При главном брожении протекают биологические, биохимические и физико-химические процессы.
Биологический процесс - это процесс размножения дрожжей, который был рассмотрен ранее. При классической норме засева дрожжевых клеток 20 млн./см3 максимальная концентрация дрожжей во взвешенном состоянии наблюдается в среднем на четвертые сутки и достигает 50-60 млн./см3. В конце главного брожения при снижении температуры происходит интенсивное оседание дрожжей и осветление пива. Концентрация дрожжевых клеток во взвешенном состоянии составляет 1,5-3,5 млн./см3.
Основной биохимический процесс - процесс спиртового брожения.
С6Н12О6 = 2С2Н5ОН + 2СО2 + Q
При брожении выделяется энергия (Q), которая частично усваивается дрожжами в виде АТФ и рассеивается в среду в виде тепла. Поэтому возникает необходимость в охлаждении сбраживаемого сусла. При сбраживании в сусле резко снижается содержание сахаров, накапливается спирт и углекислый газ. Схема спиртового брожения представлена на рис. 19. Схема составлена с учетом того, что фосфодиоксиацетон легко переходит в фосфоглицериновый альдегид. Поэтому в схеме дальнейшему превращению подвергаются две молекулы альдегида.
В результате сбраживания сахаров снижается массовая доля сухих веществ в сусле. По классической технологии, например, сусло с экстрактивностью 11 % сбраживают до содержания видимого экстракта 4,0-4,5 %. На современных заводах даже при использовании классического оборудования проводят более глубокий выброд сусла.
| Алкогольдегидрогеназа (1.1.1.1) | |
| Пируватдекарбоксилаза (4.1.1.1) | |
| Фосфоглицеромутаза (2.5.7.3) | |
| Фосфоглицераткиназа (2.7.2.3) | |
| Триозофосфатдегидрогеназа (1.2.1.12) | |
| Триозофосфатизомераза (5.3.1.1) (2.7.1.11) | |
| Фосфоенолпировиноградная кислота | |
| 2-Фосфоглицериновая кислота | |
| 3-Фосфоглицериновая кислота | |
| 1,3-Дифосфоглицериновая кислота | |
| 3-Фосфоглицериновый альдегид | |
Рис. 19. Схема спиртового брожения
Кроме основных продуктов брожения - этилового спирта и углекислого газа в сусле накапливаются также вторичные и побочные продукты брожения, такие как высшие спирты (сивушные масла), эфиры, альдегиды, органические кислоты, кетоны, сернистые соединения, которые оказывают большое влияние на вкус и аромат пива.
Образование высших спиртов протекает несколькими путями. По Эрлиху, высшие спирты образуются из аминокислот в результате их дезаминирования с образованием кетокислоты, которая декарбоксилируется в альдегид, восстанавливающийся в соответствующий спирт. Отщепленная аминогруппа переносится на новые углеродные цепи с образованием аминокислоты, необходимой дрожжам для синтеза белка.
По И.Я. Веселову, высшие спирты образуются путем переаминирования аминокислот с пировиноградной кислотой. В результате реакции образуется аланин и кетокислота, которая декарбоксилируется в альдегид, восстанавливающийся в соответствующий спирт.
Из лейцина образуется 2-пентанол, из изолейцина - пентанол, из валина - 2-бутанол.
Высшие спирты образуются в основном при главном брожении (80 %). При дображивании наблюдается лишь незначительное увеличение их концентрации. Больше всего в пиве образуется изоамилового, изобутилового, пропилового спирта. К концу главного брожения в пиве накапливается примерно 40-80 мг/дм3 высших спиртов. Высшие спирты относятся к букетообразующим компонентам пива, однако высокая концентрация этих побочных продуктов (свыше 100 мг/дм3) негативно отражается на вкусе готового пива. Высокая температура брожения, интенсивная аэрация и перемешивание бродящей среды, повышенная экстрактивность сусла и пониженное содержание в нем аминного азота обуславливают высокую концентрацию высших спиртов. Содержание высших спиртов в пиве зависит также от штамма дрожжей и нормы их введения.
Другими важнейшими букетообразующими побочными продуктами брожения являются эфиры. Они образуются путем конденсации альдегидов, а также путем этерификации при участии ферментов дрожжей из органических кислот и спиртов. Эфиры образуются в основном при главном брожении. При дображивании их количество несколько возрастает. Например, при содержании эфиров в молодом пиве 47 мг/дм3 в готовом пиве после дображивания было обнаружено 68 мг/дм3 эфиров. Эфиры формируют букет пива, однако слишком высокая концентрация эфиров придает пиву неприятный фруктовый привкус. Готовое пиво верхового брожения в 1 дм3 содержит до 80 мг эфиров, а низового брожения - до 60 мг. Наибольшее влияние на вкус и аромат пива оказывают следующие эфиры: этилацетат, изоамилацетат, изобутилацетат, β-фени-лацетат, этилкапроат, этилкаприлат.
Содержание эфиров возрастает с увеличением концентрации начального сусла, с повышением степени сбраживания, при слабой аэрации и высокой температуре брожения, при перемешивании бродящей среды.
При брожении образуются альдегиды, важнейшим из которых является ацетальдегид. Он образуется из пировиноградной кислоты. Активно выделяется в пиво в первые три дня брожения и придает ему вкус зеленого яблока, «зеленый» вкус, который при снижении концентрации ацетальдегида постепенно исчезает. В 1 дм3 молодого пива содержится 20-40 мг уксусного альдегида, а в готовом пиве - 8-10 мг/дм3. Повышению концентрации ацетальдегида способствует недостаточная аэрация сусла, повышенная температура брожения и норма внесения дрожжей.
Особую роль в пивоварении играет такой побочный продукт брожения, как диацетил.
Диацетил (СН3СОСОСН3) - естественный продукт жизнедеятельности дрожжей. Образуется из предшественника - α-ацетолактата, который является продуктом валинового синтеза. Предшественник диацетила образуется из пировиноградной кислоты (ПВК).
окислительное
ацетилирование декарбоксилирование
ПВК ацетомолочная кислота диацетил
Диацетил придает пиву сладкий, медовый вкус и запах, а в больших концентрациях - неприятный, маслянистый. Активно накапливается на первых стадиях брожения, когда идет интенсивное размножение дрожжей. В дальнейшем диацетил восстанавливается дрожжами до ацетоина и 2,3-бутандиола, которые не активны во вкусовом отношении, так как имеют высокое пороговое значение. Благодаря этому процессу вкус пива облагораживается. Восстановление диацетила происходит во второй половине главного брожения и при дображивании. Содержание диацетила в готовом пиве не должно превышать 0,1 мг/дм3. Снижению концентрации диацетила способствует проведение брожения и созревания при высоких температурах, при низких значениях рН, при достаточном количестве активных дрожжевых клеток во взвешенном состоянии, при применении определенных штаммов дрожжей.
В процессе главного брожения образуются органические кислоты, летучие (уксусная, муравьиная) и нелетучие (молочная, янтарная, лимонная, пировиноградная). На первом этапе брожения в среду выделяются также жирные кислоты: капроновая, каприловая, лауриновая, которые могут отрицательно влиять на вкус и пеностойкость пива.
При метаболизме дрожжей в среду выделяются сернистые соединения - Н2S, меркаптаны (тиоспирты). Н2S в небольших концентрациях придает пиву свежий «сернисто-дрожжевой» тон, а в больших количествах - «луковый». Меркаптаны отвечают за возникновение в пиве «засвеченного» привкуса. Содержание летучих сернистых соединений снижается с повышением температуры брожения.
Кроме основного биохимического процесса - брожения, на данной стадии производства происходит и ряд других процессов.
Значительно изменяется окислительно-восстановительный потенциал - редокс-потенциал (rH2), который характеризует окислительно-восстановитель-ную способность среды. При брожении восстанавливающая способность сусла увеличивается за счет потребления кислорода дрожжами и вытеснения его диоксидом углерода. Величина rH2 в сусле больше 20, в молодом пиве около 10. Чем ниже величина rH2 при главном брожении, тем выше качество получаемого пива.
За счет образования углекислоты и органических кислот, преимущественно янтарной и молочной, а также за счет потребления дрожжами первичных фосфатов и ионов аммония снижается рН среды до 4,2-4,6 и увеличивается на 0,4-0,6 ед. титруемая кислотность. Цветность снижается при главном брожении на 0,15-0,20 ед. за счет выделения в пену и осадок красящих веществ, за счет снижения рН и восстановления окисленных дубильных веществ.
Изменяется азотистый состав сусла. Дрожжи потребляют азотосодержащие вещества сусла и выделяют в среду азотистые продукты обмена. Дрожжи усваивают около 50 % азота сусла и выделяют в среду примерно 1/3 от потребляемого азота. Общее содержание азотистых веществ снижается на 30-35 %, так как часть азота выделяется и при коагуляции белка.
При брожении пиво насыщается диоксидом углерода. В молодом пиве содержится 0,2 % СО2. Растворимость двуокиси углерода возрастает при понижении температуры и увеличении давления. Образующийся в ходе брожения диоксид углерода сначала растворяется в сусле, а затем выделяется в виде пузырьков, на которых адсорбируются поверхностно-активные вещества (белки, пектин, хмелевые смолы). При слипании таких пузырьков на поверхности сбраживаемого сусла образуется пена.
При брожении из пива выделяется часть коллоидно-растворенных веществ. Изогумулоны адсорбируются дрожжами, а также выводятся в пену пузырьками диоксида углерода. Часть горьких и полифенольных веществ становятся нерастворимыми и выпадают в осадок при снижении рН. Некоторые коллоиды становятся нерастворимыми в присутствии спирта.
