Кислота в пиве: как пивоваренная промышленность изменила химию

Мировая наука должна быть благодарна пиву за более глубокое понимание кислот, их поведения и способов их измерения, и эти знания и сегодня продолжают приносить большую пользу пивоварам

В 1909 году главный научный сотрудник исследовательской лаборатории Carlsberg Сёрен Петер Лауриц Сёренсен представил шкалу pH как простой способ концептуализировать кислотность водных растворов. Его исследование, финансируемое в частном порядке пивоварней Carlsberg, было частью более широких усилий по пониманию биохимических процессов пивоварения и ферментации. Однако в последующие два десятилетия логарифмическая шкала кислотности доказала свою незаменимость почти во всех аспектах химии, биологии и сельского хозяйства.

Что такое кислота?

В химии существует три основных определения «кислоты», в зависимости от подхода к  вопросу. В данной статье мы будем придерживаться самого старого и простейшего определения, известного как кислота Аррениуса: кислота — это вещество, которое увеличивает концентрацию ионов водорода в водном растворе при добавлении к нему. Таким образом, кислотность является мерой того, сколько свободных ионов водорода имеется в растворе для реакции с противоположно заряженными ионами. Эти ионы водорода представляют собой одиночные протоны без связанного с ними электрона, поэтому они имеют слегка положительный заряд.

Почему кислотность имеет значение?

Эти протоны действительно не хотят быть одни! Хотя они могут весело плавать в воде, они будут образовывать ионные связи с любыми доступными отрицательными ионами, которые они найдут, и это может иметь пагубные последствия для всех видов соединений. Кислоты могут проникать в сложные белковые структуры, денатурируя их и лишая их функциональности. Некоторые металлы образуют соли с кислотами, выделяя газообразный водород и растворяясь в порошок. Так что не удивительно, что измерение кислотности раствора и, следовательно, количества доступных протонов очень важно для биохимиков.

Химия пивоварения

Carlsberg создал свою исследовательскую лабораторию, чтобы внедрить научные методы в традиционную практику пивоварения. Основатель пивоварни Джей Си Джейкобсон хотел индустриализировать пивоварение и полагал, что более глубокое понимание научных процессов, лежащих в его основе, облегчит этот переход. Из этой лаборатории были получены первые чистые выделенные пивные дрожжи, а также шкала pH, которую мы используем по сей день.

Исследуя реакции ферментации, Сёренсен разработал стандартные методы определения концентрации ионов водорода электрометрическим и колориметрическим способами. Им были предложены стандартные буферные растворы для калибровки pH-метров и химические индикаторы pH, исследовано влияние pH среды на активность ферментов. Сёренсен одним из первых применил для измерения кислотности электрохимические электроды. Он использовал два электрода: один — платиновый, помещённый в водородную струю, другой — каломельный. Этот метод давал точные результаты, но сложность аппаратуры мешала внедрению его в практику.

Введенная С. П. Л. Сёренсеном шкала pH и созданные на её основе pH-метры применяются сегодня для измерения кислотности в самых разнообразных областях: в атомной энергетике, агрономии, мясо-молочной, хлебопекарной промышленности, в научных исследованиях. Для диагностики заболеваний желудочно-кишечного тракта выполняется измерение кислотности непосредственно в пищеводе, желудке и (или) двенадцатиперстной кишке. Для этого в орган вводится специальный pH-зонд, сама процедура называется внутрижелудочной pH-метрией, а приборы для таких исследований — ацидогастрометрами.

Почему мы измеряем кислотность пива?

Пивовар должен помнить о кислотности во всех аспектах пивоварения, от выбора правильных металлов для пивоваренного оборудования до подбора вкуса сезонного фруктового пива. Один из первых этапов процесса пивоварения, затирание зерна, зависит от активности ферментов альфа-амилазы и бета-амилазы. Эти два катализатора работают в тандеме, превращая углеводы с длинной цепью в ферментируемые сахара, но лучше всего они работают при разных уровнях pH. Альфа-амилаза хорошо работает в нейтральных растворах (около pH 7), а бета-амилаза подходит для слегка кислых сред (около pH 5). Как правило, pH пивного сусла остается около pH 5,4, что является разумным компромиссом между двумя амилазами. Однако несколько факторов могут повышать или понижать рН, тем самым подавляя активность некоторых ферментов.

Наблюдение за скоростью снижения pH во время брожения позволяет пивоварам следить за здоровьем своих дрожжей. После внесения дрожжи быстро подкисляют окружающую среду за счет производства органических кислот, которые делают сусло более враждебным по отношению к конкурирующим микроорганизмам. Проблемы с метаболизмом дрожжей или инфицирование продукта могут привести к падению pH ниже уровня, выдерживаемого дрожжами, что может привести к остановке брожения. Дрожжи используют ионный градиент (включая свободные ионы водорода) через свою клеточную мембрану, чтобы облегчить перенос питательных веществ в клетку и из нее. Поэтому неожиданное падение рН может снизить их способность усваивать сахара.

По этим причинам мы всегда внимательно относимся к контролю уровня pH на всех этапах производства наших напитков. Чтобы подробнее узнать о всех тонкостях нашего производства – запишитесь на экскурсию на нашу пивоварню, чтобы иметь возможность блеснуть своими глубокими познаниями перед друзьями! Ну и отведать вкуснейшего пива, разумеется!