Dieper in het water gedoken (6)

Rest Alkaliteit, Zuurgraad van de Mout en de pH van de Maisch

Zoals al in een eerder hoofdstuk is aangegeven is het beslag (de maisch) een gebufferde omgeving waar waterchemie en moutchemie (hopelijk) combineren om zeer gunstige omstandigheden te creëren voor versuikering en opbrengst vanuit het graan. Een gedetailleerde uitleg van de moutchemie die deze omgeving produceert, valt buiten het bestek van deze serie hoofdstukken. We moeten echter de basisprincipes van het produceren van de mout en chemie daarvan beschrijven om te kunnen begrijpen hoe deze ons inzicht en de te nemen besluiten over ons brouwwater beïnvloeden.

Zoals in het vorige hoofdstuk werd besproken:

De resterende alkaliteit helpt bij het kwantificeren van het effect van de watersamenstelling op de pH van de maisch als gevolg van het neerslaan van hydroxylapatiet^[1], als gevolg van de reactie tussen calcium en fosfaten uit de mout, en het daaruit vrijkomen van waterstofionen. Maar de veranderingen die de pH van de maisch beïnvloeden, hoeven niet alleen te komen van veranderingen in de resterende alkaliteit; ze kunnen ook rechtstreeks uit de mout komen als zuurgraad.

Aangenomen wordt dat deze buffers melanoïden en organische zuren zijn die worden gecreëerd door Maillard-reacties tijdens het eesten en eventueel roosteren van de mout.

Zuurgraad van de mout

Het primaire mechanisme voor pH-daling (bijvoorbeeld 8-5,8) in een maisch/beslag dat uitsluitend uit basismout bestaat, lijkt van calciumfosfaat-achtige reacties afkomstig te zijn. Het effect van de zuurgraad van de Maillard-reactie, indien aanwezig, is echter klein.

Bovendien hebben experimenten aangetoond dat er blijkbaar maar twee soorten speciale moutsoorten zijn, niet drie, in termen van op Maillard gebaseerde zuurgraad: geëest of geroosterd (of geroosterd en niet geroosterd). Het verschil ontstaat tijdens het roosteren, wanneer de kleur van de Maillard-producten verschuift van rood naar bruin. De overgang lijkt in het bereik van 165-180°C te liggen, wat overeenkomt met de hoogste verwerkingstemperaturen voor eestoven- en karamelmout, en de laagste temperaturen voor gebrande mout.

Coghe et al. [1],[2] heeft in zijn werk aangetoond dat het molecuulgewicht (MW) van de Maillard-reactieproducten verandert met de hoeveelheid toegepaste warmte. Specifiek, dat gele kleurstoffen met een laag molecuulgewicht (<7 kDa) eerst worden gevormd, rode als tweede (ook <7 kDa), en dat deze blijkbaar worden geconsumeerd of omgezet naar verbindingen met een hoger molecuulgewicht (> 100 kDa) bij de hogere temperaturen die gepaard gaan met het roosteren van mouten.

Let op: kDa staat voor kilo-Dalton. De Dalton-eenheid is synoniem met atomaire massa-eenheid (u) en wordt gedefinieerd als 1/12 van de massa van de koolstof-12-isotoop.

Bovendien toonde werk van Coghe et al.[1] in 2004 aan dat azijnzuur wordt gevormd tijdens Maillard-reacties en dat de hoeveelheid zuur in de verschillende moutsoorten dezelfde trend volgt als de molecuulgewichten van de reactieproducten.

Of deze afname het gevolg is van verdamping of opname in verdere Maillard-reacties bij deze hogere temperaturen is niet bekend. Het punt is dat de Maillard-reactieproducten fysiek en chemisch veranderen als gevolg van een verandering van temperatuur van eesten naar roostertemperatuur. Interessant is dat deze overgang ook te zien is in pH-metingen voor het wort. Merk in Tabel 6.2. op dat de pH stijgt naarmate de moutkleur stijgt van 390-450 naar 886-1100 EBC. Andere onderzoekers, zoals Troester en Bies et al., hebben deze verandering ook waargenomen.

Een korte discussie over Zuurgraad van de Mout en Alkaliteit

De D.I. pH voor basismout ligt over het algemeen tussen 5,6 en 6,0, hoewel deze, afhankelijk van verschillende gerst- en moutfactoren, lager kan zijn. De D.I. pH van de laagste kleur basismouten (d.w.z. 2-6 EBC) wordt voornamelijk bepaald door de reacties tussen calcium en fosfaten, waaronder het enzym fytase. Basismouten met een hogere kleur, zoals pale ale, Vienna en Munich 10, hebben vaak een lagere D.I. pH (bijvoorbeeld 5,5-5,6) vanwege een kleine hoeveelheid zuurgraad van melanoidine. Een basismout met een D.I. pH die hoger is dan de doelmout-pH is alkalisch. Onthoud dat alkaliteit wordt gedefinieerd als de hoeveelheid zuur (in mEq) die nodig is om de pH van een stof te veranderen naar een lager pH-eindpunt. In het geval van het carbonaatsysteem is de ‘totale’ alkaliteit de hoeveelheid zuur die nodig is om 99% van de carbonaat- en soorten bicarbonaat te reduceren tot koolzuur, en dat pH-eindpunt is 4,3 (hoewel 4,5 nu de ISO-norm is).

In het geval van een beslag is het pH-eindpunt het pH-doel van de maisch/beslag, bijvoorbeeld 5,4. Daarom, als een basismout een D.I. pH van 5,7 heeft, wordt deze als alkalisch beschouwd in vergelijking met de beoogde doel-pH (bijvoorbeeld 5,4).

Naarmate het zuur of de base wordt toegevoegd, zal de pH van de oplossing veranderen als functie van de toegevoegde milli-equivalenten. Als u de verandering in pH uitzet als een functie van de toevoegingen van een zuur- of base (mEq), is de helling van de curve de buffercapaciteit van de stof. Daarom is de alkaliteit of zuurgraad van een stof gelijk aan de totale verandering in pH vermenigvuldigd met de buffercapaciteit.

Zuurgraad/Alkaliteit = (pH Eind punt - pH Mout DI)*(Buffer Capaciteit)

De eenheden voor moutalkaliteit en zuurgraad zijn milli-equivalenten per kilogram (mEq/kg). De eenheden voor buffercapaciteit zijn mEq/(pH•kg). Wanneer u de buffercapaciteit vermenigvuldigt met de verandering in pH, worden de pH-eenheden geannuleerd en blijft u achter met mEq/kg.

Je kunt niet praten over de zuurgraad of alkaliteit van een stof zonder het pH-interval te kennen of te vermelden om het te kwalificeren. Het is alsof je het woon-werkverkeer tussen huis en kantoor probeert te vergelijken zonder de verschillen in afstand te kennen: als je alleen de snelheidslimieten kent, weet je echt niet hoe lang elke route je zal kosten.

De buffercapaciteit van water of wort kan op dezelfde manier worden gekwantificeerd als die van mout, met als enige verschil het gebruik van liters in plaats van kilogrammen. U kunt converteren tussen liters en kilogrammen oplossing zodra u de dichtheid van de oplossing kent.

Volume x Dichtheid = Gewicht.

Speciale mouten daarentegen hebben een D.I. pH die lager is dan de D.I. pH van basismouten, en over het algemeen lager dan de doel-pH van het beslag. De D.I. pH's voor speciale moutsoorten variëren doorgaans van 4-5,5, afhankelijk van het type. Over het algemeen neemt de D.I. pH van speciale mouten af met toenemende moutkleur, maar die trend is niet consistent. Het feit dat hun D.I. pH over het algemeen onder het doel-pH-bereik van de maisch ligt, maakt ze zuur in vergelijking met basismout. Logischerwijs kun je zien dat als je twee mouten hebt, een basismout met D.I. pH van 5,7 en een speciale mout met een D.I. pH van 5,1, en je er gelijke hoeveelheden van maischt met gedestilleerd water; je zou kunnen verwachten dat de alkaliteit van de basismout wordt gecompenseerd door de zuurgraad van de speciale mout. Je zou verwachten dat de pH van het beslag in het midden op 5,4 zou uitkomen, ervan uitgaande dat de buffercapaciteiten van de twee moutsoorten gelijk zijn. Over het algemeen wordt zo de pH van het beslag daadwerkelijk bepaald, hoewel er meestal meer moutsoorten zijn en je ook rekening moet houden met het bufferend vermogen van het water. Dit brengt ons terug bij onze analogie over het vergelijken van woon-werkverkeer: de buffercapaciteiten van de verschillende mouten zijn niet gelijk en ze zijn niet constant. Het is waarschijnlijk gemakkelijker (of sneller als je wilt) voor de ene mout om door een specifiek pH-bereik te gaan dan de andere. Dus de twee moutsoorten in ons voorbeeld zouden elkaar waarschijnlijk niet in het midden ontmoeten bij 5,4. In feite is de buffercapaciteit van speciale mouten meestal hoger dan die van basismouten, dus het is waarschijnlijker dat de pH van het beslag zal uitkomen op 5,3 of 5,2, dan op 5,4.

Er valt nog veel meer te vertellen over diverse mouten in de maisch, maar dan wordt het wel wat veel binnen een serie hoofdstukken die enkel over water gaan. Wie meer wil weten leest het boek ‘Water’, a Comprehensive Guide for Brewers er nog maar eens uitgebreid op na. Doel was het vermelden dat buiten het gebruik van calcium, ook mouten, en zeker de speciale mouten, invloed uitoefenen op de uiteindelijke pH van het beslag. Houd er wel rekening mee. Dat de pH van het beslag pas betrouwbaar te meten is nadat alle chemische verbindingen een interactie met elkaar zijn aangegaan. Dus de moutfosfaten met calcium en de maillardproducten en het azijnzuur daaruit afkomstig. Doe dit pas zo'n 10 minuten na het storten en het eventueel toevoegen van brouwzouten en zuren.

En voor de serieuze, gepassioneerde brouwer die zeker een pH meter gebruikt, nog even het volgende:

Een opmerking over pH-meters en automatische temperatuurcompensatie (ATC)

Temperatuur beïnvloedt een pH-meting op twee manieren:

• de elektrochemische respons van de elektrode verandert met de temperatuur,
• en de chemische activiteit van een oplossing (bijvoorbeeld het wort) verandert met de temperatuur.

De sonde-elektrode van de pH-meter moet worden gekalibreerd met gebufferde kalibratieoplossingen, meestal bij waarden van 4 en 7 pH. Die oplossingen zijn gebufferd om zo nauwkeurig mogelijk te voldoen aan hun aangegeven pH bij kamertemperatuur 20-25°C. De bedrijven publiceren echter ook grafieken die de precieze verandering in de pH van de bufferoplossing met de temperatuur specificeren.

Moderne pH-meters hebben een functie die automatische temperatuurcompensatie (ATC) wordt genoemd. Deze functie compenseert de verandering van de elektrochemische respons van de sonde met de temperatuur. Met andere woorden, het handhaaft de kalibratie van de sonde weg van de kalibratietemperatuur. Het houdt echter geen rekening met een daadwerkelijke verandering in pH van de oplossing als gevolg van temperatuur.

Het is bekend dat de pH van het wort bij maischtemperatuur (~65°C, 150°F) ongeveer 0,3 lager is dan hetzelfde wort wanneer het wordt afgekoeld tot kamertemperatuur (~20°C, 68°F). Daarom verwijzen brouwers altijd naar pH-metingen bij kamertemperatuur. Het is de standaard omdat toen de pH-schaal voor het eerst werd uitgevonden en gebruikt voor bieranalyse, vóór het tijdperk van de elektronica, er geen andere mogelijkheid was dan deze bij kamertemperatuur te meten en dat is de basis van vergelijking. De verandering in wort-pH als functie van de temperatuur kan worden benaderd door de vergelijking:

pH (kamertemperatuur) = pH maisch + 0,0055 (T_meting - T_{kamertemperatuur}) in °C.

Geraadpleegde bronnen en referenties

1] Coghe, S. et al., Impact of Dark Specialty Malts on Extract Composition and Wort Fermentation, Inst. Brew. 111(1): 51-60, 2005.

2] Coghe, S. et al., Fractionation of Colored Maillard Reaction Products from Dark Specialty Malts, J. Am. Soc. Brew. Chem. 62(2):79-86, 2004.

3] Coghe, S. et al., Characterization of Dark Specialty Malts: New Insights in Color Evaluation and Pro- and Antioxidative Activity, J. Am. Soc. Brew. Chem. 61(3):125-132, 2003.

4] ‘Water’ a Comprehensive Guide for Brewers van de auteurs John Palmer en Coin Kaminski.

^[1] Hydroxyapatiet, ook wel hydroxylapatiet genoemd, is een natuurlijk voorkomende minerale vorm van calciumapatiet met de formule Ca₅(PO₄)₃, maar het wordt meestal geschreven als Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ om aan te geven dat de kristaleenheidscel twee entiteiten omvat.