Przegląd metod produkcji piwa o obniżonej zawartości alkoholu

Piwo jest napojem znanym ludzkości od starożytności. Od momentu jego wynalezienia w epoce kamienia napój ten stał się stałym elementem diety wielu cywilizacji takich, jak starożytnego Egiptu czy Mezopotamii [1], [2]. Mimo upływu tysięcy lat od wynalezienia piwa, nadal jest to trzeci najpopularniejszy napój na świecie po wodzie i herbacie. W 2019 roku w Unii Europejskiej wyprodukowano 34 miliardy litrów piwa, z czego Polska uplasowała się na drugim miejscu (po Niemczech) pod względem ilości wyprodukowanego piwa. W naszym kraju wyprodukowano 11% wszystkich piw powstałych w UE [3]. W ostatnich latach można zaobserwować trend polegający na odchodzeniu konsumentów od mocnych alkoholi w kierunku słabszych trunków. Nie inaczej jest z piwem, którego średnia zawartość alkoholu zmalała. Dodatkowo w Unii Europejskiej w 2019 roku uwarzono 1,4 miliarda litrów piwa bezalkoholowego. W Polsce udział piwa bezalkoholowego stale rośnie i osiągnął 5,7 % w roku 2020 (w 2019 wskaźnik ten wynosił 4,7 %) [3], [4].

Piwo bezalkoholowe, a dokładniej piwo o obniżonej zawartości alkoholu, to napój produkowany na bazie piwa, w którym wskutek procesów technologicznych zmniejszono zawartość etanolu do akceptowalnych przez konsumenta granic. Prawodawstwo poszczególnych krajów nie jest jednolite w sprawie zawartości alkoholu w piwach bezalkoholowych. Nawet w krajach Unii Europejskiej rozpiętość zakresu piw bezalkoholowych jest całkiem spora. Przykładowo, w Polsce piwo bezalkoholowe nie może mieć więcej niż 0,5% obj. alkoholu [5]. Takie same kryteria obowiązują w Niemczech, Czechach czy Wielkiej Brytanii. Natomiast w Norwegii dopuszczalna wartość to 0,7%, za to w Hiszpanii wspomniana wartość wynosi już 1%, najwięcej zaś piwa bezalkoholowe mogą mieć we Francji, bo aż 1,2% obj. alkoholu [6].

Piwo to nie tylko alkohol. W omawianym trunku znajduje się szereg substancji wykazujących działanie prozdrowotne. Dodatkowo w piwie zawarte są witaminy z grupy B, w przypadku których napój ten pokrywa znaczną część dziennego zapotrzebowania na te związki. Przykładowo, litr piwa zapewnia ok. 50% dziennego zapotrzebowania na niacynę, czyli witaminę B₃ [6, 7].

Duża część ze składników piwa decydujących o jego właściwościach organoleptycznych i prozdrowotnych pochodzi z chmielu oraz z w wyniku metabolizmu drożdży. Największym wyzwaniem podczas produkcji piw bezalkoholowych jest pozbawienie napoju alkoholu bez utraty związków odpowiedzialnych za charakterystyczne cechy organoleptyczne piwa. Ten cel można osiągnąć na dwa sposoby. Pierwszym sposobem są metody biologiczne, czyli ingerencje w biochemię procesu produkcji piwa mające na celu wyprodukowanie napoju o zawartości alkoholu akceptowalnej przez prawodawcę. Drugim podejściem do omawianego problemu są metody fizyczne polegające na usunięciu etanolu z gotowego produktu.

Biologiczne metody produkcji piw bezalkoholowych

Najprostszym sposobem zmniejszenia ilości alkoholu w piwie jest zmiana sposobu zacierania. Podczas tego procesu enzymy zawarte w słodzie rozkładają skrobię do prostszych cukrów fermentowanych przez drożdże takich, jak maltoza. Standardowo proces przeprowadza się dokonując zmian temperatury zacieru, aby zapewnić odpowiednie warunki dla pracy poszczególnych enzymów amylolitycznych. Przykładowo dla beta amylaz optymalna temperatura wynos 62–65^oC, zaś dla alfa amylaz 70–75^oC. Niemniej proces można prowadzić w warunkach nieoptymalnych dla wymienionych enzymów, co skutkuje gorszym scukrzeniem skrobi, a co za tym idzie mniejszą zawartością cukrów fermentowalnych.

Jedną z metod obniżania poziomu alkoholu jest zacieranie w wysokiej temperaturze 75–80^oC. Wtedy beta amylazy ulegają dezaktywacji, zaś alfa amylazy nadal wykazują część swojej aktywności. Dzięki takiemu zabiegowi ilość cukrów fermentowalnych przez drożdże spada do około 25% w porównaniu do tradycyjnego zacierania.

Drugie podejście do zmniejszenia ilości cukru w brzeczce wynika także z obniżenia aktywności enzymatycznej, ale z kolei poprzez obniżenie temperatury poniżej 60^oC. Niższa aktywność enzymów skutkuje niewielką zawartością fermentowalnych cukrów w brzeczce. W literaturze anglojęzycznej proces ten można spotkać pod nazwą cold water malt extraction.

Kolejną metodą polegającą na zmianach w procesie zacierania jest ponowne zacieranie wysłodzin nierzadko poprzedzone kwaśną hydrolizą w celu uwolnienia pozostałych cukrów, głównie niefermentowalnych pentoz [8, 9].

Niestety powyższe metody skutkują powstaniem piwa o brzeczkowym posmaku i ciężko jest uzyskać produkt porównywalny z tradycyjnymi piwami pod względem smaku. Użycie ciemnych i palonych słodów częściowo niweluje niedoskonałości piwa powstałego przez zmianę w procesie zacierania. Dodatkowo w przypadku zacierania w niskiej temperaturze lub zacierania wysłodzin mogą wystąpić problemy z barwą uzyskanego piwa, które będzie bledsze od swoich tradycyjnych odpowiedników.

Zatrzymana fermentacja to, ze względu na prostotę, obecnie najczęściej wykorzystywana metoda produkcji piwa bezalkoholowego. Idea tego procesu polega na tym, żeby zatrzymać proces fermentacji alkoholowej zanim drożdże piwowarskie zaczną produkować etanol. Fermentację można przerwać na kilka sposobów takich, jak: pasteryzacja, odwirowanie drożdży czy mikrofiltracja. Niestety przez to, że tak otrzymane piwo zawiera dużo nieprzefermentowanych cukrów, w tak otrzymanym produkcie można wyczuć charakterystyczny słodowy smak [8]. Częściowo można poprawić walory smakowe tak uzyskanego napoju poprzez leżakowanie w kadzi przez około 10 dni. Dodatkowo wysoka zawartość cukrów może być pożywką dla niechcianych mikroorganizmów, dlatego wskazana jest pasteryzacja takiego piwa.

Za pomocą zmian w temperaturze fermentacji można regulować szybkość procesu produkcji piwa, jak i metabolizm drożdży. Jednym ze sposobów stworzenia warunków do produkcji piwa niskoalkoholowego jest tak zwany proces zimnego kontaktu, polega on na tym, że fermentację prowadzi się w temperaturze 1–3 ^oC przy zakwaszeniu brzeczki do pH 4 za pomocą kwasu mlekowego. W takich warunkach metabolizm drożdży jest spowolniony, zaś proces tworzenia wyższych alkoholi, jak i estrów ulega mniejszemu spowolnieniu niż wytwarzanie etanolu. Mimo wytwarzania większej ilości związków aromatycznych niż etanolu, piwo uzyskane w procesie zimnego kontaktu może posiadać słodowy smak, jak piwo wytworzone przez zatrzymanie fermentacji. Ponadto jego produkcja zajmuje znacznie więcej czasu niż w przypadku standardowych piw [9, 10].

Usuwanie etanolu ze standardowego piwa

Alkohol etylowy jest niewielką cząsteczką o masie 46 g/mol i temperaturze wrzenia 78 ^oC w warunkach normalnych. Niemniej w piwie obecne są związki o podobnych właściwościach, które w śladowych ilościach dopełniają bukiet piwa. W związku z tym usuwanie alkoholu z gotowego produktu stanowi spore wyzwanie, gdyż celem jest selektywne usunięcie etanolu bez usuwania pozostałych związków odpowiedzialnych za profil aromatyczny piwa. Ponadto warunki procesu trzeba tak dobrać, aby nie doszło do rozkładu związków odpowiedzialnych za smak gotowego produktu. Niemniej przy dobrej technologii można produkować produkt bezalkoholowy o cechach organoleptycznych niemalże identycznych z alkoholowym odpowiednikiem.

Odwrócona osmoza jest procesem, w którym wymuszamy przepływ rozpuszczalnika ze środowiska mniej stężonego do bardziej stężonego. Wspomniane środowiska rozdzielone są selektywną membraną o porach średnicy kilku mikrometrów. Natomiast przepływ wbrew gradientowi stężeń wymusza się poprzez przyłożenie podwyższonego ciśnienia sięgającego nawet 60 barów od strony bardziej stężonego roztworu, czyli w omawianym przypadku piwa, zaś przepływ odbywa się w kierunku środowiska wodnego, czyli tego o mniejszym stężeniu etanolu. Stosowane membrany powinny wykazywać wysoką przepuszczalność dla etanolu i wody, jednocześnie będąc nieprzepuszczalne dla reszty związków decydujących o cechach organoleptycznych piwa. Jak pokazały badania w procesie odwróconej osmozy z piwa usuwany jest etanol, woda oraz niektóre niekorzystne związki chemiczne takie, jak siarczek dimetylu. Niestety poza wspomnianymi związkami w procesie odwróconej osmozy usunięciu ulegają również niektóre estry i wyższe alkohole. Po zakończonym procesie do retentatu trzeba dodać wodę, aby uzupełnić straty wynikające z mechanizmu odwróconej osmozy. Jedną z interesujących metod jest wykorzystanie do tego celu permeatu po odparowaniu etanolu. Wskutek tego zabiegu do retentatu wraca nie tylko woda, ale również część związków, które zostały usunięte w toku trwania procesu [11, 12]. Technologia odwróconej osmozy jest znana od kilkudziesięciu lat i wykorzystywana z powodzeniem do odsalania wody morskiej. Niestety obecnie proces odwróconej osmozy jest kosztowny i najprawdopodobniej w najbliższym czasie nie będzie stosowany na skalę przemysłową. Niemniej ciągle prowadzone są prace nad nowymi, bardziej selektywnymi membranami.

Perwaporacja jest to technika, które wiąże ze sobą trzy mechanizmy separacji: adsorpcji separowanego składnika na membranie, jego dyfuzję przez materiał membrany oraz desorpcję po drugiej stronie membrany. Ostatni etap wiąże się z pracą pod obniżonym ciśnieniem, a tym samym odbiorem permeatu w formie gazowej. Zdolność danego składnika (w tym przypadku etanolu) do przechodzenia przez membranę perwaporacyjną jest ściśle związana z jego ciśnieniem cząstkowym oraz selektywnością membrany. Z racji faktu, że jest to proces wykorzystujący właściwości lotne separowanych składników, poza samym alkoholem do permeatu mogą przechodzić inne związki odpowiadające za bukiet piwa. Badania prowadzone do tej pory nie były satysfakcjonujące, co wynikało przede wszystkim z faktu braku odpowiedniej selektywności membrany. W przypadku gdy stężenie alkoholu zostaje zredukowane o ponad połowę (z 5% do 2,6%) niemal 88% wyższych alkoholi oraz estrów znajduje się wraz z alkoholem w permeacie, a dalsza redukcja stężenia alkoholu (do 0,6%) powoduje, że w piwie zostaje jedynie 3,4% wszystkich wspomnianych aromatów. Inną możliwością jest wykorzystanie perwaporacji do odzysku aromatów, niemniej byłby to raczej proces towarzyszący innej metodzie separacji, niż samodzielna technika dealkoholizacji piwa. Dzięki temu omawiana metoda separacji może być również wykorzystywana do odzysku cennych aromatów i późniejszego kontrolowanego wzbogacania o nie piwa bezalkoholowego [9, 13, 14].

Etanol, jako związek lotny, może być usunięty na drodze odparowania. Proces ten prowadzony jest w wyparkach z tzw. spadającym filmem lub kolumnach z wirującymi elementami. Najpopularniejszym wykorzystaniem tego typu wyparek jest zagęszczanie produktów spożywczych, takich jak soki czy syropy, jednak po doborze odpowiedniej temperatury procesowej, mogą posłużyć do odparowania alkoholu w piwie. Im wyższa temperatura, tym większy stopień redukcji alkoholu, ale jednocześnie większa strata cennych związków aromatycznych, np. przy redukcji zawartości etanolu z poziomu 5,0% do 0,5% v/v stężenie wyższych alifatycznych alkoholi stanowi jedyne 6% w stosunku do początkowej ilości, natomiast związki ogólnie niekorzystnie wpływające na smak produktu takie, jak: siarczek dimetylu czy diacetyl po procesie są praktycznie nieobecne w piwie. Podobne efekty zaobserwowano dla kolumn z wirującymi elementami, które działają na bardzo podobnej zasadzie jak wyparki ze spadającym filmem [15, 16]. Dodatkowo ten typ wyparek jest już komercyjnie stosowany przy dealkoholoizacji wina.

Bardziej kontrolowane odparowanie piwa, prowadzące do pewnego rodzaju rozfrakcjonowania alkoholu i aromatów ma miejsce na kolumnach rektyfikacyjnych. Niewątpliwą zaletą tego procesu jest możliwość odebrania jedynie frakcji alkoholowej oraz frakcji zawierającej tylko pewną grupę składników. Dzięki rozfrakcjonowaniu destylatu można zawrócić związki aromatyczne z powrotem do piwa bezalkoholowego, przez co jego aromat jest bogatszy niż przy zastosowaniu innych metod. Cały proces można znacznie usprawnić stosując obniżone ciśnienie lub próżnię w celu obniżenia temperatury wrzenia etanolu, a co za tym idzie temperatury procesu. Dzięki temu można usunąć etanol w temperaturze rzędu 40 ^oC [10, 17]. Rektyfikacja próżniowa, w przeciwieństwie do metod membranowych pozwala bez trudu osiągnąć produkt o zawartości etanolu 0%. Tego typu rozwiązania z powodzeniem są obecnie stosowane w przemyśle napojów bezalkoholowych.

Obserwując obecne trendy w rozwoju piw niskoalkoholowych oraz bezalkoholowych można się spodziewać, że coraz większa ilość browarów zacznie włączać tego typu produkty do swojej oferty. Najtańszym sposobem jest użycie metod biologicznych, które polegają na niedopuszczeniu do produkcji etanolu w procesie fermentacji. Niemniej tego typu metody znacznie ograniczają wybór dostępnych stylów piwa. Jeżeli dąży się do konkurencyjności na rynku piw bezalkoholowych to trzeba dokonać inwestycji w linię do dealkoholizacji piwa. Mimo znacznych kosztów inwestycyjnych tego typu instalacje pozwalają usuwać alkohol z każdego rodzaju piwa, natomiast teraz jest najlepszy czas aby zaistnieć na rynku piw bezalkoholowych i wyrobić sobie renomę, która będzie procentowała w najbliższych latach.

Artykuł jest częścią opracowania - FoodFakty NAWIGATOR - Piwo bezalkoholowe - rynek, surowce, technologie

Literatura:

[1]       L. Dietrich et al., “Investigating the function of Pre-Pottery Neolithic stone troughs from Göbekli Tepe – An integrated approach,” J. Archaeol. Sci. Reports, vol. 34, no. November, 2020.

[2]       S. A. Maksoud, M. N. El Hadidi, W. M. Amer, and T. Herbarium, “Beer from the early dynasties (3500-3400 cal B.C.) of Upper Egypt, detected by archaeochemical methods,” Veg. Hist. Archaeobot., no. 3, pp. 219–224, 1994.

[3]       “Happy International Beer Day!,” 2020. [Online]. Available: https://ec.europa.eu/eurostat/en/web/products-eurostat-news/-/EDN-20200807-1. [Accessed: 23-Oct-2020].

[4]       “Branża piwowarska na minusie w 2020 roku. Najwięcej tracą piwa mocne, najszybciej zyskują bezalkoholowe,” Kierunek Spożywczy, 2021. [Online]. Available: https://www.kierunekspozywczy.pl/artykul,82438,branza-piwowarska-na-minusie-w-2020-roku-najwiecej-traca-piwa-mocne-najszybciej-zyskuja-bezalkoholowe.html.

[5]       Art. 94 pkt 1 Ustawy o podatku akcyzowym (Dz.U. z 2017 r. poz. 43). Poland.

[6]       M. Müller, K. Bellut, J. Tippmann, and T. Becker, “Physical Methods for Dealcoholization of Beverage Matrices and their Impact on Quality Attributes,” ChemBioEng Rev., no. 5, pp. 310–326, 2017.

[7]       C. W. Bamforth, “Nutritional aspects of beer - A review,” Nutr. Res., vol. 22, no. 1–2, pp. 227–237, 2002.

[8]       R. Muller, “The production of low-alcohol and alcohol-free beers by limited fermentations,” Ferment, vol. 3, pp. 224–230, 1990.

[9]       M. Jackowski and A. Trusek, “Non-alcoholic beer production – an overview,” Polish J. Chem. Technol., vol. 20, no. 4, pp. 32–38, 2018.

[10]     T. Brányik, D. P. Silva, M. Baszczyňski, R. Lehnert, and J. B. Almeida E Silva, “A review of methods of low alcohol and alcohol-free beer production,” J. Food Eng., vol. 108, no. 4, pp. 493–506, 2012.

[11]     I. G. Wenten and Khoiruddin, “Reverse osmosis applications: Prospect and challenges,” Desalination, vol. 391, pp. 112–125, 2016.

[12]     L. Liguori, G. De Francesco, P. Russo, G. Perretti, D. Albanese, and M. Di Matteo, “Production and characterization of alcohol-free beer by membrane process,” Food Bioprod. Process., vol. 94, pp. 158–168, 2015.

[13]     Á. Del Olmo, C. A. Blanco, L. Palacio, P. Prádanos, and A. Hernández, “Pervaporation methodology for improving alcohol-free beer quality through aroma recovery,” J. Food Eng., vol. 133, pp. 1–8, 2014.

[14]     A. I. Paz, C. A. Blanco, C. Andrés-Iglesias, L. Palacio, P. Prádanos, and A. Hernández, “Aroma recovery of beer flavors by pervaporation through polydimethylsiloxane membranes,” J. Food Process Eng., vol. 40, no. 6, 2017.

[15]     P. Moreira da Silva and B. De Wit, “Spinning cone column distillation – innovative technology for beer dealcoholisation.,” Cerevisia, vol. 33, pp. 91–95, 2008.

[16]     Y. Y. Bellsario-Sánchez, A. Taboada-Rodríguez, F. Marín-Iniesta, and A. López-Gómez, “Dealcoholized wines by spinning cone column distillation: Phenolic compounds and antioxidant activity measured by the 1,1-Diphenyl-2-picrylhydrazyl method,” J. Agric. Food Chem., vol. 57, no. 15, pp. 6770–6778, 2009.

[17]     M. Purwasasmita, D. Kurnia, F. C. Mandias, Khoiruddin, and I. G. Wenten, “Beer dealcoholization using non-porous membrane distillation,” Food Bioprod. Process., vol. 94, pp. 180–186, 2015.