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:: 我看自釀啤酒 – 淺談釀造用水 (Water)

地下水有其一定的好處,但若超抽則會造成地層下陷(如台灣沿海魚塭),而石灰質(碳酸鈣 CaCO3)充沛的地區,則會有過高的硬度。地表水雖無此問題,但由於雜質含量高,處理較為繁雜。古代取水僅能以鑿井或是汲取地表水,取出來的水就直接使用,現今科技的發達,水處理廠可以調配不同來源以兼具地表水和地下水的好處,或是避免取得過為汙染的水源。

釀造用水的規範應和飲用水的規範相同,也就是無重金屬、無致病菌、化學物質或輻射線之汙染(或一定範圍值不影響人體健康,詳細請洽各國規範)[6]。對於水的硬度(Hardness)、酸鹼值(pH)和各項鹽類(salts)並沒有特定的要求,但一般的自來水廠都會盡可能的將飲用水控制在一定的範圍內。[7]

 
根據世界衛生組織(WHO)的基準,0~60mg/L為軟水,60~120mg/L為中等程度的軟水,120~180mg/L為硬水,大於180mg/L為超硬[9]
 
根據加拿大飲用水品質指南(The Guidelines for Canadian Drinking Water Quality Hardness)將水硬度分類為以下(和台灣相同) [8]
Soft < 60 mg/L
Medium hard 60 mg/L to < 120 mg/L
Hard 120 to < 180 mg/L
Very hard 180 mg/L or greater
The optimum range of hardness in drinking water is from 80 to 100 mg/L. (適當飲用硬度範圍)
 
進一步看,釀造過程中涉及多種化學反應都和pH值有關,而各項鹽離子的多寡也會影響味覺對於風味的感受度。許多的釀酒書籍中會提到各大啤酒分類發原地的水質組成(表一),然而他們的釀造用水,真的就是這樣嗎?

 
表一,著名各大啤酒發原地水質組成  http://www.bjcp.org/study.php
鈣離子(calcium)具有保護alpha-糖化酶(amylases)免於高溫的抑制,刺激蛋白酶(proteolytic enzymes)和糖化酶反應以增加收率,降低pH,產生啤酒石(beer stone, calcium oxylate)進以移除避免後期對品質的影響,增進酵母健康和沉降(flocculation)等功能[1]。多項文獻指出釀造水和煮沸完後的麥汁(註一)需要有50-100 ppm的鈣離子含量。釀造水的控制容易,可根據水質檢驗報告做調整,但是煮沸完的麥汁就很難檢驗了,若是自釀,我建議這部份可以略過,因為多加反而增加後期產生啤酒石的問題,因此此步驟為進階版操作。

pH直接影響到所有酵素和微生物生理反應。一般食物的pH值偏酸性,偏鹼的食物吃起來會有澀的感覺,除加工食品外並不常出現[5]。酵素和微生物均有其活躍的pH範圍,及可生存範圍,就好比人體可於0-40攝氏度兼生存,但介於20攝氏度間覺得舒適易做各種活動。啤酒內的麥芽提供各種酵素以進行糖化反應,適當的範圍為pH 5.4-5.6間,然而每一種酵素均有其適當的活躍pH與溫度(糖化流程中的溫度),在製麥汁過程中僅於粉碎麥芽和釀造水混合後做pH調整,之後升溫使得不同的酵素活躍。煮沸過的麥汁pH會略為降低,因為蛋白質受熱變性減低了緩衝作用,得到介於pH 5.2-5.4的麥汁,經過酵母菌的發酵過程(產酸)得到終產物啤酒會進一步降低到4.2-4.4(註二)[1][2][3]

可以注意到,每一階段pH值的下降均有一定的限度,若要使啤酒達到預期的範圍則必須從源頭做調整,然而究竟是甚麼因素影響到的酸鹼度呢?這就得從水的硬度來看了。

簡而言之,越硬的水其越鹼。硬水並非摸起來很硬,而主要是當中的陽離子鈣和鎂離子(magnesium)的含量比較高,自然的情況下鎂離子含量低於鈣離子,且本身的影響也較小。水的硬度若以陰離子來看則可分為碳酸鹽類(carbonate, CO3-2)和非碳酸鹽類(non-carbonate)相關的兩種硬度(圖二)對於pH具有影響的部份在於碳酸鹽類和碳酸氫鹽類(bicarbonate, HCO3-),通稱為碳酸鹽類硬度(carbonate hardness)、暫時硬度或是總鹼度(total alkalinity),當碳酸鹽類硬度增加,pH會上升,因此調整水質投入碳酸鈣除了會增加鈣離子濃度也會使pH值升高。


圖二,硬度分類

如果要降低原水的pH值,勢必得想辦法移除碳酸鹽類硬度。但別忘了,先前提到鈣離子的濃度必須維持在50-100 ppm,若是過度移除碳酸鹽類硬度也就等於移除了鈣和鎂離子,真是陷入兩難的局面。還好,非碳酸鹽類這一組,如氯化鈣(calcium chloride, CaCl2)和硫酸鈣(gypsum, calcium sulphate, CaSO4)則具有相反的作用,也就是降低pH值。然而也不能多加,因為鈣離子濃度太高會導致過量的啤酒石產生,除了在成品啤酒造成雪片狀的礦物質稀出,也會附著在釀造容器和設備,造成難以清洗,微生物躲藏的死角。



圖三、啤酒內如雪片般的啤酒石結晶

這下,到底該怎麼辦是好?

·加酸,可以使用乳酸(lactic acid)、磷酸(phosphoric acid)、鹽酸(hydrochloric acid)於低濃度下是比較安全的操作方式;或其它酸性原料,例如sour mash
·使用特殊麥芽,例如Weyermann acidulated malt (表三)
·降低原水硬度,例如煮沸,或使用軟水機和RO逆滲透,後者為非專一性,會一併移除非碳酸鹽類的鈣與鎂離子鹽類,所以需要重新添加非碳酸鹽類
 
表三、Weyermann acidulated malt 


除此外,各種製造分類下的麥芽在浸泡水中會些為影響麥汁的pH值,舉凡來看,越深烤的麥芽其進泡後的pH值會較低,大致為以下範圍:[1]
 
o   基礎麥芽 pH 5.7-5.9
o   低色度焦糖化(caramel/crystal)或高溫烘焙(amber/brown)麥芽 pH 5.4
o   深烤(roasted/chocolate)麥芽pH 5.1

 
一般飲用水的pH介於7-8左右,蒸餾水約6.4。這也是為什麼糖化水質pH的調整必須等到粉碎麥芽都均勻混合後才能取樣測量,否則會有誤差。

總結,正確的水質調整方法,

 
1.       取得你的飲用水報告
2.       利用氯化鈣或硫酸鈣調整鈣離子含量到50-100 ppm
3.       調整mashpH

 
不調整會有甚麼影響嗎?對於自釀來說基本上不會,但是如果要進一步追求釀出的品質和風味,則必須對飲用水和啤酒進行分析才有辦法。若是這樣的話,我會建議不如多花點心思在酵母、麥芽和酒花的選擇上。

 
那麼,先前提到各地的釀造水差異又是怎麼一回是呢?或許留到下回分曉吧!
 

註一:由於鹽類、蛋白質和多元酚經長時間煮沸形成熱渣導致損失
註二:啤酒成品最高不超過pH 4.6因為高於此pH值若有大腸桿菌群感染(coliform bacteria)則易導致其增生。低於pH 4.1則會有明顯的酸味,若繼續下降,通常受到乳酸和醋酸菌,或野生酵母的感染。
 
參考資料
1.       A Handbook of Basic Brewing Calculations, Stephen R. Holle, Master Brewers Association of The Americas
2.       Technology Brewing & Malting, Wolfgang Kunze, VLB Berlin
3.       The Practical Brewer, Master Brewers Association of The Americas
4.       食品科技辭典,賴滋漢、賴業超編,富林出版社
5.       pH Values of Common Foods and Ingredients
6.       Canadian Drinking Water Guildlines
7.       Berliner Wasserbetriebe
8.       Hardness in Groundwater
9.       台灣自來水公司第六區管理處
10.   Water and Wastewater: Treatment/Volume Reduction Manual, Brewers Association

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