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Il Processo di Fermentazione
La Fermentazione è l’inizio della fase fredda del processo di produzione della Birra.
Durante la fermentazione il lievito trasforma gli zuccheri “fermentescibili”, prodotti durante l’ammostamento, in alcool (C2H5OH) e come prodotto secondario anidride carbonica (CO2).
La reazione base è la seguente:
C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2
La classica composizione di un mosto è la seguente:
|
Carboidrati |
% nel mosto |
Fermentescibile |
Descrizione |
|
Maltosio |
44 |
SI |
Disaccaride composto da due unità di glucosio |
|
Maltotriosio |
14 |
SI |
Trisaccaride |
|
Saccarosio |
4 |
SI |
Disaccaride composto da glucosio e Fruttosio |
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Monosaccaridi |
10 |
SI |
Prevalentemente Glucosio e Fruttosio |
|
Destrine |
21 |
NO |
Piccole catene ramificate |
|
Altri |
6 |
? |
La fermentescibilità dipende dal Ceppo di Lievito utilizzato. |
La reazione catabolica energicamente più favorevole è la respirazione. L’energia contenuta negli zuccheri semplici e complessi viene utilizzata, durante la respirazione in presenza di ossigeno, liberando CO2 e Acqua.
Nel lievito la presenza di zuccheri semplici in particolare glucosio impedisce, anche in presenza di ossigeno che la respirazione venga attivata (effetto Crabtree).
Il mosto in uscita dalla sala cottura viene raffreddato alla temperatura di fermentazione, insemenzato con il lievito necessario per la fermentazione e ossigenato. Questo è l’unico punto di tutto il processo di produzione della birra in cui la presenza dell’ossigeno ha un valore positivo; in tutti i passaggi precedenti e successivi la produzione deve affrontare la sfida di ridurre al minimo il contatto tra il prodotto e l’ossigeno.
L’ossigeno nella prima fase della fermentazione è importante per lo sviluppo del lievito: normalmente una fermentazione parte con un concentrazione di 5-20 milioni di cellule x millilitro, e durante le prime ore si duplica 2/4 volte. Come abbiamo visto pur in presenza di ossigeno, la respirazione è si inibita ma le cellule figlie che si formano debbono sintetizzare una nuova parete cellulare, composta da acidi grassi insaturi che hanno bisogno di ossigeno per la loro sintesi. Quindi la fase iniziale è importante per avere un lievito sano e vigoroso per la successiva fermentazione in anaerobiosi.
Oltre agli zuccheri vi sono altri elementi che compongono il mosto e che hanno un’influenza positiva sulla fermentazione:
-
aminoacidi (FAN) sono necessari per la sintesi delle proteine;
-
acidi grassi possono essere assimilati se la loro sintesi risultasse insufficiente nelle fasi di duplicazione cellulare;
-
ioni: in particolare Calcio e Zinco;
Birre fermentate in tank orizzontali vengono centrifugate per allontanare il lievito non più necessario. Nei Tank Cilindro Conici Verticali (TCCV) il lievito viene prelevato dal fondo del tank più volte dal momento della fine della fermentazione fino allo svuotamento del serbatoio. La porzione di lievito recuperata alla fine della fermentazione viene riutilizzata per le successive fermentazioni. Comunque per evitare gli effetti negativi delle cellule di lievito non decantate completamente anche le birre fermentate in TCCV spesso vengono centrifugate.
Controllo del processo di fermentazione
Il progredire del processo di fermentazione della birra viene seguito controllando la trasformazione degli zuccheri in alcool. In genere si segue l’estratto apparente: misura della densità degli zuccheri residui in funzione del tempo. Si definisce apparente perché non tiene conto della riduzione di densità del mosto/birra al crescere della concentrazione dell’alcool. Approssimativamente la concentrazione degli zuccheri apparenti è circa 80% della reale. In un processo di fermentazione controllato, la velocità di fermentazione, riduzione dell’estratto apparente in funzione del tempo, è costante.
Durante la fermentazione si nota una riduzione del colore, del pH e una perdita di amaro. Fermentazioni più veloci intensificano questi fenomeni.
Le variabili a disposizione per influire sulla fermentazione sono:
- Temperatura
- Concentrazione del lievito all’inizio
- Concentrazione dell’ossigeno
- Composizione del mosto
- Contropressione del fermentatore
- Geometria del fermentatore (Spazio di testa)
Basse temperature allungano i tempi di fermentazione, alte temperature rendono la fermentazione più veloce e turbolenta. La scelta del diagramma di fermentazione, temperature in funzione del tempo e dell’abbattimento del grado plato, è funzione della birra che si vuole ottenere e del lievito utilizzato. In particolare il lievito per le birre di tipo lager o a bassa fermentazione è Saccharomyces pastorianus (in passato identificato anche come S. Uvarum and S. Carlsbergensis) mentre quello per le birre ale o alta fermentazione è S. cerevisiae. Le classiche birre ad alta fermentazione sono le “ale” inglesi e le birre belghe di abbazia. Le birre ad alta fermentazione vengono fermentate a più alte temperature (15°- 25°C), il lievito a fine fermentazione si separa e viene raccolto in superficie. Queste birre tendono ad essere più aromatiche, speziate e meno attenuate. Le birre a bassa fermentazione, anche dette Lager vengono fermentate a bassa temperatura (5-15°C), il lievito viene raccolto sul fondo del tank e in genere risultano più fini.
La concentrazione di lievito disponibile all’inizio determina la velocità di partenza della fermentazione. Il lievito invecchia ed occorre rinnovarlo nel corso delle fermentazioni permettendo che in ogni singola fermentazione avvengano 2-4 duplicazioni. In alcuni casi viene applicata la tecnica del Drauflassen che prevede di aggiungere mosto fresco a fermentazioni già avviate.
Concentrazione dell’ossigeno influenza la qualità del lievito permettendo alle cellule nuove di avere una parete cellulare in grado di compiere una fermentazione regolare. Un eccesso di ossigeno determina un eccesso di duplicazione del lievito riducendo gli zuccheri disponibili per la produzione di alcool.
La composizione del mosto influenza il lievito in termini di contenuto di acidi grassi e FAN, la fermentazione stessa in termini di zuccheri fermentescibili e i prodotti secondari introducendo substrati per i metabolismi secondari.
La geometria del fermentatore influenza il prodotto finale: L’altezza del fermentatore esercita una pressione idrostatica crescente che influenza i moti del lievito e mantiene una più alta concentrazione di Anidride Carbonica. Entrambi questi aspetti hanno un valore sul metabolismo del lievito mostrando un importante caratterizzazione dei prodotti secondari della fermentazione. A tal proposito è’ importante la scelta del disegno del fermentatore. Pur essendoci differenti opinioni per i tank verticali, un buon rapporto tra Diametro : Altezza è tra 1:2 – 1:4. In genere viene mantenuta una lieve contropressione (0.1-0.3 bar) per evitare che ci possa essere l’accidentale ingresso di aria dall’esterno, che oltre ad ossidare il prodotto potrebbe essere il veicolo di un infezione microbiologica. Lo spazio di testa dei fermentatori è importante per ragioni di pulizia e sicurezza: durante la fermentazione il mosto produce i cosiddetti krausen (schiuma). Uno spazio di circa il 25% del volume assicura che la schiuma non arrivi sul duomo del fermentatore e non possa sporcare e come conseguenza compromettere il funzionamento delle valvole di sicurezza e di gestione della regolazione della pressione.
Metaboliti secondari del processo di fermentazione
Altri prodotti secondari importanti per la caratterizzazione di una birra vengono controllati durante il processo di fermentazione. Il primo fra tutti è il Diacetile, che conferisce un gusto di burro rancido. Questo composto viene prodotto nei primi stadi della fermentazione e riassorbito dal lievito stesso nella maturazione calda dopo che la fermentazione è finita. In alcune birre la presenza del diacetile fa parte del profilo aromatico.
L’acetaldeide, conferisce un gusto di mela verde, ha un andamento simile a quello del diacetile. La sua presenza è il segnale di fermentazioni molto violente con scarsa maturazione.
Gli alcoli superiori vengono formati durante la fermentazione e non possono essere rimossi. Quindi particolare attenzione deve essere posta nel gestire la fermentazione, per tenere sotto controllo la formazione di questi composti. Insieme agli alcoli superiori gli esteri determinano il profilo aromatico di una birra. Gli esteri sono composti volatili che conferiscono aromi fruttati alla birra. Alte temperature, agitazione vigorosa e alta concentrazione degli zuccheri sono tutti fattori che contribuiscono all’aumento di questi composti.
Infine abbiamo altri composti secondari che si formano durante la fermentazione e che contribuiscono al deterioramento dell’aroma di una birra: Solfuri e acidi organici conferiscono rispettivamente il gusto di uova marce e di formaggio.
Tank di Fermentazione
Le modalità di gestione della fermentazione nell’industria birraia sono molteplici e legate alla tradizione del paese o del prodotto, alle caratteristiche del lievito utilizzato e non ultimo a criteri di carattere economico.
Oggi i criteri economici applicati per la scelta di un fermentatore sono legati a diversi fattori: costo dei materiali, facilità con cui possono essere puliti e al costo degli accessori necessari a governare il processo (valvole, sonde di temperature e pressione). Ne consegue che aumentando i volumi si abbattono i costi: il volume cresce più velocemente della superficie a parità di geometria e il numero di accessori a parità di ettolitri prodotti è ridotto.
Il volume scelto in genere è un multiplo del volume di una cotta, e deve essere tale che il tempo di riempimento (numero di cotte prodotte) non superi le 12h. La geometria prevalente è il cilindro in posizione orizzontale o verticale. I tanks orizzontali sono lievemente inclinati verso un lato che viene utilizzato per il riempimento e lo svuotamento. I tank verticali hanno una base conica per facilitare il prelievo del lievito riducendo le perdite di prodotto. In quest’ultimi la rimozione del lievito in più step durante il processo di fermentazione presenta un grosso vantaggio in termini qualitativi rispetto agli orizzontali. Inoltre permettono di sviluppare fermentazioni più veloci e vigorose, e in caso di lieviti più flocculanti possono essere utilizzati per il processo UNITANK: la birra compie la fase di fermentazione di maturazione fredda nello stesso tank senza essere travasata. Il primo tank verticale per la produzione della birra fu brevettato da Nathan nel 1930 ma fino agli anni ‘60 non si affermò nell’industria. La dimensione del tank è legata a vincoli di altezza: la pressione idrostatica ha un impatto diretto negativo sulla salute del lievito, e indiretto aumentando la concentrazione della CO2 disciolta contribuendo a creare un ambiente stressante. Anche se esistono serbatoi più alti, l’altezza raccomandata da non superare è di 16 metri.
La reazione della fermentazione è una reazione esotermica, vengono prodotte 586,6 kJ (140 Kcal) per Kg di zucchero fermentato. Come abbiamo visto il controllo della temperatura secondo un diagramma è fondamentale per garantire la consistenza del processo. Anche qui si possono trovare differenti opzioni ma in generale si preferisce raffreddare il serbatoio stesso con delle tasche esterne in cui passa un agente refrigerante. Qualora il serbatoio venga utilizzato per la sola fermentazione le tasche di raffreddamento si trovano nella parte alta per gestire il processo e sul cono per salvaguardare il lievito che sia accumula sul fondo e tende ad andare in autolisi, creando dei punti di alta concentrazione di alcool. Se si vuole effettuare il processo Unitank le tasche sono su tutta la superficie del tank per permettere il mantenimento del freddo anche quando sono finiti i processi di agitazione della CO2.
Il materiale migliore per la costruzione dei tank oggi in uso è l’acciaio, per ragioni di resistenza, igiene e conducibilità. E’ importante che vi sia una buona conducibilità per permettere al refrigerante nelle tasche esterne del serbatoio di asportare il calore prodotto durante la fermentazione. Inoltre i serbatoi in genere vengono isolati dall’esterno per rendere il processo di regolazione della temperatura più efficiente.
In produzioni di birre di alta fermentazione è ancora possibile trovare tini di fermentazione tradizionali aperti, in cui il lievito viene raccolto in superficie. Il cuscino di CO2 che si forma durante la fermentazione costituisce insieme al lievito un velo di protezione del prodotto dall’ossidazione e dalle infezioni. E’ evidente che il livello di attenzione all’igiene della cantina di fermentazione è molto più alto che nelle moderne cantine con tank chiusi. Inoltre la cantina deve essere arieggiata per rimuovere la CO2 in eccesso che non viene recuperata.
Come abbiamo visto durante la fermentazione oltre all’alcool viene prodotta Anidride Carbonica: circa 0,5 Kg di CO2 per Kg di zucchero. Solo circa il 15% rimane disciolta nella birra alle normali pressioni di esercizio per evitare che un’eccessiva concentrazione possa influenzare negativamente la salute del lievito. Inoltre fermentazioni a bassa pressione (max 0,3 bar) permettono di ridurre i costi di fabbricazione dei fermentatori che possono essere progettati per resistere a pressioni più basse. Il surplus prodotto si concentra nello spazio di testa del serbatoio e viene allontanato. Negli stabilimenti più grandi la CO2 prodotta in eccesso è raffreddata liquefatta e conservata per essere utilizzata in tutti passaggi successivi del processo ed addizionata al prodotto finale per ottenere la giusta misura di gas. Le fabbriche moderne sono in grado di riutilizzare tutta la CO2 prodotta e di non comprarla dall’esterno.
Fermentazioni atipiche
In alcuni casi il processo di fermentazione può concludersi nel contenitore finale: bottiglia o fusto. Generalmente in questi casi vengono aggiunti zuccheri fermentescibli, lievito fresco e in alcuni casi luppoli aromatici (Dry-hop). Tipico esempio sono le cask beer inglesi in cui la maturazione finale del prodotto avviene nel punto vendita nei giorni precedenti alla mescita o le birre trappiste e di abbazia belghe che raggiungono anche 8 g/l di CO2 in bottiglia a causa della post fermentazione.
In conclusione non possiamo non citare le birre analcoliche che possono essere prodotte con differenti processi tecnologici:
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evaporazione dell’alcool;
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fermentazione controllata a basse temperature;
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utilizzo di lieviti selezionati che fermentano solo monosaccaridi.
In Italia si definisce birra analcolica un prodotto ottenuto dalla fermentazione del malto che abbia un contenuto in alcool inferiore al 1,2% Vol/Vol.
18 Dicembre 2011 Dott. GB. Molino
(Fermentatore orizzontale in fase di Krausen)
E adesso gli articoli dell'AITBM:
