9.1 Wstęp

Chmiel i produkty chmielowe nie mają innego znaczącego przeznaczenia poza nadaniem piwu bukietu. Goryczka jest głównym czynnikiem smakowym chmielu, chociaż w pewnych warunkach przetwarzania w piwie może pozostać również jego aromat. Jasnożółte, lśniące żołędzie lupulinowe szyszek chmielowych, umieszczone u podstawy przylistków, zawierają całość materiału interesującego piwowarów. Na tenże materiał składają się dwa elementy zwane żywicą ogólną i olejkiem eterycznym.

9.2 Żywice

Żywica ogólna jest tą porcją zmielonego chmielu, która rozpuszcza się w metanolu lub w eterze etylowym. Po odparowaniu rozpuszczalnika żywicę ogólną można wyekstrahować za pomocą heksanu, który rozpuszcza jedynie żywicę miękką, zaś żywica twarda pozostaje. Frakcja żywicy miękkiej zawiera a-kwasy chmielowe będące głównym składnikiem goryczkowym i decydujące o wartości piwowarskiej chmielu, ściśle związaną grupę związków zwanych beta kwasami oraz pewną ilość nieokreślonego materiału. Funkcja beta kwasów w kontekście goryczki piwa nie jest tak jednoznaczna, jak alfa kwasów. W normalnych warunkach przetwarzania ani alfa, ani beta kwasy nie przedostają się do piwa w znaczącym stopniu, lecz ulegają przemianie na inne jednostki chemiczne, które się przedostają.

W przeciwieństwie do tychże składników żywic miękkich, żywice twarde i nieokreślone żywice miękkie nie mają wyraźnego wpływu na bukiet piwa czy wartość piwowarską chmielu, lecz po prostu ulegają rozpuszczeniu w rozpuszczalnikach ekstrahujących wraz z żywicami miękkimi. Żywice twarde prawdopodobnie pochodzą z utlenienia i polimeryzacji alfa i beta kwasów, gdyż podczas przedłużonego magazynowania poziom żywic twardych podnosi się kosztem alfa i beta kwasów, których stężenie spada.

9.2.1 Analiza żywic

Rozpuszczalność żywic chmielowych w rozpuszczalnikach organicznych stanowi gotowy środek do ich analizy. Zgodnie z metodami laboratoryjnymi, pierwszej ekstrakcji chmielu dokonuje się za pomocą benzenu lub toluenu; następnie ekstrakt rozcieńcza się metanolem do analizy. Analizę należy zawsze przeprowadzać na odpowiedniej próbce całości, co w przypadku chmielu jest zadaniem trudnym. Standardowe metody określają sposoby pobierania próbek, które zmieniają się w zależności od tego, czy mamy do czynienia z próbką chmielu nie sprasowanego, beli, granulatu, proszku chmielowego, czy też ekstraktu. Zazwyczaj analitycy pobierają próbki o masie 200 g z 10% jednostek przeznaczonych do analizy.

Chociaż oznaczenie żywicy ogólnej i żywic miękkich poprzez frakcjonowa¬nie rozpuszczalnikami (separacja Wollmera) może być w pewnych sytuacjach analizą użyteczną i wystarczającą, oznaczenie a-kwasów bardziej dokładnie określa wartość piwowarską chmielu. Dlatego piwowarzy są za metodami pomiaru, które określają ilościowo zawartość cc-kwasów w żywicy ogólnej i można je wykorzystać przy zakupie chmielu. cc-Kwasy mają trzy właściwości chemiczne przydatne w analizie: tworzą sole ołowiu nierozpuszczalne w metanolu, pochłaniają promieniowanie w zakresie nadfioletowym (UV) oraz skręcają płaszczyznę polaryzacji światła. Głównymi używanymi metodami jest wytrącanie za pomocą ołowiu oraz pomiar absorbancji w UV.

Wytrącanie za pomocą ołowiu

Jeżeli do metanolowego ekstraktu chmielowego doda się roztwór octanu ołowiu(II) (ołowiawego) w metanolu, zawierający pewną ilość kwasu octowego, tworzy się jasnożółty wytrącony osad, który jest solą ołowiawą a-kwa-sów. W zasadzie osad ten można by oddzielić od roztworu metanolowego, osuszyć i zważyć (analiza grawimetryczna). W praktyce jest to rozwiązanie niezręczne oraz (jako że wytrącony osad soli ołowiu jest w pewnym stopniu rozpuszczalny w nadmiarowym roztworze octanu ołowiawego) raczej niedokładne. Metody standardowe wymagają zatem, by roztwór octanu ołowiawego był powoli wkraplany do rozcieńczonego roztworu metanolowego ekstraktu chmielowego przy jednoczesnym monitorowaniu przewodności lub oporu roztworu za pomocą odpowiedniego przyrządu (miareczkowanie). Wynikiem jest krzywa o dwóch elementach będących liniami prostymi. Ekstrapolacja tych części liniowych krzywej daje punkt przecięcia, który jest „rzeczywistym" końcem miareczkowania (rys. 9.1 b).

Tenże punkt końcowy zwany jest wartością konduktometryczną (WK) lub wartością przewodności ołowiu (WPO) próbki chmielu. Wartość ta stanowi główną podstawę transakcji handlowych, ponieważ metoda zapewnia odpowiedni (chociaż niedokładny) szacunek zawartości cc-kwasów oraz, co jest być może ważniejsze, szacunek potencjału goryczkowego próbki chmielu. Pomiaru należy dokonać na chmielu wkrótce po zbiorze, gdyż w miarę starzenia się rośliny WK i WPO zmieniają się w ciekawy sposób (rys. 9.1).

9.2.2 Analogi alfa i beta-kwasów

Terminy a- i /?-kwasy to nazwy ogólne dwu grup podobnych związków. Ist¬nieje kilka (być może wiele) analogów a-kwasów, które różnią się od siebie tylko acylowym łańcuchem bocznym (R) cząsteczki (rys. 9.3). /?-kwasy obej¬mują podobny zakres analogów. Najważniejsze analogi a-kwasów to humu-lon (R = izowaleryl), kohumulon (R = izobutyryl) oraz adhumulon (R = 2-me-tylobutyryl), zaś ^-kwasów lupulon (R = izowaleryl), kolupulon (R = izobuty¬ryl) i adlupulon (R = 2-metylobutyryl). a- i /?-kwasy zawierają mniej więcej po połowie frakcji żywicy miękkiej chmielu, tzn. stosunek a-: ^-kwasów często wynosi pomiędzy 0,8 a 1,2. W przypadku pewnych europejskich odmian chmielu słynących z aromatu wartość ta może wynosić 0,5, zaś w przypad¬ku pewnych odmian amerykańskich może przekroczyć 3,0. Jeżeli chmiel za¬wiera dużą ilość żywic miękkich, w których znaczny udział mają a-kwasy, chmiel taki uważa się za chmiel o wysokim alfa. Ma on szczególną wartość przy sporządzaniu produktów chmielowych, zwłaszcza ekstraktów. W przy¬padku większości odmian adhumulon stanowi raczej stałą część zawartości a-kwasów (10-15%), podczas gdy humulon i kohumulon charakteryzują się znacznym zróżnicowaniem. Zazwyczaj kohumulon stanowi 20-50 % frakcji a-kwasów, a humulon pozostałość (powiedzmy 45-70%). a-Kwasy zawierają asymetryczny atom węgla (centrum chiralności) w C-6, tak więc każdy ana¬log może występować w dwu formach (enancjomery) zwanych cis- i trans-, które skręcają płaszczyznę polaryzacji światła w różnych kierunkach. Naturalny humulon jest lewoskrętny. Izo-a-kwasy pochodzące z trzech głównych cc-kwasów występują zatem w piwie przynajmniej (możliwe są inne izomery izo-a-kwasów) w sześciu formach. Na szczęście prawie nie występuje różnica w potencjale goryczkowym kilku humulonów i ich izo¬merów. Dlatego WPO rozsądnie odzwierciedla wartość piwowarską (gorycz¬kową) próbki chmielu niezależnie od dokładnego składu frakcji cr-kwasów. Układ lupulonu, kolupulonu i adlupulonu frakcji /7-kwasów jest niezależny od frakcji a-kwasów, a z reguły ko- i adlupulony występują w mniej więcej równych ilościach.

Ilość żywicy miękkiej w chmielu, stosunek a-: /?-kwasów w żywicy mięk¬kiej oraz ilości każdego obecnego analogu a- i /?-kwasów to właściwości od¬miany chmielu. Na ilość i skład żywicy miękkiej wpływa również region uprawy chmielu oraz warunki pogodowe w tej okolicy w danym roku, obec¬ność nasion (nasienie przyczynia się do obniżenia zawartości a-kwasów), praktyki agronomiczne, w tym zastosowanie nawozów, oraz nasłonecznie¬nie (w RPA wykorzystuje się sztuczne oświetlenie, aby przedłużyć dzień), sto¬pień dojrzałości podczas zbioru, umiejscowienie szyszki na roślinie itd. Jed¬nak ogólnie rzecz biorąc, przy zachowaniu niezmienności innych paramet¬rów, każda odmiana chmielu wyraża część swojej genetycznej natury w iloś¬ci i składzie żywicy miękkiej, którą produkuje.

9.2.3 Wpływ magazynowania

Frakcja żywicy miękkiej zawierająca substancje goryczkowe zmienia swój skład w miarę czasu magazynowania. Spadek zawartości a-kwasów z upływem czasu magazynowania ma charakter liniowy. Spadek ten najbardziej przyspiesza dostęp powietrza (co może mieć związek ze sposobem ścisłego zapakowania chmielu w sprasowanych belach oraz jego owinięciem), brak chłodzenia i duża zawartość wilgoci. Taki spadek jest ogólną właściwością chmielu, lecz pewne odmiany (np. Bullion) tracą a-kwasy szybciej od innych. W miarę spadku zawartości a-kwasów rośnie zawartość twardych żywic (zawierających utlenione i polimeryzowane formy a- i /5-kwasów), a gromadzą się kwasy o małej masie cząsteczkowej, pochodzące od acylowego łańcucha bocznego (R) kwasów (izomasłowy, izowalerianowy, 2-metylomasłowy), nadając źle przechowywanemu, starszemu chmielowi „serowy" zapach. Tworzeniem się produktów utleniania a-kwasów, a zwłaszcza ^-kwasów, które są rozpuszczalne i gorzkie, prawdopodobnie można wyjaśnić fakt, że wartość goryczkowa chmielu spada w mniejszym stopniu, nawet w dużo mniejszym, niż następuje spadek zawartości a-kwasów. Wśród tych związków goryczkowych są hulupony powstałe z ^-kwasów oraz humulinony z a-kwasów, oba zawierają pięcioczłonowy pierścień obecny w izo-a-kwasach (rys. 9.3).

9.3 Gotowanie brzeczki

Gdy chmiel lub produkty chmielowe są gotowane w brzeczce, najważniejszą reakcją składników chmielu jest izomeryzacja a-kwasów do izo-a-kwasów. Chociaż nie jest jasne, czy na przykład izohumulon jest przynajmniej odrobinę bardziej gorzki niż sam humulon, kwestia jest sporna, jako że a-kwasy są nierozpuszczalne w piwie w jego normalnej temperaturze i pH. Izo-a-kwasy odpowiadają za pożądane zalety goryczkowe chmielu, podczas gdy goryczka cierpka i pozostająca powszechnie przypisywana jest innym związkom goryczkowym, pochodzącym z reakcji utleniania a-, a zwłaszcza ^-kwasów, jak też rozmaitym innym reakcjom a-kwasów i izo-a-kwasów pod wpływem gotowania w kotle. Powodzenie operacji gotowania w kotle warzelnym najlepiej zatem oceniać, biorąc pod uwagę zawartość izo-a-kwasów w piwie. Można tego dokonać na przykład ekstrahując piwo, do którego dodano niewielką ilość silnego kwasu, izooktanem (2,2,4-trimetylopentanem). Absorbancja promieniowania nadfioletowego przez ekstrakt przy 275 nm jest bezpośrednio związana z goryczką piwa:

Jednostki goryczki (BU) = A275 x 50

Metoda ta niekoniecznie dokładnie mierzy zawartość izo-a-kwasów w piwie wyprodukowanym z wszystkich typów produktów chmielowych, w tym ze starego chmielu, lecz wartość BU jest odpowiednim wykładnikiem goryczki sensorycznej piwa. Udoskonalenie tej metody umożliwia w miarę potrzeb dokonanie dokładnego pomiaru zawartości izo-a-kwasów.

9.3.1 Wykorzystanie chmielu

Ilość izo-a-kwasów w piwie nigdy nie odpowiada ilości a-kwasów dodanych do brzeczki podczas gotowania w formie produktów chmielowych. Występują straty, które zawsze są znaczne (ponad 30%), a mogą też być ogromne (90%). Wartość tę wyraża się jako stopień wykorzystania chmielu (%)

Straty zależą, od wielu czynników, w tym rodzaju i ilości użytego produktu chmielowego, intensywności i czasu gotowania w kotle, składu brzeczki i zwłaszcza jej ekstraktywności (mała ekstraktywność zwiększa stopień wy-korzystania), jak też późniejszego przetwarzania. a-Kwasy rozpuszczają się najłatwiej z ekstraktów, nie tak łatwo z granulatu (z wyjątkiem stabilizowanego granulatu, w którym a-kwasy mogą zostać częściowo przetworzone na sole wapniowe i magnezowe izo-a-kwasów), a w najmniejszym stopniu x chmielu naturalnego. a-Kwasy w mniejszym lub większym stopniu ulegają izomeryzacji i mogą brać udział w wielu reakcjach ubocznych przy wartości pH i w temperaturze wrzącej brzeczki. Izo-a-kwasy na przykład -nogą tworzyć kwasy humulinowe (które nie mają goryczki). Duża wartość pH brzeczki sprzyja rozpuszczaniu i izomeryzacji a-kwasów, lecz w miarę spadku pH gotującej brzeczki tempo izomeryzacji spada. Izo-a-kwasy reagują z białkami brzeczki, na skutek czego są częściowo usuwane w postaci gorącego osadu, który ma intensywnie gorzki smak. Brzeczki o wysokiej ekstraktywności ekstrahują chmiel mniej efektywnie niż brzeczki o niskiej ekstraktywności, zaś duża ilość chmielu ogranicza wydajność ekstrakcji. Podobnie podczas fermentacji izo-a-kwasy asocjują z powierzchnią obecnych komórek drożdżowych, powodując, że drożdże piwowarskie są bardzo gorzkie. Izo-a-kwasy reagują z wszelkiego rodzaju powierzchniami obojętnymi : na przykład rozchodzą się na pęcherzykach gazu, które osiadają na ścianach fermentom ponad powierzchnią fermentacji. Zjawisko to potęgują drożdże z górnego zbioru. Te i inne czynniki sprawiają, że użycie chmielu podczas gotowania w kotle jest w najlepszym wypadku procesem nieefektywnym. Na tym polega przewaga produktów pochodzących od chmielu, zwłaszcza izomeryzowanych ekstraktów chmielowych, które można dozować bezpośrednio do piwa. Dzięki tej strategii technolodzy mogą osiągnąć praktycznie 100-procentowe wykorzystanie chmielu, jak też oszczędności płynące z wygodniejszego sposobu magazynowania i transportu (mniej przestrzeni i brak potrzeby chłodzenia), brak strat ekstraktu przechwyconego przez zużyty chmiel oraz brak problemów z pozbywaniem się odpadów chmielowych.

9.3.2 Izomeryzacja

Chemia izomeryzacji, która jest najważniejszą reakcją w technologii chmielu, jest dobrze poznana (rys. 9.3). Mogąc dowolnie dobierać warunki reakcji, chemik mógłby wyizolować i przetworzyć a-kwasy na izo-a-kwasy z bardzo wysoką wydajnością. Warunki te to lekko alkaliczne pH uzyskane dzięki rozcieńczonej zasadzie, obecność dwuwartościowych jonów metalu -zwłaszcza Mg2+, który katalizuje to przekształcenie (i tłumaczy wykorzystanie tych soli przy sporządzaniu pewnych granulatów chmielowych) oraz krótkie gotowanie. Taki specyficzny dobór warunków reakcji chemicznej można zastosować do sporządzenia na przykład izomeryzowanego ekstraktu chmielowego. Jednak jeżeli chmiel lub nie izomeryzowane produkty chmielowe dozuje się bezpośrednio do kotła, reakcje będące tego wynikiem są dużo mniej przewidywalne czy też ilościowe, a powstaje złożony zestaw związków, wśród których wyróżniają się izo-a-kwasy, lecz nie są one jedyne.

Pewne sformowane związki powstają z a-kwasów, lecz nie są izo-«-kwasami. Inne związki są produktami reakcji powstającymi z izo-a-kwasów, zaś pozostałe z /5-kwasów i produktów utlenienia zarówno a- jak i /3-kwasów także mogą rozpuszczać się i reagować podczas gotowania. Niektóre z tych związków mają więcej goryczki niż izo-a-kwasy (np. antyizohumulony, alloizohu-mulony, gdzie występuje przemieszczenie podwójnego wiązania w izohekse-nylowym łańcuchu bocznym, i humulinon powstający na skutek utlenienia a-kwasów), niektóre tyle samo (np. hulupony z utlenienia ^-kwasów), a jesz¬cze inne nie mają goryczki w ogóle (np. kwasy humulinowe). Bardzo mała część /?-kwasów może przejść izomeryzację i wytworzyć produkty o strukturze pierścienia pięcioczłonowego. Wydaje się, że jedynie te produkty a-i ^-kwasów są gorzkie. Izomeryzowane /?-kwasy mogą powodować goryczkę cierpką i pozostającą. Dlatego, chociaż chemia chmielu w systemach modelowych jest dobrze poznana, o wiele mniej wiadomo o tym, co dzieje się podczas gotowania oraz o związku tych zdarzeń z uzyskaniem goryczki piwa i jakości tejże goryczki. Chociaż w chmielu i piwie mogłoby powstawać wiele produktów reakcji żywic miękkich, lista tych, które rzeczywiście zidentyfikowano i są obecne w każdym przypadku, jest krótka.

Piwo w zielonych lub jasnych butelkach bądź w skrzynkach, narażone na działanie światła, szybko nabywa zapachu i smaku piwa wystawionego na światło, słońce lub zapachu skunksowego. Pochodzą one z fotolizy 4-mety-lopentenylowego łańcucha bocznego izo-a-kwasów uwalniającej rodnik izo-pentenylowy, który reaguje z rodnikiem tiolowym, tworząc 3-metylo-2-bute-no-l-tiol (4-metylopentenylomerkaptan, izopentenylomerkaptan) (rys. 9.4).

Związek ten ma pamiętny i nieprzyjemny zapach skunksa. Redukcja grupy karbonylowej w łańcuchu bocznym izo-a-kwasu tetrahydroboranem sodu do alkoholu spowalnia tę reakcję. Przy wykorzystaniu redukcji chemicznej jako części strategii możliwe jest wytworzenie z /5-kwasów a-rsłiydro-izo-cc-kwasów. Związki te charakteryzują się nieco większą gorycz-fea niż odpowiadający im izo-a-kwas, są znacznie bardziej bakteriostatyczne i wzmagają pienienie piwa.