2.5.2. Испарение избыточной воды

При фильтровании первое сусло оказывается слишком сильно разбавленным промывными водами, необходимыми для более полного вымывания дробины. Чтобы получить требуемое значение конечной концентрации сусла в течение определенного времени кипячения, до последнего времени считалось необходимым поддерживать испарение около 8-10 % в час от объема охмеленного сусла. Более высокая степень испарения не оправдана, так как для хода описываемых далее превращений необходимо соблюдение определенной продолжительности кипячения, зависящей от температуры. При традиционном способе кипячения с использованием обогрева днища его продолжительность составляет 90-100 мин, но в современных системах продолжительность кипячения существенно меньше. Интенсивное испарение, которое представлялось необходимым, например, для получения крепкого пива, оказалось не оправданным по технологическим соображениям, а также с точки зрения энергетических затрат. Так называемый порог рентабельности последней промывной воды составляет около 2 % (см. раздел 2.3.2.4), из-за чего не допускается повышенный расход энергии. Следствием слишком большого сокращения испарения может стать недостаточное удаление ароматических веществ. Все такие мероприятия должны быть сбалансированы с учетом типа системы кипячения сусла и типа производимого нива.

Испарение сусла и воздействие температуры кипения сопровождается целым рядом дополнительных явлений, которые, как и во многих других процессах, оказывают влияние на ход всего процесса пивоварения и до некоторой степени ограничивают и затрудняют его течение.

Во время кипячения происходит разрушение ферментов солода и тем самым - фиксация соотношения содержащихся в сусле веществ. Кроме того, сусло стерилизуется. Все микроорганизмы, попавшие в сусло из солода, воды, а также внесенные с подкислителем, уничтожаются. Для достижения необходимой инактивации ферментов продолжительность кипячения может быть короче.

В процессе кипячения значение рИ сусла снижается на 0,15-0,25, что обусловлено добавлением горьких кислот хмеля, образованием меланоидинов, и, в первую очередь, кислотным действием ионов кальция и магния, а также осаждением щелочных фосфатов.

Цветность сусла при кипячении увеличивается. Степень окрашивания зависит от продолжительности кипячения (1-1,5 ед. EBC в час), от температуры теплоносителя, особенно в «закрытых» системах, от температуры самого сусла, от его значения pH, от количества хмеля и хмелевых препаратов, содержащихся в них дубильных веществ, от содержания образовавшихся ранее красящих веществ, от содержания в солоде полифенолов, а в сусле - кислорода. При фильтровании с доступом воздуха степень окрашивания может увеличиться вдвое.

2.5.3. Коагуляция белка

Особенно важным изменением сусла в процессе кипячения является выпадение белковых веществ в осадок. Первоначально прозрачное сусло в начале кипячения становится сначала непрозрачным и мутным. В процессе кипячения сусла вещества, выделившиеся сначала в виде очень тонкой взвеси, взаимодействуют друг с другом, образуя более грубый и объемный осадок. Выделившиеся в виде хлопьев вещества представляют собой в основном коагулируемые белки, которые называют «брух» или «взвеси горячего сусла».

Эти процессы осветления имеют большое значение для полноты, гармоничности вкуса и стабильности пива. Недостаточная коагуляция белков не только ухудшает эти свойства, но и оказывает косвенное влияние путем обволакивания дрожжей во время главного брожения и дображивания. Именно недостаточное снижение значения pH при брожении ухудшает последующее выделение белков при брожении, приводит к снижению степени сбраживания, худшему осветлению и, наконец, к появлению у пива «белковой горечи». Слишком глубокая коагуляция белка вызывает снижение содержания высокомолекулярных белковых соединений, что негативно сказывается на пенообразующих свойствах пива, полноте и округлости его вкуса.

Собственно процесс коагуляции протекает в две стадии: первая имеет преимущественно химическую природу и называется денатурированием, а во второй фазе (ее называют коагуляцией) протекают коллоидные, химические и физические процессы.

Азотсодержащие коллоиды сусла гидратированы, то есть окружены водяной пленкой («эмульсоиды»), что в сочетании с электрическим зарядом придает им некоторую стабильность. При температурах кипения происходят межмолекулярные превращения, приводящие к разрыву водородных связей и, как следствие, к потере гидратационной воды. Эту дегидратацию можно усилить добавлением дегидратирующих веществ - тан-нинов, спирта, некоторых ионов, например, SO₄^2-, и тяжелых металлов. После дегидратации частицы еще поддерживаются в лабильном коллоидном состоянии («суспензоиды») благодаря своему электрическому заряду. В так называемой изоэлектрической точке», в которой положительно и отрицательно заряженные группы амфотерных белков нейтрализуют друг друга, дегидратированные молекулы особенно нестабильны и выпадают сначала в мелкодисперсной, а затем во все более грубой форме. Поскольку изоэлектрические точки у различных растворенных в сусле белков никогда не совпадают, то и образование белковых хлопьев не может проходить равномерно и в полной мере.

Согласно новым данным по денатурации молочного белка при нагревании сначала происходит расщепление водородных и образование дисульфидных мостиков. Высвободившиеся сульфгидридные группы соединяются с другими пептидами и белками. Этот тиолдисульфидный обмен можно стимулировать с помощи восстановителей или ингибировать агентами, способствующими блокированию сульфгидридных групп. Вопреки господствовавшему до последнего времени мнению полифенолы не оказывают прямого действия на выделение белков, так как соединение дубильных веществ с молекулами белков осуществляется с помощью водородных мостиков, которые при высокой температуре нестабильны. Осаждающее действие полифенолов могло бы проявиться лишь при температуре ниже 80 °С, то есть к тому моменту, когда прозрачное сусло начинает мутнеть при охлаждении (см. раздел 2.7.3.2). Действие полифенолов на белковые вещества сусла до настоящего времени определялось аналитически только в сусле с температурой около 20 °С, причем анализу предшествовало осветление путем центрифугирования или грубой фильтрации. Значение полифенолов можно было бы объяснить их редуцирующими свойствами, препятствующими окислению сульфгидрильных групп, в результате чего они могут участвовать в тиолдисульфидном обмене. Этим объясняется благоприятное действие высокого содержания полифенолов в сырье, что коррелирует с повышенной восстанавливающей способностью сусла. На осаждение белков положительное действие оказывают горькие вещества хмеля, которые вступают в соединение с £-аминогруппами лизина; аналогичное воздействие оказывают редуцирующие группы продуктов реакции Майяра.

Оптимальное значение pH для осаждения белков составляет менее 5,2, но в нормальных условиях оно практически недостижимо. Хорошо растворенный солод или солод, отсушенный при очень высокой температуре, отрицательная остаточная щелочность пивоваренной воды (например, отношение карбонатной жесткости к некарбонатной жесткости 1:2-2,5) или биологическое подкисление сусла в сочетании с интенсивным кипячением поддерживают процесс выделения белков.

Р-глобулин, вызывающий, как считается, образование помутнений в пиве, имеет изоэлектрическую точку при pH 4,9;

у него, как и у других участвующих в образовании помутнений компонентов, например, 8- и £-гордеинов, для достижения более глубокого осаждения белков необходимы более низкое значение pH сусла и восстановительное действие дубильных веществ солода и хмеля.

Первая стадия образования взвесей горячего сусла в условиях кипячения сусла обычно протекает полностью, а вторая осуществляется не всегда, то есть белок выпадает в виде тонкой мути, не образуя хлопьев. Осадок взвесей горячего сусла не всегда бывает грубодисперсным - может оставаться слабая опалесценция, свидетельствующая о присутствии сравнительно большого количества белка, способного к коагуляции.

Показателем действия кипячения в горячем охмеленном сусле считается остаточное содержание коагулируемого азота, которое должно составлять от 1,8 до 2,2 мг/100 мл. Из физических факторов образования взвесей горячего сусла в первую очередь следует упомянуть продолжительность кипячения. При традиционном кипячении для получения низкого остаточного содержания коагулируемого азота вполне достаточно кипячения в течение 1,5-2 ч. В некипяченом сусле еще содержится в среднем 6 мг коагулируемого азота, снижение содержания которого приведено в табл. 2.13.

Таблица 2.13. Снижение содержания коагулируемого азота

Продолжительность кипячения, мин	0	30	60	90	120
Содержание коагулируемого азота, мг/100 мл	5,5	4,0	3,4	2,7	2,2

Выделение белка продолжается и при дальнейшем кипячении, однако происходящие при этом изменения несущественны.

Кроме того, для выделения взвесей горячего сусла в виде крупных хлопьев важен способ кипячения. Признаком интенсивного кипячения является очень быстрый отрыв образующихся на дне котла пузырьков пара, и подъем их на поверхность. Денатурированные белковые или белково-дубильные комплексы скапливаются на поверхности пузырьков пара и укрупняются. В результате происходит увеличение концентрации белковых веществ. Чем интенсивнее кипение, тем мельче пузырьки пара, тем больше их поверхность и, таким образом, сильнее взаимодействие частиц. На первой стадии кипячения сусло зачастую склонно к избыточному пенообразованию - это происходит до тех пор, пока не пройдет денатурация способных к коагуляции молекул.

В отличие от старых паровых котлов со сферическим обогреваемым дном, отличавшихся слабым кипением и неудовлетворительным испарением, производительность современных котлов с приподнятой внутренней поверхностью обогрева и обогреваемых мазутом котлов со стальной топкой вполне удовлетворительна. Хорошее кипение в них выражается определенной величиной почасового испарения, которое, как мы уже отмечали выше, должно составлять 8-10% (табл. 2.14).

Таблица 2.14. Почасовое испарение и содержание коагулируемого азота в современных котлах

Почасовое испарение, %	4	6	8	10
Содержание коагулируемого азота, мг / 100 мл	3,2	2,6	2,1	1,7

Для увеличения интенсивности кипения и эффективности испарения в котлы устаревшей конструкции зачастую встраивают дополнительные кипятильники. С их помощью не только удается компенсировать недостатки этих котлов - по своей эффективности они часто превосходят даже высокопроизводительные котлы. При использовании внутренних кипятильников, которые даже без обогрева котла обеспечивают высокую интенсивность испарения, может иметь место недостаточное перемешивание сусла во внешних зонах емкости. Вследствие этого происходит не только неполное выделение белка, но и недостаточное испарение летучих веществ. Для устранения подобных проблем на нагревателях с небольшим диаметром устанавливают экраны, на которые при кипячении направляются конвекционные потоки сусла. Опасение, что при очень сильном кипении взвеси горячего сусла могут разрушаться, устраняют путем менее интенсивного кипячения этих взвесей с помощью внешних поверхностей нагрева котла в течение 10 мин перед перекачиванием.

И наконец, в процессах кипячения сусла значительную роль играют форма котла и форма объёма, заполненного жидкостью, а также перепады температур в отдельных зонах поверхностей нагрева. Нагревание при кипячении происходит путем конвекции. Часть жидкости, непосредственно соприкасающаяся с поверхностями нагрева, расширяется и поднимается вверх. Аналогично ведут себя всплывающие пузырьки пара, которые увлекают за собой жидкость. Сусло начинает перемещаться, удаляясь от места наиболее сильного нагрева, и возникает поток определенной силы и направления. Так как обогреваемое дно в котлах с прямым обогревом выгнуто в центре, то в этом месте образуется более тонкий слой жидкости, что вместе с более высокой температурой поверхности нагрева приводит к образованию потока от центра к периферии. Аналогичные процессы происходят в так называемых высокопроизводительных котлах с приподнятой внутренней зоной нагрева, обогреваемой паром повышенного давления. В прямоугольных котлах возникает аналогичный поток, который в данном случае направлен от одной обогреваемой стороны котла к другой, менее нагретой. При этом необходимо следить за тем, чтобы с поверхностью нагрева соприкасались все частицы сусла во избежание образования застойных зон. В данном случае целесообразным представляется использование внутренних поверхностях нагрева (пластин или труб).

Выносные кипятильники используют в режиме регулировки повышенных температур, воздействующих на сусло в варочном котле до выпаривания в среднем 8-10 раз в час. Во избежание слишком интенсивного осаждения белка в последнее время перешли к режиму кипячения при температурах 102-104 °С в течение 60-70 мин. Данный режим применяют и для внутренних кипятильников с напорным конусом и распределительным экраном (продолжительность кипячения 70-80 мин). Так как сусло в этих системах застаивается, то на коагуляцию белка влияет и температура обогревающего пара. Для испарения сусла целесообразно использовать по возможности более низкие температуры насыщенного пара (а при известных условиях и впрыскивание конденсата).

При свободном потоке жидкости (например, в котлах с двойным днищем или в котлах с прямым обогревом) температура теплоносителя не оказывает при кипячении особого влияния, но сказывается на других реакциях, в частности, на окрашивании (при обогреве без перемешивания). Подобно описанному выше способу кипячения при атмосферном давлении с использованием внешних или внутренних кипятильников, при кипячении при пониженном давлении происходит усиленная коагуляция белка, вследствие чего его ограничивают 25-30 мин при температуре в котле 102-103 °С (в кипятильнике соответственно на 1,5-2 °С выше) в рамках общей продолжительности кипячения 60-65 мин. В описанных способах кипячения при известных условиях может не хватать времени для реакций изомеризации α-кислот и расщепления предшественников ДМС, и поэтому при высокотемпературном кипячении сусла вернулись от первоначально высоких температур к кипячению в течение 2,5-3 мин при 130 °С.

На интенсивность осаждения белка влияет не только его значение pH, но и состав сусла. Чем лучше растворен солод, тем больше он содержит редуцирующих полифенолов, способствующих установлению тиолдисульфидного равновесия относительно выпадения в осадок высокомолекулярных азотистых веществ или денатурирования при охлаждении (в случае неохмелённого сусла). Некоторые данные см. в табл. 2.15.

Таблица 2.15. Снижение содержания азотистых веществ в зависимости от степени растворения белка

Степень растворения белка солода, %	33	42	47
Снижение содержания антоцианогенов, мг/л	9	15	22
Снижение содержания общего азота, мг/л	39	60	70
Снижение содержания коагулируемого азота, мг/л	30	48	57

Осаждение общего азота, даже превышающее количество коагулируемого азота, свидетельствует о том, что во время кипячения происходит укрупнение коллоидов, которые затем в результате описанных выше реакций денатурируются и осаждаются.

В сусле, приготовленном без доступа кислорода, содержится больше редуцирующих полифенолов; с ним вносится меньшее количество высокомолекулярного и коагулируемого азота, в результате чего в современных системах кипячения возникает необходимость тщательного регулирования продолжительности и температуры кипячения.

В фильтр-чанах старой конструкции с очень длительным периодом фильтрования вынужденно начинали кипячение относительно рано. Как бы то ни было, кипячение после окончательного заполнения котла должно продолжаться еще около 75 % общего времени кипячения, чтобы поступающие с промывными водами азотсодержащие и дубильные вещества, а также кремниевая кислота вступили в реакцию и выпали в осадок.

Для улучшения осаждения белка и сокращения времени кипячения сусла добавляют различные стабилизирующие вещества. В Германии разрешено использовать бентониты и кизельгели (силикагель), которые при внесении от 20 до 50 г/гл не только стимулируют коагуляцию азотсодержащих веществ, но и способствуют улучшению изомеризации горьких веществ. С учетом стабильности готового пива указанное внесение этих добавок экономически оправдано (см. раздел 7.6.4.2).

Добавление поливинилполипирролидона (ПВПП) при кипячении сусла приводит к снижению содержания полифенолов в сусле и пиве, но эта мера препятствует интенсивной коагуляции белка. Внесение ПВПП с учетом стабильности пива эффективно только при низком содержании азота в сусле из несоложеного сырья.

Внесение таннина (3 г/гл) усиливает выделение азота при кипячении сусла на 2 мг/100 мл, улучшается также осветление пива и его физико-химическая стабильность. В Германии его применение запрещено, как и каррагена (ирландского мха). Эти высокополимерные углеводы в количестве 4-8 г/гл способствуют осаждению белка. В современных конструкциях котлов с их интенсивным процессом кипячения использование этих добавок не требуется.