Что такое плотность и как на ее основании можно высчитать содержание алкоголя
Рассматривая этикетку пива, мы часто замечаем помимо состава этого напитка (вода, солод, хмель и т.д.) еще и набор количественных параметров, таких как крепость и плотность. Если термин крепость знаком большинству из нас, то плотность может вызвать некоторые вопросы. Эта статья посвящена описанию численных параметров, которыми может характеризоваться (и характеризуется) любое пиво, а также попытаемся объяснить научно-популярно, какой физический смысл несет в себе каждый такой параметр.
Плотность
В народе часто бытует мнение, что данная характеристика отражает пивную крепость. Говорят даже, что это «пивные градусы». Отчасти это имеет кое-что с действительностью. Попробуем разобраться, что же это за такой интересный параметр.
Начнем с вопроса – зачем нам нужно знать какую-то плотность? Ответ достаточно прост: значение плотности помогает определить значение содержания алкоголя в пиве.
Начальная плотность
По-английски этот термин называется original gravity (OG). Этим параметром обозначается плотность начального сусла, то есть сваренного, но еще не перебродившего. Часто встречается обозначение «экстрактивность начального сусла». Под этой плотностью понимают содержание солодового сахара (сахарного фермента) в жидкости. Сахар – источник алкоголя в пиве. Его часть будет преобразована в этиловый спирт и углекислый газ, а часть останется в пиве, тем самым, формируя его. Плотность сусла больше чем плотность воды, так как в сусле присутствует сахар. Жидкость получается более вязкая (плотная). При измерении начальной плотности используется специальный прибор - гигрометр. Он градуируется по разным шкалам. Часто используемая в Великобритании и США шкала – удельная масса вещества. Как известно, вода имеет удельную массу - единицу (1.000). Часто запятую опускают, поэтому плотность воды также обозначается как 1000. При добавлении сахара в воду, гигрометр начинает всплывать и показывать более высокие значения – плотность жидкости растет.
В России и Европе используется другая шкала плотности, предложенная в 1843 году немецким ученым Карлом Баллингом и усовершенствованная Фритцем Плато. Эта шкала (называемая шкалой Плато) является эмпирической и используется для определения плотности пивного сусла в терминах процентного содержания экстракта сусла по весу. Шкала выражает плотность как процентное соотношение сахарозы по весу, таким образом, сусло с 15 градусами Плато имеет ту же плотность, что и водно-сахарозный раствор с 15 процентами сахарозы по весу.
Также при производстве алкоголя применяется шкала Брикса, которая по сути дела эквивалентна шкалам Плато и Баллинга.
По сравнению с настоящей плотностью (удельной массой – отношение массы к объему), которая вычисляется по сравнению с плотностью воды, плотность Плато выражает меру в терминах количества ферментируемого материала.
В европейских марках пива часто можно встретить плотность пива по шкале Плато в названиях.
Для перевода удельной массы в плотность Плато можно воспользоваться приблизительной эмпирической формулой (точной формулы нет, так как шкалы связаны нелинейно). Необходимо число, стоящее за плавающей точкой в удельной массе разделить на четыре, чтобы получить примерную плотность Плато. Так, удельная масса 1.048 соответствует плотности Плато в 12 градусов.
Конечная плотность
Конечная плотность (Final Gravity – FG) представляет собой удельную массу конечного продукта брожения (то есть уже почти готового пива). Конечную плотность измеряют после окончания брожения. Конечная плотность всегда меньше начальной, так как во время брожения часть сахара перерабатывается и жидкость становится менее плотной. Разница между начальной и конечной плотностью показывает количество потребленного дрожжами сахара и соответственно количество произведенного алкоголя. Различные дрожжи (разные виды) могут по разному потреблять сахар, а разное сусло может содержать разное количество несбраживаемого сахара. Поэтому конечная плотность никак не зависит от начальной – это не простая функция.
Как уже было сказано, уменьшение плотности происходит из-за того, что сахар превращается в этанол и углекислый газ. Этанол имеет меньшую плотность (790 кг/м3), чем вода (1000 кг/м3).
Пивовары записывают значение начальной плотности сусла, охладив его до определенной температуры (обычно это 15 градусов по Цельсию). После окончания брожения, гидрометром измеряется конечная плотность (при той же температуре).
Чем выше конечная плотность, тем полнее тело у пива.
Алкоголь
Зная конечную и начальную плотность можно приблизительно (и, тем не менее, с достаточно высокой точностью) посчитать объемное содержание алкоголя в пиве (ABV – Alcohol By Volume). Для этого необходимо вычесть из начальной плотности конечную и разделить результат на 0.00738 (умножить на 135.5). Например, пусть пиво имеет начальную плотность OG = 1.080, а конечную FG = 1.010, тогда это пиво будет иметь крепость ABV = 9.5%.
В США часто используют не объемное, а весовое содержание алкоголя при обозначении на бутылках (ABW – Alcohol By Weight). Так как вода тяжелее спирта в 1.25 раза, то для перевода ABW в ABV необходимо домножить на 1.25.
Другими словами, если на бутылке написано, что крепость пива составляет ABW = 5%, то на самом деле, крепость напитка немного выше – ABV = 5 * 1.25 = 6.25%. Понятно, что для обратного преобразования необходимо умножить ABV на 0.8.