Kontrollera mäskens pH-värde

Inledning

Det sägs att ett korrekt pH-värde i mäsken är viktigare för ölets slutresultat än vattnets mineralsammansättning i sig, och så som jag snuddade vid i mitt senaste inlägg tillkom vissa utmaningar vad gäller mäsk-pH vid min senaste lagerbryggning. Eller egentligen tydliggjordes viss redan befintlig problematik. Jag har inte kunnat förutsäga var mitt mäsk-pH ska landa, utan använt Palmers kalkylblad och mer eller mindre ställt min tilltro till detta när jag har justerat vattnet efter rekommenderad profil. För att sänka min rest-alkanitet (RA) ytterligare, enär det rekommenderade mineralinnehållet av framförallt kalcium var förhållandevis lågt vid min senaste bryggning, tillsatte jag även 6 ml mjölksyra. Mitt RA landade i det lägre spannet av den rekommenderade skalan, men jag hade likväl ingen aning om var mitt mäsk-pH skulle visa sig vara. Lyckligtvis fungerade det, men det var ändå en chansning. Chansningar vill jag som sagt undvika och jag ställde mig frågan ifall det är möjligt att förutsägbart justera sitt mäsk-pH med hjälp av mjölksyra.

Ölbryggning brukar jämföras med matlagning och det finns självfallet vissa likheter. Jämförelsen haltar emellertid i avseendet tid och tidsaspekt. Vid matlagning kan avsmakning ske under tiden och inverkan av kryddor och annat kan bedömas omedelbart. Det är svårare vid ölbryggning, som därvid behöver jäsa och eventuellt lagras under vilket fördröjer bedömningen med åtminstone 1-2 veckor. Det tar också ungefär en arbetsdag att bara brygga en omgång, i motsats till en köttgryta som kan vara klar på ett par timmar. Detta är den huvudsakliga anledning till att jag vill undvika chansningar i min bryggeriverksamhet.

Medan jag skrev detta inlägg upptäckte jag att det skenade iväg och blev väldigt långt. Därför har jag även delat upp och publicerat det i tre separata, mer överskådliga delar.
Del I – Alkalinitet och rest-alkalinitet
Del II – Beräkna mäsk-pH
Del III – Vattenjustering mot önskat pH-värde

Med den tidigare nämnda frågan som utgångspunkt fanns en hel del att reda ut. Jag föreställde mig att hitta en enkel formel där en viss rest-alkalinitet resulterade i ett visst pH-värde och min insats kunde begränsats till en uträkning och en enkel test av giltigheten. Frågan var dock betydligt mer komplex och det kändes som att pandoras ask hade öppnats. Av denna anledning har jag haft vissa svårigheter med att disponera inlägget och avgöra i vilken ände man ska börja, men hoppas att jag har lyckats väva ihop det, att den är någorlunda logisk och den röda tråden går att följa utan allt för stor ansträngning. Av praktiska skäl har jag valt att strunta i källhänvisningar i den löpande texten, det är ingen uppsats jag skriver, men för den intresserade så är informationen huvudsakligen hämtad från J. Palmer, How To Brew, kap. 21 och J. Palmer & C. Kaminski, Water, kap. 4-5. Sekundärkällor har jag, i ärlighetens namn, inte heller kontrollerat särskilt.

Alkalinitet och rest-alkalinitet

Av stor betydelse i det följande är begreppet alkalinitet. Alkalinitet är ett mått på vattnets buffertkapacitet, dess förmåga att stå att stå emot syra. Det anges i mängden syra som krävs för att vattnet ska landa på pH 4.3. I Sverige angivet som vätekarbonat eller bikarbonat (mg HCO3 / liter), medan det i USA och amerikansk litteratur istället anges som kalciumkarbonat (CaCO3). Oavsett hur det anges är innebörden densamma och en omvandling är lätt. Alkaliniteten anger hur många milliekvivalenter syra per liter (mekv/l), eller antalet millimol laddningar, som behövs för att nå pH 4.3. För omvandling behöver molmassan hos den aktuella jonen, eller egentligen jonens ekvivalentvikt vara känd, vätekarbonat har en vikt på 61,016 g/mol och kalciumkarbonat en på 50.

En ny term lanserades av Kolbach under 1950-talet, nämligen Residual alkanity, RA eller rest-alkalinitet. RA står i tydligare relation till mäskens pH och är den kvarvarande alkaliniteten sedan vattnets kalcium och magnesium har reagerat med maltens fosfatjoner och därigenom neutraliserat viss del av vattnets ursprungliga alkalintet. För att neutralisera en ekvivalent alkalinitet krävs 3,5 ekvivalenter kalcium eller 7 av magnesium. Formeln för RA nedan.

RA mekv/l = Total alkalinitet mekv/l – ((Ca mekv/l / 3,5)+(Mg mekv/l / 7))

Eftersom innehållet anges i mg/l eller ppm i vattenrapporten behöver värdena räknas om. Det görs genom att värdet divideras med ekvivalentvikten. Denna är 20 för kalcium och 12,1 för magnesium. Inför denna undersökning begärde jag ut en ny vattenrapport med färska siffror nedan.

Vattenrapport 2020-03-10
Alkalinitet 100 mg HCO3/l => 100/61= 1,639 mekv/l
Kalcium 30 mg/l => 30/20= 1,5 mekv/l
Magnesium 1,5 mg/l => 1,5/12,1= 0,12 mekv/ l
pH 8.3

Det ger mig ett RA-värde, vid obehandlat vatten, av 1,19 mekv/l, 73 mg HCO3/l eller 60 mg CaCO3/l. Klart så långt är följaktligen att vattnets påverkan av mäskens pH-värde är dess alkalinitet, kalcium- och magnesiuminnehåll, samt dess eget pH-värde i viss utsträckning.

I grafen nedan visualiseras hur stor påverkan på mäskens pH en mekv/l RA har enligt Kolbachs undersökningar. Mycket information saknas emellertid och det går inte att förutsäga något kring var en mäsk, med en viss maltnota kommer att landa. Vad som visas är endast hur pH-värdet kan justeras, från maltens bas-pH. Bas-pH:t nås genom mäskning med destillerat vatten, vilket sällan eller aldrig görs utanför laboratoriemiljö. I experimentet har 5 l vatten använts per kg malt och vörten låg på SG 1.048.

Mäsk-pH

En brist i sambandet mellan vattnets RA och mäsk-pH är som sagt att uträkningen inte tar hänsyn till alla faktorer som kan komma att ha en påverkan på slutresultatet. Mäskvetenskap är som bekant en kombination av vatten- och maltvetenskap. Det är egen-pH och buffertkapacitet hos de båda som är styrande för mäskens pH-värde. Maltens egen-pH, dess alkalinitet respektive aciditet, står i viss relation till färgen av densamma. Även om sambandet är skenbart, och det egentligen är mältningsprocessen som styr, så är tumregeln att desto mörkare malt desto mer aciditet och lägre egen-pH har den.

Det finns en formel enligt vilken ölets ideala färg kan kalkyleras, egentligen uppskattas, baserat på vattnet som används.
Optimal färg i SRM är lika med 7 * RA (mekv/l) + 5,2. Omvandling till EBC gör därvid med faktorn 1,97.
Tydligt är att ekvationen haltar en del, särskilt vid ett negativt RA, eventuellt ersätts det i sådant fall med värdet 0.

BYO: Understanding Residual Alkalinity & pH

Mäskens pH kommer att landa på den punkt där alkalinitet och aciditet hos malt och vatten möts och tar ut varandra. Buffertkapaciteten påverkas bland annat av mängder, det vill säga ration mellan malt och vatten, men också maltens krossning. Maltens buffertkapacitet ökar exempelvis av en tjockare mäsk eller en finare krossning. Se skillnaden mellan olika koncentrationer nedan, från 2 liter vatten per kilo malt till 5. Enligt Palmers tester kan 0.1 pH justeras enligt formeln 200/Rv, där Rv är antal liter vatten per kilo malt och resultat nås i enheten RA ppm CaCO3. Även här saknas således en del faktorer för fullständighet.

Beräkning av mäsk-pH

Mäskens pH-värde kommer som sagt att landa där alkalinitet och aciditet möts, där positiva och negativa laddningar balanseras. En brist kring det ursprungliga resonemanget om RA ovan är det inte tar hänsyn till vattnets verkliga pH och mäskens målvärde. Detta har nämligen påverkan på laddningar och buffertförmåga. Alkalinitet, enligt den ursprungliga definitionen ovan, är ett mått på buffertkapacitet men riktar sig alltså mot pH 4.3 och det är inte där man vill ha sin mäsk. För att kunna förutsäga var mäsk-pH:t ska landa måste målet vara känt. Uträkning sker enligt formeln nedan, där hänsyn tas till såväl buffertkapacitet, maltens egen-pH och förhållande mellan malt och vatten.

Z kommer ifrån tyskans ”ziel” som betyder mål och uträkningen är densamma som för RA ovan, fast med skillnaden att Z-alkalinitet används istället för vattnets ursprungliga alkalinitet. Uträkning sker enligt nedan och mitt fall har jag valt ett målvärde på pH 5.2 för mäsken.

Antalet millimolekyler av karbonater i vattnet (Ct) räknas ut enligt följande.

Delta-C ovan är lika med skillnaden i laddning mellan pH 4.3 och vattnets ursprungsvärde. Information om aktuell laddning har jag hämtat ifrån en graf på s. 96 i boken Water, men det går troligtvis att få fram detta via andra källor också. Vid pH 8.3, som är värdet på mitt kranvatten, är laddningen -0,99 och vid 4.3 är denna -0,01. Varför delta C i mitt fall är lika med +0,98 ((-0,01) – (-0,99)). Ett positivt tal eftersom det representerar alkalinitet. Ct är därför lika med vattnets alkalinitet, 1,639 dividerat med differensen i laddning 0,98 som blir 1,672 mmol/l.

Delta Cz ovan utgörs av skillnaden i laddning mellan mål-pH och vattnets ursprungliga laddning. Vid pH 5.2 är laddningen -0,06 och följaktligen blir delta Cz 0,93 mekv/mmol i mitt fall ((-0,06) – (-0,99)). Mitt vattens nya alkalinitet, vid målet 5.2 mäsk-pH, blir således 1,672 * 0,93 = 1,555 mekv/l och ett Z RA på ~1,11 mekv/l enligt nedan.

1,555 – ( ((30/20)/3,5) + ((1,5/12,1)/7) )

Så långt förhållandevis okomplicerat, värre är det avseende maltens bidrag. Maltens alkalinitet respektive aciditet erhålles enligt följande formel. Ett positivt värde innebär alkalinitet och ett negativt aciditet.

Där pH-End är detsamma som målvärdet för mäsken och pH-DI är maltens värde i destillerat eller avjoniserat vatten (de-ionoized). Buffertkapaciteten erhålles genom titrering. En teknik där en lösning tillreds i destillerat i vatten, därefter tillsätts ett visst mått av syra eller bas (mekv/l) och ett nytt pH-värde antecknas. Detta upprepas till en analyskurva kan skapas. Därefter deriveras kurvan som en funktion av pH-värdet och buffertkapaciteten vid varje pH-värde går att utläsa. Här faller mitt experiment eftersom jag inte har några värden buffertkapaciteten hos den malt jag använder. Tills jag har tagit reda på denna, fått tag på destillerat vatten och titrerat min malt, eller mäsk blir den återstående framställningen i viss mån en uppskattning. Den data som jag har tillgå är baserad på Weyermanns pilsnermalt och Briess Caramel 80 L. Vid pH 5.2 har pilsnermalten en alkalininitet på 20 mekv/kg, vid 5.3 15, vid 5.4 10 och vid 5.5 5 mekv/kg. Karamellmalten är sur och bidraget är negativt vid de aktuella nivåerna. Vid 5.2 är aciditeten -35 mekv/kg, vid 5.3 -40, vid 5.4 -45 och slutligen -55 mekv/kg vid pH 5.5.

Test av formelns giltighet

Vid min senaste lagerbryggning landade mitt pH på 5.5. I receptet stod 10 kg pilsnermalt och 260 gram karamellmalt till 36 l mäskvatten. Den justerade vattenprofilen låg på 67 ppm CaCO3, 120 ppm kalcium och ~2 ppm magnesium. Adderat till vattnet var dessutom 1 ml 80% mjölksyra.

Enligt formeln ovan förändras delta Cz till 0,87 mekv/mmol eftersom laddningen vid 5.5 är -0,12. Det ger en ny Z alkalintet på 1,13 mekv/l ((67/50)*0,87) och med hänsyn tagen till kalcium och magnesium en Z RA på -0,6 mekv/l. Multiplicerat med mängden vatten, 36 l, ger detta ett vattenbidrag om -21,6 enligt formeln ovan.

Pilsnermalten har en alkalinitet på 5 mekv/kg vid pH 5.5 och receptet innehöll 10 kg, vilket gör pilsnermaltens bidrag till 50. Karamellmalten är även här sur i detta avseende och har ett bidrag om -55 mekv/kg vid det aktuella pH-värdet och minskar således maltbidraget med -14,3 (-55*0,26). Det leder till följande.

-21,6 (vatten) + +50 (pilsnermalt) + -14,3 (karamellmalt) = ~14

I min mening ser det faktiskt ganska lovande ut. Enligt formeln skulle jag ha landat på 0, men det finns en del felkällor som har en viss betydelse. Min pH-mätare visar för det första endast hela tiondelar och mätresultat kunde lika gärna ha varit 5.54. Dessutom, och viktigast, så har jag inte riktiga värden för maltens buffertkapacitet och därmed dess alkalinitet/aciditet än. Slutligen finns det en tioprocentig felmarginal i min vattenrapport för aktuella värden.

pH 5.2

Valet av föll på pH 5.2 just eftersom det ligger lägst i skalan av de rekommenderade nivåerna för ljusa öl, som jag i huvudsak brygger. Dessutom är det mest optimalt för utbyte och förjäsbarhet. Jag var intresserad av att se vad som krävdes och ifall det överhuvudtaget var möjligt att gå till en sådan ”extrem”. Dessutom ligger fortfarande värdet 5.2 kvar och i bakhuvudet sedan början av min hembryggarkarriär då jag använde en slags bufferlösning som sades få mäsken att landa på pH 5.2 oavsett utgångsläge.

Formeln äger således viss giltighet varför det lämpar sig att återgå till det ursprungliga fallet med ett målvärde om pH 5.2, mitt vatten och normala maltnota. I detta läge har mitt vatten en Z RA på 1,11 mekv/l. Med utgångspunkt i det verkliga exemplet ovan för en ordinär lager ligger jag vanligtvis på ungefär 2,5% karamellmalt och 97,5% pilsnermalt, med en ratio på 3,6 l / kg. 10 kg pilsnermalt ger, vid pH 5.2, ett bidrag av 200 (20 mekv/kg * 10 kg) och 250 gram karamellmalt reducerar bidraget med blygsamma -8,75 (0,25 * -35 mekv/kg). Maltbidraget totalt sett således ~190, och 36 liter vatten också ett positivt bidrag med ~40. Sammantaget överskrids målet följaktligen med 230 och en mäsk enligt vad som sagts bör följaktligen vida överskriva pH 5.2. Intressant vore förstås att veta med hur mycket, och var den istället skulle landa. Är det möjligt kasta om formeln och dra analogier till resonemanget som har förts av Kolbach och Palmer i inläggets början angående pH-sänkning?

Enligt palmer kan man som sagt sänka mäskens pH med 0.1 genom att minska RA enligt 200/Rv, uttryck i ppm CaCO3. I mitt fall skulle det motsvaras av 55,56 ppm CaCO3 och det blir detsamma som en minskning av RA med ~1,1 mekv/l per 0,1 pH. För att landa på pH 5.2 hade mitt vattens Z RA behövt vara -5,3 mekv/l enligt formeln bakvänt, det vill säga genom att maltens bidrag divideras med vattenvolymen. Det är differens på 6,4 mekv/l (1,11- -5,3) och 6,4/1,1 är lika med 5,7 som får multipliceras igen med 0,1 (pH-ändringen per mekv). Det blir 57 hundradelar, ungefär 0.6 och innebär att mitt pH i så fall skulle landa på 5.8 med ett helt obehandlat vatten.

Jag tillredde en minimäsk i skala 1:100, med 97,5 g pilsnermalt, 2,5 g karamellmalt och 3,6 dl vatten för finna svar på frågeställningen ovan. Härvid passade jag också på att tillsätta syra enligt nedan i syfte att ta reda på vid vilket RA mäsken landar på respektive pH-värde.

Bortsett från nummer ett ovan så tillsatte jag 3,6 ml 0,1 N-lösning av mjölksyra (nedan), lät den lösas under några minuter innan varje ny mätning. Även om testen de facto verkar stämma hyfsat bra drog jag en del lärdomar av detta experiment, framförallt hänförliga till min metod. För det första gick pH-mätarens termometer endast till 60 grader och det var denna jag hade tänkt förlita mig på vid mätningarna. Självklart borde jag ha tagit reda på det i förhand. Inledningsvis mätte jag i kastrullen, där temperaturen låg på cirka 65 grader men övergick därefter till att ta ut ett mindre prov för mätning i ett glas. Jag förde sedan tillbaka provet. Metodfelet är tydligast vid den tredje mätningen, där ett temperaturfall ägde rum som dock inte registrerades till fullo vid pH-mätningen. Dessutom uppstod svårigheter i precisionsavseende vid nedskalning i så hög grad. Det kändes som att jag brast lite i precisionen vid uppmätning av malt och vatten. Än tydligare är det i testet nedan. Sammantaget är emellertid trenden ganska tydlig och överensstämmer någorlunda med hypotesen ovan, kanske i än högre grad om man bortser från bristerna i metoden.

Justera vattnet

Ifall min mäsk ska kunna landa på pH 5.2, eller överhuvudtaget på en rimlig nivå, givet maltnota och öltyp enligt ovan behöver justeringar i vattnets sammansättning följaktligen göras. Z RA måste minskas med 6,4 mekv/l enligt tidigare uträkningar. Detta kan göras genom att förändra vattnets sammansättning i form av saltbehandling, men en sänkning kan också åstadkommas genom att syra tillsätts i vattnet eller mäsken. Ett alternativ som endast sänker vattnets RA utan att påverka vattnet i övrigt.

Syra och normalitetslösning

Tillsättning av syra, eller för den delen bas, ändrar som sagt vattnets buffertkapacitet utan någon övrig påverkan. Oklart är emellertid i vilken utsträckning och ifall man, liksom jag, vill undvika chansningar finns en bra metod att tillgå. Man kan blanda ihop en normalitetslösning (”1 N Solution”) av den aktuella substansen, där en liter av denna är motsvarar 1 ekvivalent. Det innebär vidare att 1 ml av lösningen är detsamma som 1 mekv/l. En sådan lösning är förhållandevis lätt att tillreda och görs enligt följande. I mitt exempel använder jag mjölksyra med 80% koncentration, vilket är den styrka som vanligen säljs i Sverige.

80 är en viktprocent, i vilken syror alltid anges. För att tillreda lösningen behöver molmassan, vikten för den aktuella syran var känd. Mjölksyra (C3H4O(OH)2) har därvid en molmassa på 90,078 g/mol och densiteten ligger på 1,21 g/cm³. Inledningsvis beräknas hur mycket en liter lösning (100%) väger, och det görs genom att densiteten multipliceras med 1000. En liter ren mjölksyra väger således 1210 g. I nästa steg multipliceras denna vikt med aktuell viktprocent och hur mycket löst syra som finns i en liter blir känt: 0,8 * 1210 = 968 g per liter 80-procentig mjölksyra. Därefter avgörs lösningens molaritet (”molarity”) genom att lösningsvikten (968 g) divideras med molmassan (90,078) och en molaritet på 10,746 nås, vilket också är lösningens normalitetsvärde (10,746 N). I det sista steget avgörs hur många milliliter av en sådan lösning som behövs för att istället skapa en 1 N lösning. Det görs enkelt genom att en liter, i milliliter, divideras med lösningens normalitetsvärde. Följaktligen behövs 1000 / 10,746 = ~93 ml mjölksyra av aktuellt koncentration för att skapa 1 liter normalitetslösning.

Använd erforderlig skyddsutrustning vid hantering av starka syror och tänk på att alltid tillsätta syra i vatten och inte tvärtom, ”Do what you oughta, add acids to water (watah)”. Börja därför med att mäta eller väga upp 907 ml (1000-97) vatten och tillsätt därefter syran däri. 907 ml vatten väger cirka 905 g, eftersom densiteten hos vatten i rumstemperatur 998 kg/m³. Hela förfarandet dokumenterat i bilder nedan.

1 ml av normalitetslösning ovan minskar som sagt alkaliniteten med 1 mekv/l utan att påverka vattnets egenskaper i övrigt. En del syror, exempelvis mjölksyra som här är aktuellt, kan dock bidra med smak i högre koncentrationer. Upp till 400 ppm, dvs 400 mg/l, ska emellertid inte ha någon sådan inverkan. 1 mekv/l mjölksyra, 1 ml av normalitetslösningen ökar innehållet med 89 ppm, vilket således innebär att max ~4,5 ml/l (400/89) av lösningen bör användas och alkaliniteten max sänkas med 4,5 mekv/l denna väg.

Till min minimäsk ovan tog jag ut en liten del av normalitetslösningen, 10 ml närmare bestämt som jag löste i 90 ml vatten. Det gör att förhållandet milliliter-deciliter kan användas istället för liter enligt tidigare.

Saltbehandling

Utan att påverka vattnets alkalinitet, men med en sänkning av RA och därmed pH-värde kan vattnets sammansättning också justeras med hjälp av salter. Härigenom skapas en helt ny vattenprofil och det finns vissa rekommenderade nivåer man bör försöka rätta sig någorlunda efter. Vad som blir problematiskt är att de salter som finns att tillgå i regel påverkar fler än den parameter man primärt önskar justera.

Jag justerar alltid nedåt, och i min arsenal har jag kalciumsulfat (CaSO4 x 2 H2O), magnesiumsulfat (MgSO4 x 7 H2O) och kalciumklorid (CaCl2). Magnesium och kalcium har som sagt en direkt effekt på vattnets RA och därmed mäskens pH-värde, medan sulfat och klorid påverkas indirekt. En påverkan som dock måste tas i beaktande och ser ut som följer.

Eftersom påverkan anges i 1 g / l får denna divideras med mängden vatten som används, i förevarande fall 36 l. 1 g gram kalciumsulfat ökar följaktligen mitt vattens kalciumnivå med ~6,5 ppm och sulfat med ~15,5 ppm. Generellt rekommenderade nivåer finns listade härunder, men de varierar emellertid något med öltypen.

Kalcium 50-150 ppm
Magnesium 0-40 ppm
Klorid 50-150 ppm
Sulfat 50-150 ppm och 150-400 ppm för IPA:or och humledominerade öl.

Dessutom behöver förhållandet mellan sulfat och klorid tas i beaktande, då denna påverkar förhållandet mellan maltighet och humle i det färdiga ölet. Där sulfaten verkar till humlens fördel och kloriden till maltens. Den rekommenderade nivån är 5:1 – 0,5:1, men därvid upp till 9:1 för IPA:s.

För en sänkning av pH och RA är tillsättning av kalcium att föredra i första hand eftersom förhållandet till RA endast var 3,5:1 här i jämförelse med magnesiumets 7:1. Mitt ursprungliga vatten innehåller 30 ppm kalcium och det finns utrymme att gå upp till 150 ppm. För att komma dit krävs 18,5 g kalciumsulfat eller 15,9 g kalciumklorid till mina 36 l vatten, se nedan för bidragets uträkning.

(Maxnivå – befintlig nivå) / ((Bidrag i ppm g/l)/Volym vatten)
(150-30) / (232,8/36) (Kalciumsulfat)

Härvid tillkommer emellertid bieffekter i form av sulfat eller kloridtillägg som behöver tas i beaktande. Tillsättningen av 18,5 g kalciumsulfat ökar vattnets sulfatinnehåll med 286,6 ppm och 15,9 kalciumklorid får nivån av klorid att öka med 213 ppm enligt uträkningen härunder.

(Saltvikt * Bidrag i ppm g/l) / Volym vatten
(18,5 * 557,7) / 36 (Sulfataddition)

Det skulle således bli allt för höga nivåer till en vanlig lager och lämpligare är kanske att kasta om siffrorna så att maxnivån för sulfat respektive klorid får bli styrande istället.

((Maxnivå ppm – Befintlig nivå ppm) * Volym vatten) / Bidrag i ppm g/l
(150-16 * 36) / 557,7 (Kalciumsulfat)

Uträkningen leder till att max 7,4 g kalciumsulfat eller 9,1 g kalciumklorid kan tillsättas. Om 9,1 g kalciumklorid tillsätts ökar således kloridnivån till 150 ppm och kalcium till 90 ppm. Förhållandet sulfat-klorid går emellertid ner till 0,1:1, vilket är allt för lågt. Lyckligtvis kan det rättas till genom att magnesiumsulfat tillsätts, vilket dessutom resulterar i en ytterligare sänkning av vattnets RA. Om vi siktar på att nå 150 ppm sulfat, vilket är den rekommenderade maxnivån för normala, balanserade öl, landar ration på 1:1, vilket skulle vara fullt acceptabelt. Enligt uträkningen ovan nås 150 ppm sulfat när 12,4 g magnesiumsulfat tillsätts och därvid ökar även magnesiumnivån till 35,5 ppm.

När salterna har ovan tillsats ser min vattenprofil ut enligt följande:
Kalcium 90 ppm
Magnesium 35,5 ppm
Sulfat 150 ppm
Klorid 150 ppm
Alkalinitet 100 mg HCO3 / liter eller 82 ppm CaCO3
Det ger mig ett nytt Z RA (vid pH 5.2) på -0,15 mekv/l (1,555 – (((90/20)/3,5) + ((35,5/12,1)/7))).

Maximal justering av vattnet

För att nå pH 5.2 behöver mitt vattens Z RA som sagt sänkas till -5,3 mekv/l och genom att tillsätta kalciumklorid och magnesiumsulfat landar nivån nu på -0,15 mekv/l. I detta läge kan jag tillsätta maximalt 4,5 ml mjölksyrelösning per liter innan smaken slår igenom och når därvid ett värde om -4,65 mekv/l och kommer således ändå inte att nå pH 5.2. Alternativen som återstår är att byta ut malten till en med högre aciditet, exempelvis syramalt, öka andelen karamellmalt eller använda mera vatten. Jag skulle också kunna börja använda ett annat vatten, eller ett såkallat RO-vatten. Att förändra maltsammansättningen är jag emellertid inte intresserad av i nuläget och att öka mängden vatten har jag inte plats till, varför jag får nöja mig med högre pH-värde. Lämpligare är istället 5.3 pH, vilket också är fullt acceptabelt och trots allt ligger nära det ursprungliga målet och i det önskvärda spannet.

Vid pH 5.3 är min Z alkalinitet 1,52 mekv/l eftersom delta C har minskat till 0,91. Efter mitt vatten har behandlats med kalciumklorid och magnesiumsulfat enligt ovan landar mitt Z RA på -3,38 mekv/l. Maltens bidrag har också förändrats med pH:t och ligger nu på 140 (150-10). 140 dividerat med volymen mäskvatten ger ett värde på 3,9 och innebär att vattnets alkalinitet behöver ligga på -3,9 istället. En differens på ~0,5 från mitt behandlade vattens profil. Det kan å andra sidan åtgärdas genom att 0,5 ml/l eller total 18 ml mjölksyrelösningen tillsätts och såvida uppgiften om maltens alkalinitet/aciditet är riktig bör mäsken landa på pH 5.3.

Rättelse: En miss i föregående styckes uträkning gav ett felaktigt resultat av Z RA, som istället skulle ha landat på -0,18 mekv/l efter att salterna hade tillsatts vattnet. Det innebär numera en differens om 3,7 mekv/l till mål-pH och fordrar således 3,7 ml 1 N-lösning per liter, eller totalt ~133 ml till 36 liter mäskvatten. Det innebär vidare att exeperimentet härunder kanske inte var fullt så misslyckat som jag misstänkte, åtminstone inte i det avseendet.

Jag tillredde en minimäsk i skala 1:100 även i detta fall för testa hypotesen. Problem med nedskalningen och precisionsbristen var än tydligare än ovan och några slutsatser kan knappast dras. Jag valde att behandla 1 liter vatten, som jag sedermera endast använde 360 ml utav. Härvid dividerade jag salttillsatserna ovan med 36 och trodde mig tillsätta 0,25 g kalciumklorid, 0,35 g magnesiumsulfat och 0,5 ml 1N-lösning. Vid nästa bryggtillfälle kommer jag istället att testa i full skala. pH-värdet landade på 5.5 vid 30 grader, vilket motsvarar 5.6 i rumstemperatur.

Kontrollera mäskens pH-värde – Del II: Beräkning av pH

Beräkning av mäsk-pH

Mäskens pH-värde kommer att landa där alkalinitet och aciditet möts, där positiva och negativa laddningar balanseras. En brist kring det ursprungliga resonemanget om RA i del I är det inte tar hänsyn till vattnets verkliga pH och mäskens målvärde. Detta har nämligen påverkan på laddningar och buffertförmåga. Alkalinitet, enligt den ursprungliga definitionen, är ett mått på buffertkapacitet men riktar sig alltså mot pH 4.3 och det är inte där man vill ha sin mäsk. För att kunna förutsäga var mäsk-pH:t ska landa måste målet vara känt. Uträkning sker enligt formeln nedan, där hänsyn tas till såväl buffertkapacitet, maltens egen-pH och förhållande mellan malt och vatten.

Z kommer ifrån tyskans ”ziel” som betyder mål och uträkningen är densamma som för RA, fast med skillnaden att Z-alkalinitet används istället för vattnets ursprungliga alkalinitet. Uträkning sker enligt nedan och mitt fall har jag valt ett målvärde på pH 5.2 för mäsken.

Antalet millimolekyler av karbonater i vattnet (Ct) räknas ut enligt följande.

Delta-C ovan är lika med skillnaden i laddning mellan pH 4.3 och vattnets ursprungsvärde. Information om aktuell laddning har jag hämtat ifrån en graf på s. 96 i boken Water, men det går troligtvis att få fram detta via andra källor också. Vid pH 8.3, som är värdet på mitt kranvatten, är laddningen -0,99 och vid 4.3 är denna -0,01. Varför delta C i mitt fall är lika med +0,98 ((-0,01) – (-0,99)). Ett positivt tal eftersom det representerar alkalinitet. Ct är därför lika med vattnets alkalinitet, 1,639 dividerat med differensen i laddning 0,98 som blir 1,672 mmol/l.

Delta Cz ovan utgörs av skillnaden i laddning mellan mål-pH och vattnets ursprungliga laddning. Vid pH 5.2 är laddningen -0,06 och följaktligen blir delta Cz 0,93 mekv/mmol i mitt fall ((-0,06) – (-0,99)). Mitt vattens nya alkalinitet, vid målet 5.2 mäsk-pH, blir således 1,672 * 0,93 = 1,555 mekv/l och ett Z RA på ~1,11 mekv/l enligt nedan.

1,555 – ( ((30/20)/3,5) + ((1,5/12,1)/7) )

Så långt förhållandevis okomplicerat, värre är det avseende maltens bidrag. Maltens alkalinitet respektive aciditet erhålles enligt följande formel. Ett positivt värde innebär alkalinitet och ett negativt aciditet.

Där pH-End är detsamma som målvärdet för mäsken och pH-DI är maltens värde i destillerat eller avjoniserat vatten (de-ionoized). Buffertkapaciteten erhålles genom titrering. En teknik där en lösning tillreds i destillerat i vatten, därefter tillsätts ett visst mått av syra eller bas (mekv/l) och ett nytt pH-värde antecknas. Detta upprepas till en analyskurva kan skapas. Därefter deriveras kurvan som en funktion av pH-värdet och buffertkapaciteten vid varje pH-värde går att utläsa. Här faller mitt experiment eftersom jag inte har några värden buffertkapaciteten hos den malt jag använder. Tills jag har tagit reda på denna, fått tag på destillerat vatten och titrerat min malt, eller mäsk blir den återstående framställningen i viss mån en uppskattning. Den data som jag har tillgå är baserad på Weyermanns pilsnermalt och Briess Caramel 80 L. Vid pH 5.2 har pilsnermalten en alkalininitet på 20 mekv/kg, vid 5.3 15, vid 5.4 10 och vid 5.5 5 mekv/kg. Karamellmalten är sur och bidraget är negativt vid de aktuella nivåerna. Vid 5.2 är aciditeten -35 mekv/kg, vid 5.3 -40, vid 5.4 -45 och slutligen -55 mekv/kg vid pH 5.5.

Test av formelns giltighet

Vid min senaste lagerbryggning landade mitt pH på 5.5. I receptet stod 10 kg pilsnermalt och 260 gram karamellmalt till 36 l mäskvatten. Den justerade vattenprofilen låg på 67 ppm CaCO3, 120 ppm kalcium och ~2 ppm magnesium. Adderat till vattnet var dessutom 1 ml 80% mjölksyra.

Enligt formeln ovan förändras delta Cz till 0,87 mekv/mmol eftersom laddningen vid 5.5 är -0,12. Det ger en ny Z alkalintet på 1,13 mekv/l ((67/50)*0,87) och med hänsyn tagen till kalcium och magnesium en Z RA på -0,6 mekv/l. Multiplicerat med mängden vatten, 36 l, ger detta ett vattenbidrag om -21,6 enligt formeln ovan.

Pilsnermalten har en alkalinitet på 5 mekv/kg vid pH 5.5 och receptet innehöll 10 kg, vilket gör pilsnermaltens bidrag till 50. Karamellmalten är även här sur i detta avseende och har ett bidrag om -55 mekv/kg vid det aktuella pH-värdet och minskar således maltbidraget med -14,3 (-55*0,26). Det leder till följande.

-21,6 (vatten) + +50 (pilsnermalt) + -14,3 (karamellmalt) = ~14

I min mening ser det faktiskt ganska lovande ut. Enligt formeln skulle jag ha landat på 0, men det finns en del felkällor som har en viss betydelse. Min pH-mätare visar för det första endast hela tiondelar och mätresultat kunde lika gärna ha varit 5.54. Dessutom, och viktigast, så har jag inte riktiga värden för maltens buffertkapacitet och därmed dess alkalinitet/aciditet än. Slutligen finns det en tioprocentig felmarginal i min vattenrapport för aktuella värden.

Formeln äger således viss giltighet varför det lämpar sig att återgå till det ursprungliga fallet med ett målvärde om pH 5.2, mitt vatten och normala maltnota. I detta läge har mitt vatten en Z RA på 1,11 mekv/l. Med utgångspunkt i det verkliga exemplet ovan för en ordinär lager ligger jag vanligtvis på ungefär 2,5% karamellmalt och 97,5% pilsnermalt, med en ratio på 3,6 l / kg. 10 kg pilsnermalt ger, vid pH 5.2, ett bidrag av 200 (20 mekv/kg * 10 kg) och 250 gram karamellmalt reducerar bidraget med blygsamma -8,75 (0,25 * -35 mekv/kg). Maltbidraget totalt sett således ~190, och 36 liter vatten också ett positivt bidrag med ~40. Sammantaget överskrids målet följaktligen med 230 och en mäsk enligt vad som sagts bör följaktligen vida överskriva pH 5.2. Intressant vore förstås att veta med hur mycket, och var den istället skulle landa. Är det möjligt kasta om formeln och dra analogier till resonemanget som har förts av Kolbach och Palmer i del I angående pH-sänkning?

Enligt palmer kan man som sagt sänka mäskens pH med 0.1 genom att minska RA enligt 200/Rv, uttryck i ppm CaCO3. I mitt fall skulle det motsvaras av 55,56 ppm CaCO3 och det blir detsamma som en minskning av RA med ~1,1 mekv/l per 0,1 pH. För att landa på pH 5.2 hade mitt vattens Z RA behövt vara -5,3 mekv/l enligt formeln bakvänt, det vill säga genom att maltens bidrag divideras med vattenvolymen. Det är differens på 6,4 mekv/l (1,11- -5,3) och 6,4/1,1 är lika med 5,7 som får multipliceras igen med 0,1 (pH-ändringen per mekv). Det blir 57 hundradelar, ungefär 0.6 och innebär att mitt pH i så fall skulle landa på 5.8 med ett helt obehandlat vatten.

Jag tillredde en minimäsk i skala 1:100, med 97,5 g pilsnermalt, 2,5 g karamellmalt och 3,6 dl vatten för finna svar på frågeställningen ovan. Härvid passade jag också på att tillsätta syra (se vidare i del III) i syfte att ta reda på vid vilket RA mäsken landar på respektive pH-värde.

Bortsett från nummer ett ovan så tillsatte jag 3,6 ml 0,1 N-lösning av mjölksyra (del III), lät den lösas under några minuter innan varje ny mätning. Även om testen de facto verkar stämma hyfsat bra drog jag en del lärdomar av detta experiment, framförallt hänförliga till min metod. För det första gick pH-mätarens termometer endast till 60 grader och det var denna jag hade tänkt förlita mig på vid mätningarna. Självklart borde jag ha tagit reda på det i förhand. Inledningsvis mätte jag i kastrullen, där temperaturen låg på cirka 65 grader men övergick därefter till att ta ut ett mindre prov för mätning i ett glas. Jag förde sedan tillbaka provet. Metodfelet är tydligast vid den tredje mätningen, där ett temperaturfall ägde rum som dock inte registrerades till fullo vid pH-mätningen. Dessutom uppstod svårigheter i precisionsavseende vid nedskalning i så hög grad. Det kändes som att jag brast lite i precisionen vid uppmätning av malt och vatten. Än tydligare blir det i del III och ett annat test som genomfördes. Sammantaget är emellertid trenden ganska tydlig och överensstämmer någorlunda med hypotesen ovan, kanske i än högre grad om man bortser från bristerna i metoden.

I den tredje och sista delen kommer jag att gå närmare in på vilka åtgärder som kan vidtas för att träffa ett önskat målvärde för mäskens pH.

Förkultur på torrjäst – en fortsättning om utjäsning och förjäsbarhet

Jäsproceduren för min senaste lager är i princip avslutad nu. Återstår gör endast en tids kallkrasch. En sammanställning av processen visualiseras i diagrammet härunder.

Stamvörtstyrkan låg på 1.052 efter spädning den kom ner till en slutlig vörtstyrka på 1.012 efter knappt två veckors jäsning. En utjäsning (apparent attenuation) på cirka 77%. Faktiskt en aning lågt utfall mot förväntat. Enligt tillverkaren har jästen Saflager S-23 en apparent attenuation på 82%, men förutsättningarna för en sådan utjäsning är andra de jag hade, se vidare här och här. Under testet användes en vört gjord på endast pilsnermalt, med en SG på ungefär 1.060 och 20 IBU. Därvid har 0,5 gram torrjäst per liter (50 gram/hl) tillsatts, en pitch rate på 0,2-0,33 miljoner jästceller / milliliter / °P och jäsningen har därefter skett i 23°C. Hur själva mäskprocessen, vad gäller temperatur, pH och så vidare har genomförts framgår inte. Mot bakgrund av syftet får man anta att den har optimerats med avseende på förjäsbarhet.

Uträkning av apparent attenuation eller utjäsning:
((OG-1)-(FG-1))/)(OG-1)
((1,052-1)-(1,012))/(1,052-1)
40/52=0,769 => 77%

I skrivande stund är det fortfarande oklart på vad den lägre utjäsningsprocenten i mitt fall beror. Jag har dock svårt att acceptera avvikelser av detta slag utan vidare och anser att sådana behöver ifrågasättas. En rotorsak måste följaktligen identifieras och elimineras. Trots att jag experimenterade med torrjäst och förkultivering av densamma kan jag inte dra den definitiva slutsatsen att detta och aktuellt pitch rate är orsaken. Tvärtom, enär min pitch rate var betydligt högre än den som tillverkaren använde i testet så torde det snarare kunna uteslutas som orsak istället.

Mängden jäst sägs ha en stor påverkan på såväl smak som arom hos det färdiga ölet. Detta eftersom produktion av estrar och de flesta andra smak- och aromämnen står i direkt förbindelse med jästtillväxten. En för låg pitch rate kan innebära en förhöjd infektionsrisk och bland annat resultera i för hög esterproduktion, höga nivåer av diacetyl, och givetvis avstannad jäsning med en slutlig vörtstyrka högre än önskvärt. Samtidigt kan för mycket jäst kan leda till för låg esterproduktion tillsammans med allt för snabb utjäsning och kan resultera i en öl med för tunn eller lätt kropp.

Förkultur på torrjäst, 26 februari 2020

Mängden jästceller och aktuell pitch rate är emellertid bara en faktor, om än kanske den av störst vikt, som påverkar utjäsningen. Ett axplock av faktorer av påverkan och därmed möjliga orsaker gås igenom nedan.

Mäsk

Mäsken har en stor påverkan på en vörts förjäsbarhet i flera avseenden, varav samtliga egentligen hänger samman med den enzymatiska aktiviteten som pågår under mäskning. Enzymerna är mäskens nyckelspelare och det är de som omvandlar maltens stärkelse till jäsbart socker. Framförallt är det enzymerna beta- och alfaamylase som är av intresse, då det är de som är verksamma under försockringsrasten, vid 60-70°C.

För den enzymatiska aktivitetens vidkommande är mäskens temperatur således av stor betydelse. Det är denna som i första hand är avgörande för vilka enzymer som aktiveras. Betaamylase är mest verksam i ett lägre temperaturspann och arbetar bäst mellan 55-65°C i pH 5,0-5,5, och helst lågt i skalan. Den klipper isär långa ”sockerkedjor” till mindre, för jästen hanterbara bitar och producerar i huvudsak maltos som lättare omsätts av de flesta jäststammar. Alfa, å andra sidan, trivs i varmare temperaturer och mindre sura miljöer. Det är alfaamylase som gör ”grovdelningen” av sockerkedjorna, i motsats till betas finfördelning. Den arbetar bäst i temperaturer över 67° upp till 72°C i pH 5,3-5,7 och producerar, utöver maltos, en hel del andra sockerarter vilket kan ge större kropp och bidra till en mer komplex smakbild hos det färdiga ölet. Se vidare här. För enbart maximal förjäsbarhet skulle därför mäsken anpassats till betaamylasens optimum.

Förhållandet mellan malt och vatten i mäsken är ytterligare en faktor som påverar vörtens förjäsbarhet, eller egentligen enzymaktiviteten även här. En tunnare mäsk som ger högre en högre förjäsbarhet medan en tjockare ger lägre. Anledningen är att andelen enzymer späds ut över volymen och hindras inte på samma vis av en tät sockerkoncentration som annars kunde varit fallet. Vad som avses med tunn respektive tjock är inte helt givet, men kring 4 liter vatten per kilo malt och däröver får anses som tunn medan en mäsk på ungefär 2,5 liter per kilo eller mindre kan betraktas som tjock. Här blir också tiden av betydelse, se härunder, och en tjockare mäsk behöver kortare tid än tunnare motsvarighet innan all stärkelse är omvandlad. Se vidare här.

Tiden som enzymerna får vara verksamma har som sagt också en viss betydelse för vörtens förjäsbarhet och det slutliga resultatet. Den står i direkt samband med temperaturen och vatten-malt-ration ovan. Eftersom enzymerna är med utspädda i en tunnare mäsk tar det längre tid för dem att bryta ner stärkelsen än ifall den hade haft en högre koncentration. Alfaamylase arbetar snabbar än beta, varför en varmare mäsktemperatur leder till en snabbare konvertering. Beta behöver längre tid, i lägre temperatur, men ger alltså i gengäld en högre förjäsbarhet.

Vatten

Egentligen är det mäsken som påverkar, men man kan säga att vattnets sammansättning i kombination med den malt som används avgör mäskens pH. Läs mer om det och alkanitet här. Mäskens pH påverkar i nästa led förjäsbarheten enligt ovan.

Dessutom är vattnets magnesiumhalt av betydelse för jästen och dess aktivitet. Magnesium är nämligen en näringskälla för jästen, som sägs kräva en nivå av åtminstone 5 mg/l.

Malt

Valet av malt har en betydelse för vörtens förjäsbarhet i det avseendet att basmalt har en högre förjäsbarhet än specialmalt och karamellmalt. Detebror på mältningsprocessen av de sistnämnda som är designad för att ta fram mer komplexa sockerarter som jästen inte kan omvandla med samma lätthet. En mäsk med en hög andel specialmalt kommer med andra ord inte jäsa ut i samma utsträckning som en baserad på exempelvis enbart pilsnermalt.

Jäst och jäsning

Jästens egenskaper påverkar självklart förjäsbarheten. Ofta finns en inbyggd begränsning i hur mycket socker jästen klara av att omvandla, den brukar anges som ”Apparent attenuation” på förpackningen eller i produktdatabladet. Begränsningen beror på olika saker, men hänger samman med jästens förmåga att omvandla sockerarter samt dess alkoholtolerans.

Temperaturen, i vilken jäsning sker, är av stor betydelse för vörtens eller ölets utjäsning. I regel anges det optimala temperaturspannet på förpackningen. Men det är optimalt utifrån en sammantagen bedömning av smak och jästaktivitet. För jästen i sig, vad gäller förökning och aktivitet, är varmare temperaturer att föredra. De ger en högre utjäsning men bidrar sannolikt med felsmaker hos det färdiga ölet.

För sin förökning och uppbyggnad är jästen, utöver socker, beroende av syre. Med en ordentligt syresatt vört ger man därför jästen bättre förutsättningar och bidrar till en högre potential hos densamma.

Slutsatser

Det finns sålunda en hel del möjliga förklaringar och orsaker till den lägre utjäsningen i mitt fall. Om man ser tillbaks till datan från min bryggning är det tydligt att denna inte var optimerad för hög utjäsning, det var å andra sidan inte heller syftet, men likväl. Mäskens pH låg på 5,5 som är lite i överkant mot vad som är optimalt för betaamlysasens och förjäsbarhetens vidkommande. Inga konstigheter vad gäller mäskens temperatur, där schemat innehöll en 45-minuters rast i 63°C för betaamylasen och därefter 67°C under cirka 20 minuter. Det är möjligt att 45-minutersrasten skulle kunna ha sträckts ut något.

Maltnotan bör inte ha haft någon negativ inverkan, enär denna i huvudsak bestod av pilsnermalt. Med endast ett bidrag på 2,5% av karamellmalt därutöver, bör den ha bäddat för en hög förjäsbarhet. Däremot var mäsken, med sina endast 2,6 liter vatten per kilo malt, något i det tjockaste laget.

Vidare kan vattenprofilen jag utgick ifrån behöva justeras ytterligare, inte bara med avseende på mäskens pH, utan även magnesiumhalten. Härvid låg nivån på endast 1 mg/l. Så här i efterhand slarvigt av mig att inte dra lärdom och gå tillbaka till gamla anteckningar där jag tydligt har stipulerat att jästen behöver minst 5 mg/l. Å andra sidan sägs en, för jästens vidkommande, tillräcklig nivå av magnesium kunna tillhandahållas bara av den malt som används också.

Bidragande kan dessutom temperaturen, 12°C, i vilken jäsningen ägde rum ha haft en viss inverkan. Temperaturen ligger inom angivet optimum, om än i det nedre spektrat.

Avslutningsvis finns det följaktligen en del förklaringar till lägre utjäsningen i förevarande fall. Enligt min mening är det sannolikt mäskprocessen som jag kan komma att behöva justera.

En liten förhandstitt på vad som komma skall nedan. Arbetet med min station för mottrycksfyllning fortgår är börjar närma sig en provtestning.