Физико-химические процессы при охлаждении и осветлении сусла

Совершенствование способов сбраживания пивного сусла и созревания пива

Физико-химические процессы при охлаждении и осветлении сусла

Целью охлаждения и осветления сусла является понижение температуры, насыщение сусла кислородом воздуха и осаждение взвешенных веществ сусла.

Понижение температуры сусла. Горячее охмеленное сусло охлаждают до начальной температуры брожения. В зависимости от вида и способа брожения начальная температура низового брожения по классической технологии составляет 5 – 7 ⁰С, ускоренного брожения в ЦКТ 9 ⁰С, верхового брожения 14 – 16 ⁰С.

Обычно сусло охлаждают в две стадии. На первой стадии сусло медленно (около 2 часов) охлаждают до 60 – 70 ⁰С в отстойном чане и несколько быстрее в гидроциклоне (20 – 40 минут, температура на выходе из гидроциклона около 90 ⁰С). На второй стадии (от 60 – 70 ⁰С до 5 – 9 ⁰С) сусло охлаждают быстро, как правило, с использованием пластинчатых теплообменников.

Растворение кислорода воздуха в сусле. Поглощение кислорода суслом происходит в ходе всего процесса охлаждения, причем идет химическое и физическое связывание кислорода суслом.

Кислород растворяется в горячем сусле в очень небольшом количестве, так как при высоких температурах он слабо растворим, но по мере охлаждения этот процесс усиливается.

При высоких температурах (свыше 40⁰С) происходит химическое связывание. Кислород воздуха, поглощенный горячим суслом, быстро исчезает, он затрачивается на окисление органических веществ сусла, что выражается в потемнении сусла и резком снижении хмелевого аромата и хмелевой горечи.

При температурах от 40 до 85⁰С кислород воздуха хими­чески взаимодействует с сахарами, азотистыми и горькими веще­ствами, хмелевыми смолами, полифенолами сусла и окисляет их. Например, при окислении глюкозы образуется глюконовая кисло­та, фруктозы — муравьиная, щавелевая и винная кислоты.

Из указанных веществ в потемнении сусла участвует фруктоза, которая при окислении может карамелизоваться, а также дубильные вещества, которые окисляются в флобафены.

Окисли­тельные процессы отрицательно влияют на качество сусла и пива, но вместе с тем они необходимы для образования стойких коллоид­ных комплексов, постепенно укрупняющихся до взвешенных час­тиц. Поэтому контакт сусла с воздухом обязателен на этой стадии. Процесс окисления отдельных компонентов сусла выражается в увеличении окислительно-восстановительного потенциала и зави­сит от рН сусла. При обычном рН сусла скорость окисления отдельных веществ возрастает в ряду: сахароза, мальтоза, глюкоза, фруктоза, хмелевые смолы, дубильные вещества. Сдвиг рН сусла в сторону щелочной области в большей степени влияет на окисление полифенолов, чем других веществ.

Движение сусла также способствует связыванию кислорода, а тонкий слой окисляется легче, чем тонкий.

При температуре ниже 40°С окисления компонентов сусла не происходит, но сусло продолжает насыщаться кислородом путем его физического растворения. Этот кислород содержится в сусле в свободном виде и затем расходуется при сбраживании на размножение пивных дрожжей. Наиболее благоприятными условиями физического связывания кислорода являются низкая температура, тонкий слой сусла, его перемещение и низкая концентрация сусла. Содержание кислорода в сусле должно составлять не менее 6 – 7 мг/дм³.

Сусло может получать кислород различными способами. Например, при продувании его стерильным воздухом через барбатеры при охлаждении сусла в отстойном чане. Применяют также чаны предварительного брожения, где сусло получает необходимое количество кислорода при продувании слоя сусла стерильным воздухом. Количество физически связанного кислорода увеличивается в сусле по пути его в бродильное отделение, в результате смешивания его с воздухом, находящимся в трубах и бродильных емкостях. Дополнительно в трубопроводы могут вмонтироваться аэраторы, которые дозируют тонкораспыленный стерильный воздух в сусло, протекающее по трубопроводу.

Выделение взвесей. Весьма важным для технологии пива процессом является выделение взвесей из охлажденного сусла.

Муть в сусле находится в виде дисперсных систем, частицы разделяются на три группы: аналитические (с размером частиц около 1 нм), коллоидные (размер частиц – от 1 до 10³ нм) и грубые (10 и более нм). Выпадение частиц мути при охлаждении сусла подчиняется общим законам осаждения. Медленное и непрерывное осаждение частицы, взвешенной в неподвижной жидкости, происходит под действием силы тяжести. Сопротивление жидкости, препятствующее падению частицы, зависит от радиуса частицы, плотности и вязкости сусла.

На коллоидные частицы сила тяжести практически не воздействует из-за небольшой величины и близости их плотности к плотности сусла и пива. Осаждению коллоидных частиц препятствует также сила диффузии (непрерывное перемешивание в результате броуновского движения) и электрические силы отталкивания. Поэтому осветление сусла является длительным процессом. Оно происходит отдельными, последовательными этапами, соответствующими каждому типу коллоидных частиц и каждой серии размеров частиц.

С уменьшением диаметра частиц осветление сусла происходит труднее. Это объясняется тем, что сила тяжести, направленная вниз, ослабевает быстрее, чем сопротивление жидкости частицам мути. Но они могут увлекаться более крупными или более плотными частицами сусла, которые притягивают к себе мелкие.

Горячее сусло содержит грубые (или крупные) взвеси и мелкие (или тонкие взвеси), образовавшиеся на стадии кипячения сусла с хмелем. Осаждаясь на дрожжах, они могут отрицательно повлиять на жизнедеятельность дрожжей и тем самым на ход сбраживания сусла, а также на коллоидную стойкость готового пива.

Грубые взвеси выделяются в виде крупных хлопьев, легко осаждаются, образуя осадок взвесей горячего сусла. Этот осадок легко удаляется, часть его задерживается уже в хмелеотделителе. На этом осадке адсорбируются тяжелые металлы, предохраняя тем самым дрожжи и пиво от их вредного воздействия.

Размер грубых взвесей в среднем составляет 30 - 80 мкм. Процентный состав осадка: 50 - 60% белковых веществ, 20 - 30% полифенолов, 15 - 20% горьких хмелевых смол, 2 - 3% минеральных веществ (алюминий, железо, медь).

Количество взвесей горячего сусла колеблется от 30 до 60 г на 100 дм³ сусла и зависит от содержания белков в затираемом зерне, способа затирания, количества экстрактивных веществ в сусле, нормы, качества и вида вносимого хмеля, продолжительности и интенсивности кипячения затора и сусла.

Тонкая взвесь начинает образовываться и выделяться из сусла при температуре ниже 60 °С. Размеры частиц тонкой взвеси составляют 0,5 - 1,0 мкм. Кроме размера частиц тонкую взвесь отличает от грубой обратимый характер. Хотя масса тонкого осадка составляет 0,04 - 0,05 % от массы экстракта сусла, его наличие влияет на сбраживание сусла и качество пива в гораздо большей степени.

Тонкие взвеси пленкой покрывают поверхность дрожжевых клеток и ограничивают их физиологические функции, нарушая проницаемость клеток, затрудняя диффузию сахаров в клетку и их сбраживание. Они придают пиву терпко-горький вкус и снижают его стойкость к коллоидному помутнению, что определяется его составом - тонкий осадок состоит на 35 % из полифенолов и на 65 % из остатков β-глобулина, глютелина, гордеина. Эти комплексы теряют свою растворимость в сусле с понижением температуры.

В настоящее время заслуживает внимание, применение низких температур при отделении как грубого, так и тонкого осадков. Сусло, поступающее из отстойного чана или гидроциклона, подвергают охлаждению до минус 1 ⁰С и после 48 часовой выдержки при этой температуре его подвергают фильтрации на фильтр-прессе. Сусло получается прозрачным, лишенным основного количества мутеобразующих веществ, в частности, количество коагулируемого азота снижалось на 34%, дубильных и красящих веществ – на 14%. Такая обработка оказывает положительное влияние на последующие этапы производства – брожение, дображивание, и прежде всего, улучшает коллоидную стойкость готового пива.