كيمياء البيرة

يُعدّ مصدر الكربوهيدرات جزءًا أساسيًا من صناعة البيرة، إذ تقوم الخميرة وحيدة الخلية بتحويل الكربوهيدرات إلى طاقة للبقاء على قيد الحياة. تستقلب الخميرة مصدر الكربوهيدرات لتكوين عدد من المركبات، بما في ذلك الإيثانول . تبدأ عملية تخمير البيرة بعملية التخمير والهرس ، حيث يتم تكسير الكربوهيدرات الطويلة في حبة الشعير إلى سكريات أبسط . وهذا مهم لأن الخميرة لا تستطيع استقلاب سوى سلاسل قصيرة جدًا من السكريات. ^{[ 3 ]} الكربوهيدرات الطويلة عبارة عن بوليمرات ، وهي روابط متفرعة كبيرة من نفس الجزيء تتكرر باستمرار. في حالة الشعير، نرى في الغالب بوليمرات تُسمى الأميلوبكتين والأميلوز ، وهي تتكون من روابط متكررة من الجلوكوز . على نطاقات زمنية طويلة جدًا (من الناحية الديناميكية الحرارية)، ستتحلل هذه البوليمرات من تلقاء نفسها، ولن تكون هناك حاجة لعملية التخمير. ^{[ 4 ]} عادةً ما يتم تسريع هذه العملية بتسخين حبة الشعير. ^{[ 3 ]} تعمل عملية التسخين هذه على تنشيط إنزيمات تُسمى الأميليز . يمنح شكل هذه الإنزيمات، وموقعها النشط ، قدرةً فريدةً وقويةً على تسريع تفاعلات التحلل هذه بأكثر من 100,000 ضعف. يُسمى التفاعل الذي يحدث في الموقع النشط تفاعل التحلل المائي ، وهو عبارة عن كسر للروابط بين السكريات. يؤدي التحلل المائي المتكرر إلى تكسير بوليمرات الأميلوبكتين الطويلة إلى سكريات أبسط يمكن للخميرة هضمها. ^{[ 4 ]}

الجنجل هو أزهار نبات الجنجل (Humulus lupulus ). تحتوي هذه الأزهار على أكثر من 440 نوعًا من الزيوت العطرية، التي تُساهم في رائحة البيرة ونكهتها غير المُرّة. ^{[ 4 ]} مع ذلك، فإن المرارة المميزة، وخاصةً في أنواع البيرة الشاحبة، تأتي من مجموعة من المركبات تُسمى أحماض ألفا (وتُسمى أيضًا هومولونات ) وأحماض بيتا (وتُسمى أيضًا لوبولونات ). يعتقد صانعو البيرة عمومًا أن أحماض ألفا تُضفي على البيرة مرارةً مُستساغة، بينما تُعتبر أحماض بيتا أقل استساغة. ^{[ 4 ]} تخضع أحماض ألفا لعملية التماثل الهندسي أثناء الغليان في التفاعل الموضح في الصورة. تتحول الحلقة السداسية في الهومولون إلى حلقة خماسية، ولكن لا يُناقش عادةً كيف يؤثر هذا على المرارة المُدركة.

في صناعة البيرة، تُعدّ نواتج التمثيل الغذائي للخميرة عاملاً هاماً. في الظروف الهوائية، تستخدم الخميرة السكريات البسيطة الناتجة عن عملية التخمير في عملية تحلل الجلوكوز ، وتحوّل البيروفات ، الناتج العضوي الرئيسي لهذه العملية، إلى ثاني أكسيد الكربون والماء عبر التنفس الخلوي . يستغلّ العديد من صانعي البيرة المنزليين هذا الجانب من استقلاب الخميرة لكربنة بيرةهم. مع ذلك، في ظل الظروف اللاهوائية الصناعية، لا تستطيع الخميرة استخدام البيروفات، الناتج النهائي لتحلل الجلوكوز، لتوليد الطاقة في التنفس الخلوي. بدلاً من ذلك، تعتمد على عملية التخمير . يحوّل التخمير البيروفات إلى إيثانول عبر وسيط الأسيتالدهيد .

يلعب الماء، بشكل مباشر أو غير مباشر، دورًا بالغ الأهمية في مذاق البيرة، ^{[ 2 ] [ 4 ]} كونه المكون الرئيسي. وتؤثر أنواع الأيونات الموجودة في الماء على مسارات التمثيل الغذائي للخميرة ، وبالتالي على نواتج التمثيل الغذائي التي يمكن تذوقها. فعلى سبيل المثال، تُعد أيونات الكالسيوم والحديد ضرورية بكميات ضئيلة لبقاء الخميرة، لأن هذه الأيونات المعدنية تُعد عادةً عوامل مساعدة لإنزيمات الخميرة . ^{[ 4 ]}

يمكن إضافة ثاني أكسيد الكربون إلى البيرة _أو جعلها فوارة باستخدام غاز خامل مثل النيتروجين (N₂ ₎ أو الأرجون (Ar) أو الهيليوم (He). الغازات الخاملة أقل ذوبانًا في الماء من ثاني أكسيد الكربون، لذا تُكوّن فقاعات لا تنمو عبر عملية نضج أوستوالد . هذا يعني أن البيرة تتميز بفقاعات أصغر ورغوة أكثر كثافة وثباتًا. ^{[ 6 ]} تُضفي هذه الغازات الخاملة الأقل ذوبانًا على البيرة ملمسًا مختلفًا وأكثر نعومة. بمعنى آخر، يكون ملمسها في الفم ناعمًا، وليس فقاعيًا كالبيرة ذات الكربنة العادية. قد تكون بيرة النيترو (بيرة النيتروجين) أقل حموضة من البيرة العادية. ^{[ 7 ]}

في عام 1957، اكتشف اثنان من الكيميائيين المتخصصين في صناعة الجعة، وهما ثورن وهيلم، أن Co ²⁺ساهم الكاتيون في تثبيت رغوة البيرة ومنع فرط تكوينها وتدفقها. ^{[ 12 ]} وقد أثبتت إضافة كمية ضئيلة من أيونات الكوبالت بتركيز يتراوح بين 1 و2  ملغم/لتر ( جزء في المليون ) فعاليتها. أما التركيزات الأعلى فتكون سامة، بينما التركيزات الأقل فتكون غير فعالة.

الكوبالت عنصر فلزي انتقالي ، وتستطيع مداراته الذرية التفاعل مع الروابط ، أو المجموعات الوظيفية (–OH، –COOH، –NH₂ ₎ ، المرتبطة بالجزيئات العضوية الموجودة طبيعيًا في البيرة، مُكَوِّنًا مُركَّبات تنسيقية جزيئية ضخمة تُثبِّت رغوة البيرة. ويمكن للكوبالت أن يعمل كجسر بين جزيئات السكريات المتعددة المختلفة أو داخلها (مُغيِّرًا شكلها أو حجمها)، أو يُسبِّب بعض التغييرات التركيبية ^{[ 13 ]} لأنواع مختلفة من الجزيئات الموجودة في المحلول، مما يؤثر على تكوينها المطلق، وبالتالي على البنية الجزيئية للرغوة وسلوكها.

كما صاغ ثورن وهيلم (1957) فرضية مفادها أن الكوبالت، من خلال ارتباطه ببعض المكونات النيتروجينية في البيرة (مثل الأحماض الأمينية من بروتينات الشعير )، قد ينتج مواد فعالة سطحياً تعمل على تعطيل النوى الغازية المسؤولة عن الرغوة الزائدة والتدفق. ^{[ 12 ]}

يُعدّ التدفق المفرط مشكلةً محددةً درسها رودين وهدسون (1958) بتفصيلٍ أكبر. ^{[ 14 ]} اكتشف هذان الباحثان أن التدفق المفرط يُعزى أيضًا إلى أيونات المعادن الانتقالية الأخرى ، مثل أيونات النيكل والحديد ، ولكن ليس إلى أيونات الكوبالت . كما يُحفّز الإيزوهومولون ( حمض إيزو-ألفا المسؤول عن الطعم المرّ للقفزات ) ومركباته مع النيكل أو الحديد التدفق المفرط، بينما لا تُظهر أيونات الكوبالت النقية أو مركباتها مع الإيزوهومولون أي تدفق مفرط أو رغوة زائدة. وهذا يُفسّر سبب اختيار أملاح الكوبالت تحديدًا بتركيز 1-2 ملغم /لتر كعامل مضاد للتدفق المفرط في البيرة. ووجد رودين وهدسون (1958) وباحثون آخرون أيضًا أن أيونات الكوبالت والنيكل والحديد تتركز بشكلٍ تفضيلي في الرغوة نفسها. ^{[ 14 ]} 

في الستينيات، وبعد موافقة إدارة الغذاء والدواء الأمريكية ، كان كبريتات الكوبالت يستخدم بشكل شائع بتركيز منخفض في الولايات المتحدة الأمريكية كمادة مضافة لتثبيت رغوة البيرة ومنع تدفقها بعد تعرض البيرة للاهتزازات أثناء نقلها أو تداولها.

على الرغم من أن الكوبالت عنصر غذائي دقيق أساسي ضروري لتكوين فيتامين ب12 ، إلا أن زيادة مستوياته في الجسم قد تؤدي إلى التسمم به، ويجب تجنبها. وقد حفز ذلك تطوير طرق تحليل نوعية وكمية لقياس الكوبالت بدقة في البيرة، وذلك لمنع الجرعات الزائدة العرضية والتسمم بالكوبالت. ^{[ 15 ]}

من المعروف أن المستويات المرتفعة من الكوبالت مسؤولة عن اعتلال عضلة القلب لدى شاربي البيرة . وقد سُجلت أولى الحالات المذكورة في الأدبيات الطبية في كندا في منتصف الستينيات بعد جرعة زائدة عرضية في مصانع داو للبيرة في مدينة كيبيك .

في أغسطس/آب 1965، راجع شخصٌ مستشفى في مدينة كيبيك بأعراضٍ تُشير إلى اعتلال عضلة القلب الكحولي . وخلال الأشهر الثمانية التالية، ظهرت خمسون حالة أخرى بأعراضٍ مماثلة في المنطقة نفسها، توفي منها عشرون. ولوحظ أن جميعهم كانوا مدمنين على الكحول، يشربون في الغالب البيرة، ويفضلون ماركة داو ؛ إذ كان ثلاثون منهم يشربون أكثر من ستة لترات (12 باينت) من البيرة يوميًا. ^{[ 16 ]} وكشفت الدراسات الوبائية أن مصانع داو للبيرة كانت تُضيف كبريتات الكوبالت إلى البيرة لتحسين ثبات الرغوة منذ يوليو/تموز 1965، وأن تركيزها المُضاف في مصنع مدينة كيبيك كان عشرة أضعاف تركيزها في نفس البيرة المُصنعة في مونتريال، حيث لم تُسجل أي حالات. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

• بارث، روجر (2013)، كيمياء البيرة: العلم الكامن في الرغوة ، جون وايلي وأولاده ، رقم ISBN 978-1-11873-379-0
• باكستر، دينيس؛ هيوز، بول (2001)، البيرة: الجودة والسلامة والجوانب الغذائية ، الجمعية الملكية للكيمياء ، ISBN 978-0-85404-588-4
• هوبكنز، ر. (2011)، الكيمياء الحيوية التطبيقية في صناعة البيرة - الكيمياء العامة للمواد الخام المستخدمة في التخمير والتخمير ، دار توبي للنشر، رقم ISBN 978-1-44654-168-5
• هورنسي، إيان (2003)، تاريخ البيرة وصناعة الجعة ، الجمعية الملكية للكيمياء، رقم ISBN 978-0-85404-630-0
• جانسون، لي (1996)، كيمياء التخمير 101 ، ستوري ، رقم ISBN 978-0-88266-940-3
• فيرهاجن، لين (2010)، "نكهة البيرة"، المنتجات الطبيعية الشاملة II: الكيمياء والبيولوجيا ، المجلد  3: تطوير وتعديل النشاط البيولوجي، نيونس ، الصفحات 967-998 ، ISBN  978-0-08045-382-8
• فيرزيلي، م؛ De Keukeleire، D (2013)، الكيمياء وتحليل الأحماض المريرة في الهيب والبيرة ، إلسفير ، ISBN 978-1-48329-086-7