DIPLOMSKO DELO

(1)

U

NIVERZA V

L

JUBLJANI

F

AKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO

DIPLOMSKO DELO

Vita Mihelič

Ljubljana, 2021

(2)

(3)

U

NIVERZA V

L

JUBLJANI

F

AKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO

UNIVERZITETNI ŠTUDIJSKI PROGRAM 1. STOPNJE KEMIJSKO INŽENIRSTVO

Proizvodnja piva ter določanje reoloških lastnosti in parametrov kakovosti piva

DIPLOMSKO DELO

Vita Mihelič

M

ENTOR

: doc. dr. Lidija Slemenik Perše

Ljubljana, 2021

(4)

(5)

IZJAVA O AVTORSTVU

diplomskega/magistrskega dela

Spodaj podpisani/-a Vita Mihelič sem avtor/-ica diplomskega/magistrskega dela z naslovom: Proces piva ter določanje reoloških lastnosti in parametrov kakovosti piva.

S svojim podpisom zagotavljam, da:

• je diplomsko/magistrsko delo rezultat mojega raziskovalnega dela pod mentorstvom doc. dr. Lidija Slemenik Perše;

• sem poskrbel/a, da so dela in mnenja drugih avtorjev, ki jih uporabljam v

predloženem diplomskem/magistrskem delu, navedena oziroma citirana v skladu z navodili;

• se zavedam, da je plagiatorstvo, v katerem so tuje misli oziroma ideje

predstavljene kot moje lastne, kaznivo po zakonu (Zakon o avtorski in sorodnih pravicah – uradno prečiščeno besedilo (ZASP-UPB3) (Ur. list RS, št. 16/2007);

• sem poskrbel/a za slovnično in oblikovno korektnost diplomskega/magistrskega dela;

• je elektronska oblika diplomskega/magistrskega dela identična tiskani obliki diplomskega/magistrskega dela.

V Ljubljani, datum Podpis avtorja/-ice:

(6)

(7)

Zahvala

Zahvaljujem se mentorici, doc. dr. Lidiji Slemenik Perše za nasvete in strokovno pomoč pri izdelavi moje diplomske naloge.

Posebna zahvala za vso podporo in motivacijo gre moji družini, ki mi je tekom celotnega študija ter pisanju te diplomske naloge stala ob strani.

(8)

(9)

Proces piva ter določanje reoloških lastnosti in parametrov kakovosti piva

Povzetek:

Pivo je alkoholna pijača iz ječmena, vode in hmelja, ki se jim doda kvasovke, da lahko poteče proces fermentacije. Proces proizvodnje piva poteka po številnih korakih, ki v osnovi zajemajo pripravo sladu, proizvodnjo pivine in fermentacijo. Med procesnimi koraki prihaja do več kemijskih, fizikalnih in biokemijskih sprememb, ki na koncu vplivajo na kakovost proizvedenega piva.

Že med samo proizvodnjo se za zagotavljanje ustrezne kakovosti končnega produkta izvajajo analize kakovosti. Z dodajanjem različnih vhodnih surovin ter s pozornim spremljanjem in optimiziranjem procesnih parametrov lahko vplivamo na to, ali bo pivo v končni fazi imelo določene lastnosti.

Na kakovost piva vplivajo reološke lastnosti pivske pene, okus, barva, koloidna stabilnost in viskoznost pivske osnove. Določanje reoloških lastnosti piva že med samo proizvodnjo je ključnega pomena, saj lahko tako pridobimo informacije o tem, kakšno stopnjo kakovosti bo pivo doseglo.

Poleg teoretičnih osnov je v nalogi dodana in opisana tudi raziskava, kjer je prikazano, kako se določajo reološke lastnosti vmesnih produktov pri proizvodnji piva.

Ključne besede: proizvodnja piva, reološke lastnosti, kakovost piva

(10)

Beer production and determination of rheological properties and beer quality parameters

Abstract:

Beer is an alcoholic beverage made from barley, water and hops to which yeast is added to enable the fermentation process. The brewing process follows several steps, which basically include the preparation of malt, the production of wort and fermentation. During the process steps, several chemical, physical, and biochemical changes take place which ultimately affect the quality of the beer produced.

During the production, quality analyses are carried out to ensure that the final product is of adequate quality. The addition of different input raw materials and careful monitoring and optimisation of process parameters can influence various characteristics of the beer in the final stage.

The rheological properties of the beer head, taste, colour, colloidal stability, and viscosity of the beer base influence the quality of the beer. Determination of rheological properties of the beer during the production process is therefore crucial, as it provides information on the level of quality that the beer will achieve.

In addition to the theoretical basis, a study showing how the rheological properties of intermediate products in beer production can be determined is added and described.

Keywords: beer production, rheological properties, beer quality

(11)

Kazalo

1 Uvod ... 1

2 Namen ... 2

3 Teoretične osnove ... 3

3.1 Surovine piva ... 3

3.1.1 Ječmen ... 3

3.1.2 Voda ... 4

3.1.3 Hmelj ... 5

3.1.4 Kvasovke ... 5

3.2 Proizvodnji proces priprave piva ... 6

3.2.1 Priprava sladu ... 6

3.2.2 Proizvodnja pivine ... 9

3.2.3 Fermentacija ... 15

3.2.4 Obdelava piva - bistrenje, filtracija, pasterizacija ... 18

3.3 Reologija ... 19

3.3.1 Strižni tok ... 20

3.3.2 Reometrija ... 21

3.4 Določanje parametrov kakovosti piva ... 22

3.4.1 Pena ... 22

3.4.2 Okus ... 27

3.4.3 Koloidna stabilnost ... 27

3.4.4 Barva ... 27

3.4.5 Jedro piva (ang. beer body) ... 28

4 Objavljena raziskava v literaturi ... 29

4.1 Opis dela ... 29

4.1.1 Vzorci pivine ... 29

4.1.2 Meritve ... 30

4.2 Rezultati in razprava ... 31

(12)

4.2.1 Odvisnost dinamične viskoznosti od temperature ... 31

4.2.2 Test histerezne zanke ... 32

5 Zaključek ... 36

6 Literatura ... 38

(13)

Seznam uporabljenih kratic in simbolov

Kratice Pomen

DMS dimetilsulfid

EBC Evropska pivovarska konvencija ( ang. European Brewing Convention) FT-IR infrardeča svetloba s Fouirierovo transformacijo

HRV razpolovna doba razpada pene (ang. Rudin Head Retention Value) IBU Internacionalne grenkobne enote (ang. International Bittering Units) PVP polivinilpirolidon

PVPP polivinilpolipirolidon TBN tiobarbiturska kislina

Simboli Pomen A površina [m²] a zelenost ali rdečina b rumenost ali modrost piva

∆𝐄 razlika v barvnih ravneh EA aktivacijska energija [J]

F sila [N]

K indeks konsistence [/]

L svetlost

n tokovni indeks [/]

r polmer plošče [m]

R splošna plinska konstanta [J∙K^-1∙mol^-1] T temperatura [K]

VB prostornina tekočega piva [L]

VBT skupna prostornina piva, ko se pena sesede [L]

VT kupna prostornina pene in piva [L]

γ strižna deformacija [m]

𝛄̇ strižna hitrost ali stopnja deformacije [s^-1] η strižna ali dinamična viskoznost [Pa∙s]

(14)

σ strižna napetost [Pa]

τ strižna napetost [Pa]

τ0 meja plastičnosti [Pa]

ω kotna hitrost [s^-1]

(15)

Vita Mihelič Proizvodnja piva ter določanje reoloških lastnosti in parametrov kakovosti piva

1

1 Uvod

Pivo je pijača, ki ljudi spremlja že tisočletja in je tako ena izmed najstarejših in najbolj znanih alkoholnih pijač na svetu. Prve recepture piva izvirajo iz antičnega Egipta in Mezopotamije, kjer naj bi po nekaterih podatkih v pivo predelali kar 40% vseh žit. Danes se pivo prideluje v mnogo večjih količinah, vendar se je kljub vsemu ohranilo nekaj starodavnih receptur. Pivo je nedvomno poznano v vseh kotičkih sveta, kdaj pa se je pivo razširilo po Evropi, pa ni popolnoma jasno.

Ob tako visoki priljubljenosti te pijače se poraja vprašanje, kaj je tisto, zaradi česar je pivo tako popularno. V osnovi sta to zagotovo njegov okus in aroma. Specifičen okus piva se doseže s skrbno izbiro najkvalitetnejših osnovnih treh sestavin, ki so voda, ječmen in hmelj, ki jim dodajo še kvasovke za potek fermentacije. Poznanih je veliko različnih vrst piva, ki se razlikujejo glede na dodane sestavine in način priprave. Ječmen se lahko zamenja s katerokoli drugo vrsto žit, poleg hmelja pa se lahko še dodajo razni drugi dodatki, s katerimi se doseže spremenjen spekter arom. Skladno s spreminjanjem stilov piva, se spreminja tudi njihova postrežba, torej vrsta kozarcev in temperatura, pri kateri se pivo postreže.

Kvaliteta piva se ne ocenjuje samo glede na okus in aromo, ampak je pomemben tudi izgled. Poleg arome in okusa se pivo vizualno oceni tudi preko fizikalnih lastnosti piva, med katere spadajo oblika in velikost pene, jasnost oziroma motnost piva in barva. Na vse te lastnosti lahko vplivamo najprej z izbiro visoko kakovostnih sestavin, nato pa tudi s proizvodnim procesom priprave piva.

Proizvodni proces priprave piva je sestavljen iz več stopenj, med katerimi prihaja do različnih kemijskih, fizikalnih in biokemijskih sprememb.

(16)

2

2 Namen

Pivo. Zakaj je ravno ta pijača tako priljubljena, kaj jo dela takšno in kako ustvariti za nekatere »magičen« okus? Da bi si odgovorila na zastavljena vprašanja, sem se odločila, da iz literature zberem podatke o celotnem procesu priprave piva, o vhodnih sestavinah, kaj se z njimi dogaja med samim procesom, da na koncu nastane okusno, kakovostno pivo.

Zaradi tako velike priljubljenosti in razširjenega pivovarskega trga, me je zanimalo, kako se pri tej množični prodaji zagotavlja konstantna kakovost piva med posameznimi serijami. Zato sem se odločila, da bom raziskala, na kakšen način se že med samo proizvodnjo izvaja nadzor nad končnimi lastnostmi piva in kako različni procesni parametri vplivajo na pivske lastnosti.

Kakovostno pivo se lahko prepozna na prvi pogled, saj takšno pivo krasi bela, kremna in obstojna glava, ki po steni kozarca dela »čipke«. Prav tako se kakovostno pivo prepozna po njegovi barvi, aromi in navsezadnje tudi okusu. Zanimalo me je, kako lahko te lastnosti določamo in kakšne so poznane metode za njihovo določevanje.

V drugem delu diplomske naloge sem želela še sama preveriti metode za določevanje reoloških lastnosti, vendar zaradi sedanjih razmer to ni bilo mogoče. Namesto tega sem se odločila za pregled in opis že izvedene raziskave na področju določevanja reoloških lastnosti vmesnih proizvodnih produktov.

(17)

3

3 Teoretične osnove

Pivo je pijača z okusom hmelja, ki je proizvedena s fermentacijo sladkorjev iz sladu različnih žit. Za različne vrste piva se lahko uporabljajo raznovrstni okusi, kot so na primer češnje, citrusi, koriander, brin, smreka.^[1]

Glavne surovine za proizvodnjo piva so voda, ječmenov slad, hmelj in kvasovke. Vse glavne biološke spremembe, do katerih prihaja med varjenjem piva, so katalizirane z naravno pridelanimi encimi iz ječmena in kvasa. Iz ječmena se proizvedejo vsi encimi, ki so potrebni za razgradnjo pivovarsko pomembnih spojin; škroba, β-glukana, pentozanov, lipidov in beljakovin.^[2]

Proces varjenja piva tako vključuje ekstrakcijo in razčlenitev ogljikovih hidratov iz ječmenovega slada v sladko raztopino, ki jo imenujemo pivina. Pivina vsebuje vse potrebne hranilne snovi za rast mikroorganizmov kvasovk, ki omogočajo proces fermentacije. Med fermentacijo se porabijo preprosti sladkorji, ki dajejo energijo, proizvajajo etanol ter ostale stranske metabolične proizvode. Po fermentaciji sledijo še procesi izmenjave toplote, ločevanja in bistrenja.^[2]

3.1 Surovine piva

3.1.1 Ječmen

Najpomembnejša in največkrat uporabljena vrsta žita med množico žit, ki se lahko uporabljajo za izdelavo piva, je zagotovo ječmen. Uporabljata se šestredna vrsta Hordeum vulgare in dvoredna H. distichon vrsta ječmena. Bistveni razlog za tako široko uporabo ječmena je v njegovi vsebnosti velikih količin škroba na enoto beljakovin. Poleg tega vsebuje tudi manj vlage kot ostala žita, je odpornejši na neugodne vremenske razmere in glivične okužbe, kar omogoča lažjo pridelovanje.^[1]

Ječmen, ki se uporablja za varjenje piva, mora biti kvaliteten in predelan v slad tako, da ustreza predhodno predpisanim specifikacijam (Tabela 1). Zagotavljanje specifikacijskih predpisov se doseže z različnimi analizami kontrole kakovosti, ki se izvajajo na vzorcih sladu.^[1]

Ena izmed prvih analiz je vizualni pregled, s katerim se ugotavlja zrelost zrn ter morebitna prisotnost bolezni in poškodb. Z infrardečo spektroskopijo se določa vsebnost beljakovin in vlage. Sledi še tetrazonijev test, s katerim se določa kaljivost zrn. Ko zrna počivajo v

(18)

4

silosih, se začnejo izvajati specifični kemijski ter fiziološki testi za ocenjevanje kalitvenih sposobnosti zrn. Posledično sledi določitev, kdaj so zrna pripravljena za pripravo sladu.

Poleg osnovnih specifikacijskih zahtev so glede na različne vrste piva določene še dodatne zahteve.^[1][3]

Ko so izpolnjeni vsi specifikacijski predpisi, se najprej opravi pilotna priprava sladu (v manjšem merilu), ki se pozneje prenese na večje količine.^[1][3]

Tabela 1: Prikaz tipičnih specifikacij ječmena ^[1]

Zmogljivost kaljenja 96% (po 72 urah)

Energija kalitve 95% (po 72 urah)

Vsebnost vode 12,0-13,0%

Vsebnost proteinov 9,0-11,5%

Vsebnost β-glukanov 4%

Čistost ječmena 99%

Pesticidi in glivični toksini Znotraj zakonskih mej

3.1.2 Voda

Voda predstavlja večinski delež piva, zato je ključnega pomena njena kemijska in biološka sestava. Vodo za proizvodnjo piva se pridobiva iz javnega omrežja, zato jo je za izpolnitev vseh tehnoloških in zakonskih zahtev potrebno še dodatno obdelati.^[3]

Ioni, ki so prisotni v vodi, vplivajo na pH drozge, pivine in piva. Kalcijevi in magnezijevi ioni povečujejo kislost, saj znižujejo vrednost pH, medtem ko hidrogen karbonatni ioni pH povečujejo. Voda z večjo vrednostjo pH je odlična za proizvodnjo temnih piv.^[1][3]

Razmerje med nekarbonatno trdoto in karbonatno trdoto mora biti 3:1, da se zagotovijo ustrezni pogoji, s katerimi se lahko razvijejo zadovoljive lastnosti piva. Za povečanje nekarbonatne trdote se dodaja kalcijev klorid ali kalcijev sulfat. Tako obdelana voda je pripravljena tudi za varjenje svetlih piv. Voda se lahko obdela z vrsto različnih kemijskih ali fizikalnih metod. Iz vode je največkrat potrebno odstraniti železo, mangan, nitrate, halogenirane ogljikovodike in pesticide.^[3]

(19)

5

3.1.3 Hmelj

Hmelj je plezalna rastlina, ki raste v zmernem celinskem podnebju in raste po vsem svetu.

Med največje proizvajalce poleg Nemčije, Češke, ZDA in Velike Britanije spada tudi Slovenija. Obstaja veliko različnih sort, ki se delijo glede na vsebnost α-kislin v plemenite in grenke sorte hmelja. Plemenite vrste hmelja so tiste, ki imajo nizko vsebnost α-kislin (~5%). V to kategorijo spada tudi najbolj znana slovenska sorta Styrian Goldings. Vrste hmelja z večjo vsebnostjo α-kislin (8-15%) pa so znane kot grenke sorte hmelja.^[1]

Hmeljni cvetovi vsebujejo velike količine smol, ki pivu dajejo grenkobo, medtem ko za aromo in okus piva poskrbijo eterična olja. Smole in olja so sestavljeni iz številnih komponent, ki spadajo med naravne terpenoide ali norizoprenoide. Fenolni norizoprenoidi, znani tudi kot α- in β-kisline so glavni vir grenkobe, medtem ko glavni vir arome predstavljajo monoterpeni in seskviterpenski ogljikovodiki ter njihovi oksidirani derivati.^[1]

Po spravilu se hmelj posuši in stisne v žepke ali vrečke, uporablja pa se lahko tudi v obliki prahu in pelet. Velike pivovarne uporabljajo samo storžke hmelja, v manjših oziroma v domačih pivovarnah pa se uporabljajo manjše, vakuumsko zapakirane vrečke hmelja z daljšim rokom trajanja. Hmeljni cvetovi s časom izgubijo svež, zelen značaj in postanejo rumenkaste ali celo oranžno-rjave barve, kar posledično vpliva na kakovost piva.^[1]

3.1.4 Kvasovke

Pivovarske kvasovke se v grobem delijo na dva tipa. Za tradicionalna angleška piva (ale piva) se uporabljajo kvasovke zgornjega vrenja (Saccharomyces cerevisiae), medtem ko se kvasovke spodnjega vrenja (Saccharomyces uvarum var. carlsbergensis in Saccharomyces bayanus) uporabljajo pri fermentiranju uležanih svetlih piv spodnjega vrenja (lager oz. ležaki).

Znotraj teh dveh klasifikacij obstaja veliko različnih sevov (sort) z različnimi fiziološkimi in biokemijskimi značilnostmi. Vsaka pivovarna ima svoje kolonije, ki jih razmnožujejo in hranijo v »bankah« za kvasovke.^[1][3]

Med fermentacijo se masa kvasovk podvoji ali pa celo potroji. Kvasovke za izgradnjo celičnih sten potrebujejo aminokisline. Te pridobijo iz fermentiranega substrata ali pa jih same sintetizirajo, prav tako kot si same izdelajo potrebne proteine in lipide. Lipidi so še posebej pomembni pri razmnoževanju kvasovk, saj so eden izmed glavnih sestavnih delov celične stene. Kvasovke potrebujejo še minerale, ki skrbijo za stabilizacijo encimskih sistemov.^[3]

(20)

6

3.2 Proizvodnji proces priprave piva

Proizvodni proces piva je v osnovi razdeljen na tri dele:

- priprava sladu, - proizvodnja pivine, - fermentacija.

Vsaka izmed teh treh faz je sestavljena iz več različnih procesov, ki so opisani v nadaljevanju.

3.2.1 Priprava sladu

Večina večjih pivovarn ječmenovega sladu ne pripravlja sama, temveč ga kupijo od podjetij, ki se s tem ukvarjajo. Postopek priprave ječmenovega sladu, ki je shematsko prikazan na Sliki 1, se deli na več osnovnih korakov:

1. pranje oz. čiščenje ječmena, 2. namakanje,

3. kaljenje,

4. sušenje (in praženje pri pripravi temnih piv).

Slika 1: Shematski prikaz priprave sladu^[3]

(21)

7

Pranje oziroma čiščenje ječmena

Pred namakanjem se zrna ječmena očistijo, stehtajo in razvrstijo. Zrna se glede na njihovo velikost ločijo v tri kategorije. Takšno razvrščanje je potrebno, saj imajo manjša zrnca višjo vsebnost beljakovin, poleg tega je vnos vode v manjša zrna hitrejši. Z izvedbo faze pranja in razvrščanja ječmena se zagotovijo ustrezne fiziološke lastnosti ječmena. ^[1]

Namakanje

Prva funkcija namakanja je povečanje vlage iz 12% na več kot 40%, kar je nujno potrebno za začetek kaljenja. Druga funkcija namakanja je odstranitev inhibitorjev kaljenja ter raznih plavajočih delcev. ^[1]

Pri namakanju se porabi od 2 do 3,5 m³pitne vode na tono ječmena. Količina porabljene vode je odvisna od kvalitete ječmena, temperature (12 in 18°C), časa namakanja in dotoka kisika. Več kot 40% vlažnost se doseže po 24 urah namakanja. Na zrnih se poleg spremembe volumna opazijo še druge vizualne spremembe in znaki kaljenja, kot je na primer majhna bela korenina, ki izhaja iz jedra.^[1]

Po pojavu prvih znakov kaljenja se zrna prenese v tla kalitvenih posod na globino 25 cm.

V kalitvenih posodah zrna kalijo 5 do 8 dni, odvisno od tega, kakšna stopnja spremembe zrn je potrebna.^[1]

Kaljenje

S kaljenjem se ustvari modificiran zeleni slad za praženje. Gre za nadzorovano razgradnjo celičnih sten in jedra ječmenovih zrn. Pri kaljenju je potrebno zagotoviti optimalne količine hidrolitičnih encimov in čim manjšo izgubo ekstrakta.^[3]

Dotok vode v zrno spodbuja dihanje ogljikovih hidratov kalčka (zarodka), ki tako dobi potrebno energijo za rast. S porabo ogljikovih hidratov se proizvajajo hormoni giberelini.

Le-ti spodbujajo alevronske celice k proizvajanju različnih encimov, ki pri kaljenju povzročajo modifikacijo ječmena. Med kaljenjem se β-glukani, proteini in nekaj škroba razgradijo v topne produkte z manjšo molekulsko maso.^[1]

Na učinkovitost kaljenja vplivajo čas kalitve, razmerje med kisikom in ogljikovim dioksidom, maksimalna stopnja namakanja, saj mora za hitrejši razvoj zrn in encimov vlažnost znašati od 42 do 48%. Učinkovitost kaljenja je s padanjem temperature od začetka do konca kaljenja boljša, zato večina temperaturnih programov kaljenja ni izotermnih. Z dodajanjem giberelinske kisline se poveča aktivnost encimov, kar spodbudi

(22)

8

zrna k razvoju in tako k večji učinkovitosti kaljenja. Proces kaljenja je potrebno skrbno nadzorovati, da ne pride do prevelikih sprememb zrn in s tem do nastanka novih rastlin.^[1][3]

Sušenje (žganje)

Zeleni slad se nato prenese v peč z dnom, skozi katerega prehajajo velike količine zraka in ga na tak način posušijo. Znane so različne vrste peči, med modernejšimi je najbolj pogosta visoko zmogljiva peč s sistemi za obnovitev toplote.^[3]

Namen sušenja je prekinitev razvoja in rasti rastline, zmanjšati vsebnost vlage na raven, primerno za shranjevanje žita, ohranitev encimskih kompleksov, razvoj okusa in arome.^[3]

Proces sušenja se upravlja z uravnavanjem temperature svežega zraka ter z zmogljivostjo ventilatorjev. Pri ogrevanju je potrebna dodatna previdnost, saj vlažna toplota poškoduje encime in s tem strjuje slad. Glede na željeno kakovost slada se izbere začetna temperatura zraka, ki se za pred-sušenje zelenega malta začne pri 50°C in konča pri 65°C.^[3]

Toplota povzroča nastanek visoko obarvanih snovi (Maillardova reakcija) in karamelizacijo. Z omenjenima kemijskima procesoma pride do oblikovanja komponent, ki dajejo okus in barvo. Karamelizacija sladkorjev povzroča nastanek rumeno-rjavih polimerov in prijetno aromo aktivnih furanov, izomaltolov in maltolov. Pri Maillardovi reakciji gre za kompleksno množico reakcij, ki se začnejo s sladkorji, α-aminokislinami, amini in peptidi. Produkti teh reakcij so reduktoni in rjavi pigmenti (močni antioksidanti), Streckerjevi aldehidi, dušikovi heterocikli in melanoidi.^[1]

Najpomembnejši produkti Maillardove reakcije so melanoidi, saj imajo največji vpliv na barvo, okus, aromo, pH in stabilnost piva. Pri reakciji se prekurzor S-metilmetionin pretvori v dimetilsulfida (DMS). Redukcija DMS prekurzorja bolje poteka pri višjih temperaturah, ki prav tako povečajo vsebnost tiobarbiturske kisline (TBN), vendar pa se pri višjih temperaturah lahko inhibirajo nekateri encimi.^[3]

Stopnja obarvanosti se oceni z optično spektrometrijo ali kolorimetrijo. Izraža se z lestvico, ki jo je oblikovalo ameriško društvo pivovarskih kemikov (The American Society of Brewing Chemists) ali z lestvico evropske pivovarske konvencije (European Brewing Convention (EBC)). Temnejši slad ima večjo vsebnost melanoidov.^[1]

(23)

9

Reaktanti za Maillardovo reakcijo so proizvedeni z nadaljnjo hidrolizo. Nasprotno velja za svetli slad, kjer se je pretirani hidrolizi potrebno izogniti. Svetli slad, kot je na primer Pilsner, ima barvo okoli 3 enote EBC.^[3]

Po sušenju je slad potrebno ohladiti in očistiti. Odstranijo se korenine, saj v nadaljnjem postopku niso potrebne in bi lahko povzročile nenadzorovan vnos vode v slad. Za preprečitev prekomernega vnosa vode se slad za 2 tedna shrani v hladen in suh prostor z namenom regeneracije encimskih sposobnosti.^[3]

Iz 1 tone ječmena se lahko proizvede približno 800 kg ječmenovega sladu. Izguba se imenuje izguba sladu ter je sestavljena iz izgub pri posameznih stopnjah proizvodnje.

Največji del izgub nastane zaradi spreminjanja vsebnosti vode v ječmenu, kjer je vode med 12% in 14%, medtem ko po sušenju ter shranjevanju znaša vsebnost vode v sladu 4- 5%, kar je prikazano v Tabeli 2. Iz Tabele 2 je prav tako razvidna sprememba suhe teže, ki pa je posledica namakanja, dihanja in rasti korenin.^[3]

Tabela 2: Sprememba volumna in mase med pripravo sladu^[3]

Vsebnost vlage w[%] Volumen [hL] Masa [kg]

Pivovarski slad 14 100 100

Namočen slad 41 145 145

Zelen slad 48 220 147

Sušen slad 3,5 118 79

Shranjen slad 4,7 120 80

3.2.2 Proizvodnja pivine

Po pripravi sladu sledi proizvodnja pivine, ki jo po posameznih korakih shematsko prikazuje Slika 2. Prvi korak v proizvodnji pivine je mletje sladu, ki mu sledijo drozganje, odcejanje oziroma separacija pivine in vrenje pivine. Na koncu se izvede še separacija vroče in hladne trube (tj. manjše grudice znotraj pivine, ki nastanejo zaradi razpadanja pene med vrenjem pivine) od pivine.

(24)

10

Slika 2: Shematski prikaz proizvodnje pivine ^[3]

Mletje sladu

Z mletjem poteka mehanska razgradnja sladu, da postane škrobni endosperm dostopnejši za encime v sladu. Znanih je več tehnik mletja in izbira najbolj primerne je odvisna od izbire metod za drozganje in separacijo v nadaljnjih korakih.^[2][3]

Mletje se mora izvajati pri pogojih, ki zagotavljajo, da se v nadaljnji fazi odcejanja ohrani struktura ječmenovih lupin, zato da se lahko izoblikuje prepustna filtracijska pogača. S pretiranim mletjem se lahko pore med odcejanjem namreč hitro zamašijo, zmanjša se poroznost in s tem prepustnost ter podaljša čas iztekanja filtrata, saj je filter potrebno večkrat mehansko sprostiti. Pri premalo zmletem sladu se lahko pojavijo velike izgube, če se škrob adsorbira na plašč zrn, saj se izrabljena zrna po koncu filtracije odstranijo.^[2][3]

Poznane so različne tehnike mletja: suho, mokro in mletje s kondicioniranjem.^[2]

Najbolj popularno je suho mletje, kjer se uporabljajo mlini z nasprotno vrtečimi se valji.

Učinkovitost mlina (koliko sladu se lahko zmelje na enoto časa) je odvisna od dolžine valja, časa vrtljajev in hitrosti valjev. Možne so različne postavitve valjev: 2, 3, 4, 5 ali 6 valjev. Ko se slad zmelje, sledi tresenje in vibriranje zmletega sladu, kjer se fini delci ločijo od grobih. Delci, ki potrebujejo dodatno mletje ponovno prehajajo skozi mlin. Ker je endosperm izjemno krhek, se v zadnjem času vse bolj uporablja metoda popolnega namakanja ali navlažitve sladu pred mletjem. Vlažne ječmenove luske so bolj elastične in se zato med mletjem manj poškodujejo kot suhe. Pri mletju s kondicioniranjem se slad navlaži z mrzlo ali vročo vodo, da se volumen ječmenovih lusk poveča za 10-20%, kar

(25)

11

vodi do lažje separacije drozge in delcev lusk. Pri tem načinu mletja je hitrost degradacije škroba višja, prav tako je večji tudi izkoristek.^[2][3]

V večjih pivovarnah se uporablja slad, ki je zmlet v fini prah. Manjši delci imajo večjo površino in posledično se lahko izvede učinkovitejša pretvorba škroba v sladkorje. V povezavi s tem je tudi učinkovitost ekstrakcije sladkorjev iz netopnih ostankov z membransko filtracijo večja.^[1]

Drozganje

Drozganje je proces razčlenjevanja škroba s pomočjo encimov iz sladu, da nastanejo enostavnejši sladkorji. Razčlenitev škroba do enostavnih sladkorjev, ki jih kvasovke lahko sprejmejo, je potrebna zato, da lahko poteče fermentacija. Škrob se z α- in β- amilazami hidrolizira do topnih sladkorjev, kot so maltoza, dekstrini in α-glukani.

Proteini in β-glukani se hidrolizirajo s pomočjo proteinaz oziroma z β-glukanazami.

Prihaja do reakcij med proteini in ogljikovimi hidrati, katerih rezultat so glikoproteini, ti pa so koristni za stabilnost in zadrževanje pene.^[1]

Proces drozganja se začne se z dodatkom vode k sladu, da se s hidratacijo sladu aktivirajo vsi prisotni encimi. Ker voda vsebuje velike količine kisika, ki negativno vpliva na stabilnost okusa, se uporablja prezračena voda. Z uporabo prezračene vode se minimalizira vnos kisika. Za 100 kg ječmenovega slada se običajno porabi 2-4 hL vode, odvisno od uporabljene metode varjenja in željene gostote proizvedenega piva.^[2]

Različni režimi drozganja vplivajo na vsebnost alkohola v pivu, koncentracijo nefermentiranih sladkorjev, peptidov in aminokislin v pivini, količino dodanih hranil h kvasu, kapaciteto pufrov, pH pivine in piva ter vsebnost β-glukanov v pivu. Drugačna metoda drozganja vpliva na fizikalne lastnosti piva, kot so barva, pena in jasnost.^[2]

Encimska razgradnja se nadzira s temperaturo, merjenjem viskoznosti, pH vrednosti in časom drozganja. Za hidrolizo škroba do topnih sladkorjev je najnižja potrebna temperatura pri vseh režimih drozganja vedno višja od 60°C. Najpogostejše metode drozganja so infuzija, infuzija po korakih, dvojna infuzija in dekokcija.^[1]^[3]

Infuzijska metoda se tradicionalno uporablja za ale piva. Celotna drozga se naenkrat segreje na končno temperaturo (~65°C) ter se pri tej temperaturi seegrevanje vzdržuje1- 2 uri. S tem se dosežejo optimalni pogoji za amilaze, ki hidrolizirajo škrob. Metoda je uporabna predvsem za slade z nižjo vsebnostjo beljakovin, tradicionalno za varjenje pale ale piv, vendar se danes uporablja tudi v proizvodnji lagerjev. Prednosti infuzijske metode

(26)

12

so v tem, da je proces enostavno avtomatizirati in nadzorovati, poraba energije je za 20- 30% nižja kot pri metodi dekokcije.^[1][2]

Dekokcija se tradicionalno uporablja za lager piva, oziroma za premalo modificirane slade s šibko encimsko aktivnostjo in slade z visoko vsebnostjo proteinov. Poteka tako, da se le del drozge segreje do vrelišča (~100°C) in se nato primeša nazaj k preostalemu, nesegretemu delu drozge. Degradacija posameznih skupin proteinov poteka pri različnih končnih temperaturah, ki se dosežejo z večkratnim ponavljanjem segrevanja dela drozge in mešanja nazaj k preostalemu, nesegretemu delu drozge. V takšnih primerih se lahko postopek dekokcije ponovi dvakrat (dvojna dekokcija) ali pa trikrat (trojna dekokcija).

Prav tako se lahko različna temperatura doseže s spreminjanjem razmerja med vrelim in preostalim delom drozge. Zaradi velike porabe energije se trojna dekokcija uporablja le za proizvodnjo posebnih vrst piva.^[1][2]

Ključna parametra drozganja sta vsebnost mineralov in pH vrednost pivine, saj odločilno vplivata tako na izvajanje procesa, kot tudi na končne lastnosti pivine, ki postane medij za vse nadaljnje faze kuhanja. Hidrolitični encimi potrebujejo pH srednjih vrednosti, t.j.

med 4,5 in 5,0, oziroma za njihovo maksimalno aktivnost maksimalno pH 5,4. Drozga svetlih sladov (ang. pale malts) in destilirane vode ima pH blizu 6, medtem ko ima slad, ki vsebuje znatne količine barvanih in praženih sladov pH manj kot 5. Prisotnost kislih soli v pivini je koristnejša pri varjenju svetlih piv, medtem ko so alkalne soli primernejše za temnejša piva. Kisle soli se nahajajo v trajno trdi vodi in med njih spadajo CaSO4, CaCl2 in MgSO4. Med alkalne soli pa spadajo Ca(HCO3)2, Mg(HCO3) in CaCO3, ki se nahajajo v začasno trdi vodi. Začasna ali karbonatna trdota se odstrani s prekuhavanjem, saj se pri segrevanju vode kalcijevi in magnezijevi hidrogenkarbonati pretvorijo v netopne karbonate. Vse ostale mineralne snovi, ki se s prekuhavanjem ne izločijo, pa spadajo v trajno ali nekarbonatno trdoto. ^[1]

Po zaključku procesa drozganja sledi faza odcejanja, kjer poteka separacija pivine od zrn.^[1]

Odcejanje (separacija pivine)

Pri separaciji pivine s filtracijo se neraztopljene snovi ločijo od pivine. Netopni del, ki ga predstavljajo izrabljena zrna, je sestavljen iz lupin, sejancev in drugega netopnega materiala. Za optimiziranje ekstrakcije sladkorjev iz slada se ječmenove luske pri določeni temperaturi sperejo z vročim alkoholom (ang. sparging). V tej fazi se lahko izvedejo analize pivine brez dodanega hmelja, določi se tudi osnovna masna gostota pivine, da se lahko pozneje določi učinkovitost ekstrakcije.^[1][2]

(27)

13

Vrenje pivine

Pivina se skupaj s hmeljem prekuhava, filtrira in se nato hitro ohlajena prenese v fermentacijsko posodo. Proces vrenja ustavi delovanje encimov, sterilizira pivino, ji doda aromo in strjuje nekatere proteine, ki bi sicer povzročali motnost. Pomembno je, da se pivina intenzivno zavre, zato da je ekstrakcija grenkobe iz hmelja čim višja ter da se odstranijo vse nezaželene hlapne snovi, predvsem žveplove spojine.^[1][2]

Vrenje pivine je pri postopku proizvodnje piva energijsko najbolj potratna faza. Predvsem za starejše pivovarne s starejšo tehnologijo je značilna ogromna poraba energije že za začetno segrevanje pivine ter za celoten proces vretja, ki je zelo dolgotrajen. Z namenom zmanjševanja stroškov so se izoblikovale optimizirane metode, kot so nizkotlačno vrenje in visokotemperaturno vrenje pivine, s katerimi se je poraba energije občutno znižala. Za nove, optimizirane metode je poleg nižje porabe energije značilen tudi manjša toplotna obremenitev pivine med vrenjem. Manjša toplotna obremenitev pozitivno vpliva na fizikalne lastnosti piva in pene. Kvantitativno jo lahko ocenimo z meritvami barve, (količina tiobarbituričnih kislin) ali s koncentracijo visokotemperaturnih kazalcev.^[2]

Cilj vrenja pivine:

- ekstrakcija grenkih substanc in aromatičnih komponent iz aromatiziranih sredstev,

- obarjanje proteinov, polifenolov in lipidov, med katere spadajo verižne maščobne kisline in estri,

- odstranitev neželenih hlapnih spojin, vključno z organskimi žveplovimi spojinami.

Ekstrakcija grenkih substanc ter aromatičnih komponent poteka iz cvetov in storžkov ženske rastline hmelja. Glede na določeno sorto hmelja in zahtevane pivovarske specifikacije, mora biti končna vsebnost hmelja v pivu pri posameznih serijah proizvodnje konstantna. Istočasno se lahko uporabi samo ena vrsta hmelja ali tudi več sort hkrati za doseganje posebnega hmeljskega karakterja. Hmelj se lahko dodaja v različnih stopnjah vrenja. Tisti, ki vsebuje več α-kislin, se doda na začetku vrenja, medtem ko se aroma hmelja doda proti koncu vrenja. Namen tega je doseči željeno grenkobo in hkrati ohraniti aromo.^[1]

Zagotavljanje konstantne grenkobe med različnimi serijami je v večjih pivovarnah pomemben komercialni faktor. Grenkoba se izraža z Mednarodnimi grenkobnimi enotami

(28)

14

- IBU (International Bittering Units) in se določi s standardnimi metodami ekstrakcije topila in kolorimetrijo. V manjših pivovarnah se grenkoba oceni z izračunom števila enot α-kislin iz mase hmeljskih storžkov ob predpostavki, da je po 5 minutah izkoristek vrenja 10%, po 30 minutah 20% in po 1 uri je izkoristek vrenja 30%. Končna količina izomeriziranih α-kislinskih enot se pretvori v IBU enote tako, da jih pomnožimo s faktorjem 75.^[1]

Drugi pomemben vidik vrenja je obarjanje proteinov, polifenolov in lipidov, med katere spadajo verižne maščobne kisline in estri. Odstranitev proteinov in polifenolov vpliva na stabilnost bistrosti končnega produkta (piva). Z odstranitvijo lipidov se zmanjša tveganje za prezgodnje staranje in postanost piva. Za zmanjšanje količine snovi, ki povzročajo motnost in postanost se dodajo sredstva za bistrenje, med katerimi je najpogostejši irski mah (posušena rdeča morska alga Chondrus crispus).^[1]

V tej stopnji se lahko poleg hmelja dodajo še drugi dodatki, kot so na primer koriander, pivovarski sladkorji, sirupi in karamela.^[1]

Vizualne spremembe pri vrenju

Kmalu po začetku segrevanja se na površini pivine tvori rjava pena. Z začetkom vrenja pena razpade na manjše grudice, ki krožijo znotraj vrele pivine. V pivovarskem žargonu se to imenuje vroča truba (ang. hot trub). Zaželeno je, da truba ostane znotraj vrtinca in tako ne pride v stik s fermentirano pivino.

Vroča truba je sestavljena iz proteinov, polifenolov, lipidov in mineralov, ki povzročajo motnost in postanost piva. Če se delci vročega truba ne odstranijo, lahko med fermentacijo poškodujejo celično steno kvasovk ter tako stimulirajo usedanje kvasovk med fermentacijo. Izkoristek fermentacije je zaradi tega nižji. Vroča truba povzroča temnejšo barvo piva, trpek, močen okus po tropinah in slabo stabilnost pene. Za odstranjevanje vroče trube obstajajo različne metode; metoda hmeljnega drožja (ang.

hopback methode), hlajenje trube v večjem hladilniku (ang. coolship) in metoda vrtincev (ang. whirlpool) .^[1][2]

Med vrenjem intenzivno poteka Maillardova reakcija ali neencimsko rjavenje, katere rezultat je proizvodnja različnih hlapnih in nehlapnih arom ter barvnih melanoidov.

Rezultat vrenja pivine pri svetlih pivih je povečanje barve pivine za 4 EBC enot.

Povečanje barve je posledica formiranja melanoidov, karamelizacije sladkorjev in oksidacije polifenolov. Obseg Maillardove reakcije je večji pri višjem pH, torej se intenziteta barve povečuje z višanjem pH pivine.^[2]

(29)

15

3.2.3 Fermentacija

Tretji in glavni korak pri pridelavi piva je sprememba pivine v pivo, kar poteka preko fermentacije. Tudi zadnji sklop je sestavljen iz več posameznih korakov, ki so predstavljeni na Sliki 3. Med njih spadajo dodajanje kvasa (ang. pitching), prezračevanje, fermentacija ter zorenje in skladiščenje. Na koncu sledi še filtracija in stabilizacija.^[3]

Fermentacija je presnova substratov v produkte s pomočjo delovanja mikroorganizmov (kvasovk). Gre za transformacijo sladkorja v etanol in ogljikov dioksid. Med procesom fermentacije poleg željenih produktov prihaja še do nastanka stranskih produktov, ki imajo znaten vpliv na aromo in okus piva.^[1][3]

Fermentacijski sladkorji (saharoza, fruktoza, glukoza, maltoza, maltotrioza), ki jih vsebuje pivina, predstavljajo 70-80% vseh ogljikovih hidratov.^[2]

Slika 3: Shematski prikaz fermentacije^[3]

(30)

16

Dodajanje kvasa (ang. pitching)

Fermentacija se začne z dodatkom 0,5-0,7 L tekoče zmesi kvasovk na hektoliter pivine, kar je 15-20 milijonov kvasovk na mililiter hladne pivine. V tej fazi, ko so pivini dodane kvasovke, se ta imenuje mlado pivo (kräusen) ali kar pivo. Posamezne celice kvasovk morajo hitro priti v stik s hranili iz pivine, zato se kvasovke v trenutku injicira v tok hladne pivine.^[3]

Prezračevanje

Poleg koncentracije kvasovk je fermentacija odvisna še od zadostne oskrbe celic kvasovk s kisikom. Zadostna količina kisika se doseže s prezračevanjem mladega piva s sterilnim zrakom ali čistim kisikom. Enakomerna porazdelitev s finimi mehurčki zraka se doseže z aeracijo s sintranimi svečami, venturijevimi cevmi, posebnimi šobami ali s statičnimi mešalci. Vsebnost čistega kisika za optimalno fermentacijo je 8-10 mg O2 na liter pivine.^[3]

Čas fermentacije se skupaj z usedanjem in prezračevanjem podaljša za 24 ur. ^[3]

Fermentacija

Pretvorba raztopljenih snovi v etanol in ogljikov dioksid s pomočjo delovanja encimov iz kvasovk je eksotermen proces in se imenuje glikoliza. Najprej se hidrolizira heksoza in saharoza (začetni sladkor), nato maltoza (glavni fermentacijski sladkor) in na koncu še maltotrioza (sekundarni sladkor). Poleg glavnih produktov se oblikujejo še stranski produkti, ki se delijo na šest skupin: višji alifatski in aromatski alkoholi, večvalentni alkoholi, estri, karbonilne skupine, žveplove skupine in organske kisline. Stranski produkti dajejo različne vonje in okuse, ki lahko prispevajo k boljšemu okusu, lahko pa povzročijo tudi neustrezen okus piva.^[3]

Med glavno fermentacijo se iz aminokislin tvorijo hlapne (ocetna, mravljična kislina) in nehlapne (piruvična, jabolčna, citronska in mlečna kislina) organske kisline, ki znižajo pH za eno enoto. Vrednost pH neposredno vpliva na okus in lesk piva. Končen pH piva se giblje med 4,3 in 4,6. Intenzivnost in hitrost tvorjenja kislin je določena s pufersko zmogljivostjo pivine, količino asimiliranega dušika, kvasovk in z metodo fermentiranja.^[3]

V prvih dneh fermentacije barva piva postane svetlejša za 2-3 (EBC) barvne enote.

Sprememba barve je lahko posledica padca pH, saj pri tem nekatere snovi spremenijo barvo, ali pa je posledica adsorpcije snovi na površino kvasovk, ki se nato odstranijo.^[3]

(31)

17

Neustrezni okusi v pivu so običajno posledica visoke vsebnosti stranskih diketonov (diacetil in 2,3-pentandion), ki dajejo pivu sirast, maslen okus oziroma okus po žarkosti.

Diketoni se prenesejo na večvalentne alkohole in so kazalnik stopnje zorenja.^[3]

Zorenje in skladiščenje

Za obarjanje proteinov je ugodnejša hitra fermentacija. Pivo, ki hitro zori, se lažje filtrira, poleg tega ima odlično nebiološko stabilnost.^[3]

Da se pivo zbistri, ga je po zorenju potrebno za 1 do 2 tedna stabilizirati pri temperaturah med 0 in 2°C. Med tem časom se izboljša sposobnost filtriranja in koloidna stabilnost. V fazi hladnega skladiščenja mora pivo doseči določeno raven CO2 (Tabela 3). To se običajno doseže z uporabo tlaka pri 0,2-0,6 barih.

Tabela 3: Vsebnost CO2 (g/L) v različno pakirani ovojnini ^[3]

Točeno pivo 4,8

Pivo v pločevinkah 5,0

Ustekleničeno pivo 0,55

Vizualne spremembe pri fermentaciji

Videz piva se med posameznimi fazami fermentacije razlikuje. Najprej se mlado pivo prekrije s tanko belo peno, kar je znak za začetek fermentacije. Z nadaljnjo fermentacijo postaja pena s finimi mehurčki vedno bolj trda in začnejo se pojavljati večji rjavi delci pene. Sledi najintenzivnejši del fermentacije, kjer pena mladega piva postaja vedno bolj visoka. Prav tako se poveča tudi velikost CO2 mehurčkov. Na koncu fermentacije pena mladega piva začne počasi razpadati, tanka rjava plast na površini pa nakazuje na konec delovanja kvasovk.^[3]

Zgornja fermentacija

Zgornja fermentacija je najstarejša metoda proizvodnje piva in se je kot edina metoda priprave piva uporabljala do sredine 19. stoletja. Sev kvasovk, ki se uporablja za zgornjo fermentacijo, se imenuje Saccharomyces cervisae. Interval optimalne temperature za delovanje teh kvasovk je višji kot pri kvasovkah spodnjega vrenja in zajema temperature od 15 do 24°C. Med samim procesom zgornje fermentacije se kvasovke dvignejo na površino, zato se jih lahko po koncu fermentacije postrga s površine. Odstranjevanje in

(32)

18

ohranjanje kvasovk je pomemben del, saj se jih lahko ponovno uporabi v naslednjih serijah.^[1][3]

Spodnja fermentacija

Velika večina piv po svetu je proizvedena s kvasovkami spodnjega vrenja. Družinsko ime za tako pridelana piva je lager ozirom ležak. Največja razlika med zgornjo in spodnjo fermentacijo je v vrsti kvasovk, fermentacijski temperaturi in v dolžini zorenja. Spodnja fermentacija se izvaja s kvasovkami Saccharomyces uvarum. Te se ne zadržujejo na površini, temveč takoj tvorijo usedlino, še posebej proti koncu fermentacije in pri nizki temperaturi. Pivina za proizvodnjo tradicionalnih ležakov se fermentira pri temperaturah 7-14°C. Prav tako, kot se za ponovno uporabo ohranjajo kvasovke zgornjega vrenja, se ohranjajo tudi kvasovke spodnjega vrenja, le da se jih v tem primeru pobira iz srednjih plasti usedline. Nato se shranijo v vodi pri 2°C v hladilnih sobah.^[1]

3.2.4 Obdelava piva - bistrenje, filtracija, pasterizacija

Za doseganje potrošniku privlačnih lastnosti je potrebno pivo še dodatno obdelati. Namen obdelave piva je torej zagotoviti stabilnost okusa, bistrost, stabilnost pene in mikrobiološko stabilnost.^[1]

Motnost

Kvalitetno pripravljeno pivo se mora samo od sebe zbistriti. V standardnem proizvodnem procesu piva se preko bistrenja in filtracije preprečuje nastanek motnosti, ki se razdelijo na začasne in trajne. ^[1]

Hladna meglica je najpogostejši tip začasne motnosti. Pojavi se med ohlajanjem piva in nato med segrevanjem zopet zgine. Hladna meglica se tvori prek interakcij med proteini (iz slada) in polifenoli (v sladu in hmelju). Najmanj težav z motnostjo je pri pivu, ki je proizvedeno v režimu z nizko vsebnostjo kisika.^[1]

Trajne meglice so posledica napak pri postopku proizvodnje piva, tem pa se je mogoče izogniti z uporabo higieničnih pivovarskih tehnik, skupaj s kvalitetnimi materiali in primernim ravnanjem npr. shranjevanje pri primernih temperaturah.^[1]

Sredstva za zmanjševanje motnosti

Hladne meglice se lahko odpravijo oziroma v veliki meri zmanjšajo s pomočjo sredstev za bistrenje ali s stabilizacijo z ledom. Sredstva za bistrenje selektivno adsorbirajo

(33)

19

proteine (protein aktivna sredstva) ali polifenole (polifenol aktivna sredstva) in na ta način zavirajo oblikovanje meglic.^[1]

Uporaba protein aktivnih agentov, kot so bentonit, karagenan in tanin (čreslovina), lahko zmanjšajo sposobnost penjenja, kar posledično vpliva na kakovost piva. Boljši pristop k odstranjevanju motnosti piva je uporaba polifenol aktivnih sredstev, kjer so največ v uporabi polivinilpolipirolidon (PVPP), polivinilpirolidon (PVP) in različni materiali na silicijevi osnovi, kot so hidrogeli in kserogeli. Odstranjevanje nizkih koncentracij polifenolov, ki ne vplivajo na okus, poteka lažje kot protein aktivnih sredstev.^[1]

PVP in PVPP polimera polifenol aktivnih sredstev sta linearna in imata številne skupine za tvorjenje vodikovih vezi in drugih privlačnih interakcij s polifenoli in predvsem s proteini, ki tvorijo peno. Po drugi strani pa sredstva na osnovi silicija delujejo selektivno in ne vplivajo na proteine, ki tvorijo peno. Zaradi te lastnosti prevladuje uporaba sredstev na osnovi silicija, pri katerih se sredstva za preprečevanje motnosti iz piva odstranijo s filtracijo z uporabo filtrov iz silicijevih gelov ali diatomejske zemlje (kieselgur). ^[1]

Stabilizacija z ledom v kombinaciji s filtracijo ali centrifugacijo pa je metoda za bistrenje, kjer se ne dodajajo nobena dodatna sredstva. Pri tej metodi se pri temperaturi -2 do -4°C oblikujejo majhni kristali ledu, med katere se ujamejo proteini, ki povzročajo meglice in tam ostanejo tudi po tem, ko se hladno pivo prečrpa iz ledene mešanice. Enak način se lahko uporabi za povečanje vsebnosti alkohola v pivu, kar se uporablja pri nekaterih nemških ležakih.^[1]

Pasterizacija

Piva, ki zahtevajo dolg rok uporabe (sodi, ustekleničena, piva v pločevinkah), je potrebno pasterizirati, če predhodno ni bila dosežena popolna sterilizacija. V pivovarstvu se uporabljata dve vrsti pasterizacije: hitra (za pivo v sodih in rezervoarjih) in tunelska pasterizacija (ustekleničena piva in za piva v pločevinkah).^[1]

3.3 Reologija

Reologija je interdisciplinarna veda toka in deformacije snovi in opisuje medsebojni odnos med silo, deformacijo in časom. Izraz reologija izhaja iz grških besed »rheo«, ki pomeni tok in »logia«, ki pomeni preučevanje. Reologija se ukvarja tako z deformacijo tekočih, kot tudi z deformacijo trdnih snovi. Posebno pozornost namenja kompleksnim viskoelastičnim materialom, ki imajo tako lastnosti trdnih, kot tudi tekočih snovi. ^[4]

(34)

20

Obstajata dve osnovni vrsti toka: strižni in elongacijski tok. Pri strižnem toku se komponente tekočine pomikajo druga mimo druge, pri elongacijskem toku pa se komponente tekočine med seboj oddaljujejo ali približujejo druga drugi. Najpogostejši tok, ki se ga najlažje izmeri z rotacijskim reometrom ali viskozimetrom je strižni tok.^[4]

3.3.1 Strižni tok

Strižni tok si je mogoče razlagati kot plasti tekočine, ki drsijo druga čez drugo, kjer se z vsaka dodatna plast premika hitreje kot plast pod njo. Najvišja plast ima največjo hitrost, medtem ko spodnja plast miruje. Za nastanek strižnega toka mora na tekočino delovati zunanja strižna sila, ki je v obliki strižne napetosti (σ).^[4]

Strižna napetost je opredeljena z Enačbo 1 kot sila (F), ki deluje na enoto površine (A), kot je prikazano na Sliki 4. Zaradi te sile se zgornja plast premakne za določeno razdaljo x, medtem ko spodnja plast ostane stacionarna. Zaradi tega se čez vzorec ustvari gradient premikanja, ki se imenuje strižna deformacija (Enačba 2). Komponente v tekočini se gibljejo ena glede na drugo, kar pomeni, da se bo strižna deformacija v času delovanja napetosti še naprej povečevala. To ustvarja gradient hitrosti, ki se imenuje strižna hitrost ali stopnja deformacije (𝛾̇ ), kar je prikazano na Sliki 4. Strižna hitrost je hitrost spreminjanja deformacije s časom in je definirana z Enačbo 3.^[4]

σ =^𝐹

𝐴 , (1) ^[4]

𝛾̇ =^𝑥

ℎ , (2) ^[4]

𝛾̇ =^𝑑𝛾̇

𝑑𝑡 , (3) ^[4]

Ko se na tekočino prenese strižna napetost, se s tem prenaša gibalna sila, saj je strižna napetost enaka toku gibalne sile ali stopnji prenosa gibalne sile v zgornji sloj tekočine.

Ta gibalna sila se prenaša skozi plasti tekočine s trki in interakcijami z drugimi komponentami tekočine, kar zmanjšuje hitrost in kinetično energijo tekočine. Koeficient sorazmernosti med strižno napetostjo in strižno hitrostjo je opredeljen kot strižna

Slika 4: Kvantifikacija strižne hitrosti in strižne napetosti za plasti tekočine, ki drsijo druga čez drugo ^[4]

(35)

21

viskoznost ali dinamična viskoznost (η), ki jo opisuje Enačba 4. Strižna viskoznost je merilo notranjega trenja tekočine in je povezana z dušenjem ali izgubo kinetične energije v sistemu.^[4]

η =

^σ

𝛾̇

,

(4) ^[4]

Newtonske tekočine so tekočine, pri katerih je strižna napetost linearno povezana s strižno hitrostjo. Posledično se viskoznost s strižno hitrostjo ali strižno napetostjo ne spreminja.

Med tipične newtonske tekočine spadajo voda, enostavni ogljikovodiki in razredčene koloidne disperzije, med katere spada tudi pivo.

Nenewtonske tekočine so tiste, pri katerih se viskoznost spreminja v odvisnosti od strižne hitrosti ali strižne napetosti. V splošnem je viskoznost vseh tekočin odvisna od tlaka in temperature, pri čemer se v splošnem viskoznost povečuje z naraščajočim tlakom in padajočo temperaturo.^[4]

3.3.2 Reometrija

Reometrija je eksperimentalna tehnika, ki se uporablja za določanje reoloških lastnosti materialov.^[4]

Strižna viskoznost se meri z rotacijskim reometrom, ki je opremljen z različnimi senzorskimi sistemi. Vzorec se vstavi v senzorski sistem, ki je pogosto sestavljen iz dveh plošč, ki sta razmaknjeni za razmik (h), kot je prikazano na Sliki 5. Rotacijski reometri lahko delujejo v načinu nadzorovane napetosti ali nadzorovane hitrosti. To pomeni, da je mogoče nastaviti navor in meriti hitrost vrtenja ali pa se nastavi hitrost vrtenja in se meri navor, ki je potreben za vzdrževanje te hitrosti.^[4]

V načinu nadzorovane napetosti nastavimo navor, ki se pretvori v silo (F), ki deluje na površino plošče (A), da se dobi strižna napetost (Enačba 1). Kot odziv na uporabljeno strižno napetost bo tekoči vzorec tekel s strižno hitrostjo, ki je odvisna od njegove viskoznosti. Če je merilna vrzel (h) natančno znana, lahko strižno hitrost (V/h) določimo iz izmerjene kotne hitrosti (ω) zgornje plošče, ki jo določajo visoko precizni senzorji položaja, in njenega polmera (r), saj je V = r ∙ω.^[4]

(36)

22

Za merjenje viskoznosti se pogosto uporabljajo tudi drugi merilni sistemi, vključno s stožčasto ploščo in koncentričnimi valji, pri čemer ima stožčasta plošča pogosto prednost, saj je strižna hitrost konstantna po celotnem vzorcu. Vrsta uporabljenega merilnega sistema in njegove mere so odvisne od vrste vzorca in njegove viskoznosti. Na primer, pri delu s suspenzijami velikih delcev sistem s stožčasto ploščo pogosto ni primeren.^[4]

3.4 Določanje parametrov kakovosti piva

Med parametre, ki nakazujejo na kakovost piva spadajo:

- pivska pena, - okus,

- koloidna stabilnost, - barva,

- viskoznost piva (jedra piva).

Za namene določanja teh kakovostnih parametrov so se izoblikovale napredne instrumentalne metode za hitro in zanesljivo analizo proizvodov.^[5]

3.4.1 Pena

Kakovost pene piva je še posebej zanimiva za potrošnike, saj je dobra pena na pivu znak svežine. Pena vpliva na čutno dojemanje piva, zato mora imeti fino strukturo, stabilnost, belo barvo in zadostno količino.

Slika 5: Prikaz obremenjenega vzorca med vzporednima ploščama in strižni profil ^[4]

(37)

23

Kakovostne lastnosti pene so določene s kombinacijo:

- stabilnosti in količine pene, - vezave pene (ang. lacing), - beline,

- kremnosti (majhni enakomerno dispergirani mehurčki), - trdnosti^[6][7].

Med pomembne reološke lastnosti pene spadajo: površinska napetost, viskoznost tekoče faze in površinska elastičnost, saj vplivajo na obstojnost pene in s tem tudi na njeno kakovost.

Površinska napetost: Pena se lažje oblikuje v tekočinah z nizko površinsko energijo, saj se za njeno oblikovanje porabi manj energije. Površinsko napetost lahko zmanjšamo s koncentracijo snovi z nizko površinsko napetostjo v steni mehurčkov.^[8]

Viskoznost: Glavni vzrok za dolgotrajno obstojnost pivske pene je visoka viskoznost tekoče faze. S časom se viskoznost povečuje, odvisno od tega, s kakšno hitrostjo se pojavijo površinske interakcije.^[8]

Površinska elastičnost: To je sposobnost vzdrževanja lokaliziranih ekstenzij in kompresij površinskega filma. Ekstenzije in kompresije filma povzročajo lokalizirano povečanje ali zmanjšanje površinske napetosti. Na elastičnost vplivata velikost in relativna hidrofobnost površinsko aktivnih molekul.^[8]

Določanje kakovostnih lastnosti pene:

- Oblikovanje pene:

Nastajanje pene (penjenje) piva je v veliki meri odvisno od vsebnosti plina v pivu ali plina, ki je v pivo vnesen ob točenju. Metode, s katero bi lahko natančno določili nastajanje in oblikovanje pivske pene, zaenkrat še ni. Veliko bolj je raziskano nastajanje pene v drugih sistemih, kot je na primer raztopina čistih beljakovin, kjer se običajno meri količina pene, ki nastane po standardnem režimu stresanja.^[8]

(38)

24

- Stabilnost pene (zadrževanje glave):

Stabilnost pene se lahko določi kot razmerje med prvotno količino piva v peni in količino piva, ki je ostala v peni po določenem času. Ugotovljeno je bilo, da pena razpada po kinetiki prvega reda (tj. logaritmično glede na čas). Zato se lahko stabilnost pene oceni na podlagi časa, v katerem se v tekoče pivo sesede polovica pene.^[8]

Danes se večinoma v večjih pivovarnah za merjenje stabilnosti pene uporablja NIBEM metoda, saj je priporočena s strani EBC. Stabilnost pene se oceni z merjenjem časa sesedanja pene na določeni razdalji (30 mm).^[9]

Za merjenje stabilnosti pene se v številnih pivovarnah in v laboratorijskih študijah še vedno uporablja nekoliko starejša Rudinova metoda. Metoda se uporablja zaradi enostavnosti, nizkih stroškov uporabe in dobre ponovljivosti.^[9]

Zasnovana je bila Rudibova merilna naprava (Slika 6), ki je sestavljena iz steklenega valja s sintranim steklenim diskom na dnu. Cev je kalibrirana na določenih višinah: 5,0, 7,5 10,0 in 32,5 cm nad diskom. V valj se do oznake 10 cm natoči vzorec razplinjenega piva, ki se nato v času 60 sekund speni s čistim ogljikovim dioksidom do oznake 32,5 cm. Čas, ki je potreben, da meja pivo-pena prečka oznaki 5,0 in 7,5 je sovpada z razpolovno dobo pene, ki imenuje tudi Rudin Head Retention Value (HRV).^[8][9]

Pojavljajo se številne modifikacije in izboljšave originalne Rudinove metode, primer je prikazan na Sliki 7. Ena izmed modifikacij je Foamscan®. Sestavljen je iz steklenega stoplca, ki je opremljen z več pari prevodnostnih sond in plašča, ki ohranja konstantno temperaturo vzorca. Takoj ko se v kolono nalije vzorec piva, se z razprševanjem ustvari pena. Meritev se neprekinjeno spremlja z videokamero.^[9]

Slika 5: Shema Rudinove naprave ^[9] Slika 4: Shema modificiranie Rudinove naprave ^[9]

(39)

25

- Vezanje (ang. lacing) (oprijemanje na steno kozarca):

Vezava piva (ang. lacing) je merilo sposobnosti pene, da se drži stene čistega stekla.^[1]

Metode za ocenjevanje oprijemanja pene na stene kozarca so lahko kvalitativne, kjer se obseg oprijemanja pene na steno kozarca določi fotografsko ali pa se uporabijo fotometrične naprave.

Oprijemanje pene na stene kozarca se razdeli na primarno in sekundarno. Primarno oprijemanje je tisto, kjer se pena sprime na steno v sveže napolnjenem kozarcu, medtem ko je sekundarno oprijemanje posledica občasnega pitja iz kozarca. Popolnoma zadovoljiva metoda mora upoštevati oba dejavnika, vendar večina znanih metod upošteva le primarno oprijemanje.^[8]

Sekundarno oprijemanje se določi s pomočjo metode refleksije. Pri tej metodi se uporabi radiometrični merilnik meglice, kjer se povprečijo odčitki svetlobe, ki se je razpršila na različne točke kozarca. Natančnost te metode je zelo slaba, poleg tega pa je metoda tudi zamudna.^[8]

Kvantitativni postopek za merjenje celotnega oprijemanja pene na steno kozarca, ki je ponovljiv, hiter in vključuje cenovno dostopne aparate, poteka tako, da se znano količino razplinjenega piva vnese v preprosto stekleno napravo, pri čemer se 2 cm pene ustvari z nadzorovanim vbrizgavanjem CO2. Pivo se nato postopoma odvaja, kar simulira pitje.

Ostala pena se pridobi kot vodna raztopina. Skupna količina raztopljene pene se izmeri na podlagi optične absorbance raztopine pri 230 nm. Iz te vrednosti se izračuna indeks vezanja (ang. Lacing index), ki je v tesni povezavi s količino pene, ki je obkrožila kozarec.^[8]

- Trdnost pene:

Trdnost pene je merilo sposobnosti pivske pene, da se ob prisotnosti inhibitorjev ohrani oblika pene in oprime sten kozarca. Pred točenjem piva se v ločene kozarce najprej nalije večja količina inhibitorja (npr. detergent). Vrednost trdnosti pene je ocenjena kot največji odmerek inhibitorja, ki ga pena prenese brez očitnih škodljivih učinkov. Ta metoda je uporabna, če se uporablja skupaj s kvantitativnimi postopki za določanje stabilnosti pene in oprijemanje. Lahko služi tudi osnova za tehniko ocenjevanja različnih stabilizatorjev pene, kot je na primer propilen alginat, ter za določanje najprimernejših detergentov in sredstev za izpiranje v potrošnji.^[8]

(40)

26

- Belina:

Barva piva in belina pene sta obratno sorazmerna, belino pene pa se oceni z ustreznim reflektometrom. Pri pivih, ki so si podobni po barvi, bo pivo z večjo belino barve s strani potrošnikov poželo večje odobravanje.^[8]

- Velikost mehurčkov:

Boljše razumevanje stabilnosti pene se doseže s podrobnejšim proučevanjem dogodkov takoj po točenju, predvsem z opazovanjem sprememb v velikosti mehurčkov. Grobe, mehurjaste pene imajo velike mehurčke, medtem ko so debelejše in bolj kremaste pene tiste z manjšimi, privlačnejšimi mehurčki. Velikost mehurčkov se oceni s kamero, ki je povezana z monokularnim mikroskopom in vključuje lestvico za merjenje mehurčkov.

Pena, ki ima drobno strukturo, je sestavljena iz mehurčkov s premerom približno 0-2 mm, medtem ko je premer mehurčkov v penah z bolj grobo teksturo okoli 2 mm. Manjši kot so mehurčki, bolj je pena bela.^[8]

Za oceno velikosti mehurčkov in napovedovanje stabilnosti pene daje bolj zadovoljive rezultate skeniranje z elektronsko mikroskopijo liofilizirane pene.^[8]

- Gostota pene:

Gostota pene je prostornina piva v določeni prostornini pene in višja kot je gostota pene, boljši je občutek v ustih. Pivo se nalije v merilni valj in najprej se izmerita skupna prostornina pene in piva (VT) ter nato še prostornina tekočega piva (VB). Ko se pena sesede se izmeri še skupna prostornina piva (VBT). Izračun gostote je prikazan z Enačbo 5:

𝑔𝑜𝑠𝑡𝑜𝑡𝑎 𝑝𝑒𝑛𝑒 =^𝑉^𝐵𝑇^−𝑉^𝐵

𝑉𝑇−𝑉𝐵 , (5) ^[8]

Tak postopek se lahko ponovi v različnih časovnih intervalih ter se tako izmeri sprememba gostote pene v mirovanju.^[8]

- Viskoznost pene:

Metoda, ki se je razvila za merjenje viskoznosti, vključuje merjenje časa, ki ga majhne steklene kroglice s premerom 5 mm potrebujejo, da se spustijo skozi peno znane globine.

Dobljena hitrost se vstavi v Stokesovo enačbo, preko katere se nato izračuna viskoznost pene. Ugotovljeno je bilo, da se viskoznost po 4 do 5 min po nalitju poveča, razlog za to pa je odtekanje tekočine in strjevanje sten mehurčkov, ki pa je odvisno od izo-kislin in

(41)

27

kovinskih ionov. Posledica tega je sposobnost pene, da se začne vezati, tvoriti čipka. Ko se viskoznost zmanjšuje, mehurčki koalescirajo, se povečujejo in razpadajo.^[8]

3.4.2 Okus

Drugi ključni vidik kakovosti piva je njegov okus, ki se tudi v industriji ocenjuje s pomočjo usposobljenih skupin ocenjevalcev. Ta ocena je velikokrat pomembnejša od celotne zbirke neodvisnih analitičnih podatkov.^[8]

3.4.3 Koloidna stabilnost

Za analizo motnosti/meglic v pivu se uporablja merilnik motnosti (radiometer), ki deluje na podlagi sipanja svetlobe. Metoda razprševanja in zasenčenja svetlobe ter laserska Dopplerjeva anemometrija povezujeta raven razpršene svetlobe s premerom mehurčkov.

Za oceno motnosti se lahko uporabljajo tudi spektrofotometrične metode, saj motnost, ki je posledica meglic vpliva na razmerje med prepustnostjo in absorpcijo svetlobe.^[5]

3.4.4 Barva

Za določevanje barve in bistrosti piva se uporablja spektrofotometrično merjenje pri določeni valovni dolžini. Barva ima tri komponente, ki se običajno merijo s Hunterjevim kolorimetrom, ki temelji na treh barvnih koordinatah:

- L, ki predstavlja svetlost, - a, označuje zelenost ali rdečino,

- b, ki predstavlja rumenost ali modrost piva.

Barva se izrazi kot številčna vrednost ∆𝐸, ki opredeljuje razliko v barvnih ravneh.

Vrednost ∆𝐸 je izražena z Enačbo 6:

∆𝐸 = ∆𝐿²+ ∆𝑎²+ ∆𝑏² , (6) ^[5]

Spektrofotometrija in osnovne primerjalne metode (primerjava barve piva s standardnimi barvnimi viri) se dobro obneseta v ozkem območju izdelkov in barv, vendar sta v širšem razponu izdelkov slabo ponovljivi.^[5]

Melanoidi so najpomembnejša barvila v pivu, zato se lahko spremlja sprememba vsebnosti aminokislin v pivu, kar posledično kaže na spremembo vsebnosti melanoidov.

Spremembe vsebnosti beljakovin in aminokislin v pivu se določa s kombinacijo