Oxygen-driven 2-furfural accumulation and its influence on beer sensory stability

Abstract

As regular natural products, beer tends to age, that is, to deteriorate over time under the influence of oxygen. It is well known that oxygen negatively affects beer quality parameters at all stages of production—from malt milling to beer packaging (Bamforth, 2004). During malt storage, oxidation may occur due to contact with oxygen and moisture, altering its chemical composition and decrease quality of both the raw material and the final beer. Components the most sensitive to oxidation, such as lipids and essential oils, can cause undesirable changes in aroma, flavor, and color in finished beer. Malt is most susceptible to oxygen exposure during milling, as its protective cellulose husk is destroyed. Oxidation also affects hop components, resulting in the loss of characteristic aroma and bitterness essential for beer quality. Improper storage conditions, particularly high temperatures and light, accelerate oxidation processes. Thermal treatment intensifies melanoidin formation, sugar caramelization, and the degradation of hop volatiles, causing changes in beer color and flavor. The degree of beer aging is indicated by the presence of Maillard reaction products, which can impart caramel, oxidized, papery, fruity, leathery, and other off-flavors. This reaction may result in the formation of heterocyclic aldehydes and ketones in beer, including 2,3-butanedione; 2-ethyl-3,5- dimethoxy-4-hydroxyhydro-2(3H)-furanone, and 5-hydroxymethyl-2-furfural. 2-furfural belongs to the group of furan aldehydes formed during thermal load of foods in the presence of atmospheric oxygen. Such processes occur during malt production (at kilning and drying stages) and during wort boiling with hops. Thermal load increases its formation and contributes to the color development of wort. The sensory threshold of 2-furfural is 150–200 μg/l. One of the commonly used methods for determining 2-furfural as a marker of beer aging is ultraviolet spectrophotometry. The aim of the present study was to investigate the impact of oxidative processes occurring during wort production, fermentation, and beer storage on the quality indicators and flavor characteristics of the final product, with particular emphasis on the influence of 2- furfural concentration on the intensity and degree of beer aging. Materials and methods. The study objects were milled malt, wort, and pasteurized beer. Physicochemical parameters of beer were determined using the Anton Paar DMA 4500 analyzer; 2-furfural concentration was measured by ultraviolet spectrophotometry; alcohol and real extract by distillation; color by colorimetric titration; bitterness using spectrophotometric analysis. Results and discussion. The concentration of 2-furfural and the intensity of its formation depend directly on the duration and degree of oxygen exposure during all stages of malt handling, wort production, and beer processing. As oxygen initiates a cascade of oxidative and thermal degradation reactions, the level of 2-furfural progressively increases, leading to deteriorated flavor, premature aging, and the development of stale, cardboard-like notes in the final product. To prevent excessive oxidation and maintain 2-furfural levels within the desirable range of 4–10 μg/l, the storage time of milled malt should not exceed 50 minutes, as prolonged exposure to air promotes early oxidative reactions already at the raw material stage. The most intensive formation of 2-furfural occurs during wort boiling with hops at elevated temperatures, where thermal degradation processes accelerate dramatically: within a 90-minute boil, its concentration increases six fold, rising from 122 to 793 μg/l. Oxygen uptake during subsequent stages also plays a crucial role. When dissolved oxygen increases from 20 to 120 μg/l during wort fermentation and green beer filtration, the concentration of 2-furfural rises accordingly – from 56.6 to 185.2 μg/l. Heat treatment further contributes to this process: even minimal pasteurization nearly doubles the level of 2-furfural (from 56 to 104 μg/l). Once its concentration reaches 150–200 μg/l, beer begins to exhibit clear oxidized notes, loses freshness, and shows noticeable sensory deterioration. Moreover, the presence of oxygen in the bottle headspace drastically accelerates this process, increasing 2-furfural content by 262% (from 107 to 388 μg/l), which severely compromises beer quality and shortens its shelf life. Ultraviolet spectrophotometry is recommended for measuring oxidation products and 2-furfural in raw materials and finished beer, as its results correlate well with chromatographic data. Conclusions. To enhance beer sensory properties and flavor stability, it is essential to prevent oxygen exposure at all technological stages. The concentration of 2-furfural in beer should not exceed 150–200 μg/l. Як звичайний натуральний продукт, пиво має властивість старіти, тобто з часом псуватися під впливом кисню. Добре відомо, що кисень негативно впливає на параметри якості пива на всіх етапах виробництва — від помелу солоду до пакування пива (Bamforth, 2004). Під час зберігання солоду може відбуватися окислення через контакт з киснем і вологою, змінюючи його хімічний склад і погіршуючи якість як сировини, так і кінцевого пива. Компоненти, найбільш чутливі до окислення, такі як ліпіди та ефірні олії, можуть викликати небажані зміни аромату, смаку та кольору готового пива. Солод найбільш чутливий до впливу кисню під час помелу, оскільки його захисна целюлозна оболонка руйнується. Окислення також впливає на компоненти хмелю, що призводить до втрати характерного аромату та гіркоти, необхідних для якості пива. Неправильні умови зберігання, особливо висока температура і світло, прискорюють процеси окислення. Термічна обробка інтенсифікує утворення меланоїдину, карамелізацію цукру та розпад летких речовин хмелю, викликаючи зміну кольору та смаку пива. Ступінь витримки пива визначається наявністю продуктів реакції Майяра, які можуть надавати карамельний, окислений, паперовий, фруктовий, шкіряний та інші неприємні присмаки. Ця реакція може призвести до утворення гетероциклічних альдегідів і кетонів у пиві, включаючи 2,3-бутандіон; 2-етил-3,5-диметокси-4-гідроксигідро-2(3Н)-фуранон і 5-гідроксиметил-2-фурфурол. 2-фурфурол належить до групи фуранових альдегідів, що утворюються при термічному навантаженні харчових продуктів у присутності атмосферного кисню.Такі процеси відбуваються під час виробництва солоду (на стадіях випалу та сушіння) та під час варіння сусла з хмелем. Термічне навантаження збільшує його утворення і сприяє розвитку кольору сусла. Сенсорний поріг 2-фурфуролу становить 150–200 мкг/л. Одним із широко використовуваних методів визначення 2-фурфуролу як маркера старіння пива є ультрафіолетова спектрофотометрія. Метою даного дослідження було дослідити вплив окисних процесів що відбуваються під час виробництва сусла, бродіння та зберігання пива на показники якості та смакові характеристики кінцевого продукту, з особливим акцентом на вплив концентрації 2-фурфуролу на інтенсивність та ступінь витримки пива. Матеріали та методи. Об’єктами дослідження були мелений солод, сусло та пастеризоване пиво. Фізико-хімічні показники пива визначали за допомогою аналізатора Anton Paar DMA 4500; Концентрацію 2-фурфуролу вимірювали ультрафіолетовою спектрофотометрією; спиртовий і справжній екстракт перегонкою; колір колориметричним титруванням; гіркоти за допомогою спектрофотометричного аналізу. Результати та обговорення. Концентрація 2-фурфуролу та інтенсивність його утворення безпосередньо залежать від тривалості та ступеня впливу кисню на всіх етапах обробки солоду, виробництва сусла та обробки пива. Оскільки кисень ініціює каскад реакцій окисного та термічного розкладання, рівень 2-фурфуролу поступово збільшується, що призводить до погіршення смаку, передчасного старіння та появи несвіжих, схожих на картон нот у кінцевому продукті.Щоб запобігти надмірному окисленню та підтримувати рівень 2-фурфуролу в бажаному діапазоні 4–10 мкг/л, час зберігання меленого солоду не повинен перевищувати 50 хвилин, оскільки тривалий вплив повітря сприяє раннім окислювальним реакціям вже на етапі сировини. Найінтенсивніше утворення 2-фурфуролу відбувається при кип’ятінні сусла з хмелем при підвищених температурах, де різко прискорюються процеси термічної деструкції: протягом 90-хвилинного кип’ятіння його концентрація зростає в шість разів – від 122 до 793 мкг/л. Поглинання кисню на наступних стадіях також відіграє вирішальну роль. При збільшенні розчиненого кисню від 20 до 120 мкг/л під час зброджування сусла та фільтрації зеленого пива концентрація 2-фурфуролу відповідно зростає – від 56,6 до 185,2 мкг/л. Термічна обробка додатково сприяє цьому процесу: навіть мінімальна пастеризація майже вдвічі підвищує рівень 2-фурфуролу (з 56 до 104 мкг/л). Як тільки його концентрація досягає 150-200 мкг/л, пиво починає проявляти чіткі нотки окислення, втрачає свіжість і помітно погіршується чутливість. Крім того, присутність кисню в пляшковому просторі різко прискорює цей процес, збільшуючи вміст 2-фурфуролу на 262% (з 107 до 388 мкг/л), що серйозно погіршує якість пива та скорочує термін його зберігання. Для вимірювання оксиду рекомендується ультрафіолетова спектрофотометрія.