Основным биохимическим процессом при главном брожении является превращение сбраживаемых сахаров в этанол и диоксид углерода. Большая часть экстракта сусла состоит из углеводов, в состав которых входят (%): фруктоза — 1-3, глюкоза — 8-10, сахароза — 2-6, мальтоза — 38-50, мальтотриоза — 11-19, мальтотетраоза — 2-6, декстрины — 14-22. Из них сбраживаются глюкоза, фруктоза, сахароза, мальтоза и мальтотриоза (примерно 75 %). Несбраживаемая часть экстракта представлена декстринами, белками и минеральными веществами.
Сбраживание сахаров происходит в определенной последовательности и обусловлено скоростью их проникновения в дрожжевую клетку. Быстрее всех сбраживаются фруктоза и глюкоза. Сахароза гидролизуется ферментом β-фруктофуранозидазой до глюкозы и фруктозы, которые также потребляются дрожжами.
Далее дрожжи начинают потреблять мальтозу, которая под действием мальтазы расщепляется на две молекулы глюкозы. Мальтоза почти полностью сбраживается при главном брожении.
Мальтотриозу дрожжи сбраживают лишь частично при главном брожении и медленно при дображивании. В сусле, богатом мальтозой, мальтотриоза ожет остаться несброженной.
Основными конечными продуктами спиртового брожения являяются этанол и диоксид углерода. Среди вторичных продуктов брожения в сусле находятся глицерин, уксусный альдегид, пировиноградная, уксусная, янтарная, лимонная и молочная кислоты, ацетоин (ацетилметилкарбонал), 2,3-бутиленгликоль и диацетил. Преобладающие кислоты — уксусная и янтарная, а также 2,3-бутиленгликоль и уксусный альдегид; в незначительных количествах — ацетоин и лимонная кислота.
Сопутствующим процессом является образование из аминокислот высших спиртов, которые оказывают большое влияние на вкус и аромат пива. Это побочные продукты брожения.
Под действием эстераз дрожжей из альдегидов образуются сложные эфиры. В процессах эфирообразования также участвуют высшие спирты и кислоты.
Нежелательный компонент пива, придающий ему своеобразный медовый запах и привкус, - это диацетил. Он образуется дрожжами в начале главного брожения. В стадии дображивания и созревания молодого пива количество диацетила значительно уменьшается, так как с изменением условий он восстанавливается в ацетоин. Однако ацетоин, в свою очередь, может быть причиной так называемого подвального (затхлого) привкуса пива. Содержание ацетоина в пиве 1 мг/дм3 считают нормальным, но с повышением его содержания от 2,3 до 5,3 мг/дм3 появляется затхлый привкус пива.
Образованию диацетила способствуют все технологические приемы, сопровождающиеся переходом анаэробного процесса в аэробный,.
Все высшие спирты (пропиловый, изобутиловый, изоамиловый, амиловый, тирозол, триптофол) обладают характерным запахом и дают сложные эфиры, которые приобретают приятные, смягченные запахи, влияющие на образование аромата и вкуса пива. С изменением концентрации некоторых веществ запахи меняются и, входя в композицию в необходимом количестве, существенно улучшают общий аромат.
Сбраживание сусла сопровождается изменением рН. Начальное сусло при введении в него дрожжей имеет рН 5,3-5,6 (до 6,0), а молодое пиво — рН 4,2-4,6. Понижение рН происходит вследствие образования углекислоты и органических кислот, главным образом, янтарной и молочной. Наибольшее понижение рН происходит на третий день брожения.
Значительно быстрее, чем рН, при брожении изменяется гН2 (окислительно-восстановительный потенциал). В сбраживаемом сусле уменьшается количество продуктов окисления и накапливается количество продуктов восстановления, что и приводит к понижению гН2. В охлажденном сусле гН2 > 20. Как только начинается интенсивное брожение, гН2 понижается до 10-11.
Большую роль в изменении гН2 играют дрожжи. Они тормозят окислительные процессы, быстро поглощая растворенный в сусле кислород, расходуя его на обменные реакции. Выделяющийся диоксид углерода вытесняет кислород из сусла, что также замедляет окисление. При интенсивном брожении весь растворенный кислород потребляется дрожжами и гН2 снижается до минимума, достигая 10.
Чем ниже величина гН2 в процессе брожения, тем выше качество получаемого пива. При высоком значении гН2 сусло и молодое пиво становятся темнее, ухудшается вкус готового пива, может появиться муть.
Из других физико-химических процессов важное значение для брожения имеют коагуляция белковых веществ и пенообразование. Коагуляции белковых веществ способствуют образование спирта, эфиров и понижение рН сусла. Белки частично денатурируют, частично теряют свой заряд и флокулируют. Происходит выделение некоторых фракций белков в виде крупных агрегатов с одновременной агглютинацией и осаждением дрожжей. В основном выделяются белковые вещества, изоэлектрическая точка которых близка к рН молодого пива. Осаждается также и часть тонких взвесей (белково-дубильные соединения), которые поступили в бродильный аппарат с суслом.
Образующийся в ходе брожения диоксид углерода сначала растворяется в сбраживаемом сусле, а по мере насыщения сусла выделяется в виде газовых пузырьков, в результате чего формируется пена. На поверхности газовых пузырьков появляется адсорбционный слой поверхностно-активных веществ из белков, пектина и хмелевых смол. В процессе брожения сусла внешний вид пены изменяется: в определенный период она напоминает завитки. Основу для образования завитков создают коагулируемые белки и выделяемые хмелевые смолы, а их формирования — диоксид углерода.
Дрожжи, используемые для производства пива Возбудителями броженияявляются дрожжи– одноклеточные микроорганизмы растительного происхождения. В производстве пива пивоварении используются эукариотные дрожжи верхового брожения Saccaromyces cerevisiae и низового брожения Saccaromyces carlsbergensis.
Дрожжи верхового брожения в конце брожения поднимаются на поверхность. Для них характерно взвешенное в сусле состояние. Поэтому их называют пылевидными. Дрожжи низового брожения после брожения оседают на дно танка плотным слоем. В сусле они собираются в виде хлопьев, поэтому их называют хлопьевидными. Эта способность дрожжей имеет важное практическое значение — быстро осветляется пиво и появляется возможность собирать дрожжи из бродильных танков и многократно их использовать.
По степени сбраживания дрожжи делятся на высоко- и низко-сбраживающие.
В пивоварении пива наибольшее распространение получили штаммы низовых дрожжей: 776, 11, 41, 44, 8а (М) Н, 37 и др.
Штамм 776 — дрожжи среднесбраживающие. Хорошо осветляют сусло, образуют плотный осадок. К качеству сырья нетребовательны.
Штаммы 11, Н — дрожжи сильно- и быстросбраживающие. К качеству сырья неприхотливы. Флокуляционная способность хорошая. Вкус пива полный.
Штаммы 41, 44 — дрожжи среднесбраживающие. Способность к агглютинации хорошая. Вкус пива чистый, мягкий.
Штамм 8а (М) — дрожжи сильносбраживающие. Флокуляционная способность хорошая. Вкус пива чистый, мягкий.
Для отдельных сортов темного пива применяются специальные расы дрожжей верхового брожения.
Дрожжи должны отвечать следующим требованиям: иметь высокую бродильную активность, хорошо образовывать хлопья и осветлять пиво в процессе брожения, придавать пиву чистый вкус и приятный аромат.
Дрожжи чистой культуры, как правило, разводят в лаборатории предприятия. При этом необходимо обеспечить стерильность сусла.
Подготовка чистой культуры дрожжей к брожению сводится к накоплению их биомассы в количестве, необходимом для начала процесса брожения. Процесс разведения состоит из двух стадий: лабораторной и производственной.
Первая стадия начинается с пересева чистой культуры дрожжей из пробирки. При последовательном пересеве культуры объем сусла увеличивается каждый раз примерно в 5 раз: 20 см3 — 100 см3 — 500 см3 — 2,5 дм3 — 12 дм3 — 60 дм3 — 300 дм3.
Производственная стадия осуществляется в установке Грейнера, состоящей из стерилизатора сусла, бродильных цилиндров, сосудов для посевных дрожжей и резервуара для предварительного брожения.
Чистую культуру разводят следующим образом. В стерилизатор набирают горячее охмеленное сусло, кипятят и охлаждают до 8-12 °С. Долее сусло направляют в бродильный цилиндр, куда переносят разводку чистой культуры дрожжей после пятого пересева.
Сбраживание сусла продолжают в течение 3 сут. При этом дрожжи размножаются и их биомасса увеличивается. После брожения из цилиндра отбирают часть разводки дрожжей (10 дм3) в сосуд для посевных дрожжей, где она хранится до следующего пересева. Основную часть разводки дрожжей из цилиндра перекачивают в резервуар предварительного брожения, куда подают заводское охмеленное сусло температурой 9 оС. В резервуаре предварительного брожения дрожжи размножаются также в течение 3 сут.
На следующих циклах бродильные цилиндры, освобожденные от дрожжей, заполняют стерильным суслом из стерилизатора и засевают дрожжами, хранящимися в сосудах (10 дм3). Процесс размножения дрожжей в аппарате конструкции Грейнера повторяют многократно до обнаружения в дрожжах посторонней микрофлоры.
Сброженная биомасса из резервуара предварительного брожения поступает в бродильный аппарат вместимостью 1000 дм3, куда доливают 300 дал заводского охмеленного сусла, а через 12 ч — еще 400 дал. Через 36 ч забродившее сусло можно вносить в качестве дрожжей в аппарат главного брожения. Осевшие при брожении семенные дрожжи снимают, промывают холодной водой и используют в производстве.
Каждый оборот дрожжей называется генерацией.На практике семенные дрожжи после предварительной подготовки используются до 10 генераций.
Повторно используемые генерации дрожжей должны удовлетворять следующим требованиям: количество мертвых дрожжевых клеток должно быть не выше 5 %; наличие посторонних бактериальных клеток — не выше 0,5 %; упитанность дрожжевых клеток по гликогену — нениже 70 %; наличие диких клеток дрожжей — не допускается.