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La fabbricazione della birra

Conduzione della fermentazione

Tipo lagerComposizione della birra

A caldo – La pausa diacetileMaturazioneA freddo

Biochimica della fermentazioneFermentazione

TecnologiaFiltrazioneTecnologieStabilizzazione colloidale

Chiarificazione del mostoEbollizioneFiltrazione della miscelaMiscelaProduzione del mostoLuppoloAcquaMaterie Prime

Indice dei contenuti

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Composizione della birra – Tipo lager

4,0 – 4,6pHpH

30 - 50mg/LEsteri

1300 – 1500 (30,500,40,100,300,150)

mg/LComposti inorganici ( Na, K, Ca, Mg, PO4, SO4, Cl-)

150 - 200mg/LPolifenoli - Antociani10 - 100mg/LDichetoni

70 - 130mg/LAlcoli superiori90 - 110mg/LAminoacidi (FAN)

0,8 – 1,0%Proteine totali

0,3 – 0,4%Zuccheri semplici1,5 – 2,5%Destrine

4,5 – 5,0%Alcool

91 - 92%Acqua

quantitàu.m.Componente

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Analisi standard della birra Tipo lager: birra chiara a bassa fermentazione

2 - 10mg/LSO2

250 - 300mg/LFattori invecchiamento Heat

30 - 50ug/LDimetil solfuro

20 – 40mg/LFattori invecchiamento Oxygen

3,8 – 4,0°PlatoEstratto reale

70 - 130mg/LAlcooli superiori

10 - 30ug/LDiacetile

16,0 – 18,0mg/LEtile acetato

250 - 300secSchiuma - Nibem1,0 – 2,0EBCTorbidità forzata0,5 – 0,6EBCTorbidità a 0°C5,0 – 5,5g/LCO2

1,6 – 1,0°PlatoEstratto (grado) limite

2,0 – 4,0mg/LAcetaldeide

200 - 300mg/LFattori invecchiamento Staling

1,5 – 2,5mg/LIsoamile acetato

6,0 – 7,0EBCColore20 - 22EBUAmarezza

4,2 – 4,4pHpH5,0 – 5,2% v/vAlcool0,2 – 0,3°PlatoDelta estratto

1,8 – 2,0°PlatoEstratto (grado) apparente11,0 – 11,5°PlatoEstratto (grado) primitivo

valoreu.m.Parametro

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Acqua

Distribuzione dei fabbisogni in fabbrica in hl/hl di prodotto finito

0,060,28Filtrazione e Cantina Birra Filtrata

0,160,36Caldaie

0,380,55Torri evaporative0,040,06Compressori

0,040,07Utenze civili3,004,60Totale

0,160,20Sala macchine

0,200,42CIP generali (Cleaning in Place)0,080,16Pastorizzazione

0,170,34Lavaggio bottiglie

0,130,23Lavaggio fusti

0,050,09Maturazione

0,050,09Fermentazione e cantina lievito

1,481,75Produzione mosto (Sala Cottura)

Best practiceGood practiceReparto

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Composizione tipica dell’acqua per la fabbricazione del mosto

•“sweet palate”< 150mg/LSodio

effetti del basso pH

• migliore rendimento delle materie prime

• Minore estrazione di tannini e sostanze amare dal luppolo

6,0 – 7,5pHpH

•se in eccesso provoca amaro grezzo in combinazione con i solfati

10 - 20mg/LMagnesio

•Influenza sulla flocculazione del lievito40 - 60mg/LCalcio

•Contribuisce positivamente alla rotondità del gusto

200 - 400mg/lSolfati

< 150

8,0 – 12,0

< 2,0

target

•Conferisce corpositàmg/lCloruri

• acque dure contribuiscono negativamente alla bevibilità

d°H (o g°H)Durezza totale

• evitare precipitazione del calcio con rischio ossalati

mL HCl 0,1 N/100 mLvalore m (bicarbonati)

Effetti sul processou.m.Parametro

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Commenti all’utilizzo dell’acqua di fabbricazione

• Le fabbriche di birra vengono costruite dove l’acqua sia abbondante in quantità e costante in qualità

•Il profilo organolettica e fisico-chimico è uno degli elementi fondamentali per la qualità del prodotto finito

•Nel caso l’acqua disponibile non corrisponda alle caratteristiche desiderate si ricorre a correttivi tecnici e tecnologici:

• Rimozione dei Sali per

•Osmosi inversa

•Scambio ionico

• Correzione ionica

•Solfato di Calcio

•Cloruro di calcio

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Luppolo – Informazioni generali

• Il luppolo è un componente quantitativamente minore nella birra, ma con un grande impatto sul profilo organolettico.

•Nel luppolo esistono due gruppi di composti attivi organoletticamente

• Frazione resinosa: sono i cosiddetti acidi alfa, 10-30 mg/l nel prodotto finito che conferiscono l’amarezza tipica della birra

• Frazione aromatica: si tratta di oli essenziali che conferiscono al prodotto finito una nota floreale e leggermente agrumaria.

•Storicamente, la tendenza era di produrre birre lager con elevate quantità di luppolo, le cui resine hanno notoriamente caratteristiche batteriostatiche

•Attualmente si producono birre con contenuto di acidi alfa più bassi per meglio soddisfare le esigenze del consumatore moderno

•La necessità di utilizzare il luppolo quale batteriostatico è da tempo superata grazie alle moderne tecniche di lavaggio degli impianti

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Botanica e coltivazione del luppolo

• Il luppolo coltivato (hunulus lupulus) è una pianta dioica della famiglia delle Cannabinacee(ordine delle Urticales) utilizzato pressochè unicamente per la fabbricazione della birra.

•Viene coltivato in condizioni climatiche temperate, principalmente in Europa Nord occidentale e negli Stati Uniti

• Le parti sotterranee della pianta sono perenni, mentre quelle aeree muoiono. Il sistema di radici si estende per più di 1,5 metri in profondità e 2 metri lateralmente

•Ad inizio primavera numerosi getti si producono dalle gemme che si trovano sulle radici: essi vengono rimossi per potatura insieme alla parti lignee residue dal raccolto precedente.

•A metà primavera i nuovi getti hanno raggiunto circa 80-100 cm di lunghezza: è allora che vengono indirizzati sui filari dall’agricoltore, per raggiungere una lunghezza finale di 5,5 – 8 metri

•Tra luglio ed agosto i fiori delle piante femminili formano i coni di luppolo. Questi sono ricchi di di ghiandole di lupolina che contengono molti metaboliti secondari, tra cui le resine (alfa e beta acidi), gli oli essenziali, e i polifenoli.

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Chimica del luppolo

• Il termine metabolita secondario è utilizzato per descrivere sostanze che si formano nella pianta ma che non partecipano ai processi metabolici primari.

•Il luppolo contiene centinaia di metaboliti secondari: alcuni di questi sono di particolare interesse tecnologico.

Luppolo

Oli PolifenoliResine

Alfa acidi

•humulone

Beta acidi

• lupulone

Frazione Apolare

• monoterpeni

•Mircene

•Farnesene

•Sesquiterpeni

•Cariofillene

•humulene

Frazione Polare

• alcoli

•Linaloolo

•Esteri

•Acidi carbossilici

•solfati

Acidi fenolici

•Acido ferulicoProantocianidine

•Proantoc. B3Flavonoli

•QuercitinaIsoflavonoli

•genisteinIsomerizzano

durante la bollitura

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Varietà e forme commerciali

• Esistono decine di diverse varietà di luppolo che vengono suddivise in :

• Bitter - ad elevato contenuto di acidi alfa (13 – 15 %)

• Aroma - a basso (4 -7 %) contenuto di alfa e medio contenuto di oli

• Fine Aroma - a bassisimo contenuto di alfa ( < 4 %) ed elevato contenuto di oli

• Forme commerciali

• Non isomerizzate

• Luppoli in coni pressato

• Luppolo in pellet Tipo P90

• Luppolo in pellet Tipo P 45

• Estratto di pura resina

•Isomerizzate

•Prodotti derivati (hop products)

•B-hop

•Tetrahydrohops

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Aspetto del luppolo

Luppolaia in Baviera

Il luppolo in fiore

Il coni del luppolo

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Produzione del mosto - Scopo• Il processo principale della fabbricazione della birra è la fermentazione degli

zuccheri contenuti nel mosto.

• La produzione del mosto ha lo scopo di trasformare le sostanze insolubili del malto in composti utilizzabili dal lievito.

• La produzione del mosto viene effettuata nel reparto Sala Cottura

Sala cottura tradizionale

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Produzione del mosto - Fasi

MACINAZIONEDel malto

MISCELA malto-acqua

FILTRAZIONE della miscela

EBOLLIZIONEdel mosto

CHIARIFICAZIONE del mosto

RAFFREDDAMENTODel mosto

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La macinazione

Lo scopo della macinazione è quello di permettere la solubilizzazione degli enzimi contenuti nel malto. Si utilizzano tre tecnologie in funzione del tipo di filtrazione della miscela

• per tini di filtrazione

– A umido, con mulino a una coppia di cilindri

– A secco condizionata, con mulino a tre coppie di cilindri

• per mash-filter

– A secco, con mulino a martelli

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Tipi di mulino

A tre coppie di cilindri

A martelli

A umido

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La miscela del malto

Le principali reazioni enzimatiche

Amido

Beta-amilasi 62-67 °C•maltosio

alfa-amilasi 72-76 °C•Glucosio, maltosio, maltotrosio

Maltosio (ca. 90 % degli zuccheri totali)

Proteine•Aminoacidi

•Proteine a medio peso molecolare

proteasi 45- 55 °C

La conversione dell’amido d’orzo è pari a circa l’80-85 % dell’amido d’orzo, a seconda dei tempi di pausa alle diverse temperature: in questo modo si determina la pienezza del prodotto finito. Non tutto l’amido viene convertito in maltosio: permane una quota di destrine (12-G) poiché manca la beta-1-6 glucosidasi

Le proteine a medio peso molecolare contribuiscono in modo determinante alla formazione della schiuma, insieme alle resine del luppolo.

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L’drolisi enzimatica dell’amido nel processo di miscela

Schema dell’idrolisi enzimatica Il test con Iodio serve a determinare la conversionedell’amido in zuccheri ed amilopectine

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La miscela del mais – La decozione

• Il mais costituisce una sorgente di amido alternativa al malto

• Viene utilizzato nel caso si voglia conferire maggiore bevibilità al prodotto finito

• Si usa prevalentemente in forma di gritz

• Al pari del malto contiene circa il 78 % di estratto su tal quale

• Non contiene enzimi in quantità sufficienti per la conversione amido à zuccheri semplici

• La miscela del mais comprende:

- Pre-gelatinizzazione a 50 – 60 °C, con presenza di ca. 15 – 20 % malto macinato

- Gelatinizzazione a 72 – 76 °C

- Ebollizione a 100 °C

• Al termine dell’ebollizione la miscela del mais viene travasata nella miscela del malto. Tale processo viene detto “riunione”.

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Il diagramma di fabbricazione

• La caldaia miscela viene utilizzata per la miscela del mais

• Il Tino di miscela viene utilizzato per la miscela del malto

40

50

60

70

80

90

100

110

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180

tempo in minuti

°C

Tino miscelaCaldaia miscela

in caldaia miscela

in tino di miscela

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La caldaia di miscela – Il tino miscela

Caldaia miscela Tino miscela

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La filtrazione della miscela Scopo

• Al termine del processo di miscela, vi sono in soluzione sostanze disciolte e non disciolte

• La soluzione acquosa contenente l’estratto viene detta MOSTO, mentre la parte insolubile viene detta TREBBIE.

• Le trebbie consistono, a loro volta, delle scorze del malto, dei residui della germinazione del malto d’orzo e di altro materiale.

• Solo il mosto è utile alla produzione della birra: per questo motivo deve essere separato il più possibile dalle trebbie.

• Questo processo di separazione viene detto “Filtrazione della miscela” (Lautering)

• Il processo di filtrazione della miscela consiste di due fasi:

- Filtrazione del primo mosto, per separare le trebbie dalla miscela

- Lavaggio delle trebbie con acqua calda, per estrarre le sostanze zuccherine rimaste nelle trebbie stesse.

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La filtrazione della miscela – TecnologieIl tino di fitrazione

• Esistono due tecnologie di filtrazione della miscela

- Tino di filtrazione

- Filtro miscela

• Tino di filtrazione

- La miscela viene trasferita dal tino miscela al tino di filtrazione

- Il tino è dotato di falso fondo con slots di ca. 0,7 x 4 mm, che consentono la eluizionedel mosto, ma trattiene le scorze del malto

- Le scorze del malto aiutano la filtrazione, trattenendo sulla propria superficie le impurezze. Per questo motivo il malto deve essere macinato delicatamente per preservare l’integrità della scorza: si ricorre alla macinazione a umido o alla macinazione condizionata.

- Un aratro meccanico smuove periodicamente le scorze per facilitare il flusso del mosto in funzione della differenza di pressione tra ingresso ed uscita della miscela

- Il lavaggio delle trebbie avviene immettendo acqua calda dall’alto del tino di filtrazione

- In totale il processo dura 3-4 ore nei tini classici; 2 ore nei tini di ultima generazione

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La filtrazione della miscela – TecnologieIl filtro miscela

• Filtro miscela

- E’ una macchina in cui la filtrazione è assicurata da teli filtranti

- La miscela viene pompata dal tino miscela al filtro

- I teli trattengono le scorze del malto e lasciano passare il mosto

- Al termine della filtrazione del mosto, le membrane di cui è dotato il filtro “spremono”delicatamente le scorze rimaste intrappolate nei teli, per estrarre il ulteriori volumi di primo mosto

- Le scorze vengono lavate con acqua calda analogamente al tino di filtrazione

- Dato che la filtrazione viene fatta dai teli, non è indispensabile mantenere integra la scorza. Per questo motivo si ricorre ad una macinazione a secco, con il vantaggio di aumentare la resa di estrazione dal malto

- La durata totale del ciclo è di 2 ore; 1,5 ore nei sistemi ottimizzati

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Tino di filtrazione e diagramma di filtrazione

Tino di filtrazione: vista frontale

Dettaglio del falso fondo

Diagramma di filtrazione

1° MOSTO Lavaggio trebbie

torbidità testratto Delta pressione Altezza aratro

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Tino di filtrazione e diagramma di filtrazione

Tino di filtrazione: vista frontale

Dettaglio del falso fondo

Diagramma di filtrazione

1° MOSTO Lavaggio trebbie

torbidità testratto Delta pressione Altezza aratro

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Il filtro miscela

Il principio del telo filtrante

Il filtro miscela: vista in prospetto

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L’ebollizione del mosto – Le trasformazioni

1 - Isomerizzazione acidi alfa e solubilizzazione oli essenziali del luppolo.

2 – Coagulazione delle proteine e precipitazione dei complessi polifenoli-proteine

3 - EvaporazioneEvaporazione di sostanze indesiderate

4 - ConcentrazioneConcentrazione del mosto

5 - Colorazione del mosto

6 - Sterilizzazione del mosto

7 - Inattivazione degli enzimi

La durata totale dell’ebollizione è di 60-90’

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1 - L’isomerizzazione degli acidi alfa e la solubilizzazione degli oli

• Gli acidi alfa humulone e cohumulone sono insolubili nel mosto freddo

• La bollitura cambia la struttura degli acidi, tale cambiamento viene descritto come “isomerizzazione

• Gli iso-composti sono molto più solubili che gli alfa da cui originano

• L’isomerizzazione è lontana dall’essere un processo quantitativo: mediamente solo un terzo del totale degli alfa viene trasformato

• Inoltre, durante il corso del processo (fermentazione-filtrazione) si perdono altre quantità di sostanze amare.

• In pratica per avere 20 mg/L di sostanze amare (EBU= European Bitterness Unit) nel prodotto finito serve avere 60-80 mg/L di acidi alfa nel mosto.

• Per ottimizzare la resa in acidi alfa, i luppoli “bitter” vengono aggiunti ad inizio ebollizione

• Per garantire la solubilizzazione degli oli, i luppoli “aroma” e “fine aroma” vengono aggiunti a 15-20’ dalla fine dell’ebollizione

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2 2 –– Coagulazione delle proteine e precipitazione dei complessi Coagulazione delle proteine e precipitazione dei complessi polifenolipolifenoli--proteineproteine

• Le proteine ad alto peso molecolare coagulano e precipitano durante l’ebollizione.

• I polifenoli del luppolo e del malto si disciolgono completamente nel mosto e si combinano con le proteine del mosto

• Dato che i polifenoli sono presenti parzialmente in forma ossidata e che le proteine hanno diverso peso molecolare, durante l’ebollizione si formano composti con diverse proprietà

q Torbido a caldo (hot break): consiste di proteine e polifenoli ossidati insolubili nel mosto caldo. E’ preferibile far precipitare tale torbido il più possibile tramite:

• Ebollizioni sufficientemente prolungate

• Ebollizioni vigorose

• Basso pH: ideale pH 5,2 a inizio ebollizione

q Torbido a freddo (cold break)

• Costituito da prodotti della degradazione delle proteine e da polifenoli che permangono nel mosto freddo e non precipitano

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3 3 –– Evaporazione delle sostanze indesiderateEvaporazione delle sostanze indesiderate

L’ebollizione provoca la formazione e la parziale evaporazione di sostanze indesiderate naturalmente presenti nel malto

• Dimetil solfuro (DMS): conferisce gusto di cavolo bollito alla birra

q Deriva dall’orzo come DMS-P (P=precursore=S-metil-metionina)

q DMS-P viene trasformato in DMS durante l’essiccazione del malto verde

q L’ebollizione provoca

• l’ulteriore trasformazione del DMS-P in DMS libero

• L’evaporazione del DMS libero e del DMS-P

• Prodotti della reazione di Maillard e della degradazione di Strecker: si tratta di un gruppo assai complesso di composti, oggetto di intensi studi dagli esiti controversi: sono comunemente utilizzati per predire la stabilità organolettica della birra. In sostanza, sono indicatori del carico termico del mosto.

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3 3 –– Evaporazione delle sostanze indesiderateEvaporazione delle sostanze indesiderateProdotti della reazione di Maillard e della degradazione di Strecker: si tratta di un gruppo assai complesso di composti, oggetto di intensi studi dagli esiti controversi: sono comunemente utilizzati per predire la stabilità organolettica della birra.

Zuccheri riducenti + aminoacidi

desossichetoni Degradazione di Strecker

CH3-CO-CO-CHOH

Metildicarbonili

CHO-CO-CH2-CHOH

Frazionamento

Carbonili-dicarbonili a corta catena

Deidrogenazione

Aldeidi di Strecker + Aminocomposti

3 desossicomposti

5 idrossimetil 2 furfurale

- CO2

Melanoidine – N-eterocicli

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4 4 -- La concentrazione del mostoLa concentrazione del mosto

• L’ebollizione causa l’evaporazione del mosto e la conseguente concentrazione del mosto

• Il valore dell’evaporazione (“fattore di evaporazione”) è un indice fondamentale dei processi chimico-fisici che si verificano durante l’ebollizione

• I fattori di evaporazione orari comunemente utilizzato sono dell’ordine del 4,0-6,0 %

• L’ebollizione è un processo dispendioso dal punto di vista energetico: per questo motivo deve durare lo stretto necessario agli scopi tecnologici

• Per motivi energetici, da alcuni decenni si produce mosto concentrato (high gravity) che poi viene standardizzato a valle (nel fermentatore o al filtro finale) al grado del prodotto finito.

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Le altre trasformazioniLe altre trasformazioni

5 - Sterilizzazione del mosto: durante l’ebollizione vengono eliminati tutti i batteri che potrebbero danneggiare la birra in fermentazione

6 - Distruzione di tutti gli enzimi: il trattamento termico del mosto causa la distruzione dei pochi enzimi ancora attivi, che potrebbero alterare il mosto

7 - Colorazione del mosto: per effetto della reazione di Maillard tra gruppi amminici liberi ed ossidrili degli zuccheri si formano composti detti melanoidine, che contribuiscono a scurire il mosto. Il colore si misura in unità EBC ed aumenta di circa il 30-50 %

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Tecnologie di ebollizione moderneTecnologie di ebollizione moderne

• L’ebollizione si effettua in un recipiente detto Caldaia Cottura.

• La Caldaia è equipaggiata con diversi sistemi bollitura. Attualmente due sono i sistemi più diffusi:

1. Con scambiatori di calore interni

2. Con scambiatori di calore esterni

• Altri sistemi sono stati sviluppati o si stanno sviluppando, ma non hanno trovato diffusione nella comunità dei tecnici

1. A camicie riscaldanti: sistema tradizionale, progressivamente abbandonato perché la massa del mosto non si bolle in modo omogeneo

2. High temperature continuous boiling: sistema sviluppato alla fine dei ’70 per risparmiare sull’energia. Abbandonato per lo stress termico imposto al mosto.

3. Sistema Merlin: sviluppato nella seconda metà dei ’90. Prevede due recipienti: una caldaia-stripper e un polmone-chiarificatore. Teoricamente è lo stato dell’arte, ma non ha trovato successo commerciale per la complessità di conduzione dell’impianto

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Scambiatori di calore interniScambiatori di calore interni

• La caldaia è equipaggiato con una serie di di tubi in cui circola vapore o acqua surriscaldata. Un sistema di diffusione Venturi ed un cono facilitano la circolazione del mosto, limitando la formazione di schiuma e la sovra-ebollizione.

• Per ottenere un fattore di evaporazione del 6 % il mosto ricircola circa 15 volte per ora.

• Solamente il mosto in contatto con lo scambiatore si trova ad una temperatura superiore a quella di ebollizione. Nel resto della caldaia, la temperatura è inferiore a quella di ebollizione.

• Se si applica una leggera sovrapressione, la temperatura sale a circa 103 °C nella caldaia, per salire fino a 106 °C sulla superficie degli scambiatori.

• La temperatura elevata nello scambiatore comporta una accelerazione delle reazioni chimiche durante l’ebollizione del mosto

• Lo scambiatore interno agisce come una pompa termica. Il flusso del mosto va progettato in modo tale che non vi siano zone morte e che la miscelazione sia completa

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Scambiatori di calore interni Scambiatori di calore interni –– Schema funzionaleSchema funzionale

L’ebollitore interno La caldaia: vista in prospetto

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Scambiatori di calore esterniScambiatori di calore esterni

• La caldaia è equipaggiata con uno scambiatore di calore esterno dotato di tubi relativamente piccoli (ca. 70 mm). La circolazione viene forzata da una pompa centrifuga.

• Con questo design,la turbolenza e e quindi le elevate efficienze di scambio di calore è ottenuta attraverso elevate velocità, circa 2.3-2.7 m/s

• Lo scambiatore può essere a fascio tubiero o a piastre. In quest’ultimo caso la distanza tra le piastre deve essere sufficiente per impedire l’incrostazione con residui di luppolo e limitare le “shear forces” (sforzi di taglio: provocano la formazione di gomme che rendono difficile la filtrazione finale)

• Le temperature in uscita dallo scambiatore sono dell’ordine dei 102-104 °C: in queste condizioni, il tempo di ebollizione è limitato a 55-70’, sufficiente a garantire la coagulazione delle proteine.

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La chiarificazione del mostoLa chiarificazione del mosto

• Al termine dell’ebollizione in caldaia cottura, il mosto viene trasferito in pochi minuti in un chiarificatore comunemente chiamato “Whirlpool”

• Il mosto viene immesso nel whirlpool attraverso un ingresso tangenziale che garantisca una velocità lineare di ca. 3,5 m/s. Velocità più elevate provocano “shear forces”

• Il mosto viene lasciato sedimentare per 5-20’

• Al termine, al centro del whirpool si depositano i complessi tanno-proteici in un agglomerato compatto (cake = torta), mentre il resto del mosto è limpido (max150-200 mg/L di solidi in sospensione).

• Al termine della chiarificazione il mosto viene trasferito al raffreddatore, costituito da uno scambiatore a piastre

• Gli elementi progettuali del whirpool ne determinano l’efficacia: rapporto diametro/altezza, diametro del tubo in ingresso, inclinazione del fondo.

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La chiarificazione del mostoLa chiarificazione del mostoSchema funzionaleSchema funzionale

• La forza centrifuga spinge gli agglomerati tanno-proteiciverso l’esterno

• L’urto contro le pareti del whirpool spinge gli agglomerati verso l’interno

• Da evitare la formazione di mulinelli che impediscono la sedimentazione al centro del whirlpool

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La produzione del mosto: elementi quantitativiLa produzione del mosto: elementi quantitativi

• Il batch che si produce in sala cottura viene comunemente chiamato “cotta”

• Il processo di produzione di una cotta dura circa 7-8 ore

• Nella tabella si riportano tempi e volumi di una cotta in High Gravity da 15 °P e 550 hl con processo a decozione

-515Miscela dopo riunione

45550Raffreddamento

60 160Miscela in caldaia miscela120340Miscela in tino miscela

120620Filtrazione miscela

450

15

15

075

Tempo in minuti

-Trasferimento al Whirpool

550Totale

-Pausa Whirpool

-Accertamento580Ebollizione

volumeProcesso

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Composizione del mosto – High Gravity per birra lager

0,8 – 1,01,0 – 1,2%Proteine totali90 - 110200 – 220mg/LAminoacidi70 - 1300mg/LAlcoli superiori30 - 500mg/LEsteri10 - 1000mg/LDichetoni

150 - 200200 - 250mg/LPolifenoli - Antociani1300 – 1500

(30,500,40,100,300,150)1300 – 1500

(30,500,40,100,300,150)mg/LComposti inorganici

(Na, K, Ca, Mg, PO4, SO4, Cl-)

91 - 9291 - 92%Acqua

4,5 – 5,00%Alcool etilico4,0 – 4,65,1 – 5,3pHpH

12 – 132,5 – 3,5

28 – 32

10,0 – 11,0

15,0 – 16,0

Mosto 15 °P

20 – 22EBUAmarezza

0, 3 – 0,4%Zuccheri semplici (maltosio >75 %)

1,5 – 2,5%Destrine

6,0 – 7,0EBCColore

Vedi destrine°PEstratto

Birra 11 °Pu.m.Parametro

In grigio i componenti che verranno trasformati o formati durante la fermentazione

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La composizione e la misura dell’estratto

Composizione dell’estratto: dal macinato all’estratto fermentescibileLa misura dell’estratto con il saccarometro

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La fermentazione La fermentazione Biochimica della fermentazioneBiochimica della fermentazione

La fermentazione è la trasformazione degli zuccheri semplici ad opera del lievito.Gli zuccheri vengono catabolizzati secondo lo schema Embden-Meyerhof-Parnas(glicolisi anaerobica). I fenomeni principali della fermentazione sono:

- Moltiplicazione del lievito

- Catabolismo dei carboidrati

- Formazione dell’alcool etilico

- Formazione della anidride carbonica

Alcool etilico0,5 kg

CO20,5 kg

Calore1217 kJ

1 kg di glucosio produce

+ prodotti secondari: acetaldeide, diacetile, esteri, alcoli superiori, SO2

Glucosio + 2Pi+2ADP = 2 etanolo + 2CO2 + 2ATP + 2 H2O

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Il lievito Il lievito –– Informazioni generaliInformazioni generali

• I lieviti sono organismi eucarioti; sono funghi unicellulari che si riproducono per gemmazione. Il lievito utilizzato per la fabbricazione della birra appartiene al genere Saccharomyces che a sua volta appartiene agli ascomiceti, caratterizzate dalla produzione di ascospore dopo la riproduzione sessuale.

• La tipica cellula di lievito ha un diametro di 8-12 micron. Si moltiplica fino a 30 volte durante il suo ciclo vitale. Si veda la fotografia al microscopio elettronico.

• La tassonomia dei lieviti è stata ed è tuttora controversa. Comunemente si accetta questa suddivisione:

- Saccharomyces uvarum (o Carlsbergensis): lievito a bassa fermentazione, flocculaal termine della fermentazione. Utilizzato per birre lager.

- Saccharomyces cerevisiae: lievito ad alta fermentazione, flotta al termine della fermentazione. Utilizzato per le classiche “Ale” inglesi.

• I birrai chiamano “lieviti selvatici (wild yeasts)” tutti i lieviti al di fuori dei due citati

• I due lieviti di alta e bassa fermentazione si distinguono per una serie di caratteristiche biochimiche

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Lieviti a bassa ed alta fermentazioneLieviti a bassa ed alta fermentazione

Forma meno composti solforati (SO2 < 2 mg/L)Forma più composti solforati (SO2 > 4 mg/L)

Cresce a 37 °Non cresce a 37 °C

Meno sensibile all’inibizione catabolicaPiù sensibile all’inibizione catabolica

S edimenta a basse temperatureFermenta bene a basse temperature (6 -12 °C)

Sale in superficie al termine della fermentazioneSedimenta al termine della fermentazione

Respirazione maggiore in medium con 0,3 % glucosio

Respirazione limitata in medium con 0,3 % glucosio

Non utilizza melibiosioUtilizza melibiosio

S. cerevisiaeSaccharomyces uvarum

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Fermentazione e respirazione nel lievito da birraFermentazione e respirazione nel lievito da birra

• I lieviti per birra sono anaerobi facoltativi che possono metabolizzare glucosio ed altri zuccheri sia in condizioni anaerobiche che aerobiche. Durante la crescita aerobica possono contribuire al catabolismo del glucosio sia la fermentazione che la respirazione; in condizioni anaerobiche è possibile la sola fermentazione

• Energeticamente è più favorevole respirare che fermentare , perciò il lievito dovrebbe diminuire la fermentazione in favore della respirazione tutte le volte che è possibile. Questa risposta del lievito viene detta effetto Pasteur

• Tuttavia, durante la crescita aerobica di S. Cerevisiae la respirazione ammonta a meno del 10 % di tutto il catabolismo del glucosio; il resto viene fermentato. Perciò, possiamo dire che l’effetto Pasteur è normalmente assente nel lievito da birra.

• Concentrazioni crescenti di zuccheri provocano la repressione da cataboliti nel metabolismo ossidativo di S. Cerevisiae, fenomeno noto come “Crabtree effect”. Perciò i lieviti da birra sono definiti “Crabtree-positivi”

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15,0 5 20

12,5 4

1510,0 3

7,5 102

5,0

1 52,5

1,0 0 00 40 80 120 160 200

spec

ific

grav

ity

dry

wei

ght y

east

tem

pera

tura

°C

Time (h)

dry weight mg/L

t°

specific gravity(grado apparente)

Schema di fermentazione - 1Il diagramma tempo-t°-grado apparente-temperatura –crescita del lievito

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60 250 5,1

50 200 4,7

40 150 4,5

30100 4,3

20

50 4,110

0 0 3,90 40 80 120 160 200

Time (h)

etha

nol (

g/L)

FAN

(mg/

L) F

ree

Am

inoa

cids

pH

ethanol

FAN

pH

Schema di fermentazione - 2Il diagramma tempo-etanolo-FAN–pH

Slide n. 53

60 100

50 80

40 60

3040

20

2010

0 00 40 80 120 160 200

cells

/ m

l (x

10 E

6)

Dis

solv

ed o

xyge

n te

nsio

n %

Time (h)

O2 disciolto

Cells/ml

Schema di fermentazione - 3Il diagramma tempo-cellule –Ossigeno disciolto

La velocità con cui diminuisce la concentrazione delle cellule in sospensione è correlata con la natura genetica del lievito e viene indicata come FLOCCULENZA

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Conduzione della fermentazioneConduzione della fermentazione

• Apparentemente succede poco nelle prime 10 ore dopo il dosaggio del lievito nel mosto: il lievito si trova nella lag-phase. La moltiplicazione del lievito è limitata e l’estratto apparente cambia di poco.

• D’altra parte c’è una veloce captazione di ossigeno mentre pH e FAN cambiano in modo trascurabile. E’ indice che che il lievito si sta adattando alle ricche condizioni nutrizionali del mosto fresco.

• La fase lag è seguita da un periodo esponenziale di crescita con rapida diminuzione dell’estratto apparente, l’incremento nella produzione di etanolo, accompagnata da una continua discesa del pH e la captazione di prodotti azotati dal mosto.

• Dopo circa 60 ore la moltiplicazione del lievito decresce, rallenta la produzione di etanolo e la captazione di azoto; il lievito entra nella fase stazionaria. La fermentazione continua anche nella fase stazionaria prima di arrestarsi completamente.

• A seconda delle condizioni di arieggiamento e dosaggio iniziale, la biomassa del lievito si accresce dalle 2 alle 4 volte.

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Conduzione della fermentazioneConduzione della fermentazione

• Il mosto freddo ricevuto dalla sala cottura viene abbondantemente arieggiatoattraverso un iniettore prima di ricevere il lievito. La quantità di aria determina il contenuto in esteri ed SO2

• Nella tubazione che porta il mosto freddo al fermentatore viene dosato il lievitonecessario alla fermentazione. Al pari dell’arieggiamento la quantità di lievito contribuisce al profilo aromatico della birra finita. In un fermentatore vengono immesse un numero variabile di cotte: da 2 fino a 8-10.

• Al termine della fermentazione il lievito si deposita sul fondo del fermentatore; viene raccolto attraverso una pompa a lobi e può essere riutilizzato 3-5 volte. La velocità di sedimentazione è correlata con la flocculenza del lievito.

• La CO2 in eccesso viene raccolta in un pallone, purificata, compressa e rievaporata per altri utilizzi.. Per esempio:

- carbonatazione dell’acqua di standardizzazione,

- lavaggio bottiglie alla riempitrice per rimuovere l’aria,

- gas-bubbling durante il raffreddamento del fermentatore

• Per effettuare una fermentazione in condizioni controllate, i fermentatori sono equippaggiate con tasche di raffreddamento

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Diagramma di fermentazione Diagramma di fermentazione –– Sistema TL Sistema TL -- UnitankUnitank

-2-10123456789

1011121314151617

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

temperatura Plato pressione

Quotidianamente il cantiniere misura con un semplice saccarometro il grado apparente (grado Plato=°P) della birra in fermentazione determinando le operazioni da effettuare in cantina fermentazione:

•Messa a recupero CO2

•Free rise (nei processi TL=Tropical Lager)

•Recupero lievito

•Maturazione a caldo (“pausa diacetile”)

•Raffreddamento + Maturazione a freddo

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Conduzione della fermentazione Conduzione della fermentazione La misura del grado (estratto) apparenteLa misura del grado (estratto) apparente

Grado Inizio fermentazione

Grado durante lafermentazione

Gradofine fermentazione

Grado limite

Estratto fermentescibile

Delta estratto

Estratto limite

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La maturazione a caldo La maturazione a caldo –– La La ““pausa diacetilepausa diacetile””

• Durante la fermentazione si producono decine di composti secondari (gradevoli e sgradevoli), presenti in quantità minime (milligrammi o microgrammi litro) ma con un fortissimo impatto organolettico.

• Tra i composti sgradevoli, il DIACETILE è quello che più di ogni altro va controllato in cantina

80 - 110anicemg/LFAN + carboidratiAlcooli superiori

cipollauova marce

burro, rancido

mela, kiwisolvente

mela acerba

Descizione

DMSOMetionina, SO4

FAN + carboidrati

FAN + carboidratiFAN + carboidraticarboidrati

metabolismo

30 - 50ug/LDimetil solfuro5 - 10ug/LH2S

2,0 – 4,0mg/LAcetaldeide

1,5 – 2,5mg/LIsoamile acetato16,0 – 18,0mg/LEtile acetato

10 - 30ug/LDiacetile

Valore

in prodotto finito

u.m.Parametro

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La maturazione a caldo La maturazione a caldo –– Aspetti biochimiciAspetti biochimici

• Il diacetile è un dichetone vicinale; è pesente nella birra al termine della fermentazione insieme ad un altro dichetone vicinale, il 2-3 Pentandione. Dalla letteratura tedesca, vengono complessivamente indicati come VDK (Vizinal Di Ketons)

• La soglia di percezione del diacetile è di circa 30 ppb (anche se in letteratura si riporta 100 ppb) , quella del pentandione è circa 10 volte più elevata

treonina

Alfa-chetobutirrato

Alfa-aceto-alfaidrossibutirrato

isoleucina

2,3 pentandione

piruvato

Alfa acetolattato

valina

diacetile

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Conduzione della Conduzione della ““pausa pausa diacetilediacetile”” --

• Gli alfa-aceto-idrossi-acidi in eccesso sono escreti dalla cellula lievito nella birra

• Nella birra subiscono la decarbossilazione non-enzimatica a dichetoni vicinali

• I dichetoni vicinali possono essere riassorbiti dal lievito per essere ridotti ai corrispondenti dioli.

• Nella prassi, una volta recuperato il lievito si deve attendere 2-3 giorni prima che il diacetile venga riassorbito al di sotto della soglia di percezione

• La velocità di riassorbimento del diacetile da parte del lievito è un indicatore del suo stato di salute. Se il lievito è stato maltrattato (lunghi stoccaggi, colpi di freddo, stoccaggi a temperature elevate, selezione della componente flocculenta..) provocano riassorbimenti lenti del diacetile

• Se la sofferenza del lievito è stata eccessiva, il diacetile non viene più riassorbito nemmeno dopo lunghe pause e la birra deve essere tagliata

• Al termine della pausa diacetile il fermentatore viene raffreddato a circa 0 °C (servono 2-3 giorni) ed inizia la maturazione a freddo

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Maturazione a freddoMaturazione a freddo

• La maturazione a freddo si svolge nello stesso tank di fermentazione, nei processi unitank. Alternativamente, si procede ad un raffreddamento in uno scambiatore a glicole o ricircolando sullo stesso fermentatore o travasando in un altro tank.

• La maturazione a freddo (lagering) è un processo di stabilizzazione naturale.

• I complessi tanno-proteici rimasti al termine del processo di chiarificazione del mosto si aggregano e precipitano per effetto della prolungata esposizione al freddo.

• La maturazione a freddo aiuta anche la precipitazione delle bratteole dei coni di luppolo, nel caso si utilizzassero in ricetta abbondanti quantità di pellets o di coni pressati

• Il processo di maturazione a freddo dura 3-14 giorni a seconda del tipo di ricetta

• La maturazione a freddo si integra con altri processi di stabilizzazioneeffettuata con coadiuvanti tecnologici

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La cantina di fermentazione e maturazioneLa cantina di fermentazione e maturazione

La cantina a vasche aperte

Un moderno fermentatore cilindro-conico

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Filtrazione Filtrazione -- TecnologiaTecnologia• La filtrazione è un processo di separazione nel quale le cellule di lievito ed altri

prodotti intorbidanti ancora presente nella birra matura devono essere rimossi .

• Lo scopo della filtrazione è quello di stabilizzare la birra, in modo che non si verifichino cambiamenti visibili per la durata della shelf-life del prodotto.

• Esistono fondamentalmente due meccansmi di separazione

- Per setacciatura o filtrazione di superficie. Le particelle che non possono passare attraverso i pori del filtro vengono trattenute e formano uno strato a spessore crescente

- Per filtrazione di profondità. La filtrazione è supportata da un mezzo di separazione costituito da materiale molto poroso. La superficie di scambio èenormemente aumentata dalla struttura del mezzo di separazione; inoltre, la presenza di labirinti costringe il liquido a seguire percorsi tortuosi aumenandol’efficienza di filtrazione.

• Nel settore birrario la tecnologia più diffusa è per filtrazione di profondità, in cui il mezzo di separazione è costituito da farine fossili (Kieselguhr - terra di diatomee-Diatomaceous Earth) a diversa granulometria: grossolana, media, fine.

• I filtri contengono delle strutture (piatti o candele filtranti) cui i kieselguhr si aggrappano dopo essere stati dosati nel filtro

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Filtrazione Filtrazione Diagramma delle porositDiagramma delle porositàà dei diversi sistemi di filtrazionedei diversi sistemi di filtrazione

Filtrazione KG

Lieviti

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Conduzione della filtrazioneConduzione della filtrazione• La filtrazione con kieselguhr (KG) viene effettuata usando un setaccio di filo

avvolto con un grado di ritenzione di 70 – 100 micron. La superficie del setaccio è di 80-120 m2 per un filtro da 500 hl/h

• Primo Prepannello: si applica uno strato di circa 700-800 grammi/m2 di KG sospeso in birra o acqua desaereata, allo scopo di trattenere i KG a grana piùfine che verranno successivamente dosati. Il prepannello può costituire fino al 70 % del consumo totale di KG

• Secondo Prepannello: si applica uno strato di circa 7-800 grammi/m2 di KG, allo scopo di chiarificare perfettamente anche la prima birra che arriva dalla cantina. Tra primo e secondo prepannello si dosano 1000 g/m2 di KG.

• Dosaggio in continuo: Serve a mantenere la permeabilità dei prepannellidurante tutto il ciclo di filtrazione. In questo modo si garantisce la costanza del flusso di birra in ingresso ed uscita dal filtro. I comuni dosaggi si aggirano sui 80-120 g/hl di birra

• Nel corso della filtrazione, la pressione a monte del filtro aumenta progressivamente fino ad un delta pressione ingresso-uscita di circa 6 bar. A questo punto la filtrazione va interrotta per evitare il danneggiamento delle strutture metalliche del filtro.

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Filtrazione Filtrazione –– Il flusso del processoIl flusso del processo

Tank Birra Filtrata TBF

Filtro PVPP

PVPP Stabilizzante

Filtro

KG

Gel di silice Stabilizzante

Farine fossili

CentrifugaBirra Matura

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Stabilizzazione colloidale Stabilizzazione colloidale -- TecnologieTecnologie• La birra filtrata è instabile dal punto di vista microbiologico e colloidale

• L’instabilità biologica è dovuta alla non completa rimozione di lieviti e batteri da parte della filtrazione. Viene corretta ricorrendo a trattamenti termici (pastorizzazione) o ad ulteriori filtrazioni (microfiltrazione)

• L’instabilità colloidale è dovuta alla presenza di complessi polifenoli-proteineche tendono ad intorbidare la birra nel tempo.

• Se immergiamo una bottiglia di birra in acqua ghiacciata, vedremo formarsi della torbidità: questo è il torbido a freddo (chill haze). Se riscaldiamo la bottiglia a 60 °C il torbido scompare. Provando a ripetere l’esperimento piùvolte, vedremo che il torbido non scompare più: si tratta del torbido permanente (permanent haze).

• Il torbido a freddo è il precursore del torbido permanente, con il quale condivide la composizione. Si tratta dei prodotti della degradazione di proteine ad alto peso molecolare che, in combinazione con polifenoli ad alto grado di condensazione (prevalentemente polifenoli), formano degli aggregati visibili ad occhio nudo. Diversi fattori influenzano la formazione del torbido permanente. Quando l’aggregato è molto grande, l’esposizione successiva al calore non è più in grado di dissolverlo

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Schema di formazione del torbido colloidaleSchema di formazione del torbido colloidale

Complessi proteici

(Legami a idrogeno)

Complessi polifenolici

calore

Ossigeno

Metalli pesanti

agitazione

luce

Complessi

Proteici

+

Complessi

Polifenolici

Chill haze Permanenthaze

Attraverso la misura della torbidità forzata possiamo stabilire qual è la stabilità colloidale del prodotto

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Stabilizzazione colloidale Stabilizzazione colloidale -- TecnologieTecnologie

• Agendo su uno dei due componenti del torbido permanente si riesce ad aumentare la stabilità colloidale.

• Schematicamente:

Gel di silice Agisce sulla Componente proteica

PVPP Componente polifenolicaAgisce sulla

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Stabilizzazione colloidale Stabilizzazione colloidale –– Il gel di siliceIl gel di silice

• I preparati di gel di silice agiscono sui polipeptidi intorbidanti senza inficiare la stabilità della schiuma.

• Si utilizzano in dosi tra 10-100 g/hL e vengono dosati normalmente in contemporanea con le farine fossili, venendo trattenuti dal filtro KG

• I gel di silice vengono preparati trattando i silicati di sodio con acido solforico

• I pori del gel hanno un diametro in torno ai 3,0 – 3,5 micron.

• Un importante fattore di applicabilità è costituito dalla distribuzione particellare: infatti particelle troppo piccole, pur essendo più efficaci, tenderebbero ad intasa il filtro KG molto rapidamente.

• Per questo motivo le particelle di gel hanno una dimensione attorno ai 40 micron.

• I gel di silice NON possono essere rigenerati, a differenza del PVPP

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Stabilizzazione colloidale Stabilizzazione colloidale –– Il PVPPIl PVPPPPolioli--VVinilinil--PPolioli--PPirrolidoneirrolidone

• Il PVPP è un composto organico caratterizzato da un cross-linkingtridimensionale ed ulteriormente fissato da catene intermoleolari.

• Si presenta come una polvere bianca insolubile in tutti i comuni solventi; in acqua non si discioglie, ma rigonfia.

• Il PVPP rimuove selettivamente tutte le sostanze fenoliche. Tale selettivitàdipende dalla formazione pH dipendente di legami idrogeno che vengono eliminati dal trattamento con alcali: tale principio è alla base della rigenerazione del PVPP

• Attualmente il PVPP viene utilizzato in combinazione con il gel di silice, in modo da garantirsi l’azione su entrambe le componenti del torbido permanente.

• I dosaggi del PVPP sono intorno a 20 – 50 g/hL.

• Il PVPP può essere utilizzando sia nella forma a perdere che rigenerabile.

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Il dosaggio del PVPPIl dosaggio del PVPP

• L’impianto è costituito da un filtro a piatti equipaggiato con dosatore e pompa.

• All’inizio della stabilizzazione, l’acqua di sterilizzazione riempie il filtro e viene eliminata dalla CO2.

• Lo strato di PVPP residuo dal trattamento precedente sui piatti viene rimosso e pompato al dosatore tramite un sistema ad albero rotante. Il filtro rimane sotto pressione di CO2

• Durante la rotazione il filtro viene risciacquato e il PVPP rimanente viene inviato al dosatore.

• Il filtro viene riempito di birra filtrata contenente PVPP in sospensione che si deposita sui piatta per costituire un prepannello.

• La stabilizzazione della birra si effettua dosando PVPP sul flusso della birra: il PVPP viene trattenuto sui piatti del filtro

• Al termine della filtrazione la birra residua nel filtro PVPP viene spinta con acqua deareata

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La rigenerazione del PVPPLa rigenerazione del PVPP• Lo strato (“torta”) di PVPP del filtro viene lavato con acqua calda

• Si pompa una soluzione di soda caustica alla concentrazione 1 % e 85 °C all’interno del filtro PVPP

• La soluzione caustica viene fatta ricircolare

• La soda viene spostata da acqua calda

• Si pompa una soluzione di acido diluito (normalmente acido fosforico) per neutralizzare completamente il circuito.

• Infine si procede alla sterilizzazione del circuito con acqua calda.

• Il filtro PVPP è pronto per un altro ciclo di stabilizzazione

• La rigenerazione con soda è un processo estremamente efficace: la soluzione di soda diventa rossa per effetto della presenza di pofenoli e va diluita prima di essere immessa negli scarichi

• La perdita totale annua di PVPP si aggira sullo 0,5 – 1,0 % in peso, per effetto della formazione di particelle fini dovute all’usura meccanica. E’ buona norma installare un filtro trappola a valle del PVPP per trattenere queste particelle

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Struttura dei Struttura dei KieselguhrKieselguhr –– Struttura del PVPPStruttura del PVPP

Struttura dei KG al microscopio elettronico

Struttura chimica del PVPP e legame con i fenoli

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Il Il TankTank Birra Filtrata Birra Filtrata -- TBFTBF

• La birra filtrata e stabilizzata viene immessa in tank a pressione (ca. 0,9 bar) pronta per essere imbottigliata o infustata.

• E’ buona norma tenere la birra in TBF il minore tempo possibile per evitare riscaldamenti che potrebbero inficiarne la stabilità microbiologica e, quindi, organolettica

• Idealmente, la birra deve stazionare in TBF a 2-3 °C per massimo 2-3 giorni.

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FINE