啤酒的科學
2019/01/11

毛慶豐 | 南台科技大學化學工程與材料工程系

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就原料或製造方法而言,啤酒和其他酒類有很大的不同。 本文從科學的角度,包含化學、微生物、製造工程等面向來述說啤酒的故事。
 
 

在商業廣告的大肆宣傳下,啤酒已被拱舉為夏日消暑、青春活力的聖品。啤酒酒精濃度低,有豐富綿密的泡沫,再配上啤酒花特有的香氣及苦味,說它是人類有史以來最暢銷的飲料,也當之無愧。近年來,精釀啤酒的風行更把啤酒產業帶入新的層次。除了賣場中五花八門各式品牌的啤酒外,愛好者甚至可以在家自行釀製,嘗試製作不同風味、創意十足、又獨一無二的啤酒。

 

就原料或製造方法而言,啤酒和其他酒類都有很大的不同。本文從科學的角度,包含化學、微生物、製造工程等面向來述說啤酒的故事。讓讀者在享受清涼的啤酒之餘,也可以讚嘆其背後所涵蓋的工藝巧思。另外對愛好自製精釀啤酒的人來說,這篇文章也可當作入門的參考。

精釀啤酒是目前啤酒產業新興的生產及消費模式,圖中是學生發揮創意研發的小米啤酒和冰珀啤酒。
精釀啤酒是目前啤酒產業新興的生產及消費模式,圖中是學生發揮創意研發的小米啤酒和冰珀啤酒。
 

啤酒的歷史和原料

 

啤酒可說是人類最早的酒精飲料,在美索不達米亞早期的文獻中,已有啤酒的製造及飲用的記載。在現存的浮雕古蹟中,也可看到蘇美人以吸管從大瓶罐喝啤酒的情景。但啤酒是怎麼發明的,則是眾說紛紜。最普遍的說法是:意外發現的。早期人們發現使用泡水發芽的大麥做出的麵包特別好吃;而後又發現大麥芽麵糰放置一段時間後會自然發酵,若拿去泡水後得到的飲料,更具有特殊的香氣,首批啤酒因而誕生。

 

從上述歷史可以理解啤酒最主要的原料是大麥,而且須使用發芽過的大麥,稱為麥芽。但在這個過程中到底發生了什麼事?古代釀酒師並不知其然,只知道使用古法就可得到香醇的美酒。拜現代科學之賜,我們對大麥發芽所產生的理化現象,以及後續烘焙過程,可從分子的觀點來理解。而使用麥芽進行糖化反應以製造麥汁,更是結合了科技及藝術,這些會在後面的章節介紹。

 

前面文章中有一個關鍵字,就是「發酵」。在發現微生物前,人們並不知道酒類釀製是來自酵母菌。德國人只是發現,在夏天釀酒,啤酒比較容易酸敗(現在已知道是雜菌滋生所致),而在冬天低溫時,則無這顧慮。

 

事實上,在不同溫度下製造啤酒時,是由不同種類的酵母菌在作用:高溫時(攝氏15~22度),酵母會浮至液體表面,並在發酵槽上層發酵,稱為上層發酵,這時釀造出來的啤酒稱為艾爾型啤酒,發酵的酵母菌則是所謂的啤酒酵母;低溫時(攝氏5~10度),發酵在發酵槽底部進行,稱為底層發酵,釀造所得的啤酒稱為拉格型,發酵的酵母菌則是卡爾酵母,兩者啤酒風味顯著不同。目前巿面上如海尼根、百威等大量製造的啤酒,多是拉格型,手工精釀的啤酒則多是艾爾型。

 

啤酒的主要原料除了麥芽外(酵母菌不算原料,因為發酵完後,酵母菌不會消失,仍存在於發酵液中),最重要的就是啤酒花了。啤酒花給啤酒帶來特殊的香味,還有不同程度的苦味。啤酒花甚至有抑菌作用,會使低酒精濃度下的啤酒不至於酸敗。

 

但啤酒花是何方神聖,其實大多數台灣人並沒看過,因為它只生長在緯度35度到55度之間的環境。攤開地圖,北半球可生長啤酒花的地方包含中歐、東歐、中國大陸北方、美國等地,南半球則以澳洲、紐西蘭為主。目前全球啤酒花產量以德國最高,美國次之。雖然在台灣種植啤酒花難度很高,但透過各種科學的分析,仍可了解啤酒花在啤酒製造過程中或風味上究竟扮演了什麼樣的角色。

 

水質也是啤酒原料的重點,大凡知名的啤酒廠都會標榜它的用水來源。純水無色無味,也無任何雜質在其中,在自然界中並不存在。無論是山泉水或自來水廠的給水,水中或多或少都帶有一些離子,如碳酸鹽類、硫酸鹽類、鈣離子、鎂離子等。這些離子的含量會影響麥芽的糖化反應,以及後續的發酵製程。惟本文因篇幅所限,無法論及於此。

 

麥芽糖化與澱粉酵素

 

首先來看由大麥到麥芽的過程中,到底發生了什麼事。麥芽製程是先把大麥浸在冷水中,模擬野地中大麥發芽的環境。這時大麥中酵素開始作用,把大麥胚乳中的澱粉及蛋白質分解為小分子醣類及胺基酸。在外觀上,可看到大麥長出幼根,3到5天後,幼芽逐漸冒出。當幼芽生長至麥粒的四分之三長時,麥粒中的酵素濃度最高,其中的蛋白質及澱粉就開始轉變成養分,供應大麥成長。這時,麥芽製造商必須藉由低溫乾燥方式停止大麥發芽,並保留麥芽中的酵素。

 

大麥發芽過程最重要的結果就是活化了大麥中的酵素,特別是澱粉酵素。澱粉酵素是麥芽糖化成麥汁過程中最重要的推手,沒有它,澱粉就不會轉變成酵母菌可以攝取的小分子醣類。從澱粉的結構來看,可以簡化其是由一個個葡萄糖分子串接而成的大分子,而澱粉酵素就像剪刀般,在糖化過程中把成串的葡萄糖分子切割成小段的葡萄糖分子。

 

麥芽中有兩類澱粉酵素,一是α型澱粉酵素,另一是β型澱粉酵素。前者會把成串的葡萄糖分子任意切割成不同長度的小段葡萄糖分子(葡萄糖寡聚物);後者則是非常一致,一次只切割出含兩個葡萄糖分子的雙醣,我們把它稱作麥芽糖分子。

 

從糖化溫度來看,α型澱粉酵素在比較高的糖化溫度(攝氏67度左右)下進行時效率較高,β型澱粉酵素則是在稍低的糖化溫度(攝氏62度左右)下有較高的效率。由於麥芽糖分子小,酵母菌好吸收,因此若在較低溫度下糖化,產出的麥汁中葡萄糖寡聚物較少,最終殘留的糖分也較少。

 

含有大量酵素的麥芽稱為基礎麥芽,這是藉由低溫乾燥停止發芽程序,並能保留麥芽中的各種酵素。通常這時乾燥脫水的溫度必須低於攝氏52度,以確保酵素不會失去活性。溫度太高,會像煮蛋時蛋白迅速由澄清變白濁,這種現象有個專有名詞,稱做「變性」。當麥芽中水分降至12%以下時,才能升溫加速乾燥,這時酵素仍保持著分子構形及其活性,不會變性。

 

另外一類麥芽稱為烘烤麥芽,這類麥芽是把基礎麥芽進一步烘烤而得。在高溫烘烤下,麥芽中的醣類和蛋白質會進行梅納反應,產生各式香氛的麥芽,提供啤酒更多的風味。但因溫度過高,酵素多已失去活性,因此製作啤酒時,僅能小量添加烘烤麥芽,仍以基礎麥芽為主要成分,以提供澱粉分解所需的糖化酵素。

 

常見的烘烤麥芽如維也納麥芽、慕尼黑麥芽、焦糖麥芽、巧克力麥芽等,光聽名稱就能讓人聯想到烘烤麥芽變化多端的口味。在製程上則是藉由改變烘烤溫度、時間及方式,達到不同程度的梅納反應及焦糖化反應。

 

把麥芽轉成麥汁,這個過程稱為糖化,要如何得到高濃度的麥汁也是一門大學問。在整個糖化過程中,最重要的是讓澱粉酵素能作用,儘量把麥芽中的澱粉轉換成酵母菌能使用的小分子醣類。

精釀啤酒可在家小批量製作,糖化可在煮鍋中進行,但均勻及穩定的溫度控制是成功的關鍵因素。圖中煮鍋外層包覆隔熱材料,以維持煮鍋糖化時的溫度。麥汁的比重可以用簡易比重計量測,以計算麥芽糖化過程的效率。
精釀啤酒可在家小批量製作,糖化可在煮鍋中進行,但均勻及穩定的溫度控制是成功的關鍵因素。圖中煮鍋外層包覆隔熱材料,以維持煮鍋糖化時的溫度。麥汁的比重可以用簡易比重計量測,以計算麥芽糖化過程的效率。
 

實務上可以測量麥汁的比重來度量糖化的效率,其原理是純水比重是1,當水中糖分增加時,密度也隨之增加。釀造出啤酒的酒精度和麥汁中糖分的含量直接相關,酒精度愈高,所用麥汁中糖分濃度也要高。一般啤酒酒精度是5%,要求麥汁的比重約為1.055。從商業啤酒的觀點,麥芽是原料,酒精是產品,每單位重的原料能產出多少固定酒精度的產品,是產品獲利的重要管制項目。因此糖化效率是糖化過程的重要指標,無論原料如何改變,這個數值都是釀酒師一定要記錄的資料。

 

啤酒的風味不能單純以酒精度來度量,如何控制由麥芽所釋放出豐富的麥香層次也是一種藝術。要達到這個目的,除了在製酒配方中添加不同比率及種類的基礎麥芽、特殊烘烤麥芽、輔料(非大麥的其他五穀類)外,糖化過程中選用的糖化方式及溫度規畫也是另一手段。

 

前面提到麥芽中的酵素在不同溫度下反應速率不同,因此可藉由改變糖化時的溫度及時間產生不同的效果。舉例來說,想釀製麥香風味較重的啤酒時,可選用較高的糖化溫度,使得產出麥汁中醣類寡聚物較多些。這些醣類寡聚物不會被酵母菌消耗,最終殘存在啤酒中,便增添了啤酒中的麥芽香。

 

啤酒花

 

接下來談啤酒的另一個重要成分─啤酒花,這是啤酒和其他酒類最大的差異。在釀製啤酒過程中若沒加啤酒花,就好像蚵仔麵線沒加蚵仔一樣,釀造出來的酒不會被認定為啤酒。啤酒花除了有抑菌效果、提供啤酒中的苦味外,還賦予啤酒特殊的香味。近年來,因生物科技的發達,啤酒花的種類已發展出上百種,有各式風味的啤酒花提供給釀酒師試驗。巿面上,啤酒花可分為苦味型、香味型、綜合型等。苦味已建立了科學的標準,可用於協助釀酒師估算酒方中的苦味值,香味則多以官能品評的方式來評量。

 

啤酒花的苦味成分主要來自於不溶於水的α酸,當加熱煮沸時,α酸結構逐漸改變而溶於水。加熱煮沸時間愈長,溶於水中的α酸比率愈高,苦味也就越重。巿面上販售啤酒花時,多標明α酸值若干。以苦味啤酒花為例,標示約在10%以上,香味啤酒花則在5%以下,介於其間者,可視為綜合型。

 

由啤酒花α酸的數值,釀酒師會根據麥汁的比重,以及最終設計的苦味值,計算煮沸啤酒花所需的時間。大體而言,麥汁比重愈高,煮苦所需的時間愈長。而單位時間的α酸溶出量可以用指數回復的時間函數表示,也就是煮苦時間長到某程度其幾乎可忽略不計。實際的煮苦時間大約在1小時左右。

 

對於香味啤酒花,因為香味來自於啤酒花中高揮發性具香氣的小分子,在長時間沸騰時,會逐漸喪失揮發至大氣中,因此煮沸時間不能如同苦味啤酒花般那麼長。一般香味啤酒花是在煮沸終止前的5~15分鐘時投入麥汁,甚至有所謂的冷泡法,在麥汁煮沸冷卻後再投入香味啤酒花,以保留啤酒花的香味。

 

啤酒花的香味有特別的品評方式,可以模仿香水氣味的度量方式,以雷達圖表示出如薄荷味、茶香、花香、柑橘香等各種香氛的分布。雷達圖的製作是由接受過專業訓練的官能品評師在圖上標出各香氛的程度,雷達圖中的刻度從0~10,刻度數值是數位品評師計分得到的平均值。

 

值得注意的是,同一種類的啤酒花在不同年分及不同產地會展現出不同的風味。筆者發現,近年來在精釀啤酒界流行的是柑橘風味的啤酒花,這是在商業啤酒制式化要求下所喝不到的風味。這點香氛上的差異,即使不是專業的品評師,也能夠輕易地區別出來。

啤酒釀造過程:啤酒釀造過程分成幾個階段,不同階段牽涉到不同的微生物反應、酵素反應、化學反應、製造工程技術等,都需要詳細的規畫及分析。
啤酒釀造過程:啤酒釀造過程分成幾個階段,不同階段牽涉到不同的微生物反應、酵素反應、化學反應、製造工程技術等,都需要詳細的規畫及分析。

發酵與陳釀

在早期人們不知道微生物時,認為啤酒的製造是上帝的禮物。直到1857年巴斯德發現了酵母菌後,才逐漸揭開微生物在釀酒過程中的神祕面紗。目前知道釀酒中不可缺少的酵母菌,如啤酒酵母,是真菌的一種,與原核細胞類的細菌類並不相同。啤酒酵母在有氧或無氧的環境下都能活動:有氧氣時,以發芽分裂的方式快速複製,每兩小時數量倍增,把麥汁中的糖轉化成水及二氧化碳;當無氧時,酵母菌會把糖分轉換成二氧化碳和酒精,稱為厭氧發酵。

 

酵母菌發酵的主要產物是二氧化碳和酒精,但也產生少量的它類化合物,如酯類、高級醇、酚類等。二氧化碳提供了啤酒的泡沬,這是啤酒不可缺少的元素之一,在口中啤酒溫度增加,釋放出的二氧化碳氣體進一步把香味帶出來。由厭氧發酵生成的酒精,是催化飲用心情的要素。由於啤酒酒精度較低,相較其他高酒精含量的酒類,是比較好的解渴飲料。至於其他成分對啤酒風味而言,是好或壞則各有所評。

 

酯類是具有水果香味的分子,由酒精和酸類反應生成。某些酵母菌株的特色就是生成這類果香分子,為加速生成酯類分子,某些釀酒師刻意在發酵過程某階段稍微提高溫度。高級醇是分子量較高的醇類,會讓人宿醉,且過量時會有刺激性味道產生,通常在較高溫度下酵母旺盛作用時產生,或主發酵完後未分離的麥渣繼續發酵生成。為避免高級醇產生,在主發酵時要控制溫度,同時在主發酵後換槽,分離底層麥渣再進行二次發酵。

 

酚類物質具有辛香味,其中丁香味常見於某些酵母菌株(如小麥啤酒釀造所用的特殊酵母)。但這類酵母使用上要注意,若水質中含氯過高,譬如使用自來水釀酒時,會生成氯酚,只要少量氯酚就產生藥水味。另外糖化過程也要注意,避免單寧酸的溶出;只要糖化溫度不要過高,以及酸鹼值低於5.5即可。

 

在啤酒製程中,麥汁發酵可分為兩個階段:主發酵期及二次發酵(熟成或陳釀)。投菌後24小時內,主發酵就開始發生,這時麥汁產生大量氣泡,頂部產生厚厚的一層高泡發酵醪,發酵槽內部也可看到麥汁的翻騰。在主發酵階段,酵母菌大量繁殖,消耗麥汁中的氧氣、醣類分子、胺基酸,並產生二氧化碳。氧氣耗盡後,發酵槽內進行厭氧發酵生成酒精。這時主發酵結束,是考慮轉桶到二次發酵槽的時候。二次發酵經過一段時間陳釀,再加入發泡糖裝瓶。

 

以上是精釀啤酒常進行的程序,其中製程變因或進行方式變化多端,並非一成不變,但原則是:凡是接觸酒的器材或輔料,都要滅菌以確保釀造過程沒有汙染。

一般個人精釀啤酒發酵可選用巿面上便宜的玻璃容器,再加上頂部氣封閥,只要器材滅菌完全,成功率可達百分之百。若要求啤酒品質有再現性,必須使用能控制溫度的不鏽鋼發酵槽。
一般個人精釀啤酒發酵可選用巿面上便宜的玻璃容器,再加上頂部氣封閥,只要器材滅菌完全,成功率可達百分之百。若要求啤酒品質有再現性,必須使用能控制溫度的不鏽鋼發酵槽。
講到這裡,大致對啤酒的原料,甚至整個製程有些概念了。啤酒的製程可以簡述如下:首先從麥芽的製作開始;碾壓後的麥芽加入熱水糖化,並過濾取得麥汁;麥汁需煮沸加入啤酒花產生苦味及香味,最終需急速冷卻並曝氣;投菌後進行主發酵及二次發酵;熟成後再加入發泡糖裝瓶;陳釀一段時間後就可飲用。

 
本文簡單地介紹了啤酒的原料及製程,也略談到相關的化學、微生物及製造工程。從文章中,讀者可了解到啤酒製造的每一個過程及細節都很有學問。歐洲有專門的釀酒學院,科學文獻中也有專門針對酒類製作的期刊,學者使用各式精密儀器,如氣相層析儀─質譜儀,來分析各階段的成分。本篇只能當做讀者了解啤酒科學的入門,若要成功地釀造出啤酒,讀者尚需學習更多的技術,因為無論是原料品質的苛求,或對製程參數精準的控制,都是製程中不可輕忽的一環。