pH is een belangrijke factor bij het brouwen van kwaliteitsbier. De pH-waarden tijdens de verschillende stadia van het brouwproces beïnvloeden de extractpotentie, de bierkleur, de warmbreekvorming, de schuimstabiliteit, de extractie van hopolie, de hopbitterheid en de onthardbaarheid van het bier. Het is ook een belangrijke overweging voor de bierkwaliteit tijdens de opslag, aangezien een lage pH de groei van bacteriën remt.

Wat is pH nu precies?

De pH-waarde van een oplossing is een manier om de zuurgraad of alkaliteit van die oplossing uit te drukken. De meeste thuisbrouwers zijn bekend met de pH-schaal en weten dat waarden boven de 7 basisch (of alkalisch) zijn en waarden onder de 7 zuur (aangenomen dat de pH-waarde wordt gemeten bij 68 °F/20 °C). Misschien weet u niet dat Soren Sorensen, een Deense biochemicus die voor Carlsberg labs werkte, de man is die het concept van pH heeft vastgesteld. Maar wat is pH nu precies? Een goede plaats om pH uit te leggen is met zuiver water. Zuiver water is een mengsel van hoofdzakelijk H2O-moleculen, en een zeer klein aantal hydronium-ionen (H3O+) en hydroxyl-ionen (OH-). Dit komt omdat in zuiver water een klein aantal watermoleculen spontaan uiteenvalt in H+ en OH- ionen. De H+ ionen combineren bijna onmiddellijk met een watermolecuul om H3O+ te vormen. Het idee van pH kan aardig worden benaderd met behulp van het concept van de ionisatieconstante van water, of Kw. Kw wordt gedefinieerd als het product van de concentratie van H3O+ en OH- ionen aanwezig in de oplossing of:

Kw =

(In een chemische vergelijking geven haakjes rond een ion of molecuul de concentratie van die stof aan.)

Kw = 2 = 10-14

Door op te lossen voor , vinden we dat:

= 10-7 (of 0. 0000001)

(In een chemische vergelijking geven haakjes rond een ion of molecuul de concentratie van die stof aan.0000001)

pH is gedefinieerd als de negatieve log van de hydroniumionenconcentratie, of omgekeerd:

pH = -log

Dus in zuiver water bij 25 °C is de concentratie van H3O+ 10-7, en dus is de pH 7.

In zuiver water bij 25 °C is de pOH – de negatieve log van de hydroxl-ionenconcentratie – ook 7 (omdat de concentratie van hydronium- en hydroxl-ionen gelijk is). Bovendien geldt in elke verdunde waterige oplossing, bij elke temperatuur:

pH + pOH = pKw

Deze relatie wordt belangrijk bij het meten van de pH van oplossingen – zoals maischen of koken van wort – bij andere temperaturen dan 25 °C (77 °F), omdat Kw varieert met de temperatuur.

De relatieve zuurgraad of alkaliteit van een waterige oplossing hangt af van de vraag of er meer H3O+ ionen dan wel OH- ionen in de oplossing aanwezig zijn. Als er meer H3O+ ionen aanwezig zijn, is de oplossing zuur. Als er meer OH- ionen aanwezig zijn, is de oplossing basisch (of alkalisch).

Als je bijvoorbeeld wat zuur toevoegt aan zuiver water van 25 °C (77 °F), gaat de concentratie van hydroniumionen omhoog. Bijgevolg daalt de pH omdat de pH de negatieve log van die concentratie is. Bovendien, omdat bij deze temperatuur pH + pOH = 14, gaat de concentratie van hydoxyl-ionen omlaag – omdat sommige hydronium-ionen en hydoxyl-ionen reageren tot watermoleculen – en dus gaat de pOH omhoog.

Door de manier waarop pH is gedefinieerd, is de pH-schaal niet lineair. Een oplossing met een pH van 4 is tien keer zuurder dan een oplossing met een pH van 5, en honderd keer zuurder dan een oplossing met een pH van 6.

Verandering tijdens het brouwproces

Tijdens het brouwproces verandert de pH van het wort en het bier. Water uit de meeste gemeentelijke waterbronnen zal een pH hebben van meer dan 7 (omdat het wordt behandeld om corrosie van leidingen te voorkomen). In combinatie met gemalen mout daalt de pH van het graan en het watermengsel aanzienlijk in vergelijking met de oorspronkelijke pH van het water alleen.

Natuurlijke pH-afname

Deze waargenomen pH-afname is het resultaat van een veranderende minerale samenstelling binnen de oplossing. De belangrijkste verandering tijdens het maischproces is het neerslaan van fosfaten en aminozuren afkomstig van de mout. Fosfaten, zoals fosforzuur, zullen ontleden. Bijvoorbeeld:

H3PO4 -> H+ + H2PO4-

H2PO4- -> H+ + HPO4-2

en

HPO4-2 -> H+ + PO4-3

Als er calciumionen aanwezig zijn, zullen de fosfaten neerslaan als calciumfosfaat, met achterlating van waterstofionen:

3Ca+2 + 2H3PO4 -> 6H+ + Ca3(PO4)2

Een soortgelijke reactie treedt op als er magnesiumionen aanwezig zijn, maar magnesiumfosfaat is beter oplosbaar dan calciumfosfaat, zodat het effect op de pH minder dramatisch is.

Een reactie zal ook optreden als aminozuren of polypeptiden in de oplossing aanwezig zijn. De calciumionen zullen reageren met de aminozuurgroep:

2(Aminozuurgroep – COOH) + Ca+2 -> Ca (Aminozuurgroep – COO)2 + 2H+

Als calciumsulfaat (CaSO4) aan het brouwwater wordt toegevoegd, aminozuren een onoplosbaar neerslag vormen zoals hierboven beschreven, waarbij waterstofionen (H+) achterblijven – die, vergeet niet, zich onmiddellijk met water verbinden tot hydroniumionen – en sulfaationen, (SO4-2).

Deze veranderingen in minerale samenstelling en de neerslag van calciumzouten zijn verantwoordelijk voor het grootste deel van de pH-verlaging die vóór de gisting wordt waargenomen. De samenstelling van de graanrekening beïnvloedt echter ook de pH. Indien hetzelfde water wordt gebruikt voor twee maischen, zou een maisch met donkere speciale mouten een lagere pH hebben dan een maisch dat volledig bestaat uit bleke basismouten. Een beslag van bleke mouten en een zetmeelhoudende toevoeging – zoals rijst of maïs – zou een pH hebben die hoger is dan die van de vorige twee.

Storing van de natuurlijke pH-afname

De aanwezigheid van andere mineralen in het brouwwater kan de pH-afname tijdens het brouwproces verstoren. Met name de carbonaat (CO3-2) en bicarbonaat (HCO3-) ionen (de ionen die geassocieerd worden met tijdelijke waterhardheid) kunnen fungeren als buffers voor de pH daling. Deze ionen reageren met watermoleculen om hydroxylionen (OH-) te vormen:

CO3-2 + H2O -> HCO3- + OH-

HCO3- + H2O -> H2CO3 + OH-

Deze extra OH- ionen zullen dan reageren met eventuele H3O+ ionen die ze toevallig tegenkomen en watermoleculen produceren. Dit verwijdert effectief de extra H+ ionen die door het brouwproces worden gegenereerd en beperkt de natuurlijke pH daling. Daarom is het belangrijk ervoor te zorgen dat de ionen die verantwoordelijk zijn voor de tijdelijke hardheid uit het brouwwater worden verwijderd, vooral wanneer lichtgekleurde bieren worden gebrouwen.

De juiste maisch-pH

ptimaal zou de pH van een infusiemaisch tussen 5,2 en 5,6 moeten liggen, waarbij de onderste helft van dit bereik vaak wordt aangehaald als de voorkeur. Dit bereik is een compromis tussen de pH-optima voor een verscheidenheid van processen. De pH van het beslag beïnvloedt vele aspecten van het brouwsel, zoals de opbrengst aan extract, de vergistbaarheid, de tannine-extractie, de versuikerbaarheid en de versuikertijd.

In een infusiebeslag wordt de grootste opbrengst aan extract verkregen wanneer de pH van het beslag 5,2-5,4 bedraagt. Het meest vergistbare wort wordt verkregen in het bereik van 5,3-5,4. De snelste omzettingstijd wordt verkregen in het bereik van 5,3-5,6.

Als de pH tijdens het maischen te hoog is, kan de zetmeel- en eiwithydrolyse nadelig worden beïnvloed. Ook zal een hoge pH tijdens het maischen de hoeveelheid dextrinen in het wort doen toenemen, wat resulteert in een minder vergistbare wort.

De schillen van gemoute gerst bevatten verbindingen zoals polyfenolen (zoals tanninen) en siliciumverbindingen die beter oplosbaar zijn, en dus gemakkelijker geëxtraheerd kunnen worden, onder hoge pH-omstandigheden. Polyfenolen kunnen bijdragen tot colloïdale instabiliteit en kunnen adstringentie veroorzaken in het afgewerkte bier.

De meeste polyfenolen worden geëxtraheerd tijdens de laatste fasen van het spoelen, wanneer de pH van het wort dat van het beslag wordt afgevoerd, stijgt. Het is daarom belangrijk om te stoppen met het verzamelen van wort wanneer de pH van het laatste deel stijgt tot 5,8-6,0. (Merk op dat het de pH van het wort dat wordt afgetapt is dat telt, niet de pH van het spoelwater.)

De optimale pH voor veel aspecten van het maischen varieert in feite als gevolg van de temperatuur, de maischdikte en andere factoren, waaronder het gebruik van een infusie- of een decoctiemaisch. De optimale pH-waarden die in de brouwliteratuur worden genoemd, lopen dan ook nogal uiteen.

Voor de thuisbrouwer is het van groot belang dat de pH-waarde van het maisch in de juiste marge ligt, zodat het bier veel beter wordt als je er eerder naast hebt gezeten. Echter, het maken van kleine aanpassingen binnen het aanvaardbare bereik zal waarschijnlijk niet resulteren in grote veranderingen in je bier. En over het algemeen, als je eenmaal hebt geleerd hoe je de pH voor een bepaald bier kunt controleren, hoef je de pH niet elke brouwsessie te controleren. In veel gevallen zal de eerste keer dat een brouwer zijn pH controleert, blijken dat alles al die tijd OK is geweest.

De pH van je beslag regelen

Als de pH van je beslag niet van nature binnen het acceptabele bereik valt, zijn er verschillende manieren om het te manipuleren. Het meest voorkomende probleem voor brouwers, vooral die met veel carbonaat-ionen in hun water, is een te hoge pH van het maisch. Om de pH te verlagen, voegen brouwers vaak calciumionen toe, afkomstig van gips (calciumsulfaat) of calciumchloride. In een batch van 5 gallon (19 liter) is het probleem vaak al opgelost met een of twee theelepels van een van deze stoffen. Evenzo kunnen organische zuren – zoals melkzuur of fosforzuur – worden toegevoegd om de pH van het beslag direct te verlagen. Het toevoegen van zure mout, tot ongeveer 5% van het schrootsel, is een “natuurlijke” manier om melkzuur aan het beslag toe te voegen.

Als het water van de brouwer veel carbonaten bevat, en dit is wat zijn of haar pH-waarde te hoog houdt, kan het carbonaatgehalte sterk worden verlaagd door het water te koken en het bezinksel af te tappen. Meestal is het echter eenvoudiger om carbonaatrijk water te behandelen met een zuur (om de carbonaten te neutraliseren) of het te verdunnen met gedestilleerd water of water bereid door omgekeerde osmose (RO).

In sommige gevallen, vooral als een brouwer zeer zacht water gebruikt en een donker bier maakt, kan de pH van het beslag te laag zijn. In deze gevallen helpt het om een beetje krijt (calciumcarbonaat) of zuiveringszout (natriumbicarbonaat) toe te voegen.

Het belang van de kook-pH

Na het maischen wordt het wort naar de kookketel geleid en gekookt. Net zoals pH belangrijk is bij het maischen, heeft het ook invloed op veel verschillende processen tijdens het koken. Tijdens het koken zal calciumfosfaat blijven neerslaan – net als tijdens het maischen – zolang er nog voldoende calcium in het wort aanwezig is. De pH daalt dus en blijft dalen naarmate het koken vordert.

Optimaal zou een pH van 5,0-5,2 na het koken moeten worden bereikt. Als je in het juiste bereik zit, haal je het beste karakter uit je hop, maximaliseer je de hoeveelheid hopreuk die wordt gevormd en beperk je de kleuronttrekking tijdens het koken tot een minimum. Meestal zal het bepalen van de juiste maisch pH je in staat stellen om de juiste kook pH te bereiken zonder enige manipulatie, maar dit is niet altijd het geval.

Isomerisatie van alfazuren in iso-alfazuren tijdens het wortkoken wordt beïnvloed door de pH. Deze isomerisatiereactie wordt bevorderd door een hogere pH. Binnen een pH-bereik van 8-10 kan de omzetting in iso-alfazuren 90% benaderen. (Dit is de reden waarom hopextracten worden geproduceerd bij zeer hoge pH-waarden.) Bij typische wort-pH-waarden (5,2-5,4) is de omzetting beperkt tot een theoretisch maximum van ongeveer 60%, met een uiteindelijke gebruikswaarde van ongeveer 35%. Dit betekent niet dat een hoge kook pH een goede zaak is; hoewel koken met een hoge pH meer bitterheid uit de hop haalt, is het karakter van de bitterheid “grover” en zal het bier waarschijnlijk lijden onder veel andere pH-gerelateerde problemen.

Het coaguleren van de hete breuk – een complex van eiwitten en polyfenolen – is een andere belangrijke functie van het koken. De pH van je kooksel heeft hier een zeer zichtbare invloed op. De optimale pH voor breukvorming is 5,2. Als je aan het begin van het koken grote, pluizige stukjes breukmateriaal in je wort ziet, heb je een visuele bevestiging dat je pH in het juiste bereik zit.

De kleur van het wort neemt over het algemeen toe tijdens het kookproces als gevolg van Maillard-reacties, reacties tussen aminozuren en suikers. Maillardreacties worden niet bevorderd bij lagere pH-waarden, dus een wort met een lagere pH is belangrijk als je een bier met een lichtere kleur wilt produceren.

Als de pH van je kookketel moet worden verlaagd, helpt het meestal een beetje calcium toe te voegen. Voor 19 liter wort is 1⁄4-1⁄2 theelepel gips of calciumchloride voldoende. Je kunt ook zuur toevoegen.

En tot slot, de gisting

Tijdens de gisting blijft de pH om verschillende redenen dalen. Gistcellen nemen ammoniumionen op (die sterk basisch zijn) en scheiden organische zuren uit (waaronder melkzuur). De gekozen giststam kan de uiteindelijke pH-waarde van het bier beïnvloeden. De meeste pilsbieren eindigen op 4,2-4,6, met sommige ales die zo laag als 3,8 eindigen. (Zure bieren kunnen pH-waarden rond 3,0 hebben.)

Het bereiken van een optimale pH, minder dan 4,4, bevordert een snellere rijping van het bier (inclusief opname van diacetyl), een betere helderheid van het bier, een betere biologische stabiliteit en een “verfijndere” biersmaak.

Brouwers passen de uiteindelijke pH van het bier zelden aan met zuur. Om een geschikte eind-pH te bereiken, volstaat het een goede, krachtige gisting uit te voeren. Aangezien de pH daalt naarmate de vergisting vordert, hebben drogere bieren de neiging iets lagere pH-waarden te hebben. Een interessant weetje over gisting is dat sommige moleculen in het gistende bier ontkleurd worden naarmate de pH daalt en dat de kleur van het bier dus lichter wordt tijdens de gisting.

Samenvatting

PH beïnvloedt bijna alle fysische, chemische en biochemische reacties die tijdens het brouwproces plaatsvinden. Brouwers die de factoren begrijpen die de pH beïnvloeden en hoe ze deze tijdens het brouwproces kunnen beheren, zullen beter in staat zijn om consistent goed bier te produceren. Hoewel pH duidelijk een belangrijke variabele is in het brouwproces, vraagt het zelden veel aandacht van de thuisbrouwer. Meestal is het afstemmen van de graanrekening met geschikt brouwwater alles wat je nodig hebt om een succesvolle brouwdag te garanderen.

Het meten van pH (door Chris Colby)

De beste manier om pH te meten in een thuisbrouwerij is met een goedkope pH meter. Er zijn veel geschikte modellen die minder dan $100 kosten.

Wanneer u uw pH-meter voor het eerst krijgt, begin dan met het weken van de elektrode in een elektrode-opslagoplossing. Wanneer de meter niet in gebruik is, zal hij in deze oplossing moeten worden bewaard. Idealiter mag de elektrode nooit uitdrogen.

Kalibreer de meter volgens de instructies van de meter, met een pH 7.01 buffer en een pH 4.01 buffer.

Neem uw wortmonster in een schoon glas. Als het monster van het beslag is, koel het dan af tot kamertemperatuur, zelfs als uw pH-meter een automatische temperatuurregeling heeft (bij kamertemperatuur zal de pH van het afgekoelde monster ongeveer 0,35 eenheden hoger zijn dan de pH bij beslag-temperatuur). Het aflezen van hete monsters zal de levensduur van de elektrode verkorten. Spoel de elektrode af met gedestilleerd water en droog de elektrode vervolgens af met een tissue. Laat de tissue de elektrode niet aanraken, maar breng hem dichtbij genoeg om de vloeistof weg te zuigen.

Plaats de elektrode in het monster en zwenk het monster snel rond. Zorg ervoor dat er geen belletjes aan de elektrode zitten. Zet de stroom naar de elektrode aan. De stroom naar de elektrode mag nooit aan staan, tenzij de elektrode is ondergedompeld.

Met de stroom op de elektrode, zal de meter de meting verrichten. Noteer de waarde in het notitieboekje en schakel de stroom naar de elektrode uit voordat u deze uit de oplossing haalt. Spoel de elektrode nogmaals met gedestilleerd water, droog hem af en plaats hem terug in de bewaarvloeistof.