Физико-химические свойства пива
Федеральное государственное
бюджетное образовательное
«Калининградский Государственный Технический Университет»
ФГБОУ ВПО «КГТУ»
Кафедра химии
Курсовая работа по дисциплине
«Поверхностные явления и дисперсные системы»
«Физико-химические свойства пива»
_____________Радкевич О.А.
Калининград
2012
Содержание:
Введение ------------------------------
1.Теоретическая часть
------------------------------
1.1. История пивоварения
------------------------------
1.2. Производство пива ------------------------------
1.2.1. Сырье ------------------------
1.2.2. Производство солода
------------------------------
1.2.3. Производство сусла
------------------------------
1.2.4. Производство пива ------------------------------
1.2.4.1. Дрожжи как важнейший партнер пивовара
------------------------------
1.2.4.2. Метаболизм дрожжей ------------------------------
1.2.4.3. Образование и расщепление побочных продуктов брожения --------------------- 19
1.2.4.4. Другие процессы и превращения
------------------------------
1.2.4.5. Фильтрование пива ------------------------------
1.2.4.6. Стабилизация пива ------------------------------
1.2.4.7. Карбонизация пива ------------------------------
1.3. Химический состав пива ------------------------------
1.3.1. Компоненты пива ------------------------------
1.4. Пиво и здоровье ------------------------------
1.5. Органолептические показатели
пива ------------------------------
1.5.1. Аромат пива ------------------------------
1.5.2. Полнота вкуса ------------------------------
1.5.3. Игристость ------------------------------
1.5.4. Горечь пива ------------------------------
1.5.5. Пенистость и пеностойкость
пива ------------------------------
1.5.5.1.Распад пены ------------------------------
1.5.5.2.Факторы, влияющие на пеностойкость
------------------------------
1.6. Типы пива ------------------------------
1.6.1. Пиво верхового брожения ------------------------------
1.6.2. Пиво низового брожения ------------------------------
1.7. Физические свойства пива ------------------------------
2. Экспериментальная часть ------------------------------
2.1. Материал исследования ------------------------------
2.2. Методика исследования ------------------------------
2.3. Результаты исследования ------------------------------
Заключение ------------------------------
Список литературы ------------------------------
ВВЕДЕНИЕ.
Пиво — слабоалкогольный напиток, получаемый спиртовым брожением солодового сусла (чаще всего, на основе ячменя) с помощью пивных дрожжей, обычно с добавлением хмеля. Содержание этилового спирта в большинстве сортов пива 3-6 % об. (иногда и выше, крепкое содержит, как правило, 8 % об., максимально — 14 % об), сухих веществ (в основном углеводов) — 7-10 %, углекислого газа — 0,48-1,0 %.
Пиво распространено во множестве стран мира и пользуется популярностью благодаря своим вкусовым качествам и аромату. Существуют около тысячи сортов пива. Вкусовые характеристики разных видов могут кардинально отличаться. В становлении стабильного разнообразия пива сильное влияние оказывают страны с наибольшим потреблением этого напитка на душу населения (Чехия, Германия, Ирландия, Австрия, Финляндия, Россия, Польша) и страны со специфической культурой производства (Ирландия, Бельгия, Бразилия, Япония).
Пиво — третий по популярности напиток в мире (после воды и чая) и самый популярный алкогольный напиток в мире.
Цель курсовой работы – изучить физико-химические свойства пива.
Для достижения цели курсовой работы были поставлены следующие задачи:
1. Определить плотность пива.
2. Определить поверхностное
натяжение пива
3. Изучить, как изменяется
со временем
4. Определить показатель преломления пива.
5. Определить устойчивость пены пива.
1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1. ИСТОРИЯ ПИВОВАРЕНИЯ
Пиво — напиток очень древний,
и его историю благодаря
Дальнейший расцвет
В Европе пиво было любимым напитком уже у древних германцев, а также у скифов и кельтов. Как и повседневная пища, пиво варилось в домашнем хозяйстве женщинами — ведь варка пива и выпечка хлеба считались женской работой у всех первобытных народов.
В монастырских пивоварнях уже в средние века произошел переход к товарному пивоварению, то есть пиво готовилось уже не только для собственных потребностей, но и на продажу. Одновременно пивоварение превратилось в мужскую профессию и оставалось таковой во все последующие времена вплоть до наших дней. В XIV веке в качестве единственной пряности для изготовления пива начали применять хмель (прежде применяли смесь различных пряностей, которую называли «грут» — «Grut»).
В Германии в средние века условия для приготовления пива на севере существенно отличались от условий на юге. На севере право на пивоварение являлось «городским». Осуществлялось оно в крупных городах, таких как Бремен, Гамбург или Эйнбек. На юге Германии в ХIV веке происходит постепенный переход от домашней варки пива к «профессиональной». При этом в городах на пивоваров оказывали существенное административное воздействие, выражавшееся в том, что право на пивоварение стало монаршей привилегией. Это имело особое значение в связи с тем, что в южногерманских землях в раннем средневековье пивоварение становится наиболее распространенным ремеслом.
В XV веке положение пивовара как ремесленника укрепляется, но ограничивается большим числом законоположений, особенно в южной Германии. Организация ремесленного производства, качество конечного продукта и его сбыт должны были соответствовать жестким административным требованиям, которые включали в себя даже положение о ценах на дрожжи и надзор за их качеством. Эти требования учитывали, прежде всего, интересы пекарей, получавших эти дрожжи от пивоваров, так как в то время и в дальнейшем монополией на приготовление дрожжей обладало пивоваренное производство.
Неурожай и другие обстоятельства иногда из-за недостатка привычного сырья вынуждали применять другие сырьевые продукты. Так, хмель иногда заменяли горькими травами, при приготовлении пива примешивали хлебное зерно или перерабатывали более дешевый овес. В связи с применением некоторых трав-заменителей могла возникать опасность для здоровья людей, поэтому во избежание этого административно было установлено, что для приготовления пива может применяться только вода, хмель и солод. Первое документальное упоминание об этом содержится в статье 12 принятого в 1434 г. закона «Statuta thabema» г. Вайсензее в Тюрингии. Аналогичные требования к приготовлению пива были приняты в 1447 г. в г Мюнхене. Баварский «Указ о чистоте» был подписан 23 апреля 1516 г. на ландстаге в Инголыштадте правителями Вильгельмом IV и Людвигом X и тем самым приобрел силу закона.
С 1906 г. этот «Указ о чистоте» имеет в Германии силу закона для приготовления пива низового брожения. В соответствии с ним пиво должно изготовляться из ячменного солода, хмеля и воды.
Целью законодательного регулирования было обеспечение граждан продукцией в возрастающем объеме по доступной цене. На этой основе советы городов регламентировали изготовление продукции в интересах защиты потребителей и устанавливали цены в соответствии с качеством продукции. Поэтому «Указ о чистоте» можно считать первым в мире законом о защите прав потребителей.
Тридцатилетняя война
Изобретение Джеймсом Уаттом в 1765 г. первой паровой машины послужило своего рода «краеугольным камнем» для введения в пивоваренное производство новей техники. В Англии первые паровые машины были применены в 1784 г., и к 1800 г. они получили там широкое распространение. Однако до их появления в Германии прошло значительное время, и лишь в 1846 г. Габриэль Седлмайр после поездки в Англию смонтировал в своей новей пивоварне в Мюнхене паровую машину мощностью 1 л. с. Изобретение в 1871 г. и применение в 1876 г. Карлом фон Линде холодильной машины, а также развитие сети железных дорог в последующие десятилетия привели во всех развитых странах к созданию новых и реконструкции старых крупных пивоварен. Не случайно первый груз, доставленный по первой немецкой железной дороге в 1836г., состоял из двух бочек пива. Однако зависимость производства от времени года и необходимость запасать зимой естественный лед исчезли прежде всего благодаря появлению холодильных машин.
Француз Луи Пастер, фактически отец современной микробиологии, показал, что процессы брожения — это результат деятельности микроорганизмов. Он сформулировал тезис «La fermentatim est la vie sans l’oxygene» («Брожение — жизнь без кислорода»), и именно ему мы обязаны не устаревающими знаниями о брожении и предпосылках для получения стойкого пива (1860 г.).
Благодаря работам Эмиля Христиана Хансена, который в 1883 г. в Карлсбергской лаборатории (г. Копенгаген) разработал метод получения чистой культуры дрожжей, усовершенствованный позднее в 1893 г. Паулем Линднером в его «капельном методе», были заложены основы для биологически безупречных методик и дана возможность получать чистые расы дрожжей.
Тем самым появились предпосылки
для победоносного шествия
С середины XIX века в Европе и Америке было основано много промышленных пивоваренных предприятий, а старые пивоварни были модернизированы. Вместе с тем, очевидно, что в тот период ручной труд применялся еще очень широко. Многие из возникших тогда пивоваренных предприятий являются сегодня промышленными гигантами с четко выраженным производственным профилем.
Во второй половине XIX века в промышленном пивоварении произошел прорыв и в других странах. В результате бурного развития отрасли возникла и начала преподаваться наука о пивоварении. В некоторых странах, производящих пиво, появились сначала исследовательские лаборатории и институты, которые впоследствии расширились до учебных заведений по пивоварению.
Естественно, что повсеместно основным
законодательным актом
В США в 1919 г. в связи с введением сухого закона (Prohibition Act) по пивоварению был нанесен тяжелый удар. В этот период пивоваренные заводы смогли «удержаться наплаву» только благодаря так называемому «Питательному пиву» (Nahrbier).
Что касается развития пивоварения в Германии во второй половине XIX века, то в 1873 г. работала 13561 пивоварня, из которых 10171 варили пиво верхового брожения. К ним следует добавить 36297 домашних хозяйств, где готовили домашние напитки, не облагавшиеся налогам. К 1891 г. число действующих пивоварен сократилось до 7785 (из-за появления крупных акционерных пивоваренных предприятий).
В течение 150 лет считалось обычным, чтобы требуемый солод изготавливался собственными силами, для чего каждое пивоваренное предприятие имело собственную солодовню, в которой зимой готовился солод, а затем в начале лета он перерабатывался в пиво. Все работы выполнялись одними и теми же людьми, и поэтому возникла профессия «пивовар- солодовщик», существующая в Германии и поныне.
Приготовление солода в те времена и до середины XX века было очень трудоемким в связи с применением тяжелого физического труда на гигантских токах. При сушке для перелопачивания солода также требовался ручной труд. Переход к современным пневматическим системам солодоращения связан с большой экономией энергии и рабочей силы. Сегодня в солодовне почти нельзя увидеть людей — всем управляет компьютер.
За последние 150 лет произошли революционные изменения и на пивоваренных предприятиях. После появления холодильных машин следующим крупным достижением явилось применение Лоренцем Энцингером фильтрования пива (1879 г.). С тех пор стало возможным отфильтровывать пиво до блеска. С помощью применения соответствующих стабилизирующих средств стало возможным обеспечить весьма продолжительную стойкость пива и тем самым производить его независимо от времени потребления.
Использование высокопроизводительных линий розлива, почти полностью исключающих доступ в пиво воздуха, обеспечивает сегодня сохранение исходного качества пива в течение долгого времени. В последние годы были получены существенные знания, раскрывающие проблему стойкости вкуса пива.
В настоящее время уже можно контролировать приготовление пива, применяя разнообразные механизмы контроля и регулирования, а совершенная техника обеспечивает непрерывный производственный контроль on-line. При помощи автоматизации обеспечивается автоматическое протекание большинства процессов приготовления пива. Все чаще рабочее место пивовара характеризуется наличием компьютера. Кроме того, благодаря использованию соответствующих методов отбора и контроля качества сырья и вспомогательных материалов повышается уровень производства, гарантирующий условия для достижения хорошего качества пива.
1.2. ПРОИЗВОДСТВО ПИВА
1.2.1. Сырье.
Для приготовления пива требуется четыре вида сырья: ячмень, хмель, вода и дрожжи. Качество этого сырья оказывает огромное влияние на качество изготовляемой продукции. Знание свойств сырья, его влияния на способ приготовления и на конечную продукцию является основой для подготовки и переработки сырья.
Основное сырье для
Зачастую используются также несоложеные зерновые — кукуруза, рис, сорго, ячмень, пшеница или приготовленные из них продукты - несоложеные зернопродукты (так называемая несоложенка). Пшеница применяется в виде соложеного сырья, особенно для производства пива верхового брожения; также в соложеном виде перерабатывается и сорго, особенно в Африке. Хмель придает пиву горьковатый вкус и влияет на его аромат. От качества хмеля существенно зависит качество пива.
В процентном отношении наибольший объем среди всех видов сырья занимает вода, которая, участвуя во многих процессах приготовления пива, влияет на его характер и качество. Кроме того, вода непосредственно участвует во многих процессах солодоращения и пивоварения. Спиртовое брожение при приготовлении пива вызывается жизнедеятельностью дрожжей, которые в силу этого необходимы. Одновременно дрожжи оказывают влияние на качество пива через побочные продукты брожения.
1.2.2. Производство солода.
Без солода приготовить пиво невозможно, и поэтому первым этапом его приготовления является производство солода. Конечно, солод можно получить не только из ячменя, но и из других видов зерновых (например, из пшеницы, ржи или сорго), однако исторически по ряду причин для изготовления пива в качестве наиболее целесообразного сырья применяется именно ячменный солод. Для производства 1 л пива с содержанием в готовом сусле 11% сухих веществ требуется около 17 кг солода.
Производство солода из ячменя (солодоращение) осуществляется в настоящее время почти исключительно на крупных промышленных солодовенных заводах, тогда как прежде пивоваренные предприятия обычно готовили солод в своих солодовнях.
Цель солодоращения состоит в том, чтобы накопить в ячменном зерне ферменты и обеспечить с их помощью определенные биохимические изменения веществ зерна. Для этого ячмень проращивают и в необходимый момент прерывают этот процесс. Полученный солод выглядит почти так же, как и ячмень, из которого он получен.
Для решения указанных задач поставленный на солодовенный завод ячмень очищают, сортируют и до момента переработки складируют в большие силосы.
При замачивании ячмень поглощает необходимую для прорастания воду и затем проращивается в больших ящиках. В заключение прорастание прерывают сушкой при высокой температуре. Готовый солод хранится в силосах до его продажи.
1.2.3. Производство сусла.
Основным процессом при
Приготовление сусла осуществляют в варочном цехе (рис. 1.1).
Рисунок 1.1. Производство сусла.
1 — бункер для солода, 2 — дробилка для грубого помола, 3 — аппарат для затирания, 4 — фильтрационный чан, 5 — сусловарочный котел, 6 — вирпул, 7 — пластинчатый холодильник.
Солод из солодового бункера (1) попадает в солододробилку (2), где он соответствующим образом измельчается.
В варочном цехе дробленый солод смешивается с водой (затирается) и в двух заторных емкостях (3) — заторном чане и в заторном котле — происходит расщепление его компонентов с образованием максимально возможного количества растворимых экстрактивных веществ. Иногда кроме этих емкостей используют дополнительно котел для разваривания несолеженого сырья, применяемого при затирании в качестве добавки.
В следующем фильтрационном чане (4) растворимые экстрактивные вещества сусла отделяют от нерастворимых веществ (дробины).
Сусло кипятится в сусловарочном котле (5) с хмелем, благодаря чему пиво приобретает горький вкус. В конце кипячения сусла в котле работу в варочном цехе контролируют путем определения выхода экстракта в варочном цехе.
В вирпуле (6) или на сепараторе (центрифуге) горячее сусло освобождается от отделившихся частичек, белкового отстоя и охлаждается на пластинчатом холодильнике (7), так как последующее сбраживание должно проводиться при более низких температурах.
1.2.4. Производство пива.
Для превращения сусла в пиво сахар, содержащийся в сусле, должен быть сброжен ферментами дрожжей в этанол и углекислоту. При этом возникают побочные продукты брожения, которые существенно влияют на вкус, запах и другие потребительские свойства пива. Образование и частичное расщепление этих побочных продуктов тесно связано с обменом веществ дрожжей.
Сбраживание и созревание пива происходит на многих пивоваренных предприятиях по классическому способу в бродильном и лагерном отделениях (рис. 1.2).
Рисунок 1.2. Брожение, созревание и фильтрование.
1 — Бродильный чан, 2— лагерный танк, 3— цилиндроконический танк, 4— фильтр, 5— пастеризатор.
На предприятиях, оснащенных современным оборудованием, брожение и созревание проводится в цилиндроконических танках (ЦКТ) (3).
По завершении брожения, созревания и дображивания пиво фильтруют и подвергают биологической и коллоидной стабилизации. Это происходит с помощью фильтров (4) и пастеризатора (5). После этого пиво можно подавать на розлив.
1.2.4.1. Дрожжи как важнейший партнер пивовара.
Многие пивовары используют светло-коричневую массу дрожжей только как добавку к суслу и ожидают, что из этого получится пиво, забывая при этом, что эта масса состоит из миллиардов отдельных клеток, существующих абсолютно независимо друг от друга и унаследовавших свои свойства благодаря развитию миллиардов предшествующих поколений, что и сохранено в их генах.
Не мы определяем, что должны делать дрожжи, но мы должны управлять факторами, которые регулируют их работу. При этом нельзя забывать о том, что «интересы» дрожжевой клетки совершенно иного рода, чем интересы пивовара. Если последнего в первую очередь интересуют спирт и СО2, то для дрожжей это — яд, от которого они стремятся избавиться, и поэтому выделяют наружу. Для дрожжевой клетки имеет значение только получение энергии (при потреблении питательных веществ) для продолжения своего существования и образования клеточной массы.
Из этого следует, что компоненты, имеющие ценность для пива, могут возникать только тогда, когда создаются оптимальные условия для дрожжевой клетки. Таким образом, качество пива в решающей степени зависит от дрожжей и их обмена веществ. Поэтому прежде чем перейти к деталям, рассмотрим процессы, происходящие с дрожжами во время брожения и созревания.
После попадания в сусло дрожжевая клетка должна, прежде всего привыкнуть к новой среде, которая оказывает на нее сначала шоковое воздействие: другая температура, pH, высокая концентрация сахара и т. д. В течение нескольких часов дрожжевая клетка выделяет во внешнюю среду аминокислота и нуклеотиды, однако вскоре она начинает потреблять некоторые из них обратно. Чем выше температура, тем больше выделяется аминокислот, но процесс привыкания (лаг-фаза) длится, в общем-то, короткое время. Перед тем как клетка вступает в тесный контакт с новой средой, она расщепляет хранящиеся в ней запасные вещества, которые дают ей первую энергию.
Избыточное количество сбраживаемых сахаров в сусле стимулирует потребление сахара клеткой. Одновременно с поступлением растворенного кислорода начинается и дыхание, которое приводит к выделению в митохондриях, этих силовых станциях клетки, большого количества энергии. Благодаря такому энергетическому сдвигу у дрожжей появляется возможность не только начать брожение, но и одновременно образовывать новые клеточные вещества и размножаться почкованием. Вещества, необходимые для образования клеточной субстанции, дрожжи получают из сусла. Пивовар же должен заботиться только о том, чтобы в сусле всегда были все необходимые для этого компоненты, а именно:
- аминокислоты для образования клеточных веществ;
- фосфаты для образования АТФ и двойного фосфолипидного слоя клеточных и внутренних мембран;
- сахар для создания запасных углеводов;
- соли и микроэлементы (например, цинк);
- кислород в достаточном количестве для дыхания и ряда других превращений.
Большинство этих веществ всегда присутствуют в сусле в достаточном количестве или они могут быть самостоятельно синтезированы дрожжами, однако недостаток отдельных компонентов может привести к проблемам при брожении. Именно об этом должен помнить пивовар, если он захочет применить другое сырье или заменить часть засыпи несоложеными материалами или сахаром, который вообще не содержит аминокислот и солей.
В этой крайне активной фазе, когда в сусле есть еще много питательных компонентов в форме сбраживаемых сахаров, дрожжи создают запас резервных углеводов (гликогена и трегалозы), чтобы при недостатке питания иметь сырье для получения энергии.
Эта логарифмическая фаза (log-фаза) является важнейшим этапом брожения, так как именно в ней исчезает вкус сусла и благодаря метаболизму дрожжей определяются важнейшие качественные параметры будущего пива.
Как только запасы кислорода становятся исчерпанными, дрожжи должны снова перестраивать свое «энергетическое хозяйство» на анаэробный гликолиз и обходиться минимальным количеством энергии, получаемой через сбраживание сахара в спирт и СО2.
Признак того, что log-фаза подходит к концу, — низкое содержание сбраживаемого сахара во внешней среде. Брожение считается законченным, когда сахара почти не остается. Дрожжи начинают флокулировать, размножение останавливается, спирт и СО2 как клеточные яды все в большей мере угнетают дрожжевую клетку. Так как возникающие в танке во время главного брожения турбулентные потоки ослабевают или совершенно прекращаются, дрожжи медленно оседают на дно, откуда их можно собрать.
Теперь для дрожжей начинается самое трудное время, поскольку они начинают ощущать недостаток энергии и должны использовать свои собственные запасы. Дрожжи начинают медленно выделять во внешнюю среду продукты метаболизма и аминокислоты. Именно в этот момент они должны быть собраны.
Несмотря на низкие температуры во время дображивания, дрожжи для поддержания своей жизни нуждаются в энергии, правда, совсем в небольших количествах. Они начинают расщеплять резервные углеводы и другие вещества, и все больше продуктов метаболизма выделяется во внешнюю среду. Наконец, клетка может умереть. Тогда ферменты начинают растворять ее изнутри, повреждают клеточную стенку и все содержимое растворенной клетки попадает в пиво. Из-за этого существенно ухудшается вкус и пена, pH пива повышается, а перешедшие в раствор компоненты клетки являются прекрасной пищей для инфицирующей микрофлоры. Поэтому пивовары должны заботиться о своевременном и повторном снятии дрожжей.
Но и после съема дрожжей забывать о них нельзя. Дрожжи должны храниться в холоде, причем таким образом, чтобы в последующем цикле использования и при возможно большем числе этих циклов они быстро и полно восстанавливали бы свою активность.
Все эти замечания необходимы, так как каждый пивовар должен осознать, что при приготовлении пива дрожжи — его важнейший партнер. Только если для этого партнера созданы оптимальные условия, можно надеяться на получение оптимального результата для качества пива.