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 酿造用水

一、水源

   自然界水源种类有：雨水、雪水；地表水（江、河、湖、水库水和浅井水）；地下水（深井水、泉水）；冰水；海水。啤酒厂选择水源的原则应既要考虑水量充沛和稳定，又要基本符合我国生活饮用水标准（GB5749－85），另外冷却水的水温越低越好。综合各种水源的水质特性，啤酒厂的水源应优先考虑采用地下水。地下水的水质特点为：
1．水质清洁，含有机物、悬浮物、胶体物质少。
2．水的温度稳定，水温一般在5～24℃之间，不受气温和季节影响。
3．水生生物少，没有或很少有微生物，没有致病菌和水生动物及水生植物。
4．溶解盐类高，硬度高。
    但在使用地下水时应注意，应优先选择浅层地下水，其次是深层地下水。某些地下水经含矿盐层时，会受到各种金属矿岩的污染，同时水的硬度高，因此生产应用时，应根据具体要求做相应的处理。除地下水外，选择其它水源的次序是：(1)城市自来水；(2)湖泊水、水库水；(3)河水。

二、酿造用水的要求 

   啤酒生产用水包括酿造用水（直接进入产品中的水如糖化用水、洗糟用水、啤酒稀释用水）和洗涤、冷却用水及锅炉用水。成品啤酒中水的含量最大，俗称啤酒的"血液"，水质的好坏将直接影响啤酒的质量，因此酿造优质的啤酒必须有优质的水源。酿造用水的水质好坏主要取决于水中溶解盐的种类与含量、水的生物学纯净度及气味这些因素将对啤酒酿造、啤酒风味和稳定性产生很大影响，因此必须重视酿造用水的质量。
    酿造用水直接进入啤酒，是啤酒中最重要的成分之一。酿造用水除必须符合饮用水标准外，还要满足啤酒生产的特殊要求。淡色啤酒的酿造用水质量要求见表1-4-1。 

                              表1-4-1 淡色啤酒酿造用水质量要求
项目
单位
理想要求
最高极限
原因
混浊度

透明，无沉淀
透明，无沉淀
影响麦汁浊度，啤酒容易混浊
色

无色
无色
有色水是污染的水，不能使用
味

20℃无味 50℃无味
20℃无味
50℃无味
若有异味，污染啤酒，口味恶劣
残余碱度（RA）
ºd
≤3
≤5 （淡色啤酒）
影响糖化醪PH值，使啤酒的风味改变。总硬度5～20ºd ，对深色啤酒RA>5ºd，黑啤酒RA>10ºd
pH值

6.8～7.2
6.5～7.8
不利于糖化时酶发挥作用，造成糖化困难，增加麦皮色素的溶出，使啤酒色度增加、口味不佳
总溶解盐类
mg/L
150～200
<500
含盐过高，使啤酒口味苦涩、粗糙
硝酸根态氮
mg/L (氮计)
<0.2
0.5
会妨碍发酵，饮用水硝酸盐含量规定为<50mg/L
亚硝酸根态氮
mg/L (氮计)
0
0.05
影响糖化进行，妨碍酵母发酵，使酵母变异，口味改变，并有致癌作用
氨态氮
mg/L
0
0.5
表明水源受污染的程度
氯化物
mg/L
20～60
<100
适量，糖化时促进酶的作用，提高酵母活性，啤酒口味柔和；过量，引起酵母早衰，啤酒有咸味
硫酸盐
mg/L
<100
240
过量使啤酒涩味重
铁
mg/L
<0.05
<0.1
过量水呈红或褐色，有铁腥味，麦汁色泽暗
锰
mg/L
<0.03
<0.1
过量使啤酒缺乏光泽，口味粗糙
硅酸盐
mg/L
<20
<50
麦汁不清，发酵时形成胶团，影响发酵和过滤，引起啤酒混浊，口味粗糙
高锰酸钾
消耗量
mg/L
<3
<10
超过10mg/L时，有机物污染严重，不能使用
微生物

细菌总数<100个/ml，不得有大肠杆菌和八叠球菌
 超标对人体健康有害

三、水中影响啤酒质量的主要因素

1．水的硬度
    水中所含钙离子、镁离子和水中存在的碳酸根离子、硫酸根离子、氯离子、硝酸根离子所形成盐类的浓度称为水的硬度。我国规定1升水中含有10mg氧化钙为1ºd（德国度）。淡色啤酒要求使用8ºd以下的软水，深色啤酒可用12ºd以上的硬水。硬度的法定计量单位是以mmol/L表示的，1mmol/L = 2.804ºd。                       
    水的硬度分为暂时硬度（也称为碳酸盐硬度，指水中钙、镁的碳酸氢盐浓度）、永久硬度（也称为非碳酸盐硬度，指水中钙、镁的硫酸盐、碳酸盐、硝酸盐等浓度）和负硬度（含钾、钠的碳酸氢盐浓度），也可以钙硬和镁硬来分类,见表1-4-2。 

                             表1-4-2   水中钙硬和镁硬的分类
总硬度
钙硬度
镁硬度
Ca（HCO3）2
CaSO4
CaCl2
Ca（NO3）2
Mg（HCO3）2
Mg SO4
Mg Cl2
Mg（NO3）2

  　水的残余碱度（Residue  Alkalinity，简称RA）是对水中具有降酸作用和增酸离子的综合评价，可以预测水中碳酸氢盐、钙硬、镁硬对麦汁和啤酒的影响程度，是衡量水质的一项重要指标。
    水的残余碱度（RA）= 水的总碱度－抵消碱度
    当水中不含NaHCO3时，水中的HCO3- 主要与Ca2+、Mg2+结合，成为相应的盐，此时，水的总碱度（GA）就是水的碳酸盐硬度（暂时硬度），两者表示方法相同，均以mmol/L表示。如果水中含有NaHCO3，则水的总硬度大于碳酸盐硬度，此水呈负硬度。
    抵消碱度是指Ca2+、Mg2+的增酸效应抵消碳酸氢盐降酸作用所形成的碱度。
    抵消碱度为：钙硬/3.5 + 镁硬/7
    因此，水的残余碱度（RA）为： 
    RA = GA －（钙硬/3.5 + 镁硬/7）
    酿造不同的啤酒，对水的RA值要求也不同。淡色啤酒RA值≤5ºd，深色啤酒RA值＞5ºd，黑色啤酒RA值＞10ºd。
    若酿造淡色啤酒，除RA值之外，总硬度应＜35ºd（视RA值而定非碳酸盐硬度与碳酸盐硬度的比值为（2.5～3.0）：1；钙硬度：镁硬度＞3：1。但一般酿造水很难达到，可以通过调酸去暂时硬度，加入钙盐增加永久硬度来改善比值。加酸能显著降低RA值，但在实际生产中单靠加酸来降低RA值，不仅增加了产品成本也很难达到好效果。当水总硬度和暂时硬度都很高时，应考虑采用其他方法对水进行处理，降低总硬度和暂时硬度，这样才能从根本上达到改良水质的目的。
    水的硬度并非愈小愈好，实验证明水的硬度过小对酵母的生长繁殖不利。表现在发酵过程中，会出现降糖缓慢，发酵时间过长，易染菌等现象。所以对水的硬度的要求，应根据所使用的酵母菌种和产品的类型而定。
    不同地区的水，具有不同的总硬度，并且可以酿制出不同类型的啤酒。
    当Ca2+含量在40 mg/L～70mg/L之间，能保持啤酒糖化时淀粉液化酶的耐热性。如麦汁含Ca2+在80 mg/L～100mg/L时，可促进麦汁煮沸时形成单宁－蛋白质－钙的复合物，有利于热凝固蛋白质的絮凝。啤酒发酵中有30 mg/L以上Ca2+时，能促进酵母的凝聚性，也能促进形成草酸钙（啤酒石）的沉结。但过多Ca2+会阻碍酒花a－酸的异构，并使酒花苦味变得粗糙。
    Mg2+的影响和钙相似，在麦芽中含量约为130 mg/L。啤酒酿造用水含有10 mg/L～15mg/L的Mg2+已足够，不宜超过80mg/L。当啤酒中含Mg2+超过40mg/L时，会使啤酒变得干、苦味重。According to Salac（1957）指出啤酒中的Ca2+ 、Mg2+平衡对啤酒风味有重要影响，当Ca2+：Mg2+ = 47：24，啤酒有柔和协调的风味。
2．水中离子对pH值的影响
　　水中的离子如钙、镁和碳酸氢根离子对糖化醪液和麦汁的pH值影响较大，具体如下：
(1)碳酸氢盐的降酸作用  麦芽中的磷酸二氢钾使麦芽醪偏向酸性，并与水中形成暂时硬度的碳酸氢盐反应，生成K2HPO4，而使醪液酸度降低，pH值上升。
    2KH2PO4 + Ca（HCO3）2 → CaHPO4 + K2HPO4 + 2H2O + 2CO2↑
    有过量的Ca（HCO3）2存在时，则上述反应继续，形成Ca3（PO4）2沉淀。
    4KH2PO4 + 3 Ca（HCO3）2→ Ca3（PO4）2↓ + 2 K2HPO4 + 2H2O+ 2CO2↑
同理： 
    2KH2PO4 + Mg（HCO3）2→ MgHPO4  + K2HPO4 + 2H2O+ 2CO2↑ 
    酿造水中，镁离子含量一般较钙离子低，不易进行到Mg3（PO4）2，而只形成MgHPO4为止。MgHPO4呈碱性，溶解于水，与碱性的K2HPO4共存，使醪液酸度降低，pH值上升。因此，Mg（HCO3）2降酸作用比Ca（HCO3）2强
    水中的碳酸氢钙（镁）可使麦芽醪液中的磷酸二氢钾转变成磷酸氢二钾，使麦芽醪液酸度下降。酸度下降会给生产工艺带来诸多的不便，如：影响酶的最适作用条件，糖化效果差，麦汁收得率降低，可发酵性糖降低，酒花苦味粗糙，发酵缓慢，发酵时间延长，发酵度降低。
(2)Ca2+、Mg2+的增酸作用  K2HPO4与形成永久硬度的硫酸盐（或氯化物）作用，使碱性的K2HPO4又恢复为酸性的KH2PO4：
    4K2HPO4 +3CaSO4 = Ca3（PO4）2↓ + 2K2HPO4+ 3K2SO4
同理：
    4K2HPO4 +3MgSO4 = Mg3（PO4）2↓ + 2KH2PO4+ 3K2SO4 
    由于MgSO4形成的酸性KH2PO4较CaSO4形成的少，Ca2+的增酸作用强，是Mg2+的2倍，且Mg2+的风味欠佳，生产中采用CaSO4或CaCl2增酸，调节pH值。
3．Na+、K+的影响
    啤酒中钠和钾主要来自于原料，其次才是酿造水。啤酒中Na+、K+过高容易使浅色啤酒变得粗糙，不柔和，一般啤酒中Na+：K+常常在50～100 ：300～400。因此要求酿造用水中的Na+、K+含量较低，若两者超过100mg/L，则这种水不适宜酿造浅色啤酒。
4．Fe2+、Mn2+的影响
    优质啤酒含Fe2+应少于0.1mg/L，若啤酒中含Fe2+＞0.5mg/L，会使啤酒泡沫不洁白，加速啤酒的氧化浑浊。若啤酒中含Fe2+＞1mg/L会使啤酒着色，并具有空洞感，铁腥味。酿造水中的Fe2+最高限量，文献报道不一，一般认为应低于0.2 mg/L～0.3 mg/L。
    Mn2+对啤酒影响与Fe2+相似，同时它是多种酶的辅基，尤其能促进蛋白酶活性。当Mn2+水平超过0.5mg/L时，会干扰发酵，并使啤酒着色。酿造水中Mn2+应低于0.2mg/L。
5．Pb2+、Sn2+、Cr6+、Zn2+等的影响
    重金属是酵母的毒物，会使酶失活，导致啤酒浑浊。除Zn2+以外的重金属离子在酿造水中均应低于0.05mg/L。
    Zn2+是酵母生长必需的无机离子，如果麦汁中含有0.1 mg/L～0.5mg/L的Zn2+，酵母能旺盛生长，发酵力强，同时它还能增强啤酒泡沫的强度。酿造用水中Zn2+可以放宽到低于2 mg/L。 
6．SO42-的影响
    酿造水中SO42-经常和Ca2+结合，在酿造中能消除HCO3-引起的碱度和促进蛋白质絮凝，有利于麦汁的澄清。酿造浅色啤酒的水中含SO42-可以在50 mg/L～70mg/L之间，过多也会引起啤酒的干苦和不愉快味道，使啤酒的挥发性硫化物的含量增加。
7．Cl-的影响
    Cl-对啤酒的澄清和胶体稳定性有重要作用。Cl-能赋予啤酒丰满的酒体，爽口、柔和的风味。酿造水中Cl-含量应在20 mg/L～60mg/L之间，最高不能超过100mg/L。麦汁中Cl-＞300mg/L时，会引起酵母早衰、发酵不完全和啤酒口味粗糙。现在啤酒酿造水改良时，常用CaCl2代替CaSO4，因为它不形成苦涩的Mg SO4沉淀。
8．NO2-、NO3-的影响
    NO2-是国际公认的致癌物质，也是酵母的强烈毒素，它会改变酵母的遗传和发酵性状，甚至抑制发酵。在糖化时会破坏酶蛋白，抑制糖化，它还能给啤酒带来不愉快的气味，酿造水中应不含有NO2-。当它的含量＞0.1mg/L时，这种水应禁止作为酿造水。
    NO3-有害作用较小，清洁水中很少有多量的NO3-。在受到生物废物特别是粪便污染时，水会含有较高的NO3-。饮用水的NO3-标准为＜5.0mg/L，与啤酒酿造用水的要求相近。
9．F-的影响
    啤酒酿造水中如果F-＞10mg/L会抑制酵母生长，使发酵不正常。酿造用水不应含有F-。
10．SiO32-、SiO2的影响
    几乎所有的天然水中均含有SiO32-，火山地带的水中SiO32-的含量高达50 mg/L～100mg/L。硅酸在啤酒酿造中会和蛋白质结合，形成胶体浑浊，在发酵时也会形成胶团吸附在酵母上，降低发酵度，并使啤酒过滤困难。因此高含量的硅酸是酿造水的有害物质。慕尼黑的水含SiO32-为5.6mg/L，比尔森酿造水的含量为12mg/L，一般认为SiO32-的含量＞50mg/L的水是绝对不能用于酿造啤酒的。
11．余氯的影响
  　天然水不含余氯。自来水中的余氯是供水厂在水处理中加氯气或漂白粉消毒带来的。
    啤酒酿造水中应绝对避免有余氯的存在。因其是强烈的氧化剂，会破坏酶的活性，抑制酵母发酵。所以，用自来水或自供水（用氯消毒的水）做酿造水时必须经过活性炭脱氯。 

四、水的处理方法与操作

1．加酸法   
    加酸可将碳酸盐硬度转变为非碳酸盐硬度，使水的残余碱度降低，降低麦芽汁的pH值，使糖化操作能够顺利进行。
    酸的种类有乳酸、磷酸、盐酸或硫酸，一般以加乳酸者多。推荐将食用磷酸和盐酸或硫酸结合使用，其中糖化锅、调节洗糟用水pH值可添加盐酸或硫酸，并且可以取消石膏或氯化钙。调节煮沸锅麦汁pH值可用磷酸或乳酸。加酸量除与pH值有关外，还要注意定型麦汁的总酸含量不能超标。 
2．加石膏或氯化钙 
    加石膏可以消除HCO3－、CO32－的碱度，消除K2HPO4的碱性，起到调整水中钙离子的浓度等作用。
3．电渗析法  
    工作原理：水中的溶解盐类，多数以离子形式存在，在外加直流电场的作用下，利用阴、阳离子交换膜，使水中离子具有选择透过性的特点，使水中一部分离子迁移到另一部分水中，从而达到除去盐类的目的。一般除盐率达到58%～68%，即可以降低水的硬度，pH值也能达到使用要求。
4．反渗透法   
    反渗透法处理水的原理是：待处理原水在外界高压下，克服水溶液本身的渗透压，使水分子通过半渗透膜，而盐类不能透过，达到除去水中各种盐类，降低水的硬度和除去有害离子的作用。
5．石灰水法
    酿造淡色啤酒时，通常采用石灰水法处理碳酸盐硬度较高（8ºd以上）而永久硬度较低的酿造用水。水中的镁硬度小于3ºd时，通常采用一步法；碳酸盐硬度较高（8ºd以上）而永久硬度较低的酿造用水，水中的镁硬度较高时，采用石灰水二步法处理。
6．离子交换法
    离子交换法在水处理和制造高纯水中应用最广泛，大型啤酒企业酿造水的处理常采用此法。
    基本原理：离子交换法是用一种离子交换剂和水中溶解的某些阴、阳离子发生交换反应，借以除去水中有害离子。在交换反应中，水中离子被离子交换剂吸附，离子交换剂中的H+和OH-进入水中，从而除去水中存在的阴、阳两类离子。吸附水中离子的离子交换剂，可通过HCl、NaOH洗涤再生，反复使用。