Dieser Artikel stammt von unserem Partner Murphy & Sons. Den Originalinhalt finden Sie hier: https://www.murphyandson.co.uk/resources/technical-articles/water-water-everywhere/.

Hier finden Sie die Produkte, die Sie benötigen, um Ihre Brühe und Ihre Würze zu optimieren: https://goodbeer.solutions/product-category/brewing-aid/

Bier besteht zu etwa 90 % aus Wasser, und die Bedeutung der Liköre für die endgültige Bierqualität kann gar nicht hoch genug eingeschätzt werden: In der Vergangenheit wurde ein Zusammenhang zwischen der Zusammensetzung der Liköre in einem Gebiet und der Biersorte, die dort am besten gebraut werden konnte, festgestellt. Die Pale Ales von Burton-on-Trent und Edinburgh, die Porters von London, die Stouts von Dublin und die Lagersorten von Pilsen sind klassische Beispiele. Wasser, das als Regen, Hagel, Graupel oder Schnee fällt, ist rein, löst aber Gase wie Sauerstoff und Kohlendioxid aus der Atmosphäre. Wenn das Wasser den Boden erreicht, fließt es in Flüsse, Bäche und Seen und in einigen Fällen in Stauseen. Die Zusammensetzung des Wassers in den Stauseen hängt von der Beschaffenheit des Einzugsgebiets ab. In Gebieten mit hartem Gestein kann das Wasser nicht tief eindringen und ist „weich“, d. h. es enthält wenig gelöste Salze. In Gebieten, in denen das Gestein durchlässiger ist – z. B. Gips oder Kalkstein – dringt das Wasser leicht ein und löst auf dem Weg zu den Lagerstätten viele Mineralien auf, so dass es hart“ wird.

Das von den örtlichen Wasserbehörden gelieferte Wasser muss trinkbar sein – das heißt, es muss trinkbar und frei von Krankheitserregern sein. Um die mikrobiologische Belastung zu verringern, wird in der Regel Chlor zugesetzt, aber das Wasser ist nicht steril. Glücklicherweise handelt es sich bei den im Wasser vorkommenden Mikroorganismen jedoch nicht um bierschädigende Organismen, da sie die Bedingungen mit hohem Ethanol- und Hopfenharzgehalt und niedrigem pH-Wert, wie sie in Bieren vorkommen, nicht überleben können. Das Ziel der Laugenaufbereitung besteht also darin, das von den Wasserbehörden an uns gelieferte Wasser in akzeptable Brauereiabwässer umzuwandeln. Dies erreichen wir durch die Entfernung unerwünschter Ionen und die Hinzufügung der erforderlichen Mengen erwünschter Ionen

Ionen	Weich	Hart
Kalzium	10	240
Magnesium	2	50
Bikarbonat	15	250
Sulfat	5	500
Nitrat	5	40
Chlorid	5	50

Kalzium

Von den für das Brauen benötigten Ionen ist Kalzium bei weitem das wichtigste. Der Grund dafür ist die säuernde Wirkung des Kalziums auf die Würze.

Die Würze enthält große Mengen an Phosphaten aus dem Malz, die eine puffernde Wirkung haben, d. h. sie neigen dazu, Wasserstoffionen zu absorbieren und den pH-Wert höher als gewünscht zu halten. Calciumionen fällen Phosphate als unlösliches Calciumphosphat aus und geben Wasserstoffionen an die Würze ab. An dieser Stelle sei erwähnt, dass zwar der pH-Wert der Würze entscheidend ist, nicht aber der des Wassers im Hot Liquor Tank (HLT). Der pH-Wert von Wasser kann je nach dem Gehalt an gelöstem Kohlendioxid zwischen etwa pH 5 und pH 8 schwanken – selbst entionisiertes Wasser kann nach dem Kontakt mit der Luft einen pH-Wert von nur 5 aufweisen. Das Kohlendioxid wird jedoch durch die Wärme in der HLT ausgetrieben und der pH-Wert des Wassers steigt an.

Das Vorhandensein von Kalziumionen und die Senkung des pH-Wertes haben eine Reihe von Auswirkungen auf den Brauprozess: Der niedrigere pH-Wert verbessert die Enzymaktivität und damit die Gärfähigkeit und den Extrakt der Würze.

Der optimale pH-Wert für die ß-Amylase-Aktivität liegt bei 4-7. Würze, die aus kalziumfreier Lauge hergestellt wird, hat einen pH-Wert in der Größenordnung von 5-8 – 6-0, verglichen mit Werten im Bereich von 5-3 – 5-5 für Würze, die aus behandelter Brauereilauge hergestellt wird. Die Aktivität der ß-Amylase wird dann durch die Zugabe von Kalzium stark erhöht, wobei dieses Exo-Enzym die Produktion von Maltose aus Amylose steigert und somit die Würze besser vergärbar macht.

Kalzium hat bei der Ausfällung von Würzeproteinen sowohl während des Maischens als auch während des Kochens eine Art „Henne-Ei-Effekt“.

Bikarbonat (Alkalinität)

Dieses Ion muss sehr genau kontrolliert werden, um ein gutes Bier zu erhalten. Ein hoher Bikarbonatgehalt führt während des gesamten Brauprozesses zu hohen pH-Werten, wie die Gleichung besagt:
Es sei darauf hingewiesen, dass Bicarbonat-Ionen den pH-Wert der Würze stärker anheben als Calcium-Ionen ihn senken können.
Die Umwandlung von Bikarbonat in Kohlensäure ist solange reversibel, bis Wärme zugeführt wird, die das Kohlendioxid austreibt. Dadurch wird das saure Wasserstoffion effektiv aus dem System entfernt, indem es zur Bildung eines stabilen Wassermoleküls verwendet wird. Der pH-Wert der Würze bleibt also hoch, und alle Vorteile, die sich aus dem Vorhandensein eines angemessenen Kalziumgehalts und eines niedrigen pH-Werts ergeben, gehen verloren.

Wir sehen also Folgendes:

• Scharfer Nachgeschmack im fertigen Bier
• Der Extrakt wird aufgrund der geringeren ß-Amylase-Aktivität reduziert.
• Geringere Proteinausfällung aufgrund des hohen pH-Werts
• Würze und Bier sind anfälliger für Infektionen
• Erhöhte Ausscheidung von unerwünschten Stoffen in der Schüttung, insbesondere von Silikaten, Polyphenolen und Tanninen
• Auch die Hopfenausnutzung wird erhöht, was zu bittereren Bieren führt.

Dies hat zur Folge, dass die Stabilität und Haltbarkeit des Biers sinkt und die Wahrscheinlichkeit einer störenden Trübung steigt. Die Farbe wird dunkler, und der Geschmack wird beeinträchtigt. Dann ist es auch wichtig, dass überschüssiges Bikarbonat entfernt wird. Wie aus der Tabelle oben in diesem Artikel hervorgeht, kann hartes Wasser 250 mgs/l Bikarbonat enthalten. Der Höchstwert, der für die Herstellung von Pale Ales ohne nachteilige Auswirkungen toleriert werden kann, liegt jedoch bei 50 mgs/l, und der bevorzugte Wert wäre etwa 25 mgs/l. Es sollte auch beachtet werden, dass die Zugabe von Kalzium zu HLT, Schrot und Kupfer zwar möglich ist, die Entfernung von Bikarbonat jedoch im Hot Liquor Tank erfolgen muss.

Dies kann auf verschiedene Weise geschehen:

Deionisation: Sehr effektiv, aber hohe Kapital- und Ertragskosten.

Behandlung mit Kalk: Durch die Zugabe sorgfältig kontrollierter Mengen von Kalk (Calciumhydroxid) in die HLT wird das Bicarbonat als Calciumcarbonat ausgefällt. Es gibt 2 große Nachteile:
1. Die Zugabemenge muss genau berechnet werden, und eine zu hohe Zugabe kann zu einem Gesamtanstieg der Alkalinität führen.
2. Das ausgefällte Kalziumkarbonat kann einen Schlamm auf dem Boden der HLT bilden, der regelmäßig gereinigt werden muss.

Auskochen: Auch dies ist eine traditionelle Methode zur Entfernung von Bikarbonat (vorübergehende Härte), hat aber 2 Nachteile:
1. Sehr teuer.
2. Nur wirksam, wenn die Alkalität in Form von Bikarbonat vorhanden ist. Wenn der Gehalt an Natrium-, Kalium- oder Magnesiumcarbonaten oder -hydroxiden beträchtlich ist, ist das Abkochen nicht wirksam.

Saure Behandlung: Aus mehreren Gründen die derzeit am weitesten verbreitete Methode:
1. Relativ preiswert.
2. Einfach zu bedienen und erzeugt keinen Schlamm im HLT
3. Kann erwünschte Anionen – Sulfat oder Chlorid – hinzufügen.
4. Kann Phosphor- oder Milchsäure verwenden, wenn keine Anionen erwünscht sind – z. B. für Lagerbiere.

Bei der Säurebehandlung muss die Flotte unbedingt aufgewühlt werden, um den Abtransport des Kohlendioxids zu fördern. Dies kann korrosive Auswirkungen auf die Konstruktionsmaterialien von HLTs haben, wenn sie in Lösung bleiben.

Magnesium:

Ist ein wesentliches Element der Brauereilauge, da es von der Hefe als Co-Faktor für die Produktion bestimmter Enzyme benötigt wird, die für den Gärungsprozess notwendig sind. Es wird immer in relativ geringen Mengen in Laugenbehandlungen formuliert.

Aus drei Gründen ist jedoch Vorsicht geboten:
1. Überschüssiges Magnesium kann die Reaktionen von Calcium beeinträchtigen, da seine Phosphate besser löslich sind
2. Magnesium über 20 mg/l kann dem Bier einen sauren und bitteren Geschmack verleihen.
3. Magnesium hat bei Überschuss eine abführende Wirkung

Natrium:

Ist in allen Bieren enthalten. Ein zu hoher Gehalt ist unerwünscht, da er in hohen Konzentrationen einen sauren und salzigen Geschmack verleiht. Der Geschmack ist akzeptabler, wenn das Natrium als Chlorid und nicht als Sulfat vorliegt.

Kalium:

Ist, wie Magnesium, ein Hefe-Cofaktor und wird in Spuren für eine zufriedenstellende Gärung benötigt. Aus geschmacklicher Sicht ist es akzeptabler als Natrium, da es einen salzigen Geschmack ohne säuerliche Noten verleiht. Es gewinnt auch an Beliebtheit, da Ärzte vor den Auswirkungen einer hohen Natriumaufnahme auf den Blutdruck warnen. Kaliumsalze sind jedoch sehr viel teurer als die Natriumäquivalente, und ein Überschuss an Kalium hat abführende Wirkung auf das Bier.

Sulfat und Chlorid:

Es ist zweckmäßig, die Wirkung dieser beiden Ionen gemeinsam zu erörtern. In der Brauereiliteratur wird viel über die Auswirkungen dieser Ionen auf die Geschmackseigenschaften des Bieres geschrieben – Sulfat verleiht dem Bier einen trockeneren, bittereren Geschmack, während Chlorid dem Gaumen Fülle und in gewissem Maße Süße verleiht. Es ist jedoch zu beachten, dass das Verhältnis der Konzentrationen dieser beiden Ionen von Bedeutung ist und nicht einfach die tatsächlichen Konzentrationen. Ein Verhältnis von etwa 2:1 Sulfat zu Chlorid ist für ein bitteres Bier ungefähr richtig, und es macht kaum einen Unterschied, ob die tatsächlichen Werte 500:250 oder 350:175 mg/l betragen. Wie in Abbildung 3 zu sehen ist, wird ein Verhältnis von 1:2 Sulfat:Chlorid für milde Biere empfohlen, während ein Verhältnis von 1:3 die besten Ergebnisse für Stouts oder Porters liefern kann.

Sulfat und Chlorid : Es ist sinnvoll, die Wirkung dieser beiden Ionen gemeinsam zu behandeln. In der Brauereiliteratur wird viel über die Auswirkungen dieser Ionen auf die Geschmackseigenschaften des Bieres geschrieben – Sulfat verleiht dem Bier einen trockeneren, bittereren Geschmack, während Chlorid dem Gaumen Fülle und in gewissem Maße Süße verleiht. Es ist jedoch zu beachten, dass das Verhältnis der Konzentrationen dieser beiden Ionen von Bedeutung ist und nicht einfach die tatsächlichen Konzentrationen. Ein Verhältnis von etwa 2:1 Sulfat zu Chlorid ist für ein bitteres Bier ungefähr richtig, und es macht kaum einen Unterschied, ob die tatsächlichen Werte 500:250 oder 350:175 mg/l betragen. Wie in Abbildung 3 zu sehen ist, wird ein Verhältnis von 1:2 Sulfat:Chlorid für milde Biere empfohlen, während ein Verhältnis von 1:3 die besten Ergebnisse für Stouts oder Porters liefern kann.

Schwefel ist für den Gärungsprozess unerlässlich, da die Hefe die beiden schwefelhaltigen Aminosäuren Cystein und Methionin herstellen muss. Einige Hefestämme verwenden zu diesem Zweck Schwefel aus Sulfationen und scheiden überschüssigen Schwefel als Sulfit-Ionen aus. Diese können dann zu Schwefelwasserstoff oder Schwefeldioxid reduziert werden. Beide Stoffe haben einen charakteristischen, stechenden Geruch und können schon bei geringen Mengen dem Bier einen unannehmbaren Schwefelgeruch verleihen. Bakterien sind auch in der Lage, eine Vielzahl von schwefelhaltigen Fehlaromen zu erzeugen, darunter Gummi, Knoblauch und gekochtes Gemüse.

Nitrat:

Die Nitratwerte beginnen im Allgemeinen zu sinken, da der Einsatz von stickstoffhaltigen Düngemitteln stärker kontrolliert wird. Nitrate selbst stellen bei Werten unter 50 mg/l kein Problem dar, können jedoch durch Hefen oder Bakterien zu Nitriten abgebaut werden. Diese Ionen können dann mit Würzaminen reagieren und Nitrosamine bilden, die krebserregend sind.

Spurenelemente:

• Metalle wie Eisen, Mangan, Kupfer und Zink können in geringen Mengen im Wasser vorkommen und werden alle von der Hefe in Mengen unter 1 ppm verwertet. Höhere Konzentrationen können zu kolloidalen Trübungen und metallischem Fehlgeschmack führen, insbesondere bei höheren Eisengehalten. Hohe Schwermetallkonzentrationen können auch für Hefe giftig sein.
• Auch Kieselsäure sollte in der Brauereiablauge nur in sehr geringem Maße enthalten sein, da sich mit großer Wahrscheinlichkeit kolloidale Trübungen bilden können.
• Ammoniak sollte in Brauereilikören nicht vorhanden sein, da dies auf eine Verunreinigung durch Abwässer hindeutet.
• Fluor, das in den meisten Wässern in einer Konzentration von etwa 1 ppm für zahnmedizinische Zwecke enthalten ist, hat keine nachweisbaren Auswirkungen auf den Brauprozess.

Chlor

Chlor wird zur Sterilisation verwendet und kann zu bestimmten Zeiten des Jahres in relativ hohen Konzentrationen vorhanden sein. Dies kann zu Problemen führen, da Chlor eine sehr reaktionsfreudige Chemikalie ist und leicht mit organischen Stoffen unter Bildung von Chlorphenolen reagiert. Diese haben ein medizinisches (T.C.P.) Aroma, das in einigen Fällen bei Werten unter 1 ppb nachweisbar ist. Chlor geht bis zu einem gewissen Grad durch die Hitze im Heißwassertank verloren, aber nicht das gesamte in der Brauerei verwendete Wasser stammt aus dieser Quelle. Einige Brauereien verwenden unbehandelte Lauge, um die Schwerkraft im Gärbehälter zu reduzieren, und die Spülung nach Laugen- oder Säurereinigungszyklen erfolgt in der Regel mit unbehandelter Netzlauge. Eine Lösung besteht darin, sowohl die heißen als auch die kalten Flüssigkeitstanks mit 10 ppm Salicon Liquid 169 (20 ml in 10 ml Flüssigkeit) zu behandeln und das Chlor durch kräftiges Aufwühlen zu entfernen. Das Schwefeldioxid reagiert mit Chlor auf die unten beschriebene Weise und reduziert reaktive, unerwünschte und potenziell schädliche Chlorionen zu Chloriden.

Typische Liköranalysen für Biersorten:
Bitter	Mild	Porter	Lager
Kalzium	170	100	100	50
Magnesium	15	10	10	2
Bikarbonat	25	50	100	25
Chlorid	200	200	300	10
Sulfat	400	150	100	10

Nitrat – So niedrig wie möglich
Metalle – Zn, Cu, Fe,Mn Weniger als 1 ppm Alle Angaben sind in ppm (mgs/ltr)

Protein-H + Ca2+ Protein-Ca + 2H+

Die freigesetzten Wasserstoffionen senken den pH-Wert weiter ab, was eine weitere Ausfällung der Proteine begünstigt. Proteine werden auch abgebaut, d. h. durch proteolytische Enzyme, die so genannten Proteasen, in einfachere Substanzen umgewandelt. Sie sind im Malz enthalten und entfalten ihre optimale Aktivität bei pH-Werten von etwa 4-5 – 5-0. Die durch das Vorhandensein von Kalzium verursachte Senkung des pH-Werts fördert die Proteolyse, wodurch der Proteingehalt weiter sinkt und der Gehalt an freiem Aminostickstoff (FAN) in der Würze steigt. FAN-Verbindungen werden von der Hefe während der Gärung zur Herstellung von Aminosäuren verwendet, und eine Erhöhung des FAN-Gehalts in der Würze verbessert die Gesundheit und Vitalität der Hefe. Ein hoher Proteingehalt in Bieren hat auch negative Auswirkungen, da er die Feinheit des Bieres beeinträchtigt und die Bildung von Trübungen, insbesondere von Kältetrübungen, begünstigt. Auch die Haltbarkeit der Produkte kann beeinträchtigt werden.

Calciumionen schützen das Enzym a-Amylase vor einer Hemmung durch Hitze. a-Amylase ist ein Endo-Enzym, das die internen 1,4-Glucosidbindungen des Amylopektins spaltet, was zu einer raschen Verringerung der Würzeviskosität führt. Der optimale Temperaturbereich für A-Amylase liegt bei 65 – 68°C, allerdings wird das Enzym bei diesen Temperaturen schnell zerstört. Kalzium stabilisiert die a-Amylase auf 70 – 75°C.

Die Anwesenheit von Kalzium wirkt sich also positiv auf die Aktivität sowohl der a-Amylase als auch der ß-Amylase aus, zwei der wichtigsten Enzyme im Brauprozess.

• Das Absinken des pH-Werts, das durch die Kalziumionen in der Maische und das Kupfer gefördert wird, trägt dazu bei, dass die Würze und das spätere Bier widerstandsfähiger gegen mikrobiologische Infektionen sind.
• Der reduzierte pH-Wert der Lauge verringert die Extraktion von unerwünschten Silikaten, Tanninen und Polyphenolen aus dem Maischebett.

Die Extraktion dieser Stoffe wird durch die alkalische Spritzbrühe gefördert. Diese Stoffe sind sehr unerwünscht, da sie zu hartem Geschmack, Trübungen im fertigen Bier und geringerer Bierstabilität beitragen.

Calcium scheidet Oxalate als unlösliches Calciumoxalat aus. Dies gilt wiederum sowohl für den Maischebottich als auch für das Kupfer. Oxalate verursachen Trübungen in fertigen Bieren und tragen auch zur Bildung von Bierstein in FVs, CTs und Fässern bei. Oxalate stehen auch im Verdacht, bei bestimmten Bieren das Sprudeln zu fördern, obwohl dies für den Kleinbrauer im Allgemeinen kein Problem darstellt.

Das Vorhandensein von Kalzium verringert die Farbbildung im Kupfer. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Extraktion von farbbildenden Verbindungen wie Anthocyanogenen und Pro-Anthocyanidinen während des Abgießens reduziert wird.

Die Reaktion: Reduzierender Zucker + Hitze Melanoidine wird ebenfalls gehemmt.

Calciumionen verbessern die Schönungsleistung von Bier. Calciumionen fördern die Ausflockung der Hefe – als zweiwertiges Kation hat es eine natürliche Affinität zu negativ geladenen Hefezellen.

Bei all den oben genannten Vorteilen der Anwesenheit von Kalzium und der Senkung des pH-Wertes gibt es einen kleinen Nachteil: Die Senkung des pH-Wertes führt zu einer geringeren Ausnutzung des Hopfens, was zu weniger bitteren Bieren führt. Dies erhöht die Hopfungskosten, da mehr Hopfen benötigt wird, um den gewünschten Bitterkeitsgrad zu erreichen. Der optimale pH-Wert für die Hopfenisomerisierung, wie er bei der kommerziellen Herstellung von isomerisierten Hopfenextrakten verwendet wird, liegt jedoch bei etwa pH 10, so dass eine Absenkung von pH 5-8 in einer Maische mit unbehandelter Flotte auf pH 5-1 aus Kupfer für einen behandelten Sud nicht allzu kritisch ist.

Sie werden sehen, dass ein großer Teil des der Maische zugesetzten Kalziums verloren geht – ausgefällt als Phosphat, Proteinat oder Oxalat. Da Kalzium im Kupfer speziell für die weitere Ausfällung dieser Stoffe benötigt wird, ist es üblich, dem Schrot oder dem Hot Liquor Tank Kalzium zuzusetzen und dann eine zweite Zugabe zum Kupfer vorzunehmen. Wo dies nicht praktikabel ist, ist es durchaus akzeptabel, eine größere Zugabe zum Schrot oder zur HLT vorzunehmen.