Der pH-Wert ist ein wichtiger Faktor beim Brauen von Qualitätsbier. Die pH-Werte während der verschiedenen Stadien des Brauprozesses beeinflussen das Extraktpotenzial, die Bierfarbe, die Heißbruchbildung, die Schaumstabilität, die Hopfenölextraktion, die Hopfenbittere und die Läuterbarkeit des Bieres. Er ist auch ein wichtiger Faktor für die Bierqualität während der Lagerung, da ein niedriger pH-Wert das Bakterienwachstum hemmt.
Was genau ist der pH-Wert?
Der pH-Wert einer Lösung ist eine Möglichkeit, den Säuregrad oder die Alkalität dieser Lösung auszudrücken. Die meisten Heimbrauer sind mit der pH-Skala vertraut und wissen, dass Werte über 7 basisch (oder alkalisch) und Werte unter 7 sauer sind (unter der Annahme, dass der pH-Wert bei 68 °F/20 °C gemessen wird). Sie wissen vielleicht nicht, dass Soren Sorensen, ein dänischer Biochemiker, der für die Carlsberg-Labors arbeitete, der Mann ist, der das Konzept des pH-Wertes etablierte. Aber was genau ist der pH-Wert? Ein guter Anfang, um den pH-Wert zu erklären, ist reines Wasser. Reines Wasser ist eine Mischung aus hauptsächlich H2O-Molekülen und einer sehr geringen Anzahl von Hydronium-Ionen (H3O+) und Hydroxyl-Ionen (OH-). Das liegt daran, dass in reinem Wasser eine kleine Anzahl von Wassermolekülen spontan in H+ und OH- Ionen dissoziiert. Die H+-Ionen verbinden sich fast sofort mit einem Wassermolekül und bilden H3O+. Die Idee des pH-Wertes lässt sich gut mit dem Konzept der Ionisationskonstante von Wasser, oder Kw, erklären. Kw ist definiert als das Produkt der Konzentration von H3O+ und OH- Ionen, die in der Lösung vorhanden sind, oder:
Kw =
(In einer chemischen Gleichung zeigen Klammern um ein Ion oder Molekül die Konzentration dieser Substanz an.)
Kw = 2 = 10-14
Durch Lösen für , finden wir, dass:
= 10-7 (oder 0.0000001)
pH ist definiert als der negative Logarithmus der Hydroniumionenkonzentration, oder äquivalent:
pH = -log
So, in reinem Wasser bei 25 °C (77 °F), ist die Konzentration von H3O+ 10-7, und somit ist der pH-Wert 7.
In reinem Wasser bei 25 °C (77 °F) ist der pOH – der negative Logarithmus der Hydroxlionenkonzentration – ebenfalls 7 (weil die Konzentration von Hydronium- und Hydroxlionen gleich ist). Außerdem gilt in jeder verdünnten wässrigen Lösung bei jeder Temperatur:
pH + pOH = pKw
Diese Beziehung wird wichtig, wenn man den pH-Wert von Lösungen – z. B. beim Maischen oder Würzekochen – bei anderen Temperaturen als 25 °C misst, da Kw mit der Temperatur variiert.
Der relative Säuregrad oder die Alkalität einer wässrigen Lösung hängt davon ab, ob mehr H3O+-Ionen oder OH–Ionen in der Lösung vorhanden sind. Sind mehr H3O+-Ionen vorhanden, ist die Lösung sauer. Wenn mehr OH- Ionen vorhanden sind, ist die Lösung basisch (oder alkalisch).
Wenn Sie zum Beispiel etwas Säure zu reinem Wasser bei 25 °C (77 °F) hinzufügen, steigt die Konzentration der Hydronium-Ionen. Folglich sinkt der pH-Wert, da der pH-Wert der negative Logarithmus dieser Konzentration ist. Da bei dieser Temperatur pH + pOH = 14 ist, sinkt außerdem die Konzentration der Hydoxyl-Ionen – weil einige Hydronium-Ionen und Hydoxyl-Ionen unter Bildung von Wassermolekülen reagieren – und folglich steigt der pOH-Wert.
Aufgrund der Art, wie der pH-Wert definiert ist, ist die pH-Skala nicht linear. Eine Lösung mit einem pH-Wert von 4 ist zehnmal saurer als eine Lösung mit einem pH-Wert von 5 und hundertmal saurer als eine Lösung mit einem pH-Wert von 6.
Veränderung während des Brauprozesses
Während des Brauprozesses verändert sich der pH-Wert der Würze und des Bieres. Wasser aus den meisten kommunalen Wasserquellen hat einen pH-Wert von über 7 (weil es behandelt wird, um Korrosion der Leitungen zu verhindern). Wenn es mit geschrotetem Malz kombiniert wird, sinkt der pH-Wert der Getreide-Wasser-Mischung beträchtlich im Vergleich zum anfänglichen pH-Wert des Wassers allein.
Natürlicher pH-Abfall
Dieser beobachtete pH-Abfall ist das Ergebnis einer veränderten mineralischen Zusammensetzung innerhalb der Lösung. Die wichtigste Veränderung, die während des Maischprozesses stattfindet, ist die Ausfällung von Phosphaten und Aminosäuren aus dem Malz. Phosphate, wie z. B. Phosphorsäure, werden dissoziiert. Zum Beispiel:
H3PO4 -> H+ + H2PO4-
H2PO4- -> H+ + HPO4-2
und
HPO4-2 -> H+ + PO4-3
Wenn Calcium-Ionen vorhanden sind, fallen die Phosphate als Calciumphosphat aus, wobei Wasserstoffionen zurückbleiben:
3Ca+2 + 2H3PO4 -> 6H+ + Ca3(PO4)2
Eine ähnliche Reaktion findet statt, wenn Magnesium-Ionen vorhanden sind, aber Magnesium-Phosphat ist löslicher als Calcium-Phosphat, so dass der Effekt auf den pH-Wert weniger dramatisch ist.
Eine Reaktion findet auch statt, wenn Aminosäuren oder Polypeptide in der Lösung vorhanden sind. Die Calciumionen werden mit der Aminosäuregruppe reagieren:
2(Aminosäuregruppe – COOH) + Ca+2 -> Ca (Aminosäuregruppe – COO)2 + 2H+
Wenn Calciumsulfat (CaSO4) dem Brauwasser zugesetzt wird, bilden die Aminosäuren den oben beschriebenen unlöslichen Niederschlag und hinterlassen Wasserstoffionen (H+) – die sich, wie Sie sich erinnern, sofort mit Wasser zu Hydronium-Ionen verbinden – und Sulfat-Ionen (SO4-2).
Diese Veränderungen in der mineralischen Zusammensetzung und die Ausfällung von Kalziumsalzen sind für den Großteil der pH-Absenkung verantwortlich, die vor der Gärung beobachtet wird. Aber auch die Zusammensetzung des Treberwassers beeinflusst den pH-Wert. Wenn dasselbe Wasser für zwei Maischen verwendet wird, würde sich eine Maische mit dunklen Spezialmalzen bei einem niedrigeren pH-Wert einpendeln als eine Maische, die ausschließlich aus hellen Grundmalzen besteht. Eine Maische aus hellen Malzen und einer stärkehaltigen Zutat – wie Reis oder Mais – hätte einen höheren pH-Wert als eine der beiden vorherigen.
Beeinflussung des natürlichen pH-Abfalls
Das Vorhandensein anderer Mineralien im Brauwasser kann den pH-Abfall während des Brauprozesses beeinträchtigen. Insbesondere die Karbonat- (CO3-2) und Bikarbonat- (HCO3-) Ionen (die Ionen, die mit der vorübergehenden Wasserhärte verbunden sind) können als Puffer für die pH-Senkung wirken. Diese Ionen interagieren mit Wassermolekülen und bilden Hydroxyl-Ionen (OH-):
CO3-2 + H2O -> HCO3- + OH-
HCO3- + H2O -> H2CO3 + OH-
Diese zusätzlichen OH- Ionen reagieren dann mit allen H3O+ Ionen, auf die sie zufällig treffen und bilden Wassermoleküle. Dadurch werden die zusätzlichen H+-Ionen, die durch den Brauprozess entstehen, effektiv entfernt und die natürliche pH-Absenkung begrenzt. Deshalb ist es wichtig, sicherzustellen, dass die Ionen, die für die vorübergehende Härte verantwortlich sind, aus dem Brauwasser entfernt werden, besonders wenn helle Biere gebraut werden.
Richtiger Maische-pH
Optimal sollte der pH-Wert einer Infusionsmaische im Bereich von 5,2-5,6 liegen, wobei die untere Hälfte dieses Bereichs oft als vorteilhaft genannt wird. Dieser Bereich ist ein Kompromiss zwischen den pH-Optima für eine Vielzahl von Prozessen. Der pH-Wert der Maische beeinflusst viele Aspekte des Suds, einschließlich der Extraktausbeute, der Gärfähigkeit, der Gerbstoffextraktion, der Läuterbarkeit und der Verzuckerungszeit.
Bei einer Infusionsmaische wird die größte Extraktausbeute erzielt, wenn der pH-Wert der Maische 5,2-5,4 beträgt. Die meiste vergärbare Würze erhält man im Bereich 5,3-5,4. Die schnellste Umsetzungszeit wird im Bereich von 5,3-5,6 erreicht.
Wenn der pH-Wert während des Einmaischens zu hoch ist, kann die Stärke- und Proteinhydrolyse beeinträchtigt werden. Außerdem erhöht ein hoher pH-Wert während des Maischens die Menge an Dextrinen in der Würze, was zu einer weniger gärfähigen Würze führt.
Die Spelzen von gemälzter Gerste enthalten Verbindungen wie Polyphenole (z. B. Tannine) und Kieselsäureverbindungen, die unter hohen pH-Bedingungen besser löslich sind und daher leichter extrahiert werden können. Polyphenole können zur kolloidalen Instabilität beitragen und eine Adstringenz im fertigen Bier hervorrufen.
Die meisten Polyphenole werden während der letzten Phasen des Läuterns extrahiert, wenn der pH-Wert der aus der Maische ablaufenden Würze ansteigt. Es ist daher wichtig, das Sammeln der Würze zu beenden, wenn der pH-Wert des letzten Runnings auf 5,8-6,0 ansteigt. (Beachten Sie, dass es auf den pH-Wert der ablaufenden Würze ankommt, nicht auf den pH-Wert des Laugenwassers.)
Der optimale pH-Wert für viele Aspekte des Maischens variiert tatsächlich aufgrund von Temperatur, Maischedicke und anderen Faktoren, einschließlich der Frage, ob eine Infusions- oder Dekoktionsmaische verwendet wird. Daher variieren die optimalen pH-Bereiche, die in der Brauliteratur genannt werden, manchmal um einiges.
Für den Heimbrauer ist es wichtig, den pH-Wert der Maische in die richtige Größenordnung zu bringen, um das Bier zu verbessern, wenn man zuvor das Ziel verfehlt hat. Allerdings werden kleine Anpassungen innerhalb des akzeptablen Bereichs wahrscheinlich nicht zu großen Veränderungen in Ihrem Bier führen. Wenn Sie einmal gelernt haben, den pH-Wert für ein bestimmtes Bier zu kontrollieren, müssen Sie den pH-Wert im Allgemeinen nicht mehr bei jedem Brauvorgang überwachen. In vielen Fällen wird ein Brauer bei der ersten Überprüfung seines pH-Wertes feststellen, dass alles die ganze Zeit über in Ordnung war.
Maische-pH-Wert kontrollieren
Wenn der pH-Wert Ihrer Maische nicht von Natur aus in den akzeptablen Bereich fällt, gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, ihn zu manipulieren. Das häufigste Problem für Brauer, vor allem für diejenigen, die viele Karbonat-Ionen in ihrem Wasser haben, ist ein zu hoher pH-Wert der Maische. Um den pH-Wert zu senken, fügen Brauer oft Kalzium-Ionen aus Gips (Kalziumsulfat) oder Kalziumchlorid hinzu. In einer 19-Liter-Charge (5 Gallonen) lösen ein oder zwei Teelöffel von einem dieser beiden Stoffe oft das Problem. Ebenso können organische Säuren – wie Milchsäure oder Phosphorsäure – hinzugefügt werden, um den pH-Wert der Maische direkt zu senken. Die Zugabe von Sauermalz, bis zu etwa 5 % des Schrotes, ist ein „natürlicher“ Weg, um der Maische Milchsäure hinzuzufügen.
Wenn das Wasser des Brauers viel Karbonat enthält und dies den pH-Wert zu hoch hält, kann der Karbonatgehalt stark reduziert werden, indem das Wasser gekocht und der Niederschlag abgefüllt wird. Normalerweise ist es jedoch einfacher, karbonatreiches Wasser einfach mit Säure zu behandeln (um die Karbonate zu neutralisieren) oder es mit destilliertem Wasser oder Wasser, das durch Umkehrosmose (RO) aufbereitet wurde, zu verdünnen.
In einigen Fällen, besonders wenn ein Brauer sehr weiches Wasser verwendet und ein dunkles Bier herstellt, kann der pH-Wert der Maische zu niedrig sein. In diesen Fällen hilft die Zugabe von etwas Kreide (Kalziumkarbonat) oder Backsoda (Natriumbikarbonat).
Die Bedeutung des Koch-pH-Wertes
Nach dem Maischen wird die Würze in die Pfanne geleitet und gekocht. So wie der pH-Wert bei der Maische wichtig ist, beeinflusst er auch viele verschiedene Prozesse beim Kochen. Während des Kochens wird weiterhin Kalziumphosphat ausgefällt – genau wie während des Maischens – solange noch genügend Kalzium in der Würze vorhanden ist. Dadurch sinkt der pH-Wert und wird im Laufe des Kochens weiter sinken.
Im Idealfall sollte ein pH-Wert der Würze nach dem Kochen von 5,0-5,2 erreicht werden. Im richtigen Bereich zu landen, hilft Ihnen, den besten Charakter aus Ihrem Hopfen zu extrahieren, die Menge des gebildeten Hopfenbruchs zu maximieren und die Farbaufnahme während des Kochens auf ein Minimum zu reduzieren. Normalerweise können Sie durch die Einstellung des richtigen Maische-pH-Wertes den richtigen Koch-pH-Wert ohne jegliche Manipulation erreichen, aber das ist nicht immer der Fall.
Die Isomerisierung von Alphasäuren zu Iso-Alphasäuren während des Würzekochens wird vom pH-Wert beeinflusst. Diese Isomerisierungsreaktion wird durch einen höheren pH-Wert begünstigt. In einem pH-Bereich von 8-10 kann die Umwandlung in Iso-Alphasäuren bis zu 90% betragen. (Deshalb werden Hopfenextrakte bei sehr hohen pH-Werten hergestellt.) Bei typischen Würze-pH-Bereichen (5,2-5,4). ist die Umwandlung auf ein theoretisches Maximum von etwa 60 % begrenzt, mit einem Endausnutzungswert von etwa 35 %. Das bedeutet nicht, dass ein hoher Koch-pH-Wert eine gute Sache ist; obwohl Hoch-pH-Kochungen mehr Bitterkeit aus dem Hopfen extrahieren, ist der Charakter der Bitterkeit „grober“ und das Bier wird wahrscheinlich unter vielen anderen pH-bezogenen Problemen leiden.
Die Koagulation des Heißbrands – ein Komplex aus Proteinen und Polyphenolen – ist eine weitere wichtige Funktion des Kochens. Der pH-Wert des Kochens hat einen sehr sichtbaren Einfluss auf diese Funktion. Der optimale pH-Wert für die Bruchbildung liegt bei 5,2. Wenn Sie zu Beginn des Kochens große, fluffige Bruchstücke in Ihrer Würze sehen, haben Sie eine visuelle Bestätigung, dass Ihr pH-Wert im richtigen Bereich liegt.
Die Farbe der Würze nimmt im Allgemeinen während des Würzekochens aufgrund von Maillard-Reaktionen zu, Reaktionen zwischen Aminosäuren und Zuckern. Maillard-Reaktionen werden bei niedrigeren pH-Werten nicht begünstigt, daher ist es wichtig, eine Würze mit einem niedrigeren pH-Wert zu haben, wenn ein Bier mit hellerer Farbe hergestellt werden soll.
Wenn der pH-Wert Ihrer Würzepfanne gesenkt werden muss, hilft in der Regel die Zugabe von ein wenig Kalzium. Für fünf Gallonen (19 L) Würze sollten 1⁄4-1⁄2 Teelöffel Gips oder Calciumchlorid ausreichen. Sie können auch Säure hinzufügen.
Und zum Schluss, die Gärung
Während der Gärung sinkt der pH-Wert aus verschiedenen Gründen weiter. Hefezellen nehmen Ammoniumionen auf (die stark basisch sind) und scheiden organische Säuren aus (einschließlich Milchsäure). Der gewählte Hefestamm kann den endgültigen pH-Wert des Bieres beeinflussen. Die meisten Lagerbiere enden bei 4,2-4,6, einige Ales enden bei 3,8. (Saure Biere können pH-Werte um 3,0 haben.)
Das Erreichen eines optimalen pH-Werts von weniger als 4,4 begünstigt eine schnellere Bierreifung (einschließlich der Aufnahme von Diacetyl), eine bessere Bierklarheit, eine bessere biologische Stabilität und einen „feineren“ Biergeschmack.
Brauer stellen den endgültigen Bier-pH-Wert nur selten mit Säure ein. Um einen geeigneten End-pH-Wert zu erreichen, genügt es, eine gute, kräftige Gärung durchzuführen. Da der pH-Wert mit der Gärung abnimmt, neigen trockenere Biere dazu, etwas niedrigere pH-Werte zu haben. Ein interessanter Leckerbissen über die Gärung ist, dass einige Moleküle im gärenden Bier entfärbt werden, wenn der pH-Wert sinkt und so die Farbe des Bieres während der Gärung tatsächlich leicht aufhellt.
Zusammenfassung
Der pH-Wert beeinflusst fast alle physikalischen, chemischen und biochemischen Reaktionen, die im Brauprozess stattfinden. Brauer, die die Faktoren verstehen, die den pH-Wert beeinflussen, und wissen, wie sie diese während des Brauprozesses steuern können, werden eher in der Lage sein, konstant gutes Bier zu produzieren. Obwohl der pH-Wert eindeutig eine wichtige Variable im Brauprozess ist, erfordert er vom Heimbrauer selten große Aufmerksamkeit. Normalerweise sollte die Abstimmung des Getreides mit dem geeigneten Brauwasser alles sein, was Sie brauchen, um einen erfolgreichen Brautag zu gewährleisten.
Messen des pH-Werts (von Chris Colby)
Der beste Weg, den pH-Wert in einer Hausbrauerei zu messen, ist mit einem preiswerten pH-Meter. Es gibt viele adäquate Modelle, die weniger als 100 Dollar kosten.
Wenn Sie Ihr pH-Meter zum ersten Mal bekommen, beginnen Sie damit, die Elektrode in Elektrodenaufbewahrungslösung zu tränken. Wann immer das Messgerät nicht in Gebrauch ist, muss es in dieser Lösung aufbewahrt werden. Idealerweise sollte die Elektrode niemals austrocknen.
Kalibrieren Sie das Messgerät gemäß den Anweisungen des Messgeräts, indem Sie einen pH 7,01 Puffer und einen pH 4,01 Puffer verwenden.
Nehmen Sie Ihre Würzeprobe in einem sauberen Glas. Wenn die Probe aus der Maische stammt, kühlen Sie sie auf Raumtemperatur ab, auch wenn Ihr pH-Meter über eine automatische Temperaturregelung verfügt (bei Raumtemperatur wird der pH-Wert der abgekühlten Probe etwa 0,35 Einheiten höher sein als der pH-Wert bei Maischetemperatur). Das Ablesen von heißen Proben verkürzt die Lebensdauer der Elektrode. Spülen Sie die Elektrode mit destilliertem Wasser ab und trocknen Sie die Elektrode dann mit einem Papiertuch. Lassen Sie das Tuch die Elektrode nicht berühren, bringen Sie es nur nahe genug heran, um die Flüssigkeit wegzusaugen.
Setzen Sie die Elektrode in die Probe und schwenken Sie die Probe kurz. Stellen Sie sicher, dass keine Luftblasen an der Elektrode haften. Schalten Sie die Stromversorgung der Elektrode ein. Die Stromversorgung der Elektrode sollte nie eingeschaltet sein, solange die Elektrode nicht eingetaucht ist.
Wenn die Stromversorgung der Elektrode eingeschaltet ist, nimmt das Messgerät den Messwert auf. Notieren Sie ihn in Ihrem Labornotizbuch und schalten Sie dann die Stromversorgung der Elektrode aus, bevor Sie sie aus der Lösung herausziehen. Spülen Sie die Elektrode erneut mit destilliertem Wasser ab, trocknen Sie sie und legen Sie sie zurück in die Aufbewahrungslösung.