Абсорбция углекислого газа. Немного о физических процессах карбонизации пива

Если про карбонизацию пива написано довольно много материала (достаточно ввести поисковый запрос), то какие физические процессы происходят при карбонизации и что вообще такое карбонизация - информации мало.

Есть искусственная и естественная карбонизация. Если кратко, то искусственная это принудительное насыщение пива углекислым газом при помощи баллонов с углекислым газом, который должен быть чистым и без посторонних привкусов, а естественная происходит за счёт дображивания с помощью шпунт-аппарата, за счёт выделения углекислого газа дрожжами. О методах карбонизации можно почитать тут.

Большая часть этой статьи будет касаться естественной карбонизации, однако есть ряд моментов, которые напрямую влияют и на искусственную карбонизацию. Часть материала взята из книги Главашека и Льховского "Пивоварение", часть информации из учебной литературы по абсорбции газов.

В первую очередь поговорим о сатурации. Сатурация - это процесс искусственного насыщения воды углекислым газом. Основой данного процесса является способность углекислого газа при взаимодействии с водой образовывать водный раствор. Плотность воды и пивного сусла отличаются незначительно. Следовательно, все процессы связанные с искуственной или естественной карбонизацией можно почти точно взять из данных по растворимости углекислого газа в воде. Но не забываем, в пиве процессы более сложные.

Поэтому во вторую очередь поговорим об абсорбции. Абсо́рбция (лат. absorptio от absorbere — поглощать) — поглощение сорбата всем объёмом сорбента.

Таким образом, независимо от того, делаем ли мы карбонизацию искусственным или естественным путём, мы сталкиваемся с абсорбцией - поглощением пивом углекислого газа. Согласно плёночной теории абсорбции на поверхности раздела жидкой и газообразной фаз имеются пограничные слои из двух прилегающих друг к другу пленок: одна - из молекул углекислого газа, другая - из молекул воды (в нашем случае пива). Процесс искусственной карбонизации по этой причине, для ускорения насыщения пива углекислым газом требует либо длительной выдержки, либо встряхивания ёмкости для карбонизации, чтобы углекислый газ быстрее проникал в пиво. При естественной карбонизации дрожжи находятся внутри пива и дополнительного физического воздействия не требуется.

Независимо от способа карбонизации мы приходим к коэффициенту абсорбции. 

Растворимость газов в жидкости характеризуется коэффициентом абсорбции б=v/V, где v - объем газа, V - объем жидкости. Он показывает, какой объем газа растворяется в единице объема растворителя при парциальном давлении газа 760 мм. рт. ст. и температуре 0 °С. Для углекислого газа в воде б=1,71 м³/м³.

С течением времени растворённый углекислый газ вступает в химическую реакцию с молекулами воды и образует нестабильную угольную кислоту. О ней позже поговорим. На абсорбцию и связывание углекислого газа очень сильно влияет наличие других газов (в нашем случае кислорода). Даже незначительное количество кислорода приводит с резкому снижению коэффициента абсорбции и плохому связыванию углекислого газа, что приводит к вспениванию при снижении давления.

А сейчас посмотрим на другие параметры абсорбции. На растворение углекислого газа в пиве влияют такие внешние параметры, как температура и давление. Как уже было отмечено, при температуре 0°С и нормальном атмосферном давлении коэффициент абсорбции в воде равен 1,71. Другими словами, это равновесная углекислота, которая не стремится покинуть воду. Если давлением принудительно сделать больший коэффициент абсорбции, то как только давление будет снижено до 1 атмосферы (760 мм рт. ст.), то свободный углекислый газ будет покидать воду до тех пор, пока коэффициент абсорбции не станет 1,71. В пиве коэффициент абсорбции будет отличаться в зависимости от стиля и рецепта пива.

Таблица растворения углекислого газа в зависимости от давления:

Таким образом, видим, что можно растворить углекислого газа больше, чем 1,71, но это будет означать, что равновесного углекислого газа будет 1,71, а остальной газ будет агрессивным (избыточным) и при снижении давления приведёт к нестабильности пива (обильному вспениванию). То есть, только повышенное давление удерживает углекислый газ растворённым в жидкости сверх коэффициента абсорбции.

На коэффициент абсорбции так же влияет, как уже говорилось, температура. Прежде, чем перейдём к таблице зависимости растворения углекислого газа от температуры и давления, понимаем, что давление на шпунт-аппарате или манометре показывает превышение атмосферного давления. То есть, если на манометре 1 атмосфера, значит общее давление, которое действует на пиво будет 2 атмосферы. У Главачека читаем: Готовое пиво обычно содержит от 0,30 до 0,40 мас. %, а бутылочное пиво даже 0,50 мас. % углекислого газа. Так же Главачек рекомендует карбонизировать (дображивать) пиво при температуре 1-2 °С. При таких температурах происходит наиболее правильные процессы карбонизации пива. Поскольку не у всех есть возможность поддерживать дображивание пива при таких температурах, которое может длиться до 6 месяцев для некоторых сортов пива, то можно сделать карбонизацию при более высоких температурах.

Посмотрим на таблицу:

Таким образом, содержание углекислого газа будет одинаковым как при температуре 1 °С и давлении 0,8 атм, так и при температуре 21 °С и давлении 2,5 атм. Другими словами, производя дображивание при 2,5 атм и температуре 21 °С, охладив пиво до 1 °С, давление в бродильной ёмкости снизится до 0,8 атм. При этом, охладив пиво до 1 °С или даже до 0 °С можно самотёком перелить пиво из одной ёмкости в другую не боясь вспенивания.

Подведём итоги. По мнению Главачека, правильное дображивание пива необходимо проводить при температуре 1-2 °С. Однако, при невозможности получить такие температуры в домашних условиях можно повысить давление на шпунт-аппарате, чтобы получить карбонизацию от 0,3 до 0,5 мас% углекислого газа. Исходя из данных в таблице, при нормальной карбонизации (норма для каждого стиля и рецепта пива может отличаться), как я уже говорил, пиво можно самотёком, не боясь вспенивания переливать из одной ёмкости в другую при температуре  1 °С. По мнению Главачека, правильным процессом брожения и карбонизации пива будет следующее: первичное брожение, когда сбраживается основная часть сахаров и дображивание под давлением при низких температурах  1-2 °С. Так же, перед дображиванием рекомендуется снимать пиво с дрожжевого осадка. На продолжительность дображивания и выдержки пива оказывает влияние прежде всего экстрактивность исходного сусла, степень сбраживания при перекачке и температура лагерного отделения. Пиво с более высокой экстрактивностью, с большим содержанием экстракта и спирта требует больше времени; точно также пиво, перекачиваемое с более низкой степенью сбраживания, дображивается дольше. При температурах ниже 4°С дображивание протекает медленнее, при более высоких температурах - быстрее, часто с отрицательным влиянием на связывание углекислого газа, пеностойкость и вкусовые качества готового пива. При правильном дображивании углекислый газ связывается с молекулами воды (и другими коллоидными частицами) в неустойчивую угольную кислоту. Правильное связывание характеризуется медленным выделением углекислогого газа (при вскрытии бутылки пузырьки маленькие, медленно образуются). При ускоренном дображивании (повышенные температуры) и малом времени выдержки углекислый газ выделяется быстро, что плохо сказывается на вкусовых характеристиках пива. Давление на шпунт-аппарате при дображивании может меняться в большую или меньшую сторону, поскольу разные сорта пива способны больше или меньше поглощать углекислогого газа. Однако, у всех сортов есть предел насыщения углекислым газом. Если увеличить степень карбонизации, то получается перешпунтованное пиво. При вскрытии бутылки с перешпунтованным пивом, агрессивная (избыточная) часть углекислого газа быстро улетучивается, увлекая за собой равновесную часть углекислого газа.

Итак, для чего нужно дображиваживание, особенно при низких температурах.

• осветление пива за счет осаждения дрожжей и аморфных частиц;
• насыщение пива углекислым газом, тем самым пиво приобретает резкий и полный вкус, повышенную пенистость и стабильность;
• сбраживание оставшегося сбраживаемого экстракта до такой меры, чтобы степень сбраживания пива как можно больше приблизилась к конечной степени сбраживания;
• выравнивание, созревание и утоньшение вкуса и запаха пива в результате химических превращений при дображивании и действия образующегося углекислого газа;
• осаждение большей части холодного помутнения и тем самым снижение склонности пива к образованию холодного помутнения;
• повышение восстановительной способности пива и ограничение неблагоприятных с точки зрения вкуса влияний окисления путем хранения пива без доступа воздуха.

Для начинающих пивоваров, чтобы избежать перешпунтования пива можно пользоваться таблицей, которую я представил выше. В ней представлены усреднённые значения, которые не приводят к перешпунтованию пива. Опытные пивовары могут руководствоваться классификацией BJCP и самостоятельно определять давление шпунт-аппарата согласно стилю пива.

Итак, независимо от метода карбонизации (искусственный или естественный), каждый стиль и сорт пива способен удержать конечное количество углекислого газа. Увеличение количества углекислого газа приводит к перешпунтованию пива. Время выдержки карбонизированного пива влияет на связывание углекислого газа в пиве, что ведёт к медленному выделению углекислого газа при розливе пива в стакан/кружку.

Материал в основном относится к лагерам. Для элевых сортов пива дображивание нужно проводить при температуре 5-10°С. После окончания дображивания для осветления, созревания, осаждения большей части холодного помутнения пиво желательно так же выдерживать при температуре 1-2°С. Степень готовности пива определяется на вкус. Пиво предварительно подогревается до температуры 10-15°С.

Всем удачных варок и вкусного пенного напитка!