MONDO BIRRA - La fermentazione

Molti stili di birra sono fatte usando una tra le due specie unicellulari del microorganismo del ceppo dei Saccharomyces, molto più comunemente chiamati lieviti. Di solito, sia i lieviti ale (S. cervisie) sia quelli lager (S. carlsbergensis o, anticamente, S. uvarum) vengono usati per gli stili appropriati. Questi lieviti differiscono nella temperatura ottimale di fermentazione, nella capacità di fermentare differenti tipi di zuccheri, nella capacità di sviluppo e nei prodotti di fermentazione. La scelta del ceppo e il controllo del procedimento della fermentazione determinano la riuscita dello stile della birra. Non vogliamo fare una lista di tutti i ceppi dei lieviti, i lettori sono incoraggiati a leggere la referenza bibliografica (1) per un miglior approfondimento. Uno dei termini comunemente usati per descrivere i lieviti è l'attenuazione apparente. L'attenuazione di un particolare lievito descrive l'abilità di questo a ridurre la densità del mosto in fermentazione. Viene fornito in valori percentuali, dove il numeratore è la differenza tra la densità iniziale e finale e il denominatore è la densità iniziale. Siccome la densità dell'etanolo è minore di quella dell'acqua, quando un densimetro misurerà l'attenuazione misurerà l'attenuazione apparente, non quella reale (se l'alcool è stato sostituito dall'acqua). Un altro termine comune che viene usato per descrivere i lieviti è la flocculazione, che è l'abilità dei lieviti di depositarsi alla fine della fermentazione; essa può variare molto da ceppo a ceppo. Le condizioni di sviluppo, che differiscono in ogni tipo di ceppo di lievito, sono costituite dalla tolleranza all'alcool, dal fabbisogno di ossigeno e dalla composizione chimica del mosto. La tolleranza all'alcool descrive quanto bene il lievito continua a fermentare mentre la concentrazione di alcool aumenta. Molti lieviti lager possono arrivare all'8% di alcool, e alcuni ceppi ale arrivano fino a 12% (2,3). Il fabbisogno di ossigeno varia da ceppo a ceppo; alcuni hanno bisogno di molto ossigeno per fermentare bene. Infine, mosti differenti avranno diversi tipi di zuccheri. I vari ceppi si comporteranno in maniera differente di fronte ai diversi mosti. I prodotti collaterali che sono prodotti dal lievito (e che vengono metabolizzati) sono esteri, alcooli amilici, diacetile e composti sulfurei. Gli esteri sono prodotti combinando un alcool con un acido organico. Anche se si possono identificare approssimativamente 90 esteri differenti nelle birre, i più comuni rimangono acetato d'etile, acetato di isoamile ed esanoato d'etile. Questi impartiscono alla birra un aroma dolce e fruttato. Un altro prodotto collaterale è costituito dagli alcooli amilici, che contengono più atomi di carbonio del più comune etanolo. Questi sono prodotti dal metabolismo degli amminoacidi (4) ed arrecano toni aspri tipo solvente. Il diacetile, invece, viene ridotto in composti più benigni durante la seconda fermentazione, ma una rimozione prematura del lievito può portare ad averne grosse quantità. La sua presenza impartisce una nota di burro alla birra. È prodotto dalla reazione di ossidazione, che può essere repressa dalla produzione dell’ammino acido valina (5). Infine ci sono molti composti solforosi che possono essere prodotti dal lievito. Uno di questi è il solfuro di idrogeno, che puzza di uova marce. Esistono altri solfuri, ma la loro produzione non è stata ancora compresa a fondo (1). Lievito Ale, allo scopo di fermentare la birra questo lievito lavora al meglio tra i 12°C e i 23°C. L'attenuazione apparente varia dal 69 all'80%. Questo lievito può fermentare completamente gli zuccheri comuni, glucosio, fruttosio, maltosio, saccarosio, maltotrioso e i più rari, xilulosio, mannosio e galattosio. Può fermentare parzialmente il raffinosio. Questi lieviti vengono tradizionalmente chiamati ad alta fermentazione perché formano colonie (insiemi di lieviti che stanno appiccicati) che sono retti dalla tensione superficiale della birra. I lieviti ale, producono esteri in quanto hanno bisogno di temperature maggiori per fermentare. Gli stili che usano questi ceppi hanno varie gradazioni di fruttato e dolce nell'aroma. Da notare che gli stili usati per le German Weizen sono ceppi speciali che generano alte concentrazioni di fenoli tipo chiodo di garofano, ed esteri che assomigliano a chewingum e banana, che sono la firma di questo stile. Lievito Lager, Tendono a lavorare bene tra i 7°C e gl'8°C, ma Californian Common Lager è un'eccezione che predilige i 14-20°C. L'attenuazione apparente varia intorno ai 67-77%. Oltre a tutti gli zuccheri fermentati dai lieviti ale fermenta anche il raffinosio. Questi lieviti vengono tradizionalmente chiamati a bassa fermentazione, perché non si coagulano in colonie che stanno in superficie, ma cadono sul fondo del fermentatore. Si trovano in due tipologie. Il Frohberg (dusty o powdery) che fermenta velocemente e non floccula. A causa di un maggior tempo di sospensione nel mosto esso avrà un'attenuazione maggiore. L'altro tipo è il Saaz (S.U. o break) che floccula ampiamente e ha una minore attenuazione (6). I lieviti lager, in confronto con gli ale, producono birre che mancano di esteri e alcooli amilici perché agiscono a temperature minori. Gli stili lager tendono ad avere aromi più puliti che rispecchiano solo le caratteristiche di luppolo o malto utilizzati nel mosto. Batteri, in specifico i lactobacilli delbruecki, sono utilizzati per la produzione della Berliner Weiss, una birra di frumento con un'intensa acidità lattica. Vengono utilizzati altri microorganismi nella produzione di birre belga, in special modo nei Lambic. I Lambic hanno vari gradi di acidità che dipendono dallo stile. I lieviti del ceppo Brettanomices ed altri batteri sono i responsabili di questo sapore. I batteri possono essere divisi in due categorie osservabili in laboratorio. I Gram-negativi utilizzati nella produzione dei Lambic sono gli Escherichia coli, e varie specie di Citrobatteri e Enterobatteri, ma fortunatamente non tollerano alte percentuali alcooliche e non sopravvivono nella birra finita. I Gram-positivi utilizzati derivano dal ceppo Pediococco e Lactobacillo. Questi batteri seguono una via di fermentazione diversa da quella dei Saccaromiceti, conosciuta come via di fermentazione acida mista. Essa coinvolge l'esterificazione di vari alcooli nel corrispondente acido carbossilico, producendo quindi l'acidità (7).

Il ciclo di vita del lievito

Quando i lieviti vengono inoculati nel mosto fresco, il processo di fermentazione può essere suddiviso in due parti, entrambi delle quali sono parte del ciclo di vita del lievito. Mentre entrambi i passaggi possono essere descritti separatamente, la transizione da uno all'altro è continua e non è da pensarsi come una fase a se stante. Anche il tempo relativo passato in ogni fase dipende da molti fattori tra i quali la composizione del mosto e la quantità di batteri inoculata. La prima fase è detta fase forzata. Durante questa fase il lievito si adatterà alla nuova condizione e comincerà a produrre enzimi che serviranno per crescere e fermentare il mosto. I lieviti utilizzeranno, a questo scopo, le loro riserve interne di energia, il glicogeno ed i carboidrati. Il lievito si acclimaterà e ribilancerà il livello di ossigeno e la quantità totale e relativa di amminoacidi e di zuccheri. Alcuni di questi amminoacidi, i peptidi e gli zuccheri verranno assorbiti dal lievito per la riproduzione cellulare. Di solito questo periodo è molto breve, ma se il lievito non è sano può protrarsi a lungo e condurre ad una fermentazione problematica (8,1). Dopo di ciò il lievito inizierà la nuova fase, la fase di crescita. Qui il lievito inizierà a riprodursi per raggiungere la densità necessaria per innescare la vera fermentazione. Se il lievito era sano, e il mosto nutriente, ci saranno da uno a tre raddoppiamenti dell'inoculo iniziale. L'ossigeno utilizzato per aerare il mosto viene assorbito e permette al lievito di produrre steroli, che sono un componente chiave per la parete cellulare (9). Si pensa che anche i coaguli di lievito freddo, possa fornire acidi grassi insaturi necessari alla sintesi di steroli (10,11). Inoltre si pensa che, se viene inoculata un'adeguata quantità di lievito, la crescita della cellula non è necessaria, di conseguenza neanche l'ossigenazione è necessaria (9,12). Mentre questa teoria non è completamente accettata (13,14), forse ulteriori ricerche chiariranno il ruolo di altre variabili presenti in questa fase. La sintesi degli steroli è la fermentazione base per tutti i mosti di malto; comunque, se il malto contiene più dello 0,4% di glucosio, allora questa fermentazione è sostituita dalla fermentazione del glucosio, anche in presenza di ossigeno. Questo effetto si chiama repressione da glucosio, o effetto Crabtree. Seguente alla fase di crescita inizia la fase di basso krëusen della fermentazione primaria. Il lievito inizia il metabolismo anaerobio perché l'ossigeno è stato tutto esaurito. Questo è caratterizzato da una schiuma articolata, che dai lati migra verso il centro della superficie. Il lievito si è adattato completamente alle condizioni del mosto ed il trasporto di ammino acidi e zuccheri nella cellula per il metabolismo sarà molto attivo. Possono, ora, essere prodotti diacetile e alcooli amilici. Per minimizzare la formazione di alcooli amilici, bisogna tenere la temperatura bassa, assicurarsi che siano presenti abbastanza zuccheri destrinici, e minimizzare la presenza di coaguli di lievito caldo nella torta di lieviti. Per minimizzare il diacetile nella birra finita bisogna provare ad impedire la reintroduzione di ossigeno, un eccessivo raffreddamento della fermentazione nelle fasi più tarde e una prematura rimozione dei lieviti. Nella fase vivace di krëusen che segue un lievito ale avrà metabolizzato molti degli zuccheri presenti nel mosto. Un lievito lager, daltra parte, potrà essere ancora nella fase di crescita riducendo la densità del mosto di quattro punti al giorno. I lieviti lager metabolizzeranno molti zuccheri durante la fase vivace di krëusen. Dopo questa fase viene la fase di tardo krëusen. Nel lievito lager, questo può essere molto importante poiché è durante questa fase che il lievito metabolizza alcuni prodotti secondari che erano comparsi nella fase di basso krëusen. In specifico, può essere fatta una pausa diacetile, per favorire il riassorbimento e la conseguente diminuzione del diacetile e del relativo 2,3-pentandione. La temperatura della birra può essere alzata fino ai 19°C. Solitamente quando l'estratto raggiunge il termine i lieviti inizieranno a floculare. È importante non raffreddare la birra troppo velocemente: questo potrebbe causare una flocculazione prematura, prima che i lieviti abbiano riassorbito tutti i prodotti collaterali. La regola generale è quella di non scendere più di 3°C al giorno, altrimenti si rischia di mandare il lievito in shock da freddo. Quando il lievito inizia a flocculare, la birra viene generalmente travasata in un secondo fermentatore, che permette l'attenuazione degli zuccheri rimasti. Inoltre, rimuovere il lievito in eccesso preverrà la formazione di sapori non voluti, dovuti alla autolisi e la reazione con il substrato di coaguli di lievito. Per lieviti ale questo periodo può essere molto breve, mentre per lieviti lager può andare da quattro a sei settimane, fino a sei mesi per le Strong Lager. È importante impedire la reintroduzione di aria, perché porterebbe a sapori di ossidazione ed aumenterebbe il rischio di contaminazione della birra. Quando si imbottiglia si può aggiungere nuovo lievito, in particolare se è stato lagerizzato a lungo o se il lievito rimasto non è vitale. Due metodi molto comuni sono: 1) condizionamento in bottiglia, ossia l'aggiunta di lievito fresco e zucchero (glucosio), come spesso viene fatto per le Trappiste e le Belgian Ales, e 2) krëusen, ossia, aggiunta di birra fermentante fresca, come spesso viene fatto per le German Lager. Per il primo metodo si usa uno starter di lievito e zucchero da 250 ml ogni 20 litri di birra, che aggiunge lievito fresco per metabolizzare il nuovo zucchero. Nel caso del krëusen, viene aggiunto un mosto in fase di alto krëusen alla birra da imbottigliare. Il quantitativo da aggiungere ha un volume pari al 20% del volume del mosto. Aggiungendo questa birra fermentante si ottiene un doppio risultato: una carbonazione della birra e una pulizia dai sapori indesiderati comparsi nella prima fermentazione.

Controllare i prodotti secondari

Esteri: possono essere controllati con la scelta del ceppo dei lieviti, densità del mosto, ossigenazione e temperatura. In generale lieviti ale producono livelli di esteri più alti, anche se ci sono differenze da ceppo a ceppo. Lieviti lager possono, se fermentati ad alte temperature, produrre esteri come succede nelle Biere de Garde. Il particolare marchio di esteri delle Trappiste è dovuto non solo ai particolari tipi di lievito ma anche all'alta densità del mosto. La produzione di esteri compete con l'assorbimento di ossigeno e la metabolizzazione in steroli (15). Infine, un quadruplicamento della produzione di esteri puo essere osservato aumentando la temperatura da 15°C a 20°C (1).

Fenoli: possono essere prodotti da alcuni lieviti selvatici. Quindi l'eliminazione dei fenoli dagli stili in cui non devono comparire si ottiene con una disinfezione degli strumenti di lavoro. L'unica eccezione sono le German Wheat, che contengono il 4-vinil guaiacolo, che è prodotto dal ceppo particolare di S. cervisiae, dal suo amminoacido precursore, l’acido. Questo fenolo può essere controllato bilanciando la presenza di amminoacidi precursori durante la pausa proteica a 43°C.

Alcooli amilici: sono metabolizzati dagli amminoacidi. Come spiegato precedentemente, la loro produzione aumenta con l'aumento della temperatura. Come gli esteri gli alcooli amilici aumentano con la densità del mosto. Infine, molti lieviti selvatici tendono a produrre quantitativi eccessivi di alcooli amilici; si raccomanda, di conseguenza, una buona sterilizzazione degli strumenti (1).

Diacetile: è prodotto all'inizio della fermentazione e viene ridotto alla fine. Mantenendo, o addirittura alzando la temperatura alla fine della fermentazione si aiuta a ridurre questa riduzione, diversamente da quello che succederebbe con una prematura rimozione del lievito. L'ossigeno può causare l'ossidazione dei precursori del diacetile. Assicurare una buona presenza di amminoacidi aiuterà a prevenire la formazione di diacetile. Diventa difficile controllarlo se si produce da estratto, per la mancanza di amminoacidi. Infine, il diacetile può essere prodotto da alcuni ceppi di batteri. La soluzione è, come sempre, una perfetta puizia (1).

Riferimenti bibliografici
1. G. J. Fix & L. A. Fix, An Analysis of Brewing Techniques (Brewers Publications, 1997).
2. J. Busch, “A Matter of Immense Gravity”, Brewing Techniques 4(2), 20 (1996).
3. Wyeast Laboratories Pamphlet, Wyeast 3787 (1996).
4. G. J. Fix, Principles of Brewing Science (Brewers’ Publications, 1989).
5. G. J. Fix, “Diacetyl: Formation, Reduction and Control” Brewing Techniques 1(2), 20 (1993).
6. G. J. Noonan, New Brewing Lager Beer, Brewers’ Publications, pp. 89-99 (1996)
7. J. Liddil, “Practical Strategies for Brewing Lambic at Home”, Brewing Techniques 5(4),38 (1997).
8. J-X Guinard, M. Miranda, & M. J. Lewis, “Yeast Biology and Beer Fermentation”, Zymurgy 12(4), 14 (1989).
9. T. Aquila, “The Biochemistry of Yeast” Brewing Techniques 5(2) pp. 50-57 (1997)
10. G. W. Knull, “Readers’ Technical Notes: The Trouble with Trubless Fermentations”, Brewing Techniques 4(5), 14 (1996).
11. P. Daughty, J. Adkins, and S. Bickham respond to reference 13 in Readers’ Technical Notes, Brewing Techniques 5(1), 16 (1997).
12. G. J. Noonan, Scotch Ale (Brewers Publications, 1993).
13. D. Miller, “Readers Technical Notes: Putting in a Good Word for Wort Aeration”, Brewing Techniques 5(3), 10 (1997).
14. Postings to the electronic forum,“Advanced Techniques in Brewing,” by A. Korzonas, D. Venezia, and G. Fix, Oct 8-10, 1997.
15. P. Rajotte, Belgian Ale (Brewers’ Publications, 1992).
16. E. Warner, German Wheat Beer (Brewers Publications,1992).

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