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發酵的科學(七)啤酒

生活科學趣談

麥芽(Malt)是將麥粒浸泡在水中促使其發芽,然後利用其發芽產生的酶將胚乳中的澱粉轉化為麥芽糖。一般釀造啤酒多使用大麥,但也有使用小麥或裸麥等穀物所製成。麥子發芽後約增加50%的水分重量,這種濕麥芽傳統上必須先乾燥轉變成淡色麥芽或是焦糖麥芽才能拿來釀酒。製麥通常以約55℃的熱風吹拂,經24小時將麥芽含水量降至10%左右才能儲放而不變質,溫度定在55℃的目的是不讓麥粒中的澱粉酶被高溫所破壞,並且能在乾燥的過程中同時進行澱粉的糖化(這也是我在前一篇文章中使用55℃來讓濕麥芽中的澱粉進行水解糖化的原因)。烘乾的熱源可使用有溫控裝置的烤箱,若採用一般的小型烤箱則須藉由斷電與打開烤箱等動作來降溫,使烤箱內溫度不超過70℃以免破壞了澱粉轉化酶。乾燥完成後的麥芽有點蓬鬆,輕輕的咬就能咬碎,口感微甜。如果是使用120℃以上的高溫將麥芽顆粒烘烤成金黃色就成為焦糖麥芽,釀出來的啤酒色度會比較深。自製麥芽十分費工,因為乾燥後的麥芽還要揉搓來除去細根,加上品質也較難控制,譬如澱粉酶含量較市售麥芽低,因而造成糖化過程的澱粉轉化率低,或是在進行酒精發酵時有大量的沉澱物無法發酵等缺點,因此目前玩家們多是直接購買乾燥麥芽來釀啤酒。

先來聊二款傳統的歐洲啤酒

● 維也納啤酒(Vienna):一種經由低溫釀造的貯藏啤酒,原料採用維也納麥芽,釀出的啤酒色澤呈現出漂亮的金銅色,麥芽香比酒花香還明顯,味道略甜。

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●  慕尼黑啤酒(Munich):是以維也納型啤酒釀造方法為基礎所改進的德國啤酒。它是一種色澤不太深的黑啤酒,使用的麥芽在烘烤過程中充分乾燥而顏色增深,但並沒有破壞酶的活性。該啤酒在每年的三月份釀造,所以在當地又稱為Märzen(德文三月的意思),經過六個月的低溫窖藏,到九月底的啤酒節上才由慕尼黑的市長親自敲開第一桶啤酒,宣佈啤酒節開幕
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此時酒花四濺,香濃美味,開壇十里香。所以這款啤酒成為慕尼黑啤酒節上最富有代表性,銷量最大的啤酒,它的麥芽香味突出。


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● 慕尼黑黑啤酒(Munich Dunkel):Dunkel是德文dark的意思,發音與德文的”謝謝Danke”有點像,這是我大學選修德文時所學到的第一個單字。這款啤酒的顏色由琥珀色到黑褐色都有,其特點是帶一點堅果香氣與較強的焦糖風味,有點像是在喝榛果咖啡。
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接著來談談啤酒的釀造方法,入門者不妨先以單一純麥著手,等累積經驗後即可調配各式的麥芽以釀造出專屬於個人風格之特色啤酒。

【主料】:

1. 已輾麥的乾燥麥芽一包,一公斤裝售價100~120元

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輾麥的目的是為了增加澱粉與水接觸的表面積,因此這能加快澱粉水解的速率。我以前曾經買過未曾輾製的麥芽,由於沒有輾麥機,所以只好使用擀麵棍來擀,花了好幾個小時才輾完一公斤。麥芽輾麥後不耐儲放,必須盡快進行釀酒以免麥芽變質。

【糖化】:

2. 在”發酵的科學(六)”曾提過胚芽中含有各種的酵素,β-葡萄糖酵素是破壞麥芽外部的糊粉保護層、蛋白酶分解大分子蛋白質、肽酶產生游離氨基酸氮、β-澱粉酶將澱粉轉化為麥芽糖、α-澱粉酶則能將澱粉切斷成長短不一的短鏈糊精。由於不同的酵素各自有最高催化速率時的溫度範圍,譬如β-葡萄糖酵素和蛋白酶與肽酶是35~45℃、β-澱粉酶是60~65℃、α-澱粉酶是60~70℃。因此將麥芽泡入水中後,本應進行階梯性三次升溫才能得出最佳品質的糖化麥汁。不過我是採用降溫這種較為簡單的方式,也就是先將6公升水加熱至67℃,接著倒入一公斤的麥芽,攪拌後溫度會略為下降,再以小火加熱至67℃,然後熄火蓋鍋蓋,大約30分鐘後溫度大約會降至62℃。因此在這30分鐘內是先由α-澱粉酶取得主導權,自然降溫後再交給β-澱粉酶來接手。接著又需再度以小火加熱至67℃,繼續再靜置30分鐘。這樣的過程共進行三次,共費時1.5小時即可大略完成糖化過程。這種單步出糖的簡易方式是只做最後一階段澱粉酶轉換的步驟,常用於原料中不含有未發芽殼物的模式,譬如配方中沒有使用到麥片或玉米片這種能降低成本的釀造材料。

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3. 糖化過程進行1.5小時之後,撈取麥渣以碘酒做澱粉檢驗,靜置5分鐘仍無藍黑色的碘-澱粉錯合物出現,代表糖化已接近完成

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4. 糖化完成後的麥汁以比重式糖度計來測量,維也納麥芽與慕尼黑麥芽所熬煮之麥汁的計示讀數都是7度左右

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但是焦糖麥芽的麥汁嚐起來幾乎沒有甜味,這是因為它是以較高溫度烘烤,其中的澱粉酶已被破壞,加上高溫烘烤過程會產生 梅納反應 與 焦糖化反應,醣類經過這種褐變能產生焦糖香味,但也同時失去了能被酵母菌利用的特性,因此這種焦糖稱為非發酵糖。

【熬煮麥汁】:

5. 糖化完成後須過濾麥汁,由於濾出第一道麥汁後仍有部份麥汁附著在麥渣上,通常是使用熱水將這些麥汁洗出來,這個動作要進行二次,分別收集第二道與第三道麥汁,然後將這三道麥汁全部混合在一起。我則省掉這個步驟,直接將仍有糖汁殘留的麥渣另裝一桶來發酵,因為我覺得第二道與第三道麥汁的品質稍差,所以偏好僅使用第一道麥汁來釀啤酒(☆第一道麥汁純釀^^)。至於這些以麥渣另行釀造出來而沒甚麼麥香味的啤酒,我是混入焦糖麥芽的麥汁中做為提高酒精度的功能,反正焦糖麥汁的焦糖味很濃,所以使用較不具麥香味的第二、第三道麥汁來調成黑麥啤酒是不錯的選擇

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6. 熬煮麥汁的目的除了殺菌與中止酵素作用,同時也能將麥汁中會產生異味的二甲基硫醚(DMS)藉由高溫來揮發掉,二甲基硫醚是由蛋白質的分解所產生,帶有腥味(這也是不新鮮的海產會有腥味的原因)。由於二甲基硫醚的沸點低於水的沸點,因此只要煮沸的時間夠長就能夠有效的減低DMS的含量。啤酒花也是在這個階段加入麥汁中一起熬煮,啤酒花中的α酸為啤酒中苦味的來源,由於α酸的主要成分「蛇麻酮」不溶於水,必須經由煮沸將其轉化為異構物,才能溶入麥汁中而帶來苦味;此外啤酒花中的精油(月桂烯、律草烯、沉香醇…)則能帶來香氣,但是與α酸不同的是這些精油很容易於煮沸過程中揮發,因此香味型的啤酒花通常在煮沸最後10分鐘時才加入。基於啤酒花總類多元且影響啤酒風味甚鉅,建議初學者先採用Cascade(α酸含量4.5~7.0%)做為香味型啤酒花;採用Centennial(α酸含量9.5~11.5%)做為苦味型啤酒花,等累積經驗後再來改變使用的酒花品種

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7. 啤酒花的使用量是麥芽重量的1%,一公斤的麥芽需10公克的啤酒花,因此先在剛開始煮麥汁時投入半數的5公克苦型酒花,中火熬煮50分鐘,然後在最後10分鐘再加入5公克香型酒花(若買不到香型與苦型酒花,可改以通用型Hersbruck代替,先放1/2量,最後再放剩餘的1/2量)

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煮一個小時大概會蒸發掉3公升的水量,因此結束後加入3公升的冰開水來補充,然後以啤酒花過濾袋來濾除酒花殘渣,再將麥汁冷卻到接近室溫(專業的是使用冷卻器,我則是放進冰箱)。

【澄清】:

8. 通常酒體會呈現混濁是由於啤酒中的多酚類物質和蛋白質,麥芽和啤酒花中都含多酚類,小麥啤酒則含有較高的蛋白質。由於自釀啤酒通常沒有專業的啤酒過濾器,若要釀出較為澄清的啤酒通常是在熬煮麥汁時使用澄清劑。多數人是採用下列這款啤酒矽膠,使用比例為麥汁的0.05%,它是一種非晶態多微孔結構的固體粉末,孔徑約10nm,化學分子式為mSiO2·nH2O,由於其具有微孔結構,每公克的總表面積達300-600平方公尺,因此就如同活性碳一樣能吸附雜質,達到讓麥汁澄清的目的

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矽膠除了可當吸附劑,另一個常見的用途就是矽膠乾燥劑(silica gel),將這種二氧化矽水合物浸泡在氯化亞鈷溶液中,再經乾燥就可以得到變色矽膠,可用於指示矽膠吸水的程度。這是因為無水氯化亞鈷(CoCl2)呈藍色,而六水合氯化亞鈷(CoCl2·6H2O)為紅色。因此矽膠乾燥劑中的氯化亞鈷是當作濕度指示劑,真正能吸收濕氣的還是靠矽膠本身的水合功能。由於目前這種矽膠商品都是來自對岸,這讓我想起前陣子油炸廢棄油的新聞中提及油炸濾粉有驗出砷等有毒物質,所以使用這種矽膠粉我還是有點擔心,因此改採別種方式→使用珊瑚草
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使用前先泡水把鹽洗掉,在煮沸結束前10分鐘與香味型啤酒花一起加入熬煮,使用量是麥汁的0.01%,它可以幫助蛋白質熱渣的形成而產生沉澱,其原理與使用明礬來達到淨水的膠凝機制相同,都是藉由吸附懸浮微粒來減少混濁現象。

【投入酵母】:

9. 將冷卻後的麥汁裝入發酵桶並投入酵母,酵母建議採用SafBrew S-33
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10.這品種的酵母很優,不僅能釀出品質不錯的酒(含較少的甲醇與乙醛),而且每次釀完酒後,沉澱於底部的酵母泥還能重複拿來當菌種以供下次使用,或者是加入牛奶中當營養補給品^^。酵母的使用量是麥汁重量的0.1%,也就是6公升的麥汁投入6公克的啤酒酵母,不過S-33最適發酵溫度是15-20°C,所以拿它來發酵啤酒適合在冬天釀。

【酒精發酵】:

10. 酵母菌在缺乏氧氣時會通過糖酵解作用將葡萄糖轉化成丙酮酸,然後丙酮酸經脫碳作用形成乙醛並同時釋出CO2,乙醛再被於糖酵解作用產生的NADH2還原成乙醇並產生能量ATP。

C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + 2ATP

至於有氧條件下,酵母菌則是將葡萄糖經有氧呼吸(糖酵解→三羧酸循環)代謝生成CO2和H2

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 3ATP 38ATP(或是36ATP,若是生成的NADH走甘油磷酸穿梭進入粒線體的話)

酵母菌則是在有氧條件下才能夠迅速出芽繁殖。

釀造啤酒的酵母菌則根據發酵類型的不同,分為愛爾酵母(ale yeast)與窖藏酵母(lager yeast)。愛爾酵母在發酵期間會慢慢上升至啤酒表層,因此又稱上層發酵酵母(top fermenting yeast)。窖藏酵母則使用於底層發酵(bottom fermentation),與上層發酵方法相比,底層發酵往往採用較低的發酵溫度,發酵時間較長。到發酵末期, 酵母菌下沉於底部,由此啤酒酒色也較為透明。由於自釀啤酒通常是在室溫下發酵而未使用冷卻設備,因此S-33屬於上層發酵酵母,借助它所製作的ale啤酒則具有豐富的香氣及多層次的口感變化,成為鮮釀生啤酒及手工精釀啤酒常使用的酵母品種。

另外,酵母菌有個機制稱為「葡萄糖抑制作用」(glucose repression)。這個機制讓酵母菌在有氧的狀況下,只會利用葡萄糖來繁殖而不產生乙醇;但在無氧的狀況下,為了生存則會利用丙酮酸(pyruvate,葡萄糖的代謝產物)轉變成乙醇與二氧化碳來獲得能量,也就是所謂的發酵作用。由於熬煮一小時後的麥汁中幾乎已無溶氧,投入的酵母就無法增殖,因此將麥汁裝入發酵桶時我偏愛只裝六七分滿,藉由搖晃麥汁讓桶中上方的空氣來溶入一些氧氣。我發覺這麼做能提高發酵速率,讓啤酒在1週後就能收酒;如果我把麥汁裝滿,那麼就只能受限於所投入的少量酵母,發酵期就會拉長到2週,而且沉澱於底部的酵母泥也非常的少,這個差別正足以驗證這個葡萄糖抑制作用。

我也曾使用過窖藏酵母,將麥汁放入冰箱冷藏室來進行發酵,在7°C的恒溫下大約5週才能收酒。至於這次釀造啤酒的實驗採用上層發酵的模式,室溫約為21°C,加上酒精發酵是放熱反應,在劇烈發酵時所測得的麥汁溫度約提高4°C。因此這種7°C與25°C的差別對照於5週與2週的釀造時間,似乎可以印證「常溫附近時,溫度每增加10℃時反應速率會加倍」的反應速率與溫度之阿瑞尼士行為(Arrhenius behavior)。

影片中吵雜的鳥叫聲是來自窗外櫻花樹上的樹鵲,音量竟然比空氣閥的冒泡聲還要大,牠們可能是在吵架,因為左邊那隻對著右邊那隻一直叫,中間那隻則是旁觀的第三者。後來發現其實並不是吵架,因為左邊那隻張開雙翅在振動,所以應該是在對右邊的雌鳥做求偶的行為,中間那後來也振翅了,所以當母鳥真好(誤)beer16

11. 相對於大麥芽釀的啤酒,小麥芽的麥汁在發酵期有較細緻綿密的泡沫,顏色簡直就像打蛋白霜或是打奶泡一樣的白,會造成這種差異主要是其中蛋白質含量與種類的差異。小麥的蛋白質含量約比大麥多出5%,所以比較容易產生泡沫(ex. Piss容易產生泡沫可作為蛋白尿的觀察指標)。除了蛋白質含量差異之外,大麥也幾乎不含麩質因而不適合拿來做麵包,至於這種小麥中特有的麩質屬於谷膠蛋白(谷膠蛋白的英文gluten字根glute就是膠水之意),它們遇水會勾肩搭背形成網路,在麵糰中能把澱粉顆粒包住而有利於發麵,在啤酒中則是把二氧化碳氣體嵌入其中而形成泡沫,因而含有谷膠蛋白的小麥啤酒就會比大麥啤酒容易產生細緻綿密的泡沫了

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12. 過5天發酵後,空氣閥就幾乎不再冒泡了,然後再等個兩天讓酵母繼續沉澱,上方的啤酒就會變得清澈透明,此時就差不多可以裝瓶了

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13. 將發酵桶內的酒緩慢倒入消毒過的鍋子內,將沉澱於發酵桶底部的酵母泥收集起來,冷藏於冰箱中以備下次釀酒時使用。已經不冒泡的啤酒必須於裝瓶時再投入「發酵糖」,以供在密閉的酒瓶內生成二氧化碳並溶入酒中,這樣在冷藏熟成後開瓶才會有氣泡冒出。發酵糖使用葡萄糖,我的用量是每瓶酒瓶投入1%,以這批330ml酒瓶為例,每瓶加入3.3公克(加太少產氣不足,太多則開瓶時酒會溢出瓶外)。由於葡萄糖顆粒很細,若是將葡萄糖先裝入酒瓶再倒入啤酒,那麼這些細顆粒將會扮演凝結核的角色,將酒中過飽和的二氧化碳氣體一口氣析出。這是因為葡萄糖的顆粒實在太細了,總表面積就會非常大,於是將會產生”倒進去的酒幾乎又全部溢出來”。因此,發酵糖就會製作成糖球的形狀(類似小時候那種”金含”糖球)來減少表面積,不過不容易買到這種葡萄糖球,因此可改用粗顆粒的冰糖來代替,但這次我是採用將葡萄糖與酒液先行混合再裝瓶的模式

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【裝瓶】:

14. 先以毛刷刷洗酒瓶內部

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15. 再以沸水消毒殺菌

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16. 使用啤酒封蓋器來壓製瓶蓋,這一台在淘寶網售價是RMB 85元

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17. 封好瓶蓋,再來就是貼酒標
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咦? 有這牌子的啤酒嗎?喔,貼錯了! 是這個才對^^

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18. 裝瓶後須可放於室溫或冰箱中進行二次發酵,放進冰箱約一週才會有綿密的氣泡
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【風味評比】:小麥啤酒 > 維也納啤酒 > 慕尼黑啤酒 > 慕尼黑黑啤酒
喝過小麥啤酒的親友常講的一句話是:「比金色三麥好喝」^^

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