PH jest ważnym czynnikiem w warzeniu wysokiej jakości piwa. Poziom pH na różnych etapach procesu warzenia piwa wpływa na potencjał ekstraktu, kolor piwa, tworzenie gorącej piany, stabilność piany, ekstrakcję olejków chmielowych, goryczkę chmielową i możliwość warzenia piwa. Jest to również ważny czynnik wpływający na jakość piwa podczas przechowywania, ponieważ niskie pH hamuje rozwój bakterii.
Co to jest pH?
Wartość pH roztworu jest sposobem wyrażenia kwasowości lub zasadowości tego roztworu. Większość piwowarów domowych zna skalę pH i wie, że wartości powyżej 7 są zasadowe (lub alkaliczne), a wartości poniżej 7 są kwaśne (zakładając, że odczyt pH jest dokonywany w temperaturze 68°F/20°C). Być może nie wiesz, że Soren Sorensen, duński biochemik pracujący dla laboratoriów Carlsberga, jest człowiekiem, który stworzył pojęcie pH. Ale co to właściwie jest pH? Dobrym miejscem do rozpoczęcia wyjaśniania pH jest czysta woda. Czysta woda jest mieszaniną głównie cząsteczek H2O oraz bardzo małej ilości jonów hydroniowych (H3O+) i jonów hydroksylowych (OH-). Dzieje się tak dlatego, że w czystej wodzie niewielka liczba cząsteczek wody spontanicznie rozpada się na jony H+ i OH-. Jony H+ prawie natychmiast łączą się z cząsteczką wody, tworząc H3O+. Idea pH może być ładnie przedstawiona przy użyciu pojęcia stałej jonizacji wody, czyli Kw. Kw definiuje się jako iloczyn stężenia jonów H3O+ i OH- obecnych w roztworze lub:
Kw =
(W równaniu chemicznym nawiasy wokół jonu lub cząsteczki oznaczają stężenie tej substancji.)
Kw = 2 = 10-14
Rozwiązując dla , stwierdzamy, że:
= 10-7 (lub 0.0000001)
PH jest definiowane jako ujemny log stężenia jonów hydroniowych, lub równoważnie:
pH = -log
W czystej wodzie o temperaturze 25 °C stężenie H3O+ wynosi 10-7, a zatem pH wynosi 7.
W czystej wodzie w temperaturze 25 °C (77 °F), pOH – ujemny log stężenia jonów hydroksylowych – wynosi również 7 (ponieważ stężenia jonów hydroniowych i hydroksylowych są równe). Ponadto w każdym rozcieńczonym roztworze wodnym, w każdej temperaturze, prawdziwa jest następująca zależność:
pH + pOH = pKw
Zależność ta staje się ważna przy pomiarze pH roztworów – takich jak zacier lub brzeczka do gotowania – w temperaturach innych niż 25 °C (77 °F), ponieważ Kw zmienia się w zależności od temperatury.
Względna kwasowość lub zasadowość roztworu wodnego zależy od tego, czy w roztworze znajduje się więcej jonów H3O+ czy OH-. Jeśli jest więcej jonów H3O+, roztwór jest kwaśny. Jeśli obecnych jest więcej jonów OH-, roztwór jest zasadowy (lub alkaliczny).
Na przykład, jeśli dodamy trochę kwasu do czystej wody o temperaturze 25°C (77°F), stężenie jonów hydroniowych wzrasta. W związku z tym pH spada, ponieważ pH jest ujemnym logiem tego stężenia. Ponadto, ponieważ w tej temperaturze pH + pOH = 14, stężenie jonów hydroniowych spada – ponieważ niektóre jony hydroniowe i jony hydroniowe reagują tworząc cząsteczki wody – i w związku z tym pOH wzrasta.
Z powodu sposobu definiowania pH, skala pH nie jest liniowa. Roztwór o pH 4 jest dziesięć razy bardziej kwaśny niż roztwór o pH 5, a sto razy bardziej kwaśny niż roztwór o pH 6.
Zmiana podczas procesu warzenia piwa
Podczas procesu warzenia piwa, pH brzeczki i piwa zmienia się. Woda z większości miejskich źródeł wody będzie miała pH powyżej 7 (ponieważ jest uzdatniana, aby zapobiec korozji rur). W połączeniu z rozdrobnionym słodem, pH mieszaniny ziarna i wody znacznie spada w porównaniu z początkowym pH samej wody.
Naturalny spadek pH
Ten obserwowany spadek pH jest wynikiem zmiany składu mineralnego w roztworze. Główną zmianą, jaka zachodzi podczas procesu zacierania, jest wytrącanie się fosforanów i aminokwasów pochodzących ze słodu. Fosforany, takie jak kwas fosforowy, ulegają dysocjacji. Na przykład:
H3PO4 -> H+ + H2PO4-
H2PO4- -> H+ + HPO4-.2
oraz
HPO4-2 -> H+ + PO4-3
Jeśli obecne są jony wapnia, fosforany wytrącają się jako fosforan wapnia, pozostawiając za sobą jony wodorowe:
3Ca+2 + 2H3PO4 -> 6H+ + Ca3(PO4)2
Podobna reakcja zachodzi, jeśli obecne są jony magnezu, ale fosforan magnezu jest bardziej rozpuszczalny niż fosforan wapnia, więc wpływ na pH jest mniej dramatyczny.
Reakcja zachodzi również, gdy w roztworze obecne są aminokwasy lub polipeptydy. Jony wapnia będą reagować z grupą aminokwasową:
2(Grupa aminokwasowa – COOH) + Ca+2 -> Ca (Grupa aminokwasowa – COO)2 + 2H+
Jeśli do wody warzelniczej zostanie dodany siarczan wapnia (CaSO4), aminokwasy utworzą nierozpuszczalny osad, jak opisano powyżej, pozostawiając za sobą jony wodorowe (H+) – które, pamiętajmy, natychmiast łączą się z wodą tworząc jony hydroniowe – oraz jony siarczanowe, (SO4-2).
Te zmiany w składzie mineralnym i wytrącanie soli wapnia są odpowiedzialne za większość spadku pH, który jest obserwowany przed fermentacją. Jednak skład wody zbożowej również ma wpływ na pH. Jeśli do dwóch zacierek użyje się tej samej wody, zacier z ciemnymi słodami specjalnymi będzie miał niższe pH niż zacier złożony w całości z jasnych słodów podstawowych. Zacier ze słodów jasnych i dodatków skrobiowych – takich jak ryż lub kukurydza – miałby pH wyższe niż którykolwiek z poprzednich dwóch.
Zakłócanie naturalnego spadku pH
Obecność innych minerałów w wodzie piwowarskiej może zakłócić spadek pH podczas procesu warzenia. Konkretnie, jony węglanowe (CO3-2) i wodorowęglanowe (HCO3-) (jony związane z tymczasową twardością wody) mogą działać jako bufory dla spadku pH. Jony te wchodzą w interakcje z cząsteczkami wody tworząc jony hydroksylowe (OH-):
CO3-2 + H2O -> HCO3- + OH-
HCO3- + H2O -> H2CO3 + OH-
Te dodatkowe jony OH- będą następnie reagować z wszelkimi jonami H3O+, które zdarzy im się napotkać i wytwarzać cząsteczki wody. To skutecznie usuwa dodatkowe jony H+, które są generowane przez proces warzenia piwa i ogranicza naturalny spadek pH. Dlatego ważne jest, aby zapewnić, że jony odpowiedzialne za twardość tymczasową są usuwane z wody do warzenia piwa, zwłaszcza gdy warzymy jasne piwa.
Prawidłowe pH zacieru
Optymalnie, pH zacieru powinno być w zakresie 5.2-5.6, z dolną połową tego zakresu często cytowane jako preferowane. Zakres ten jest kompromisem pomiędzy optymalnym pH dla różnych procesów. pH zacieru wpływa na wiele aspektów warzenia piwa, w tym na wydajność ekstraktu, fermentowalność, ekstrakcję tanin, podatność na warzenie i czas scukrzania.
W zacierze infuzyjnym największą wydajność ekstraktu uzyskuje się, gdy pH zacieru wynosi 5,2-5,4. Najbardziej fermentowalną brzeczkę uzyskuje się w zakresie 5,3-5,4. Najszybszy czas konwersji uzyskuje się w zakresie 5,3-5,6.
Jeśli pH podczas zacierania jest zbyt wysokie, hydroliza skrobi i białek może być niekorzystnie zaburzona. Ponadto, wysokie pH podczas zacierania zwiększy ilość dekstryn obecnych w brzeczce, co spowoduje, że brzeczka będzie mniej fermentowalna.
Plewki jęczmienia słodowanego zawierają związki takie jak polifenole (takie jak taniny) i związki krzemionki, które są bardziej rozpuszczalne, a zatem łatwiejsze do ekstrakcji, w warunkach wysokiego pH. Polifenole mogą przyczyniać się do niestabilności koloidalnej i mogą powodować cierpkość w gotowym piwie.
Większość polifenoli jest ekstrahowana w końcowych etapach szprycowania, kiedy wzrasta pH brzeczki wypływającej z zacieru. Dlatego ważne jest, aby zaprzestać zbierania brzeczki, gdy pH ostatniego odcieku wzrasta do 5,8-6,0. (Należy pamiętać, że liczy się pH odpływającej brzeczki, a nie pH wody po dolewaniu.)
Inteligentne pH dla wielu aspektów zacierania zmienia się w zależności od temperatury, grubości zacieru i innych czynników, w tym tego, czy stosuje się zacieranie infuzyjne czy dekokcyjne. W związku z tym, optymalne zakresy pH podane w literaturze piwowarskiej różnią się czasem dość znacznie.
Dla piwowara domowego, uzyskanie pH zacieru w odpowiednim przedziale znacznie poprawi jakość piwa, jeśli wcześniej nie udało się tego osiągnąć. Jednak wprowadzenie niewielkich poprawek w dopuszczalnym zakresie nie spowoduje większych zmian w piwie. Ogólnie rzecz biorąc, gdy nauczysz się kontrolować pH dla danego piwa, nie będziesz musiał monitorować go podczas każdej sesji warzenia. W wielu przypadkach, gdy piwowar po raz pierwszy sprawdzi pH, okaże się, że wszystko było w porządku.
Kontrola pH zacieru
Jeśli pH zacieru nie mieści się naturalnie w dopuszczalnym zakresie, istnieje wiele sposobów, aby nim manipulować. Najczęstszym problemem dla piwowarów, zwłaszcza tych, którzy mają dużo jonów węglanowych w wodzie, jest zbyt wysokie pH zacieru. Aby obniżyć pH, browarnicy często dodają jony wapnia, pochodzące z gipsu (siarczanu wapnia) lub chlorku wapnia. W partii 5-galonowej (19-L), jedna lub dwie łyżeczki jednego z tych składników często rozwiązują problem. Podobnie, kwasy organiczne – takie jak kwas mlekowy lub fosforowy – mogą być dodawane w celu bezpośredniego obniżenia pH zacieru. Dodanie kwaśnego słodu, do ok. 5% śruty, to „naturalny” sposób na dodanie kwasu mlekowego do zacieru.
Jeśli woda, z której korzysta piwowar, zawiera dużo węglanów i to właśnie one utrzymują zbyt wysoki poziom pH, poziom węglanów można znacznie obniżyć poprzez zagotowanie wody i usunięcie osadu. Zwykle jednak łatwiej jest po prostu potraktować wodę bogatą w węglany kwasem (aby zneutralizować węglany) lub rozcieńczyć ją wodą destylowaną lub wodą przygotowaną w procesie odwróconej osmozy (RO).
W niektórych przypadkach, zwłaszcza jeśli piwowar używa bardzo miękkiej wody i warzy ciemne piwo, pH zacieru może być zbyt niskie. W takich przypadkach dodanie odrobiny kredy (węglanu wapnia) lub sody oczyszczonej (wodorowęglanu sodu) może pomóc.
Ważność pH wrzenia
Po zacieraniu brzeczka trafia do kotła i jest gotowana. Tak jak pH jest ważne podczas zacierania, tak samo wpływa na wiele różnych procesów podczas wrzenia. Podczas wrzenia fosforan wapnia będzie się nadal wytrącał – tak jak podczas zacierania – tak długo, jak długo w brzeczce będzie obecna wystarczająca ilość wapnia. W związku z tym, pH spada i będzie spadać w miarę postępu gotowania.
Optymalnie, pH brzeczki po warzeniu powinno wynosić 5,0-5,2. Znalezienie się w odpowiednim przedziale pomoże Ci wydobyć najlepszy charakter z chmielu, zmaksymalizować ilość chmielu, który jest tworzony i utrzymać kolor podczas wrzenia na minimalnym poziomie. Zazwyczaj ustalenie właściwego pH zacieru pozwoli na osiągnięcie właściwego pH wrzenia bez żadnych manipulacji, ale nie zawsze tak jest.
Izomeryzacja alfa kwasów w izo-alfa kwasy podczas wrzenia brzeczki jest zależna od pH. Reakcja izomeryzacji jest korzystna przy wyższym pH. W zakresie pH 8-10, konwersja do izo-alfa kwasów może zbliżyć się do 90%. Przy typowych zakresach pH brzeczki (5,2-5,4) konwersja jest ograniczona do teoretycznego maksimum ok. 60%, a końcowa wartość wykorzystania wynosi ok. 35%. Nie oznacza to, że wysokie pH wrzenia jest dobrą rzeczą; chociaż wrzenia o wysokim pH wydobywają więcej goryczki z chmielu, charakter goryczki jest bardziej „gruboziarnisty”, a piwo prawdopodobnie będzie cierpieć z powodu wielu innych problemów związanych z pH.
Koagulacja gorącej przerwy – kompleksu białek i polifenoli – jest kolejną ważną funkcją wrzenia. pH wrzenia ma na to bardzo widoczny wpływ. Optymalne pH dla tworzenia się ziaren wynosi 5,2. Jeśli na początku gotowania zobaczysz duże, puszyste kawałki zepsutego materiału w brzeczce, będziesz miał wizualne potwierdzenie, że pH jest w odpowiednim zakresie.
Kolor brzeczki ogólnie wzrasta podczas procesu gotowania brzeczki z powodu reakcji Maillarda, reakcji między aminokwasami i cukrami. Reakcje Maillarda nie są korzystne przy niższych wartościach pH, więc posiadanie brzeczki o niższym pH jest ważne, jeśli ma powstać piwo o jaśniejszym kolorze.
Jeśli pH kotła musi być obniżone, dodanie odrobiny wapnia zwykle pomaga. Na pięć galonów (19 L) brzeczki, 1⁄4-1⁄2 łyżki gipsu lub chlorku wapnia powinno wystarczyć. Możesz również dodać kwasu.
And Finally, Fermentation
Podczas fermentacji, pH nadal spada z różnych powodów. Komórki drożdży pobierają jony amonowe (które są silnie zasadowe) i wydalają kwasy organiczne (w tym kwas mlekowy). Wybór szczepu drożdży może mieć wpływ na końcowe pH piwa. Większość piw typu lager kończy się na poziomie 4,2-4,6, a niektóre ales nawet na 3,8. (Piwa kwaśne mogą mieć wartości pH w okolicach 3,0.)
Osiągnięcie optymalnego pH, poniżej 4,4, sprzyja szybszemu dojrzewaniu piwa (w tym absorpcji diacetylu), lepszej klarowności piwa, lepszej stabilności biologicznej i „bardziej wyrafinowanemu” smakowi piwa.
Piwowarzy rzadko dostosowują końcowe pH piwa za pomocą kwasu. Aby osiągnąć odpowiednie pH końcowe, wystarczy przeprowadzić dobrą, energiczną fermentację. Ponieważ pH spada wraz z odfermentowaniem, piwa bardziej suche mają zwykle nieco niższe wartości pH. Ciekawostką na temat fermentacji jest to, że niektóre molekuły w fermentującym piwie ulegają dekoloryzacji w miarę obniżania się pH i dlatego kolor piwa faktycznie lekko się rozjaśnia podczas fermentacji.
Podsumowanie
PH wpływa na prawie wszystkie fizyczne, chemiczne i biochemiczne reakcje, które zachodzą w procesie warzenia piwa. Piwowarzy, którzy rozumieją czynniki wpływające na pH i jak nimi zarządzać podczas procesu warzenia piwa, będą w stanie produkować dobre piwo. Chociaż pH jest ważną zmienną w procesie warzenia piwa, rzadko wymaga dużej uwagi ze strony piwowara domowego. Zazwyczaj dopasowanie składu ziarna do odpowiedniej wody do warzenia powinno być wszystkim, czego potrzebujesz, aby zapewnić udany dzień warzenia piwa.
Pomiar pH (autor: Chris Colby)
Najlepszym sposobem pomiaru pH w domowym browarze jest niedrogi miernik pH. Istnieje wiele odpowiednich modeli, które kosztują mniej niż 100 dolarów.
Kiedy po raz pierwszy otrzymasz swój miernik pH, zacznij moczyć elektrodę w roztworze do przechowywania elektrod. Zawsze, gdy miernik nie jest używany, należy go przechowywać w tym roztworze. Idealnie byłoby, gdyby elektroda nigdy nie wyschła.
Kalibrujcie miernik zgodnie z jego instrukcją, używając buforu pH 7.01 i buforu pH 4.01.
Pobierzcie próbkę brzeczki do czystej szklanki. Jeśli próbka pochodzi z zacieru, schłodź ją do temperatury pokojowej, nawet jeśli Twój pH-metr ma automatyczną regulację temperatury (w temperaturze pokojowej pH schłodzonej próbki będzie o około 0,35 jednostki wyższe niż pH w temperaturze zacieru). Odczyty gorących próbek skracają żywotność elektrody. Przepłukać elektrodę wodą destylowaną, a następnie osuszyć ją chusteczką higieniczną. Nie dopuść, aby chusteczka dotykała elektrody, tylko zbliż ją na tyle, aby odprowadzić ciecz.
Umieść elektrodę w próbce i szybko zawiruj próbkę. Upewnij się, że do elektrody nie przylegają żadne pęcherzyki powietrza. Włączyć zasilanie elektrody. Zasilanie elektrody nie powinno być włączone, chyba że elektroda jest zanurzona.
Przy włączonym zasilaniu elektrody, miernik dokona odczytu. Zanotować go w notatniku laboratoryjnym, a następnie wyłączyć zasilanie elektrody przed wyjęciem jej z roztworu. Ponownie przepłukać elektrodę wodą destylowaną, osuszyć i umieścić z powrotem w roztworze do przechowywania.