-таки в известной мере зависит от содержащихся в пиве хмелевых эфирных масел, целесообразно небольшую часть хмеля добавлять или в самом конце кипячения, или даже помещать ее в хмелецедильник. В этом случае те фракции эфирных масел, которые передают пиву хмелевой аромат, в лучшем виде перейдут в пиво. Конечно, такая операция целесообразна только в том случае, когда хмель не старый и обладает нормальным ароматом.
Старый хмель, особенно хранившийся в неблагоприятных условиях, следует кипятить меньше. Это обусловлено тем, что процессы превращения кислот в мягкие смолы и мягких смол в твердые в старом хмеле уже в значительной степени прошли, и поэтому возможность дальнейшего преобразования их в гумулиновую кислоту при длительном кипячении (более 2 ч) большая, чем в свежем. Отсюда при наличии хмеля разных сроков хранения рекомендовать добавление старого хмеля в начале кипячения нельзя и при установившемся на предприятии способе использования хмеля не в один, а в несколько приемов следует задавать его с таким расчетом чтобы срок кипячения не превышал 1 ч. Конечно, в качестве последней порции (см. выше) задавать его нельзя.
Задача хмеля в несколько приемов, особенно при изготовлении крепких сортов пива, тоже имеет некоторое основание, так как при более низкой концентрации горькие хмелевые вещества полнее экстрагируются, чем при более высокой; во всяком случае, первая порция хмеля в этом отношении поставлена в лучшие условия экстрагирования.
В случаях дробного внесения хмеля для более полного образования изогумулона из порций хмеля, кипяченных с суслом сравнительно непродолжительное время, можно рекомендовать повторное использование этих порций хмеля при кипячении сусла следующих заторов. Конечно, нужно приспособление, которое позволяет задержать хмель от передачи его в хмелецедильник, но допускает передачу его в сусло следующего затора.
Большое количество горьких веществ, теряемых с хмелевой дробиной, не могло не обратить на себя внимание работников промышленности. В хмелевой дробине остается почти весь лупулон (β-кислота), который в отношении горечи не представляет никакой ценности, но продукт его окисления (p-смола) придает суслу определенную горечь. Горечь p-смолы примерно составляет 30% от горечи, которой обладает α-кислота. Продукты окисления β-кислоты во много раз лучше растворимы, чем сама кислота -35 мг/л, в то время как растворимость β-кислоты только 1,3 мг/л.
Кроме того, в хмелевой дробине остается большая часть гулупона: некоторое количество этого соединения при кипячении сусла растворяется в сусле без изменения.
Способ соответствующей обработки хмелевой дробины с целью использования ее горьких веществ разработан Исследовательской лабораторией стокгольмских пивоваренных заводов: хмелевую дробину при pH 10 экстрагируют раствором щелочи, через раствор пропускают воздух для окисления извлеченных веществ, после чего pH раствора доводят кислотой до значения pH затора и приливают экстракт в сусловарочный котел к суслу следующего затора.
Работники Центральной лаборатории пиво-безалкогольной промышленности УССР в 1959 г., проведя опыты по проверке указанного метода, подтвердили возможность экономии хмеля: в хмелевой дробине до ее обработки содержание горьких веществ в среднем составляло 2,6%, а после обработки снизилось до 1,2%, что при содержании горьких веществ в хмеле 14% выразилось в экономии, равной 10%.
Щелочная среда, как было показано выше, благоприятствует лучшему образованию изогумулона из α-кислоты.
Наиболее ценной для создания горечи частью горьких веществ является α-кислота, и самым правильным способом задачи хмеля в сусло является способ, учитывающий количество ее в прибавляемом хмеле. Некоторое количество горечи дают и другие продукты хмеля, поэтому их тоже следует учитывать при охмелении сусла. Другими словами, охмеление следует производить, исходя из величины горечи данного хмеля. Это позволяет создавать в готовом пиве равномерную горечь, хотя величина указанных выше потерь от этого не уменьшается. Во избежание этих потерь надо превратить хмель в продукт, обладающий свойствами изомеризованного хмеля, и добавлять его не в сусло при кипячении его, а на более поздних стадиях и даже к готовому пиву.
Предпосылки этому были сделаны давно.
Несколько вариантов обработки хмеля предложено в Чехословакии Салачем. Этот метод применяется на некоторых зарубежных пивоваренных заводах. По Кольбаху, экономия хмеля при использовании метода щелочной обработки достигает 20-30%.
Значительная экономия хмеля после предварительной обработки его подтверждается работами, проведенными Всесоюзным научно-исследовательским институтом пивоваренной и безалкогольной промышленности (ВНИИПБП) совместно с Центральной лабораторией пиво-безалкогольной промышленности УССР, и работами пивоваренного завода в Каунасе. Опыты проводились в разных вариантах с учетом содержания количества изогумулона в сусле и пиве. Например, в опытах, проведенных на Ярославском пивоваренном заводе, при задаче хмеля 182 г/гл были получены результаты, приведенные в табл. 78.
Таблица 78
| Номер варки | Способ охмеления | pH готового сусла | Содержание изогумулона, мг/л | pH пива | Содержание изогумулона, мг/л |
| Добавление хмеля в 2 приема 90% + 10% | 5,50 | 23,44 | 4,45 | 11,09 | |
| Добавление хмеля в 3 приема 40% + 50 % +10 % | 5,45 | 17,09 | - | - | |
| Щелочная обработка с подкислением сусла | 5,40 | 28,53 | 4,45 | 18,24 | |
| Щелочная обработка без подкисления сусла | 5,65 | 30,25 | 4,55 | 18,74 |
Большое значение в проведении щелочной обработки хмеля имеет величина концентрации водородных ионов. При доведении pH до 10-11, помимо изомеризации α-кислоты, происходит более глубокое преобразование ее, что неблагоприятно отражается на вкусе пива. Оно приобретает резкую горечь с мыльным привкусом.
Клебер наиболее благоприятные результаты получал при подщелачивании до pH 6,8-6,9.
Данные табл. 78 показывают преимущества щелочной обработки хмеля в использовании горьких веществ. Кроме того, они подтверждают, что второй способ задачи хмеля (40+50+10%) менее выгодный, чем первый способ (90+10%); во втором случае еще очень много α-кислоты (23,44 - 17,09 = 6,35 мг/л) осталось неиспользованной в хмелевой дробине.
Как указывалось выше, очень большое количество горьких веществ теряется при охлаждении сусла и брожении. Ван Дамме в своих исследованиях получил при разных способах работы разные величины потерь изогумулона. Потери изогумулона на отдельных этапах технологического процесса приведены в табл. 79.
Таблица 79
| Этапы технологического процесса | Потери изогумулона (в %) при разных методах работы | ||
| весь хмель кипятился 90 мин | 50% хмеля кипятились 60 мин; вторая порция хмеля -50% кипятились 30 мин | Метод (щелочная обработка) | |
| Добавление хмеля | |||
| Сусло | |||
| до брожения | |||
| после брожения | |||
| Фильтрованное пиво |
Наибольший эффект от использования горьких веществ можно получить при применении препаратов изомеризованной α- кислоты. Ценность таких препаратов большая, так как изомеризованный хмелевой экстракт можно добавлять с большим эффектом не только в сусловарочный котел, но и на более поздних стадиях технологического процесса и даже в почти готовое пиво, минуя потери, о которых говорилось выше.
А. М. Навроцкая проводила опыты по использованию изомеризованного экстракта на разных стадиях производства пива. Полученные результаты приведены в табл. 80.
Таблица 80
| Использование изомеризованного экстракта | Содержание изогумулона, мг/л | Потери, % | |
| в экстракте | в пиве | ||
| Добавление в сусло щелочного хмелевого экстракта | |||
| за 10 мин до конца кипячения сусла | 45,7 | 29,3 | 35,6 |
| в середине брожения | 45,7 | 40,9 | 10,5 |
| в конце брожения | 45,7 | 36,9 | 19,3 |
| при дображивании | 45,7 | 42,6 | 6,9 |
Ароматические вещества хмеля в щелочном экстракте не содержатся, поэтому часть хмеля необходимо добавлять к суслу при его кипячении.
Кроме того, следует считаться с тем, что добавление щелочного экстракта даже в бродящее пиво сдвигает pH, что может повлиять как на физиологическое состояние дрожжей, так и на вкус пива и его стойкость.
Правда, буферные системы пива выше, чем сусла, но все-таки pH бродящего пива еще не установился. Подкислять сусло после введения щелочного экстракта рекомендуется, но вводить кислоту в пиво с точки зрения его вкусовых качеств опасно.
И. С. Ежов предлагает производить изомеризацию α-кислоты размельченного брикетированного хмеля непосредственно перед задачей его в сусло за 30 мин до конца кипячения. Изомеризацию ведут в отдельном котле при pH 6,9-7,3 в течение 30 мин при кипении. Можно для этой цепи использовать заторный котел и промывные воды предыдущего затора (40 объемов на 1 кг хмеля).
Одно время довольно широко в зарубежной литературе рекламировался метод, основанный на использовании ультразвука. Диспергирующее действие вибрации в ультразвуковом поле обеспечивает почти полное извлечение горьких веществ из хмеля - хмелевая дробина почти не содержит горьких веществ. Однако ультразвуковому облучению подвергаются одновременно и другие вещества хмеля, экстрагирование которых нежелательно.
Кроме того, было установлено положительное влияние ультразвукового облучения на осаждение в сусле ненужных белковых веществ, вызывающих помутнение готового пива.
Однако высокая стоимость ультразвуковой энергии и необходимость больших единовременных затрат на приобретение специального сложного оборудования делают метод ультразвукового облучения рентабельным лишь при достижении очень большой экономии.
Потребовались изготовление очень сложного оборудования и разработка особого метода работы - двойной экстракции.
Ниже приведены данные 10 варок, полученные путем двойной экстоакпии:
| Количество хмеля и обработка | Содержание изогумулона, мг/л |
| Нормальное количество хмеля без обработки | |
| 65% нормы хмеля | |
| без обработки | |
| с обработкой ультразвуком |
Кипячение сусла с хмелем под давлением сопряжено с лучшим использованием горьких веществ. Кольбах установил, что при температуре 105-106°С экстрагирование протекает лучше, чем при атмосферном давлении, при этом происходит лучшее осветление сусла. Однако он отмечает, что горечь пива была неуравновешенная и резкая. Кроме того, пиво имело неприятный хмелевой аромат.
Этот метод широкого распространения не получил. Применяется он в Швеции, где кипячение сусла производят под избыточным давлением 0,03 МПа в течение 65 мин с последующей выдержкой его в покое в течение 5 мин. Следует отметить, что в Швеции приняты интенсивная промывка хмелевой дробины и очень низкая норма задачи хмеля (94 г на 1 гл пива с начальной плотностью 10%).
Для лучшего использования горьких веществ хмеля еще с середины прошлого столетия пытались применять размельчение хмеля. Извлечение веществ хмеля при этом происходит настолько быстро и легко, что количество задаваемого хмеля в сусло можно свободно сократить на 25%.
Находящиеся внутри хмелевой шишки лупулиновые зерна вследствие плохой смачиваемости во время кипячения недостаточно экстрагируются суслом. При размельчении хмелевых шишек размолу подвергаются и лупулиновые зерна и извлечение горьких веществ значительно улучшается.
Однако следует учитывать, что одновременно улучшается экстрагирование и других вегцеств, содержащихся в стерженьках и стеблях шишек хмеля, что, конечно, не может быть желательным во вкусовом отношении.
Это заставило путем довольно сложных приемов (сильного охлаждения, просеивания охлажденного помола через ряд сит и пр.) отделить бедные горькими веществами частицы размолотых шишек хмеля и этим обогатить получаемый порошок α-кислотой (10,81% против 5,38).
Рационально предварительно отделить лупулиновые зерна и подвергнуть размолу отдельно как зерна, так и шишки.
Во всех случаях изготовления размельченного хмеля необходимо проводить мероприятия, предотвращающие окисление веществ хмеля. Размельченный хмель должен быть использован непосредственно после размельчения, а если из него готовится препарат для последующего хранения, то он должен быть упакован в герметическую тару при вакуумировании или в атмосфере инертного газа (например, азота). Рационально готовить из него путем прессования брикеты, тоже герметично упакованные.
И. С. Ежов использовал прием раздельной обработки лупулина и оставшейся части хмеля: лупулиновая часть после специальной обработки подвергалась изомеризации при температуре 140-160° С с получением жидкого концентрата, содержащего около 20% изо-α-кислоты, а остальная часть размалывалась в порошок, из которого делались брикеты.
За рубежом существует ряд хмелевых препаратов под названием Хапстабиль, Хапфикс и др. Все они представляют собой размолотый хмель, разным образом обработанный перед размолом и герметически упакованный.
Все препараты, получаемые из хмеля, приготовляют не только для консервирования хмеля, но и его экономии, например хмелевой изомеризованный экстракт Лупания, добавляемый после брожения, используется на 85-95% и 1 кг его равноценен 15 кг хмеля.
Промывка хмелевой дробины является обязательным технологическим приемом не только для извлечения и использования содержащихся в ней экстрактивных веществ, но и для экстракции вместе с ними горьких веществ, которые остаются после фильтрации сусла через хмелецедильник.
Содержание изогумулона в готовом сусле, промывных хмелевых водах и хмелевой дробине, по данным А. М. Навроцкой, приведено в табл. 81.
Таблица 81
| Сорт пива | Содержание изогумулона | |||
| в готовом сусле, мг/л | в непромытой хмелевой дробине, мг/кг | в промывных водах, мг/л | ||
| первой | второй | |||
| Жигулевское | 28,7 | 18,7 | 14,7 | 2,7 |
| Жигулевское | 28,4 | 20,5 | 14,7 | 4,5 |
| Московское | 53,6 | 38,4 | 29,3 | 18,0 |
| Московское | 49,5 | 34,2 | 27,3 | 14,7 |
| Московское | 48,0 | 26,1 | 15,8 |
Обычно промывные воды вслед за суслом поступают в отстойные чаны или на тарелки и в дальнейшем полностью используются. То обстоятельство, что во второй промывной воде, особенно от крепких сортов пива, содержится еще достаточно много изогумулона, указывает на необходимость более тщательной промывки хмелевой дробины. Использование промывных вод на затирание следующих заторов не способствует экономии горьких веществ; размолотое зерно и полученная из него пивная дробина обладают сильной адсорбирующей способностью по отношению к горьким веществам. Поэтому изогумулон адсорбируется веществами затора и в отфильтрованное сусло не попадает. Использование даже первой промывной воды на затирание в смысле утилизации горьких веществ никакого эффекта не дает.
Попытки получения из хмеля концентратов, содержащих специфические вещества хмеля, начались еще в прошлом столетии и по мере изучения состава хмеля и свойств отдельных его компонентов, а также по мере развития экстракционной техники получение хмелевых экстрактов усовершенствовалось и в последнее время достигло больших успехов.
Для экстракции хмелевых веществ могут быть применены различные органические растворители. Известная фирма «Горст» согласно патенту применяет для экстракции хмелевых веществ хлорированные углеводороды (этиленхлорид и др.) и ведет выпаривание растворителя в вакууме.
Так как при экстракции растворителями в экстракт переходят все или почти все горькие вещества, то можно считать, что он в несколько раз богаче горькими веществами, чем исходный хмель. Горькие вещества при переработке их в экстракт, по-видимому, подвергаются соответствующим превращениям и в сусло частично или полностью попадают в виде легкорастворимых веществ (изогумулона); поэтому указанная выше продолжительность кипячения сусла не требуется и хмелевой экстракт может добавляться к концу кипячения, т. е. после коагуляции основной массы белков. Все это способствует более полному использованию горьких веществ, достигающему величины 60 - 80%- Фирмы, изготовляющие хмелевые экстракты, указывают, что 1 кг выпускаемого ими хмелевого экстракта равноценен 4 - 8 кг хмеля.
В целях перевода горьких веществ в растворимое в сусле и пиве состояние в одном из патентов Форстера введена обработка полученного экстракта хмелевых веществ крепким раствором едкого натра, а в патенте Горста - обработка под давлением. В патенте Кольбаха, Виндиша и Дитриха для указанной цели рекомендуют обработку хмеля или получаемого из него эфирного экстракта раствором щелочей.
Для предотвращения окисления горьких веществ во время экстракции используется низкая температура, работа в атмосфере углекислого газа и вакуум при упаривании хмелевых вытяжек.
Сравнительный анализ хмелевого экстракта, вырабатываемого фирмой «Хоплекс», и хмеля приведен в табл. 82 (в % на сухое вещество).
Таблица 82
| Показатели | Сорт хмеля | Хмелевой экстракт фирмы «Холлекс» | |
| Галлертау | Мюльвиртлер | ||
| Общее количество горьких веществ | 14,1 | 16,4 | 74,7 |
| Мягкие смолы | 12,8 | 13,4 | 59,6 |
| α-Кислота | 4,7 | 5,1 | 25,4 |
| β-часть | 8,1 | 8,3 | - |
| Твердые смолы | 1,3 | 3,0 | 15,1 |
| Величина горечи по Вельмеру | 5,6 | 6,0 | 29,4 |
В Советском Союзе вопрос получения хмелевых экстрактов поднимался не один раз (Брегер, Платонова, Палладии, Лифшиц). В основном в качестве растворителя использовался универсальный растворитель для специфических составных веществ хмеля - этиловый спирт. Только Д. В. Лифшиц довела работу до получения хмелевых экстрактов в полузаводском масштабе. Полученный экстракт содержит горькие вещества, эфирное масло и дубильные вещества. Сырьем для получения экстракта служит неокуренный свежевысушенный хмель, путь экстракции включает следующие операции: размельчение хмеля, экстракцию 96%-ным этиловым спиртом с использованием принципа противоточного выщелачивания и прессование с постепенно повышаемым давлением до 25 МПа.
Таким образом, Лифшиц удалось перевести в спирт 83,8 - 95,4% горьких веществ, содержащихся в исходном хмеле, концентрация готового экстракта составляет 30-40%. Преимуществом хмелевых экстрактов перед натуральным хмелем является значительно большая их стабильность.
В последнее время найден новый, очень эффективный растворитель горьких веществ хмеля - жидкая углекислота. Способ экстрагирования хмеля этим растворителем, имеющим преимущество перед другими, в том, что он совершенно устраняет возможное окисление горьких веществ и позволяет получать очень густые мазеобразные экстракты с выходом около 15% от исходного хмеля.
Изменение цветности сусла
Изменению цветности сусла при кипячении способствует ряд факторов. Несомненно, здесь имеет место меланоидинообразование, которое усиливается с продолжительностью кипячения. Повышению цветности сусла способствуют также карамелизация сахаров при высокой температуре, окисление дубильных веществ как хмеля, так и оболочек солода и несоложеных материалов и извлечение красящих веществ хмеля и солода (в том числе жженки и карамели).
Карамелизация в данном случае не является положительным фактором, так как получается ряд различных продуктов, неспособных сбраживаться. Эти продукты образуются при высокой температуре, при непосредственном соприкосновении сусла с обогревающими элементами. На изменение цветности сусла большое влияние оказывают редуцирующие сахара, такие, как мальтоза, образующаяся при затирании, и аминокислоты. Конечно, цветность сусла в значительной мере зависит от цветности самого солода. Например, по Кольбаху, солод, отсушенный при температуре 50° С и имеющий цветность лабораторного сусла 0,10 мл 0,1 н. йода на 100 мл, давал цветность заводского сусла 0,4, а солод, отсушенный при 80° С до цветности 0,19, давал заводское сусло с цветностью 0,52.
Увеличение цветности сусла находится в пропорциональной зависимости от продолжительности кипячения.
Концентрация сусла также оказывает влияние на цветность: чем она выше, тем интенсивнее повышается его цветность; и меланоидинообразование и карамелизация протекают значительно активнее в сусле с более высокой концентрацией.
Добавление хмеля со своей стороны ведет к повышению цветности сусла, что происходит в основном за счет дубильных веществ, которые в процессе кипячения сусла подвергаются окислению воздухом и меняют свою окраску. Применение старого хмеля, в котором окислительные процессы уже прошли в достаточной степени, вызывает большее увеличение цветности, чем применение свежего хмеля. Влияние хмеля на цветность сусла показано в табл. 83.
Таблица 83
| Концентрация сусла, % | Цветность сусла, мл 0,1 н. J на 100 мл | ||||
| до кипячения | после кипячения со свежим хмелем | усиление цветности | после кипячения со старым хмелем | усиление цветности | |
| 6,55 | 0,20 | 0,44 | 0,24 | 0,53 | 0,33 |
| 10,01 | 0,51 | 0,83 | 0,32 | 0,72 | 0,41 |
| 14,21 | 0,62 | 1,21 | 0,59 | 1,53 | 0,91 |
| 18,40 | 0,80 | 1,60 | 0,80 | 1,86 | 1,06 |
С понижением pH цветность сусла уменьшается. Меланоидинообразование интенсивнее происходит в щедочной среде. Применение карбонатных вод сопровождается более интенсивной окраской сусла. Например, цвет сусла, имеющего pH 5,93, в два раза интенсивнее, чем цвет сусла с pH 5,15. Щелочная реакция способствует более полному растворению дубильных веществ хмеля и веществ оболочек солода и ячменя в случае применения его в качестве несоложеного материала. В табл. 84 приведены данные, полученные в результате кипячения сусла концентрацией 10,8% с хмелем (300 г/гл) при разных значениях pH.
Таблица 84
| pH сусла | Цветность сусла, мл 0,1 и J на 100 мл | ||
| до кипячения | после кипячения с хмелем | после кипячения с экстрактом из хмеля без дубильных веществ | |
| 6,23 | 0,26 | 0,37 | 0,27 |
| 5,93 | 0,19 | 0,29 | 0,19 |
| 5,58 | 0,15 | 0,22 | 0,14 |
| 5,15 | 0,10 | 0,17 | 0,11 |
Во время кипячения сусла происходит некоторое поглощение кислорода, который засасывается с наружным воздухом и действует на поверхность кипящего сусла и того кислорода, который находится в конденсате, стекающем по стенкам крышки сусловарочного котла; поглощаемый суслом кислород способствует окислению продуктов, содержащихся в сусле.
По данным Кольбаха, изменение цветности, начиная от сусла, полученного конгрессным методом при анализе солода, и кончая готовым пивом, на разных этапах технологического процесса приготовления светлого пива, имеющего цветность 0.70, должно быть таким (цветность в мл 0,1 н J на 100 мл):
| Лабораторное сусло | 0,25 |
| Первое заводское сусло | 0,40 |
| Сусло после полного набора | 0,55 |
| Прокипяченное сусло | 0,85 |
| Охлажденное сусло | 0,95 |
| Пиво | 0,70 |