ビールの化学

ビールに含まれる化合物は、ビールに独特の味、香り、外観を与えます。ビールに含まれる化合物の大部分は植物や酵母の代謝活動に由来するもので、生化学や有機化学の分野で扱われています。^[1]主な例外は、ビールには90%以上の水分が含まれており、水中のミネラルイオン（硬度）が味に大きな影響を与える可能性があることです。^[2]

ビールの醸造過程では、炭水化物（麦芽由来）、ホップ、酵母、水の 4 つの主な原料が使用されます。

炭水化物源はビールにとって欠かせない要素です。単細胞の酵母生物が炭水化物を生きるためのエネルギーに変換するからです。酵母は炭水化物源を代謝して、エタノールを含むいくつかの化合物を形成します。ビールの醸造工程は、麦芽化とマッシングから始まります。これにより、大麦の穀粒に含まれる長い炭水化物がより単純な糖に分解されます。酵母は糖の非常に短い鎖しか代謝できないため、これは重要です。^[3]長い炭水化物はポリマーであり、同じ分子が大きく分岐した結合が何度も繰り返されています。大麦の場合、アミロペクチンとアミロースと呼ばれるポリマーがほとんどで、グルコースの繰り返し結合で構成されています。非常に長い時間スケールで（熱力学的に）これらのポリマーは自然に分解されるため、麦芽化工程は必要ありません。^[4]この工程は通常、大麦を加熱することで加速されます。^[3]この加熱工程により、アミラーゼと呼ばれる酵素が活性化されます。これらの酵素の形状、つまり活性部位は、分解反応を10万倍以上高速化する独特で強力な能力を与えます。活性部位で起こる反応は加水分解反応と呼ばれ、糖間の結合が切断されます。加水分解を繰り返すと、長いアミロペクチンポリマーが酵母によって消化できるより単純な糖に分解されます。^[4]

ホップはホップ科の植物Humulus lupulusの花です。この花には440種類以上の精油が含まれており、ビールの香りと苦味のない風味に貢献しています。^[4]しかし、特にペールエールの特徴である独特の苦味は、アルファ酸（フムロンとも呼ばれる）とベータ酸（ルプロンとも呼ばれる）と呼ばれる化合物のグループに由来しています。一般的に、醸造家はα酸がビールに心地よい苦味を与えるのに対し、β酸はそれほど心地よくないと考えられていると考えています。^[4] α酸は、写真の反応で沸騰中に異性化します。フムロンの6員環は5員環に異性化しますが、これが知覚される苦味にどのように影響するかについてはあまり議論されていません。

ビールでは、酵母の代謝老廃物が重要な要素です。好気状態では、酵母は麦芽製造工程で得られた単糖を解糖で使用し、解糖の主な有機生成物であるピルビン酸を細胞呼吸によって二酸化炭素と水に変換します。多くの自家醸造家は、酵母代謝のこの側面を利用してビールを炭酸化しています。しかし、工業的な嫌気条件下では、酵母は解糖の最終生成物であるピルビン酸を使用して細胞呼吸でエネルギーを生成することができません。代わりに、酵母は発酵と呼ばれるプロセスに依存しています。発酵は、中間体のアセトアルデヒドを介してピルビン酸をエタノールに変換します。

水はビールの主成分であるため、直接的または間接的にビールの味に非常に重要な役割を果たすことがよくあります^{[2] [4]} 。水中のイオン種は酵母の代謝経路に影響を与え、その結果、味わえる代謝産物に影響を与えます。たとえば、カルシウムイオンと鉄イオンは、酵母の酵素に必要な補因子であるため、少量でも酵母が生存するために不可欠です。^[4]

好気性条件下では、酵母は糖をピルビン酸に変え、次にピルビン酸を水と二酸化炭素に変えます。このプロセスにより、ビールが炭酸化されます。商業生産では、酵母は嫌気性条件下でピルビン酸をエタノールに変えるため、ビールを炭酸化することはありません。ビールは加圧された CO2 で炭酸化されます_。ビールを注ぐと、ビールに溶けている二酸化炭素が逃げて小さな泡になります。これらの泡は、近くの小さな泡を餌にして上昇するにつれて成長し、加速します。この現象はオストワルド熟成として知られています。これらの大きな泡により、注がれたビールの上に「粗い」泡が浮かびます。

ビールは二酸化炭素で_炭酸化することも、窒素(N2 ₎、アルゴン(Ar)、ヘリウム(He)などの不活性ガスで発泡させることもできます。不活性ガスは二酸化炭素ほど水に溶けにくいため、オストワルド熟成によって成長しない泡を形成します。つまり、ビールの泡は小さくなり、よりクリーミーで安定した泡になります。^[6]これらの溶けにくい不活性ガスは、ビールに異なる、より平坦な食感を与えます。ビールの口当たりは滑らかで、通常の炭酸ビールのような泡立ちはありません。ニトロビール (窒素ビール) は通常のビールよりも酸味が少ないかもしれません。^[7]

ビールには多くの芳香物質が含まれています。これまで、化学者はガスクロマトグラフや質量分析計と組み合わせた高性能液体 クロマトグラフなどの高度な分析機器を使用して、ビールに7,700種類以上の化合物を発見しました。^[8]

ビールの泡の安定性は、遷移金属 イオン（Fe^2歳以上
、Co^2歳以上
、ニ^2歳以上
、銅^2歳以上
...）、多糖類、タンパク質、ビールに含まれるホップ由来のイソフムロン化合物などの高分子。泡の安定性は、消費者がビールを最初に感じる際の重要な懸念事項であり、そのため、生ビールを提供する醸造者やバーテンダーは、ビールを瓶からグラスに適切に注ぐ（泡持ちがよく、泡立ち過ぎず、瓶を開けたときに噴出しない）ために最大限の注意を払います。

過去数十年間に、ビール醸造所や農薬業界は、さまざまな種類のビール泡安定剤の特許を多数申請してきました。低濃度（1～2 ppm ）で添加されたコバルト塩は1960年代に人気がありましたが、ビール製造中に検出されない偶発的な過剰投与の場合、コバルト毒性の問題が生じました。代替として、ビール製造の回収された副産物、例えば使用済み穀物やホップの残留物を加水分解して有機泡安定剤が製造されています。^[9]

市場で入手可能な精製または改質された天然食品添加物の広範なスペクトルの中で、可溶性カルボキシメチルヒドロキシエチルセルロース、^[10]、 プロピレングリコールアルギン酸（PGA、E番号E405の食品添加物）、 ^[11]ペクチンおよびジェランガムも泡安定剤として研究されてきました。

1957年、2人の醸造化学者、ソーンとヘルムは、Co^2歳以上
コバルトイオンはビールの泡を安定させ、ビールの泡立ちや噴出を防ぐことができました。^{[12] 1～2 mg/L（} ppm ）の範囲でコバルトイオンを微量添加すると効果的でした。濃度が高いと有毒になり、低いと効果がありません。

コバルトは遷移金属であり、その原子軌道はビール中に自然に存在する有機分子に結合した配位子または官能基（-OH、-COOH、-NH ₂ ）と相互作用して、ビールの泡を安定させる高分子 配位錯体を形成します。コバルトは、異なる多糖類分子間の分子間または分子内の橋渡しとして機能したり（形状やサイズを変えたり）、溶液中に存在する異なるタイプの分子の立体配座変化^[13]を引き起こして、それらの絶対配置に影響を与え、泡の分子構造とその挙動に影響を与えます。

ソーンとヘルム（1957）は、コバルトがビールの特定の窒素成分（例えば、麦芽タンパク質由来のアミノ酸）と錯体を形成し、過発泡や噴出の原因となるガス核を不活性化する表面活性物質を生成する可能性があるという仮説も立てました。^[12]

泡立ちは、ルディンとハドソン（1958）によってさらに詳細に研究された特定の問題です。^{[14]これらの著者は、泡立ちは}ニッケルや鉄などの他の遷移金属 イオンによっても促進されますが、コバルトイオンによっては促進されないことを発見しました。イソフムロン（ホップの苦味の原因となるイソアルファ酸）とそれとNiまたはFeとの組み合わせも泡立ちを促進しますが、純粋なCoイオンまたはそれとイソフムロンとの組み合わせでは、泡立ちや過剰発泡は見られません。これが、ビールの泡立ち防止剤として1～2 mg/Lの濃度のコバルト塩が特に選択された理由です。ルディンとハドソン（1958）と他の著者はまた、Co、Ni、およびFeイオンが泡自体に優先的に濃縮されることを発見しました。^[14]

1960年代、米国FDAの認可を受けて、硫酸コバルトはビールの泡を安定させ、輸送中や取り扱い中にビールが振動にさらされた後の噴出を防ぐ添加剤として、米国で低濃度で一般的に使用されていました。

コバルトはビタミンB12の合成に必要な必須微量栄養素ですが、体内のコバルト濃度が過剰になるとコバルト中毒を引き起こす可能性があるため、摂取は避けなければなりません。このことが、偶発的な過剰摂取やコバルト中毒を防ぐために、ビール中のコバルトを正確に分析する定性および定量分析法の開発につながりました。^[15]

コバルト濃度が高すぎると、ビールを飲む人の心筋症の原因になることが知られています。文献で最初に言及された問題は、1960年代半ばにカナダのケベックシティのダウビール工場で起こった過剰摂取事故でした。

1965年8月、ケベック市の病院にアルコール性心筋症を疑わせる症状を呈する患者が受診した。その後8か月間で、同じ地域で同様の所見を示す患者が50人以上現れ、そのうち20人が死亡した。全員が主にビールを飲み、ダウブランドを好む大酒飲みであることが注目された。そのうち30人は1日6リットル（12パイント）以上のビールを飲んでいた。^[16] 疫学的調査により、ダウビールは1965年7月から泡の安定性のためにビールに硫酸コバルトを添加しており、ケベック市の醸造所で添加された濃度は、症例の報告がないモントリオールで醸造された同じビールの10倍であったことが判明した。^{[17] [18]}

ビール特有の問題は、ワインと違って、熟成すると品質が劣化する傾向があることです。^[20]ブラックカラントの属にちなんで名付けられた、猫の尿のような匂いと風味であるリベスが出現し、ピークに達します。 ^{[21]その後、} 2-ノネナールの放出により、段ボールのような匂いが支配的になります。^[22]一般的に、化学者は、古いビールの「異臭」は活性酸素種によるものだと考えています。これらは、たとえば、酸素フリーラジカルの形で発生する可能性があり、ビールの味の元となる化合物の化学構造を変える可能性があります。 ^[22]酸素ラジカルは、ビールのアミノ酸のストレッカー分解反応により、アルデヒドの濃度を上昇させる可能性があります。 ^[23]

ビールは他のアルコール飲料と比べて、最終パッケージでは不安定であるという点で独特です。製造段階だけでなく、ビールの保管中にも、ビールの風味に影響を与える変数や化合物は数多くあります。日光やボトルのヘッドスペース内の酸素量など、多くの要因により、ビールは保管中に異臭を発します。味の変化以外に、ビールは見た目も変化することがあります。ビールは保管中に濁ることがあります。これはコロイド安定性（濁り形成）と呼ばれ、通常は醸造プロセス中に使用される原材料によって引き起こされます。ビールの濁りを引き起こす主な反応は、ポリフェノールの重合と特定のタンパク質との結合です。このタイプの濁りは、ビールを摂氏0度以下に冷却すると見られます。ビールを室温まで上げると、濁りは溶解します。しかし、ビールを室温で長期間（約6か月）保管すると、永久的な濁りが形成されます。^{[24] Heuberger}らによる研究（2012）は、ビールの保存温度が風味の安定性に影響を与えると結論付けています。彼らは、室温と冷温で保存したビールの代謝プロファイルが新鮮なビールと大きく異なることを発見しました。彼らはまた、数週間の保存後にビールが著しく酸化することを裏付ける証拠も持っています。これはビールの風味にも影響を与えます。^[25]

ビールの異臭、例えば段ボールや青リンゴのような味は、古くなったアルデヒドの出現と関係していることが多い。風味の変化の原因となるストレッカーアルデヒドは、ビールの貯蔵中に生成される。フィリップ・ウィットストックらは、貯蔵中にストレッカーアルデヒドが形成される原因を調べる実験を行った。彼らは、アミノ酸濃度（具体的にはロイシン（Leu）、イソロイシン（Ile）、フェニルアラニン（Phe））と溶存酸素濃度のみがストレッカーアルデヒドの形成を引き起こすことを発見した。彼らはまた、炭水化物とFe ^2+の添加についてもテストした。形成されたストレッカーアルデヒドと包装された酸素総量との間には直線関係が見られた。これは、醸造者がビールの味をコントロールできるようにするために知っておくべき重要なことである。ウィットストックは、酸素バリアクラウンコルクでビールをキャップすると、ストレッカーアルデヒドの形成が減少すると結論付けている。^[23]

Vanderhaegenらによる別の研究（2003年）では、瓶詰めのビールを6か月後に異なる熟成条件でテストしました。彼らは、揮発性 エステルの減少がフルーティーな風味の減少の原因であることがわかりました。彼らはまた、カルボニル化合物、エチルエステル、メイラード化合物、ジオキソラン、フラン酸エーテルなど、他の多くの化合物の増加も発見しました。[26] カルボニル化合物は、^Wietstockの実験で以前に述べたように、青リンゴの風味を引き起こす傾向があるストレッカーアルデヒドを生成します。エステルは、洋ナシ、バラ、バナナなどのフルーティーな風味を引き起こすことが知られています。メイラード化合物は、トーストした麦芽の風味を引き起こします。

チャールズ・バンフォースとロイ・パーソンズ（1985）による研究でも、ビールの劣化臭はさまざまなカルボニル化合物によって引き起こされることが確認されている。彼らは加速熟成法を用いた後、劣化物質を推定するためにチオバルビツール酸（TBA）を使用した。彼らは、マンニトールやアスコルビン酸などのヒドロキシルラジカル（^• OH）のスカベンジャーによってビールの劣化が軽減されることを発見した。彼らはまた、発酵麦汁に含まれる大豆抽出物がビールの風味の保存期間を延ばすという仮説を検証した。^[27]

• バーム
• ビールの頭
• ビールの欠点
• 醸造
• 明るいビール
• 炭酸化
• 光に照らされたビール
• 口当たり
• イソフムロン
• ビール醸造における酵母

• バース、ロジャー（2013）、ビールの化学：泡の科学、ジョン・ワイリー＆サンズ、ISBN 978-1-11873-379-0
• バクスター、デニス、ヒューズ、ポール（2001）、ビール：品質、安全性、栄養面、王立化学協会、ISBN 978-0-85404-588-4
• ホプキンス、R（2011）、ビール醸造に応用された生化学 - 麦芽製造と醸造の原材料の一般化学、トビープレス、ISBN 978-1-44654-168-5
• ホーンジー、イアン（2003）「ビールと醸造の歴史」 、王立化学協会、ISBN 978-0-85404-630-0
• ジャンソン、リー（1996）、醸造化学101、ストアリー、ISBN 978-0-88266-940-3
• Verhagen, Leen (2010)、「ビールの風味」、Comprehensive Natural Products II: Chemistry and Biology、第 3 巻: 生物活性の開発と修正、Newnes、pp.  967– 998、ISBN 978-0-08045-382-8
• ヴェルゼレ、M; De Keukeleire、D (2013)、ホップとビール苦味酸の化学と分析、エルゼビア、ISBN 978-1-48329-086-7

• ビールと醸造の化学を理解する - カリフォルニア大学の麦芽・醸造科学教授、チャールズ・バンフォースによるオンライン講義
• ビールの化学 - オクラホマ大学のオンラインコース