Agnieszka Jursza-Szymańska, Andrzej Sobczyński
Uniwersytet Ekonomiczny w Poznaniu
OceNA ZMiAN JAKOści piWA
ZWiąZANych Z prOceSeM StArZeNiA
Streszczenie: W celu obserwacji zmian zachodzących w procesie starzenia się piwa zasto- sowano trzy metodologicznie różne metody analityczne: analizę fizykochemiczną zgod- ną z polskimi normami, badania zmian zawartości związków lotnych z obróbką danych metodą PCA oraz badania za pomocą nosa elektronicznego. Badania wykazały szczegól- ną przydatność analizy sensorycznej, dającej najbardziej jednoznaczne określenie jakości piwa. Zastosowane metody chemometryczne pozwoliły na wyznaczenie profili związków lotnych, które mogą służyć do określenia jakości piwa. Według autorów, proces starzenia się piwa można z powodzeniem śledzić każdą z zastosowanych metod. Niemniej najlep- sze efekty dałoby z pewnością zastosowanie wszystkich trzech metod jednocześnie.
Słowa kluczowe: piwo, nos elektroniczny, chromatografia gazowa, chemometria, analiza sensoryczna, związki lotne.
Wstęp
Piwo jest jednym z najstarszych napojów alkoholowych na świecie, napojem do- brze gaszącym pragnienie, o właściwościach orzeźwiających, ma też stosunkowo dużą wartość odżywczą i dietetyczną. Bukiet piwa, klarowność, kolor są główny- mi wyróżnikami tworzącymi jego jakość, także głównymi cechami ocenianymi przez konsumentów. Różne rodzaje piw mają niepowtarzalne i charakterystyczne bukiety smakowo-zapachowe, utożsamiane najczęściej z ich producentem. Zna- leziono ponad 800 różnych związków odpowiedzialnych za bukiet smakowo-za- pachowy piwa. Są wśród nich substancje tworzące bukiet piwa młodego (diace- tyl, aldehydy, związki zawierające siarkę) oraz substancje tworzące bukiet piwa dojrzałego – jego aromat – głównie wyższe alkohole i estry [Kamimura i Kaneda 1993; Kaneda i in. 1995].
Wzrost zdolności produkcyjnych browarów oraz wydłużenie czasu między produkcją a konsumpcją stawiają nowe wymagania dotyczące trwałości i sta-
bilności piwa. Piwo nawet przy swojej trwałości i wysokiej jakości może ulec w czasie transportu, magazynowania niekorzystnym zmianom, polegającym na zachwianiu wewnętrznej równowagi koloidalnej. W wyniku zachodzących proce- sów powstają zmętnienia, zmiany barwy, nieświeży, obcy zapach i smak. Zmniej- sza się także goryczka piwa, zwiększa się aromat „słodki”, przypalonego cukru czy karmelu. Ogólnie piwa mają tendencję do utraty ostrego, cierpkiego i nie- co ściągającego zapachu podczas przechowywania, w zamian rozwija się zapach słodki, przesłodzony, syropowy lub zapach melisy [Bamforth i Parsons 1985; Ka- neda i in. 1997; Kaneda i in. 1999; King i Duineveld 1999; Vanderhaegen i in.
2003].
Celem pracy była ocena towaroznawcza procesu starzenia się piwa przy wy- korzystaniu różnych metod. Zastosowano trzy metodologicznie różne metody:
analizę sensoryczną, określenie fizykochemicznych wyróżników jakości piwa w testach laboratoryjnych oraz badania związków lotnych piwa tworzących aro- mat z wykorzystaniem metod chemometrycznych, takich jak HS-GC-PCA i ana- liza za pomocą nosa elektronicznego.
1. Materiał i metody badań
Badania obejmowały piwo jasne pełne, dolnej fermentacji typu pilzneńskiego, po- chodzące bezpośrednio z linii produkcyjnej browaru. Według danych producenta zawartość ekstraktu w piwie wynosiła 11,7% wag., zawartość alkoholu 5,7% obj.
Badane piwo przechowywano 36 tygodni, w temperaturze 2ºC, analizy przepro- wadzano w odstępach sześciotygodniowych. Wzorce chromatograficzne o czy- stości > 98%, analizowanych związków zakupiono w firmach Aldrich i Fluka.
Analizę jakościową i ilościową związków lotnych piwa przeprowadzo- no za pomocą chromatografu gazowego VARIAN 3800, wyposażonego w de- tektor FID, z wykorzystaniem techniki headspace. Identyfikacji i ilościowego oznaczenia związków lotnych badanych piw dokonano przez porównanie cza- sów retencji i pola powierzchni pików badanych związków z czasami retencji i powierzchnią pików ich wzorców. Doboru wzorców związków lotnych piwa dokonano na podstawie danych literaturowych [Bamforth i Parsons 1985; Bam- forth 2000], biorąc pod uwagę ich wpływ na bukiet piwa. Krzywe wzorcowe dla każdego związku przygotowano w zakresie stężeń, w których związki te wystę- pują w piwie.
Analizę profilu związków lotnych piwa przeprowadzono za pomocą nosa elektronicznego z automatycznym podajnikiem prób. Jako detektor zastosowano spektrometr masowy TurboMass, firmy Perkin Elmer. Do identyfikacji piwa wy- korzystano jony o następujących wartościach m/z: 55, 61, 69, 70, 73, 84. Wyniki zaprezentowano w postaci tzw. klas badanego piwa. Interpretację graficzną stano- wił obraz uzyskany na dwuwymiarowej płaszczyźnie.
Przeprowadzona analiza sensoryczna polegała na ocenie tzw. pijalności piwa przechowywanego, dokonanej za pomocą zmysłów smaku, zapachu i wzroku przez odpowiednio przeszkolony panel sensoryczny browaru. Przyjęta metoda oceny polegała na określeniu ogólnej jakości piwa za pomocą skali dziesięcio- punktowej.
Analizę najważniejszych parametrów jakościowych piwa (barwa B2, pH, kwa- sowość Kp, goryczka JG, zawartość alkoholu A%, ekstraktu rzeczywistego Er%, ekstraktu brzeczki podstawowej Eb) przeprowadzono metodami fizykochemicz- nymi zgodnie z Polską Normą PN-A-79093:2000.
2. Wyniki i dyskusja
W badanym piwie świeżym zidentyfikowano i oznaczono ilościowo metodą HS-GC dwanaście związków lotnych tworzących aromat piwa. Związki te należą do grupy alkoholi i estrów: propanol, izobutanol, 3-metylo-1-butanol, n-butanol, octan etylu, octan izobutylu, maślan etylu, octan butylu, kapronian etylu, kapry- lan etylu, octan 2-fenyloetylu. Zawartość ich w piwie przedstawiono w tabeli 1.
Kolejność oznaczonych związków nie jest adekwatna do czasu retencji danego związku. Wśród alkoholi w największych ilościach występował 3-metylo-1-buta- nol – 65,21 mg/dm3, stanowił 57,78% zawartości wszystkich związków lotnych piwa. Należy dodać, że powyższe badania nie obejmowały oznaczenia zawar- tości C2H5OH, głównego alkoholu piwa. Zawartość alkoholu etylowego, która jest ponad 200 razy wyższa niż sumaryczna zawartość innych alkoholi, oznaczo- no w inny sposób. W grupie estrów dominował octan etylu – 21,01 mg/dm3, co stanowiło 18,61% zawartości wszystkich związków lotnych piwa. W porówna- niu z danymi literaturowymi [Harayama, Hayase i Kato 1991; Bamforth 2000]
zawartość poszczególnych alkoholi i estrów w badanym piwie kształtowała się w zakresie stężeń typowych dla piw dolnej fermentacji.
Jak wynika z przeprowadzonej analizy wariancji (ANOVA), zawartość w pi- wie wszystkich alkoholi i estrów istotnie zależała od czasu przechowywania, p < 0,05. W celu zbadania zależności pomiędzy oznaczonymi związkami lotnymi piwa i wyodrębnieniu tych, które w największym stopniu wpływają na rozróżnie- nie piwa świeżego, w poszczególnych tygodniach przechowywania przeprowa- dzono analizę głównych składowych PCA. W badanym piwie wyróżniono dwie główne składowe PC1 i PC2, które charakteryzują się najwyższymi wartościami i spełniają warunek wartości własnych większych od 1. Pierwsza składowa głów- na PC1 o największej wartości własnej 7,45 wyjaśniała 62,15% całkowitej wa- riancji, a druga składowa PC2 wyjaśniała 26,46% całkowitej wariancji (wartość własna 3,17). Wybrane składowe główne łącznie objaśniały 88,61% całkowitej zmienności porównywalnych cech. W celu zobrazowania relacji występujących
pomiędzy piwem świeżym i przechowywanym sporządzono projekcję badanych przypadków na płaszczyznę dwuczynnikową, płaszczyznę składowych głównych PC1 i PC2 (rysunek 1).
W przestrzeni rozpiętej na dwóch komponentach głównych obliczonego mo- delu PCA punkty odpowiadające próbkom piwa świeżego i w poszczególnych ty- godniach przechowywania tworzą skupiska. Każda grupa punktów jest dobrze określona i możliwe jest jednoznaczne przyporządkowanie każdego punktu do jednej z istniejących klas jakości piwa.
Aromat piwa to zespół wrażeń smakowo-zapachowych. Podczas przechowy- wania aromat zmienia się, a szybkość tych zmian zależy od warunków przecho- wywania i od składu piwa. Nos elektroniczny rozróżnił badane piwo w poszcze- tabela 1. Zmiany zawartości alkoholi i estrów w piwie podczas przechowywania [mg/dm³]
Alkohole, estry Okres przechowywania (tygodnie)
0 6 12 18 24 30 36
Propanol 13,64a
(±0,27) 13,85b
(±0,10) 14,88c
(±0,14) 15,43d
(±0,25) 15,10de
(±0,14) 15,82f
(±0,27) 20,19g (±0,20) Izobutanol 10,85a
(±0,13) 11,23b
(±0,13) 10,84a
(±0,25) 10,83a
(±0,12) 10,74ac
(±0,07) 10,05d
(±0,08) 10,52ec (±0,28) 3-Metylo-1-butanol 65,21a
(±0,13) 64,75ab
(±0,52) 63,24c
(±0,12) 61,80d
(±0,19) 62,11de
(±0,22) 62,48ef
(±0,39) 85,08g (±0,89)
N-butanol ślady ślady ślady 0,15a
(±0,01) 0,20b
(±0,01) 0,29c (±0,02) Octan etylu 21,01a
(±0,10) 21,51b
(±0,09) 20,35cd
(±0,24) 20,48c
(±0,37) 20,17d
(±0,16) 20,34cd
(±0,14) 25,21e (±0,11) Octan izobutylu 0,07a
(±0,01) 0,07a
(±0,01) 0,09b
(±0,01) 0,05c
(±0,01) 0,05c
(±0,01) 0,04d
(±0,01) 0,04d (±0,01) Maślan etylu 0,05a
(±0,01) 0,05a
(±0,01) 0,08b
(±0,01) 0,08b
(±0,01) 0,08b
(±0,01) 0,08b
(±0,01) 0,08b (±0,01) Octan butylu 0,16a
(±0,01) 0,18b
(±0,01) 0,13c
(±0,01) 0,07d
(±0,01) 0,05e
(±0,01) 0,04ef
(±0,01) 0,04ef (±0,01) Octan izoamylu 1,44a
(±0,01) 1,55b
(±0,02) 1,53b
(±0,02) 1,53b
(±0,03) 1,51b
(±0,01) 1,53b
(±0,02) 1,6c7 (±0,02) Kapronian etylu 0,12a
(±0,01) 0,12a
(±0,01) 0,10b
(±0,01) 0,12a
(±0,01) 0,12a
(±0,01) 0,12a
(±0,01) 0,12a (±0,01) Kaprylan etylu 0,11a
(±0,01) 0,11a
(±0,01) 0,14b
(±0,01) 0,16c
(±0,01) 0,17d
(±0,01) 0,19e
(±0,01) 0,19e (±0,01) Octan2-fenyloetylu 0,19a
(±0,01) 0,19a
(±0,01) 0,47b
(±0,01) brak brak brak brak
a-g – średnie oznaczone różnymi literami różnią się statystycznie istotnie na poziomie istotności p < 0,05 mię- dzy kolumnami w poszczególnych wierszach.
Źródło: Badania własne.
gólnych tygodniach przechowywania, tworząc klasy, czyli miejsca w przestrzeni odpowiadające konkretnym próbkom piwa. Każda z klas została utworzona na podstawie wyników uzyskanych z 18 pomiarów wykonanych dla każdego piwa.
Wpływ czasu przechowywania na położenie klas dla piwa pokazuje rysunek 2.
rysunek 1. projekcja przypadków piwa w czasie przechowy- wania na płaszczyznę głównych składowych pc1 i pc2
Źródło: Badania własne
rysunek 2. Zmiany profilu związków lotnych podczas przechowywania w temperaturze 2ºc
Źródło: Badania własne
0–36 weeks
–8 –6 –4 –2 0 2 4 6 8
PC1: 62,15%
–5 –4 –3 –2 –1 0 1 2 3 4
PC2: 26,46%
0 6
12 18
24 30 36
PC1 90,3%
PC2 9,0%
T1-0
T1-12 T1-6 T1-18
T1-24 T1-30 T1-36
Nos elektroniczny wyraźnie odróżnił i ocenił próbki o różnej starości. Każdy pomiar w czasie dawał klasę w innym położeniu, klasy nie nakładały się na sie- bie. Pozwoliło to na rozróżnienie piwa w poszczególnych tygodniach przecho- wywania. Przeprowadzone badania wykazały także, że podczas przechowywania nastąpił spadek intensywności zapachu.
Analiza sensoryczna obejmowała ocenę pijalności piwa przechowywanego.
Z upływem czasu przechowywania piwo otrzymywało oceny niższe, jednak nie zostało ocenione poniżej tzw. dolnej granicy pijalności, nawet w przypadku dwu- miesięcznego przeterminowania (termin przydatności producenta – sześć miesię- cy). Dolna granica pijalności określa ocenę akceptowaną jeszcze przez klienta.
Podczas przechowywania pojawiły się obce zapachy i smaki, które są związane ze starzeniem się piwa. Zmiany takie znajdują potwierdzenie w literaturze [Bam- forth i Parsons 1985; Kamimura i Kaneda 1993; Vanderhaegen i in. 2003; Foster, Samp i Patino 2001]. Tabela 2 przedstawia wszystkie smaki i zapachy zidentyfi- kowane podczas oceny sensorycznej.
tabela 2. Zapachy i smaki zidentyfikowane w piwie podczas przechowywania
piwo tygodnie przechowywania
0 6 12 18 24 30 36
Smak, za-
pach piwa ściągający siarkowy
palony
ściągający
siarkowy ściągający przypa-
lony przypalo- utlenionyny,
przypalo- utlenionyny,
karmelowy przypalony siarkowy
sycący kwaskowy Źródło: Badania własne.
Wszystkie ocenione parametry fizykochemiczne badanego piwa spełniały wy- magania Polskiej Normy PN-A-79098:1995 dla badanego gatunku piwa. Wiel- kości poszczególnych parametrów przedstawiono w tabeli 3. Jak wspomniano, badane piwo miało okres ważności sześciu miesięcy. Ostatnie dwie serie badań dotyczą zatem piwa przeterminowanego. Badania te przeprowadzono w celu dokonania dokładniejszej oceny zmian, które mogą być nieuchwytne w okre- sie przydatności do spożycia. Wyróżniki fizykochemiczne istotnie ulegają dal- szym zmianom, zgodnym jednak z danymi przedstawianymi przez innych au- torów [ Kamimura i Kaneda 1993; Kaneda i in. 1995; Kaneda i in. 1999; King i Duineveld 1999; Vanderhaegen i in. 2003; Foster, Samp i Patino 2001]. W trak- cie 36-tygodniowego przechowywania w badanym piwie następowało obniżenie zawartości alkoholu, ekstraktu brzeczki podstawowej, goryczki. Zmiany te jed- nak mieściły się w granicach określonych w polskich normach. Ponadto obniżał się wskaźnik stabilności koloidalnej, związany z wytwarzaniem substancji biał-
kowych powodujących zmętnienie. W celu dokładnego określenia zależności wy- branych wyróżników jakościowych od czasu przechowywania przeprowadzono analizę wariancji (ANOVA). Z analizy wynika, że wszystkie wyróżniki fizyko- chemiczne zależą istotnie od czasu przechowywania, p < 0,05. W tabeli 3 poka- zano zmiany poszczególnych wyróżników fizykochemicznych podczas przecho- wywania.
tabela 3. Zmiany zawartości wyróżników fizykochemicznych w piwie podczas przechowywania
Wyróżnik czas przechowywania (tygodnie)
0 6 12 18 24 30 36
A % (m/m) 4,32a
(±0,02) 4,37b
(±0,01) 4,33a
(±0,3) 3,99c
(±0,01) 3,97cd
(±0,01) 3,95d
(±0,01) 3,81e (±0,01) Er %
(m/m) 3,27a
(±0,02) 3,30a
(±0,02) 3,41b
(±0,01) 3,42bc
(±0,01) 3,44bc
(±0,01) 3,48bc
(±0,01) 3,50c (±0,01) Eb %
(m/m) 11,66a
(±0,05) 11,77b
(±0,03) 11,80b
(±0,04) 11,19c
(±0,02) 11,17c
(±0,02) 11,17c
(±0,01) 10,92d (±0,03)
pH 4,35a
(±0,01) 4,35a
(±0,01) 4,44b
(±0,01) 4,44b
(±0,01) 4,45b
(±0,01) 4,45b
(±0,01) 4,46c (±0,01)
B2 8,25a
(±0,09) 8,64b
(±0,05) 8,60b
(±0,02) 8,86c
(±0,01) 8,88cd
(±0,01) 8,94d
(±0,01) 9,13e (±0,01)
JG 21,60a
(±0,20) 21,36a
(±0,16) 20,93b
(±0,43) 20,70b
(±0,05) 20,12c
(±0,03) 19,20d
(±0,05) 18,67e (±0,30)
Kp 1,77a
(±0,01) 1,79a
(±0,02) 1,78a
(±0,01) 1,79a
(±0,02) 1,83b
(±0,02) 1,83b
(±0,02) 2,91c (±0,02) a-e – średnie oznaczone różnymi literami różnią się statystycznie istotnie na poziomie istotności p < 0,05, mię- dzy kolumnami w poszczególnych wierszach.
Źródło: Badania własne.
Wnioski
Wykorzystane w pracy metody oznaczania wyróżników jakościowych piwa wy- kazały ich przydatność do oceny jego jakości.
Widoczne jest zróżnicowanie zawartości związków lotnych, alkoholi i estrów w badanym piwie, całkowita ich zawartość wzrasta podczas przechowywania.
Zastosowana analiza PCA pozwala na rozróżnienie próbek piwa w poszczegól- nych tygodniach przechowywania. Analiza związków lotnych piwa z zastosowa- niem nosa elektronicznego umożliwia śledzenie procesu starzenia się piwa, każ- dy pomiar piwa podczas przechowywania utworzył klasę w innym położeniu, co umożliwiło pełną identyfikację i rozróżnienie piwa. Stwierdzono wpływ czasu
przechowywania na spadek oceny pijalności piwa, dodatkowo zidentyfikowano obce smaki i zapachy odpowiedzialne za jego starzenie się. Podczas przecho- wywania piwa zaszły istotne zmiany podstawowych wyróżników fizykochemicz- nych, obniżających jakość produktu.
Reasumując, proces starzenia się piwa można z powodzeniem śledzić każdą z zastosowanych metod. Niemniej najlepsze efekty dałoby z pewnością zastoso- wanie wszystkich trzech metod jednocześnie.
Bibliografia
Bamforth, C.W., 2000, Making of Flavor Changes in Beer, MBAA Technical Quarterly vol. 37, 165–171.
Bamforth, C.W., Parsons, R. 1985, New Procedures to Improve the Flavor Stability of Beer, Journal of the American Society of Brewing Chemists vol. 43, 197–202.
Foster, R.T., Samp, E.J., Patino, H., 2001, Multivariate Modeling of Sensory and Chemi
cal Data to Understand Staling in Light Beer, Journal of the American Society of Bre- wing Chemists vol. 59, 201–210.
Harayama, K., Hayase, F., Kato, H., 1991, Evaluation by Multivariate Analysis of Offfla
vor in Headspace Volatiles Formed During Storage of Beer, Agricultural and Biologi- cal Chemistry vol. 55, 393–402.
Kamimura, M., Kaneda, H., 1993, Shelflife of Beer, w: Shelf Life Studies of Food and Beverages, Elsevier Science Publisher B.V.
Kaneda, H., Kobayashi, M., Furusho, S., Sahara, H., Koshino, S., 1995, Chemical Evalu
ation of Beer Flavor Stability, MBAA Technical Quarterly vol. 32, 76–80.
Kaneda, H., Kobayashi, M., Tomaki, T., Osawa, T., 1997, Influence of pH on Flavour Sta
ling During Beer Storage, Journal of the Institute of Brewing vol. 103, 21–23.
Kaneda, H., Kobayashi, M., Takashio, M., Tamaki, T., 1999, Beer Staling Mechanism, MBAA Technical Quarterly vol. 36, 41–47.
King, B.M., Duineveld, C.A.A., 1999, Changes in Bitterness as Beer Ages Naturally, Food Quality and Preference vol. 10, 315–324.
Vanderhaegen, B., Neven H., Coghe, S., Verstrepen, K.J., Verachtert, H., Derdelinckx, G., 2003, Evolution of Chemical and Sensory Properties During Aging of Top Fermented Beer, Journal of Agricultural and Food Chemistry vol. 51, 6782–6790.
evALUAtiON OF chANGeS OF Beer qUALity DUriNG agINg
Summary: Three methodologically different methods were used in order to observe the changes in beer stored at 2 oC. Sensory analysis, performed by a team of professional beer-tasters for samples stored at 2oC gave, in our opinion, the most desirable and un- equivocal description of beer quality. Physicochemical determinants of quality, estimated in laboratory tests for beers stored at 2 oC showed conformability of beer quality to com- monly accepted standards of quality. The results were in clear agreement with sensory evaluations. Both chemometric methods applied, i.e. PCA evaluation of the results of headspace gas chromatographic determination of beer volatiles and the ‘electronic nose’
gave separate sets of points (separate classes) for each beer sample analysed. Thus the ob- tained ‘profiles’ of volatiles can serve as patterns of quality for the beer. It is concluded that each of the applied methods used separately gives sufficient information regarding perfection or imperfection of beer samples. However, beer is best characterised if it is evaluated using all three methods.
