sobota 19. listopadu 2016

Cesta hořkých látek 2. díl: Z chmelu až do piva - literární review

Pokud chceme vytvořit jakýkoli rozumný, robustní a univerzální model pro odhad IBU, neměli bychom pouze ustrnout u dat a výsledků, ale je velmi důležité správně pochopit všechny děje, které cestu hořkých látek ovlivňují. Musíme se teď hluboko ponořit do detailů tohoto procesu a pokusit se najít odpověď na to, co se skutečně děje na molekulární úrovni. Poté budeme vědět, co a jak skutečně cestu chmelových látek ovlivňuje, a to bychom měli zohlednit ve funkčním modelu. V předchozím díle seriálu na toto téma jsem vám ukázal, jak lze odvodit Tinsethovu formuli a lehce naznačil její nedostatky. Dnes se tedy ponoříme ještě hlouběji do tohoto problému. Tentokrát prozatím bez matematiky, kterou si ušetříme až do dalších dílů seriálu, kde odhalím nový přístup k výpočtu IBU.



V této ilustraci jsem se snažil zachytit jednotlivé kroky při výrobě piva, které významně ovlivňují konečný obsah hořkých látek (IBU). Pojďme si je tedy blíže projít a vysvětlit si základní pojmy a důležité aspekty těchto kroků. Je dobré si uvědomit, že celková výtěžnost chmele přesahuje jen výjimečně 40 %, což znamená, že různými nežádoucími ději jsme připraveni nejméně o 60 % hořkých látek, které chmel obsahuje. Podívejme se tedy na následující graf, který přibližně znázorňuje kam a v jaké míře se hořké látky ztrácí. Jedná se pouze o přibližné hodnoty z knihy Pivovarství – Basařová, skutečné hodnoty se můžou výrazně lišit. Obecně je v literárních zdrojích uváděno, že cca 20-30 % hořkých látek zůstane nevyužito pro isomerizaci a skončí například v chmelovém mlátě, 20-30 % hořkých látek se naváže na bílkoviny vysrážené během chmelovaru a přibližně mezi 10-30 % látek se dále naváže na kvasinky, nebo je vyneseno v kalech do kvasné deky.


Trochu nelogicky si teď dovolím začít od diskuze ztrát během chlazení mladiny, protože děje při samotném chmelovaru jsou z našeho pohledu nejsložitější a také klíčovou částí, a tak si je schováme až nakonec.

Chlazení mladiny


Během chlazení mladiny dochází ke srážení bílkovin ve formě kalů, kde podle teploty srážení rozlišujeme na kaly horké a chladové (nebo také hrubé a jemné). Na tyto bílkoviny se navazuje nemalá část hořkých látek z tekutiny, které jsou tak ztraceny spolu s usazenými kaly (cca 20-30 %).

Ztráta hořkých látek během tohoto procesu neoddiskutovatelně souvisí se sílou mladiny, což můžeme vidět například na níže uvedeném grafu, který jsem převzal z odborné literatury [1].


Závislost to samozřejmě není nikterak překvapivá, poněvadž je zřejmé, že čím silnější dílo vaříme, tím více obsahuje mimo cukru také bílkovin, a tedy vznikne i více kalů, které pak naváží více hořkých látek.

Mnoha výzkumníky bylo potvrzeno, že samotná isomerace obvykle de facto nezávisí na koncentraci samotných cukrů v mladině (síle piva) [2,3]. Je ale obecně známým faktem, že výtěžnost hořkých látek na síle piva závisí. Je tedy zřejmé, že úbytek hořkost v závislosti na síle piva je způsoben zejména vyšším obsahem bílkovin v silnější mladině. Zde je tedy možno hledat skutečný prapůvod faktoru výtěžnosti hořkých látek v závislosti na síle mladiny. Zde také mohou hrát roli ionty Ca2+ a Mg2+, které podporují srážení kalů a tím zvyšují ztrátu hořkých látek.

Kvašení piva


Během kvašení a zrání piva mohou hořké látky podléhat degradačním reakcím, avšak největší část je navázána na kvasničné buňky, případně vynesena s kaly do kvasničné deky.

Některé výzkumy naznačují, že dobře flokulující kvasinky absorbují hořké látky méně, i když je jich v díle stejné množství. Ne vždy se tento vliv ale podařilo prokázat. Mezi svrchními a spodními kvasnicemi není v rozsahu adsorpce hořkých látek žádný obecný rozdíl. Absorpce hořkých látek na kvasinky obvykle nepřesahuje cca 25-30 %  [4].

Dalo by se zde stejně jako u bílkovin očekávat, že ztráty hořkých látek porostou s počtem přítomných kvasinek. Více kvasinek vždy obsahují silnější piva, nejen kvůli větší zákvasné dávce, ale také kvůli většímu nárůstu buněk, poněvadž mají k dispozici více potravy. Každý kvasničný kmen se však může chovat trochu rozdílně a některé nevykazují na hustotě mladiny žádnou závislost, jiné naopak ano, jak je vidět z následujícího grafu  [4].

Chmelovar


Rozpouštění


Během chmelovaru dochází k nejdůležitějším dějům pro budoucí hořkost piva. Chmel obsahuje α-hořké látky, které jsou však v pivu jen málo rozpustné za běžné teploty (cca 100 mg/L). Pivo a mladina mají totiž mírně kyselé pH cca 5.2, které není pro rozpouštění těchto látek zcela vhodné. Při 100 °C je rozpustnost α-hořkých látek při pH 5 již cca 200-300 mg/L. Zároveň se také α-hořké látky mnohem více srážejí a později váží na kaly a kvasinky, tudíž znatelná množství neisomerizovaných α-hořkých látek můžeme nalézt pouze v pivech chmelených za studena [5].

Chmelové pelety jsou poměrně jemně namlety, a tak je kontaktní plocha mezi chmelem a kapalinou daleko větší, než u hlávkového chmele. Proto pelety dosahují obvykle větší celkové výtěžnosti hořkých látek. Měli bychom však spíše mluvit o tom, že isomerizace při použití hlávkového chmelu probíhá pomaleji (ne hůře), což je z hlediska mechanismu podstatný rozdíl.

Rozpouštění α-hořkých látek z chmelu předchází samotné isomerizaci. Hořké látky se musí dostat z relativně komplexní matrice chmelu. Jestliže je rozpouštění příliš pomalé může zpomalit isomerizační děje.

Rozpustnost hořkých látek v závislosti na pH. Převzato z [5]

Isomerizace


Po rozpuštění α-hořkých látek v mladině nastává veledůležitá isomerizace hořkých látek, kdy chemickou reakcí vznikají iso-α-hořké látky, které jsou více rozpustné a nesrážejí se tolik jako jejich neisomerizované protějšky. Souhrnnou chemickou rovnici izomerizace můžete vidět na následujícím obrázku.


Isomerizace probíhá výrazně až za vyšší teploty > 70-80 °C, což je jeden z důvodů proč se chmelovar provádí varem (ne však jediný!). Množství vzniklých iso-α-hořkých látek má přímou souvislost s konečnou hořkostí piva. Jedním ze způsobů jak popsat isomerizaci jsme si již ukázali při odvození Tinsethovy formule. Tam jsme uvažovali jednoduchou reakci αiso-α.

Ve skutečnosti není problém zdaleka tak jednoduchý, protože α-hořké látky nejsou pouze jedinou chemickou látkou. Nejvíce jsou zastoupeny humulon a kohumulon, ale chmel obsahuje ještě další α-hořké látky. Každá z těchto látek může vykazovat jinou rychlost isomerizace, což bylo dokázáno v literatuře [3,6].

Z rozdílné rychlosti isomerizace pak plyne i rozdílné složení vzniklých iso-α-hořkých látek. Běžně však tyto vlivy neuvažujeme, protože z našeho pohledu je důležitá zejména souhrnná konverze všech α-hořkých látek. Co je však v literatuře prokázáno a je potřeba brát v úvahu je degradace hořkých látek [2]. Neplatí totiž, že by všechny α-hořké látky, které zreagují, byly nakonec nalezeny ve formě iso-α-hořkých látek. Probíhá totiž ještě degradace, která znemožňuje 100% konverzi na iso-látky. To znamená, že i kdybychom nadobro omezili veškeré ztráty látek, které jsme si dříve popsali, tak nikdy, ani kdybychom chmel vařili ve vodě a nekonečně dlouho, nedosáhneme 100 % výtěžnosti. Ve skutečnosti je tomu přesně naopak. Kdybychom vařili mladinu velmi dlouho, tak vlivem degradace iso-látek nakonec nebudeme mít v mladině žádné iso-α-hořké látky. Zejména pokud je dodržován delší než 90 min chmelovar, projeví se degradace již na poklesu koncentrace iso-látek. Neznamená to však, že by degradace neprobíhala dříve [1,2,6,7]. Tinsethova formule však degradaci látek neuvažuje, tudíž se pro delší doby chmelovaru můžeme dostat do problémů s přesností vzorce.

Pokud se bavíme o kinetice isomerizace (jak rychle probíhá), potřebujeme znát kinetický model a rychlostní konstanty. Tato data se vyhodnocují experimentálně. Vynikající inženýrský přístup zvolili například Malowicky a Hellhamer [2,8]. Ti publikovali data na modelovém systému varu s chmelovým extraktem, který eliminuje možné vlivy rozpouštění látek z chmele. Pokusy prováděli v pufru o různém pH odpovídající reálným podmínkám díla a testovali také vliv cukrů a iontů na reakci. Jejich výsledný kinetický model uvažuje isomerizaci následovanou degradací a velmi dobře popisuje experimentální data, jak je vidět z následujícího grafu:


Jejich práce je pro nás v této oblasti značným přínosem. Také dokonce vyhodnotili závislost rychlosti reakce na teplotě, což jsou právě ta data, které potřebujeme pro vývoj lepšího modelu predikce IBU. O těchto údajích se však zmíním více až v následujícím díle seriálu, kdy odvodíme obecný model a novou metodiku výpočtu IBU. Prozatím pouze zmíníme, že stejní vědci, jak už jsem předesílal, potvrdili také, že isomerizace nezávisí na přítomnosti cukrů a ve zkoumané oblasti příliš ani na pH. Tím předeslali i obecnou validitu jejich dat pro skutečné dílo. Při použití chmelových pelet by se však dalo předpokládat, že isomerizace bude bržděná ještě nutným rozpouštěním, tudíž je potřebné získat data pro rychlost isomerizace při použití chmelových pelet.

Mnohé jejich závěry byly potvrzeny a rozvedeny dalšími výzkumníky [3]. Jak se ukázalo rychlost isomerizace je dokonce pro pelety rychlejší než pro extrakt (Brew B), takže přesně naopak, než by se jednoduše dalo předpokládat. Je tedy pravděpodobné, že vegetativní materiál chmelu katalyzuje (urychluje) isomerizaci. Urychlení totiž nastalo i pro extrakt při přídavku chmelového mláta (Brew C z předchozí tabulky) [3].


Isomerizaci α-hořkých látek může také omezovat jejich nízká rozpustnost, proto může být závislá na množství přidaného chmelu. Stejní vědci však až do koncentrace 240 mg/L α-hořkých látek nepozorovali žádný vliv, což pokryje většinu z případů, s kterými se pivovarník setkává. Vyšší koncentrace už nebyly měřeny [3].

Závěr


V tomto článku jsme si shrnuli současné pivovarské vědecké znalosti mapující cestu hořkých látek od chmelu až do piva. Zachytili jsme tedy tzv. „state of the art“ této oblasti. Víme, kde všude se nám látky ztrácejí a co limituje naši výtěžnost. Nejdůležitější však je, že je možno v literatuře nalézt dostatečné množství kinetických dat isomerizace α-hořkých látek, což nám umožní vytvořit vylepšenou metodiku odhadu IBU piva. V dalším článku bude tedy tento smělý cíl završen a nakonec celé série budu demonstrovat možnosti, které využití současných vědeckých znalostí o chmelovaru přináší. Odvozená metoda by měla přinést zlepšení přesnosti odhadu zejména pro nové nekonvenční techniky chmelení, jako je pozdní chmelení a chmelení do Whirlpoolu a případně First Wort Hop.


Petr Novotný


Poděkování: za jazykovou revizi a revizi srozimetelnosti děkuji pokusným králíkům - Jirkovi Valovi a Martinovi Urbanovi.


Zdroje 

[1]          S. Kappler, M. Krahl, C. Geissinger, T. Becker, M. Krottenthaler, Degradation of Iso-α-Acids During Wort Boiling, J. Inst. Brew. 116 (2010) 332–338. doi:10.1002/j.2050-0416.2010.tb00783.x.

[2]          T.H.H.S. Hellhammer, Isomerization and Degradation Kinetics of Hop (Humulus, (2005) 4434–4439.

[3]          B. Jaskula-Goiris, G. Aerts, L. De Cooman, Hop -acids isomerisation and utilisation: An experimental review, Cerevisia. 35 (2010) 57–70. doi:10.1016/j.cervis.2010.09.004.

[4]          B.J.S. Hough, J.R. Hudson, Brewing Industry Research Foundation, Nature. 181 (1958) 810–810. doi:10.1038/181810c0.

[5]          D.E. Briggs, C. a. Boulton, P. a. Brookes, R. Steven, Brewing: science and practice, 2004. doi:10.1002/jsfa.2344.

[6]          B. Jaskula, P. Kafarski, G. Aerts, L. De Cooman, A kinetic study on the isomerization of hop α-acids, J. Agric. Food Chem. 56 (2008) 6408–6415. doi:10.1021/jf8004965.

[7]          B. Jaskula, G. Aerts, L. De Cooman, Potential impact of medium characteristics on the isomerisation of hop α-acids in wort and buffer model systems, Food Chem. 123 (2010) 1219–1226. doi:10.1016/j.foodchem.2010.05.090.

[8]          MarkG.Malowicki, Hop Bitter Acid Isomerization and Degradation Kinetics in a Model Wort-Boiling System, (2004).

4 komentáře :

  1. Skvělé, tedy až na maličkost. Tou je formulace "Co je však literárně prokázáno..." Literárně se nic prokázat nedá. Spíše doporučuji nahradit formulací: "Jak je prokázáno a v literatuře (ideálně odkázat opět číslem zdroje) publikováno. Jinak jak říkám, vynikající a už se těším na pokračování :-)

    OdpovědětSmazat
    Odpovědi
    1. Jo je pravda, že to není stylisticky ideální věta :-) číslo zdroje je ale za tou větou, takže to tam nechybí. To nemusí být nutně hned za tím slovem, občas to stačí i na konec odstavce aby se člověk pořád neotravoval, když je to pořád stejný zdroj :-)

      Smazat
  2. Dobrá práce, ještě mi ale chybí zahrnutí degradace hořkých látek při skladování (vztah teplota skladování vs čas). A vysvětlení pojmu fitace, není český výraz?

    OdpovědětSmazat
    Odpovědi
    1. Pojem je fitování, znamená to vyhodnocení modelu na experimentální nebo jiná data. Tak aby model dával "reálné výsledky". Degradace během skladování je poměrně dobře zvládlý problém. Primární článek k dispozici zde http://www.morebeer.com/brewingtechniques/library/backissues/issue2.1/garetz.html. Případně jsou k nalezení i kalkulačky. Mimochodem tento výpočet bude také součástí Pivařky... ;-)

      Smazat