在商业广告的大肆宣传下，啤酒已被拱举为夏日消暑、青春活力的圣品。啤酒酒精浓度低，有丰富绵密的泡沫，再配上啤酒花特有的香气及苦味，说它是人类有史以来最畅销的饮料，也当之无愧。近年来，精酿啤酒的风行更把啤酒产业带入新的层次。除了卖场中五花八门各式品牌的啤酒外，爱好者甚至可以在家自行酿制，尝试制作不同风味、创意十足、又独一无二的啤酒。
就原料或制造方法而言，啤酒和其他酒类都有很大的不同。本文从科学的角度，包含化学、微生物、制造工程等面向来述说啤酒的故事。让读者在享受清凉的啤酒之余，也可以赞叹其背后所涵盖的工艺巧思。另外对爱好自制精酿啤酒的人来说，这篇文章也可当作入门的参考。
苏美人也懂喝酒？啤酒怎么制造的？
啤酒可说是人类最早的酒精饮料，在美索不达米亚早期的文献中，已有啤酒的制造及饮用的记载。在现存的浮雕古迹中，也可看到苏美人以吸管从大瓶罐喝啤酒的情景。但啤酒是怎么发明的，则是众说纷纭。最普遍的说法是：意外发现的。
早期人们发现使用泡水发芽的大麦做出的面包特别好吃；而后又发现大麦芽面团放置一段时间后会自然发酵，若拿去泡水后得到的饮料，更具有特殊的香气，首批啤酒因而诞生。从上述历史可以理解啤酒最主要的原料是大麦，而且须使用发芽过的大麦，称为麦芽。但在这个过程中到底发生了什么事？古代酿酒师并不知其然，只知道使用古法就可得到香醇的美酒。
拜现代科学之赐，我们对大麦发芽所产生的理化现象，以及后续烘焙过程，可从分子的观点来理解。而使用麦芽进行糖化反应以制造麦汁，更是结合了科技及艺术，这些会在后面的章节介绍。
前面文章中有一个关键字，就是「发酵」。在发现微生物前，人们并不知道酒类酿制是来自酵母菌。德国人只是发现，在夏天酿酒，啤酒比较容易酸败（现在已知道是杂菌滋生所致），而在冬天低温时，则无这顾虑。
事实上，在不同温度下制造啤酒时，是由不同种类的酵母菌在作用：高温时（摄氏15～22度），酵母会浮至液体表面，并在发酵槽上层发酵，称为上层发酵，这时酿造出来的啤酒称为艾尔型（ale）啤酒，发酵的酵母菌则是所谓的啤酒酵母；低温时（摄氏5～10度），发酵在发酵槽底部进行，称为底层发酵，酿造所得的啤酒称为拉格型（lager），发酵的酵母菌则是卡尔酵母，两者啤酒风味显着不同。目前韍面上如海尼根、百威等大量制造的啤酒，多是拉格型，手工精酿的啤酒则多是艾尔型。
啤酒的主要原料除了麦芽外（酵母菌不算原料，因为发酵完后，酵母菌不会消失，仍存在于发酵液中），最重要的就是啤酒花了。啤酒花给啤酒带来特殊的香味，还有不同程度的苦味。啤酒花甚至有抑菌作用，会使低酒精浓度下的啤酒不至于酸败。
但啤酒花是何方神圣，其实大多数台湾人并没看过，因为它只生长在纬度35度到55度之间的环境。摊开地图，北半球可生长啤酒花的地方包含中欧、东欧、中国大陆北方、美国等地，南半球则以澳大利亚、新西兰为主。目前全球啤酒花产量以德国最高，美国次之。虽然在台湾种植啤酒花难度很高，但透过各种科学的分析，仍可了解啤酒花在啤酒制造过程中或风味上究竟扮演了什么样的角色。
水质也是啤酒原料的重点，大凡知名的啤酒厂都会标榜它的用水来源。纯水无色无味，也无任何杂质在其中，在自然界中并不存在。无论是山泉水或自来水厂的给水，水中或多或少都带有一些离子，如碳酸盐类、硫酸盐类、钙离子、镁离子等。这些离子的含量会影响麦芽的糖化反应，以及后续的发酵制程。惟本文因篇幅所限，无法论及于此。
温度很重要！麦芽糖化与淀粉酵素
首先来看由大麦到麦芽的过程中，到底发生了什么事。麦芽制程是先把大麦浸在冷水中，模拟野地中大麦发芽的环境。这时大麦中酵素开始作用，把大麦胚乳中的淀粉及蛋白质分解为小分子糖类及胺基酸。在外观上，可看到大麦长出幼根，3到5天后，幼芽逐渐冒出。当幼芽生长至麦粒的四分之三长时，麦粒中的酵素浓度最高，其中的蛋白质及淀粉就开始转变成养分，供应大麦成长。这时，麦芽制造商必须藉由低温干燥方式停止大麦发芽，并保留麦芽中的酵素。
大麦发芽过程最重要的结果就是活化了大麦中的酵素，特别是淀粉酵素。淀粉酵素是麦芽糖化成麦汁过程中最重要的推手，没有它，淀粉就不会转变成酵母菌可以摄取的小分子糖类。从淀粉的结构来看，可以简化其是由一个个葡萄糖分子串接而成的大分子，而淀粉酵素就像剪刀般，在糖化过程中把成串的葡萄糖分子切割成小段的葡萄糖分子。
麦芽中有两类淀粉酵素，一是α型淀粉酵素，另一是β型淀粉酵素。前者会把成串的葡萄糖分子任意切割成不同长度的小段葡萄糖分子（葡萄糖寡聚物）；后者则是非常一致，一次只切割出含两个葡萄糖分子的双糖，我们把它称作麦芽糖分子。
从糖化温度来看，α型淀粉酵素在比较高的糖化温度（摄氏67度左右）下进行时效率较高，β型淀粉酵素则是在稍低的糖化温度（摄氏62度左右）下有较高的效率。由于麦芽糖分子小，酵母菌好吸收，因此若在较低温度下糖化，产出的麦汁中葡萄糖寡聚物较少，最终残留的糖分也较少。
含有大量酵素的麦芽称为基础麦芽，这是藉由低温干燥停止发芽程序，并能保留麦芽中的各种酵素。通常这时干燥脱水的温度必须低于摄氏52度，以确保酵素不会失去活性。温度太高，会像煮蛋时蛋白迅速由澄清变白浊，这种现象有个专有名词，称做「变性」。当麦芽中水分降至12%以下时，才能升温加速干燥，这时酵素仍保持着分子构形及其活性，不会变性。
另外一类麦芽称为烘烤麦芽，这类麦芽是把基础麦芽进一步烘烤而得。在高温烘烤下，麦芽中的糖类和蛋白质会进行梅纳反应，产生各式香氛的麦芽，提供啤酒更多的风味。但因温度过高，酵素多已失去活性，因此制作啤酒时，仅能小量添加烘烤麦芽，仍以基础麦芽为主要成分，以提供淀粉分解所需的糖化酵素。
常见的烘烤麦芽如维也纳麦芽、慕尼黑麦芽、焦糖麦芽、巧克力麦芽等，光听名称就能让人联想到烘烤麦芽变化多端的口味。在制程上则是藉由改变烘烤温度、时间及方式，达到不同程度的梅纳反应及焦糖化反应。
把麦芽转成麦汁，这个过程称为糖化，要如何得到高浓度的麦汁也是一门大学问。在整个糖化过程中，最重要的是让淀粉酵素能作用，尽量把麦芽中的淀粉转换成酵母菌能使用的小分子糖类。
精酿啤酒可在家小批量制作，糖化可在煮锅中进行，但均匀及稳定的温度控制是成功的关键因素。图中煮锅外层包覆隔热材料，以维持煮锅糖化时的温度。麦汁的比重可以用简易比重计量测，以计算麦芽糖化过程的效率。<
实务上可以测量麦汁的比重来度量糖化的效率，其原理是纯水比重是1，当水中糖分增加时，密度也随之增加。酿造出啤酒的酒精度和麦汁中糖分的含量直接相关，酒精度愈高，所用麦汁中糖分浓度也要高。一般啤酒酒精度是5%，要求麦汁的比重约为1.055。从商业啤酒的观点，麦芽是原料，酒精是产品，每单位重的原料能产出多少固定酒精度的产品，是产品获利的重要管制项目。因此糖化效率是糖化过程的重要指标，无论原料如何改变，这个数值都是酿酒师一定要记录的资料。
啤酒的风味不能单纯以酒精度来度量，如何控制由麦芽所释放出丰富的麦香层次也是一种艺术。要达到这个目的，除了在制酒配方中添加不同比率及种类的基础麦芽、特殊烘烤麦芽、辅料（非大麦的其他五谷类）外，糖化过程中选用的糖化方式及温度规画也是另一手段。
前面提到麦芽中的酵素在不同温度下反应速率不同，因此可藉由改变糖化时的温度及时间产生不同的效果。举例来说，想酿制麦香风味较重的啤酒时，可选用较高的糖化温度，使得产出麦汁中糖类寡聚物较多些。这些糖类寡聚物不会被酵母菌消耗，最终残存在啤酒中，便增添了啤酒中的麦芽香。
啤酒的风味担当：啤酒花
接下来谈啤酒的另一个重要成分——啤酒花，这是啤酒和其他酒类最大的差异。在酿制啤酒过程中若没加啤酒花，就好像蚵仔面线没加蚵仔一样，酿造出来的酒不会被认定为啤酒。啤酒花除了有抑菌效果、提供啤酒中的苦味外，还赋予啤酒特殊的香味。
近年来，因生物科技的发达，啤酒花的种类已发展出上百种，有各式风味的啤酒花提供给酿酒师试验。韍面上，啤酒花可分为苦味型、香味型、综合型等。苦味已建立了科学的标准，可用于协助酿酒师估算酒方中的苦味值，香味则多以官能品评的方式来评量。
啤酒花的苦味成分主要来自于不溶于水的α酸，当加热煮沸时，α酸结构逐渐改变而溶于水。加热煮沸时间愈长，溶于水中的α酸比率愈高，苦味也就越重。韍面上贩售啤酒花时，多标明α酸值若干。以苦味啤酒花为例，标示约在10%以上，香味啤酒花则在5%以下，介于其间者，可视为综合型。
由啤酒花α酸的数值，酿酒师会根据麦汁的比重，以及最终设计的苦味值，计算煮沸啤酒花所需的时间。大体而言，麦汁比重愈高，煮苦所需的时间愈长。而单位时间的α酸溶出量可以用指数回复的时间函数表示，也就是煮苦时间长到某程度其几乎可忽略不计。实际的煮苦时间大约在1小时左右。
对于香味啤酒花，因为香味来自于啤酒花中高挥发性具香气的小分子，在长时间沸腾时，会逐渐丧失挥发至大气中，因此煮沸时间不能如同苦味啤酒花般那幺长。一般香味啤酒花是在煮沸终止前的5～15分钟时投入麦汁，甚至有所谓的冷泡法，在麦汁煮沸冷却后再投入香味啤酒花，以保留啤酒花的香味。
啤酒花的香味有特别的品评方式，可以模仿香水气味的度量方式，以雷达图表示出如薄荷味、茶香、花香、柑橘香等各种香氛的分布。雷达图的制作是由接受过专业训练的官能品评师在图上标出各香氛的程度，雷达图中的刻度从0～10，刻度数值是数码品评师计分得到的平均值。
值得注意的是，同一种类的啤酒花在不同年分及不同产地会展现出不同的风味。笔者发现，近年来在精酿啤酒界流行的是柑橘风味的啤酒花，这是在商业啤酒制式化要求下所喝不到的风味。这点香氛上的差异，即使不是专业的品评师，也能够轻易地区别出来。
一切准备就绪让酵母菌来发酵
在早期人们不知道微生物时，认为啤酒的制造是上帝的礼物。直到1857年巴斯德发现了酵母菌后，才逐渐揭开微生物在酿酒过程中的神秘面纱。目前知道酿酒中不可缺少的酵母菌，如啤酒酵母，是真菌的一种，与原核细胞类的细菌类并不相同。
啤酒酵母在有氧或无氧的环境下都能活动：有氧气时，以发芽分裂的方式快速复制，每两小时数量倍增，把麦汁中的糖转化成水及二氧化碳；当无氧时，酵母菌会把糖分转换成二氧化碳和酒精，称为厌氧发酵。
酵母菌发酵的主要产物是二氧化碳和酒精，但也产生少量的它类化合物，如酯类、高级醇、酚类等。二氧化碳提供了啤酒的泡沬，这是啤酒不可缺少的元素之一，在口中啤酒温度增加，释放出的二氧化碳气体进一步把香味带出来。由厌氧发酵生成的酒精，是催化饮用心情的要素。由于啤酒酒精度较低，相较其他高酒精含量的酒类，是比较好的解渴饮料。至于其他成分对啤酒风味而言，是好或坏则各有所评。
酯类是具有水果香味的分子，由酒精和酸类反应生成。某些酵母菌株的特色就是生成这类果香分子，为加速生成酯类分子，某些酿酒师刻意在发酵过程某阶段稍微提高温度。高级醇是分子量较高的醇类，会让人宿醉，且过量时会有刺激性味道产生，通常在较高温度下酵母旺盛作用时产生，或主发酵完后未分离的麦渣继续发酵生成。为避免高级醇产生，在主发酵时要控制温度，同时在主发酵后换槽，分离底层麦渣再进行二次发酵。
酚类物质具有辛香味，其中丁香味常见于某些酵母菌株（如小麦啤酒酿造所用的特殊酵母）。但这类酵母使用上要注意，若水质中含氯过高，譬如使用自来水酿酒时，会生成氯酚，只要少量氯酚就产生药水味。另外糖化过程也要注意，避免单宁酸的溶出；只要糖化温度不要过高，以及酸碱值低于5.5即可。
在啤酒制程中，麦汁发酵可分为两个阶段：主发酵期及二次发酵（熟成或陈酿）。投菌后24小时内，主发酵就开始发生，这时麦汁产生大量气泡，顶部产生厚厚的一层高泡发酵醪，发酵槽内部也可看到麦汁的翻腾。在主发酵阶段，酵母菌大量繁殖，消耗麦汁中的氧气、糖类分子、胺基酸，并产生二氧化碳。氧气耗尽后，发酵槽内进行厌氧发酵生成酒精。这时主发酵结束，是考虑转桶到二次发酵槽的时候。二次发酵经过一段时间陈酿，再加入发泡糖装瓶。
以上是精酿啤酒常进行的程序，其中制程变因或进行方式变化多端，并非一成不变，但原则是：凡是接触酒的器材或辅料，都要灭菌以确保酿造过程没有污染。
讲到这里，大致对啤酒的原料，甚至整个制程有些概念了。啤酒的制程可以简述如下：首先从麦芽的制作开始；碾压后的麦芽加入热水糖化，并过滤取得麦汁；麦汁需煮沸加入啤酒花产生苦味及香味，最终需急速冷却并曝气；投菌后进行主发酵及二次发酵；熟成后再加入发泡糖装瓶；陈酿一段时间后就可饮用。
啤酒酿造过程：啤酒酿造过程分成几个阶段，不同阶段牵涉到不同的微生物反应、酵素反应、化学反应、制造工程技术等，都需要详细的规画及分析。
啤酒酿造过程：啤酒酿造过程分成几个阶段，不同阶段牵涉到不同的微生物反应、酵素反应、化学反应、制造工程技术等，都需要详细的规画及分析。
本文简单地介绍了啤酒的原料及制程，也略谈到相关的化学、微生物及制造工程。从文章中，读者可了解到啤酒制造的每一个过程及细节都很有学问。欧洲有专门的酿酒学院，科学文献中也有专门针对酒类制作的期刊，学者使用各式精密仪器，如气相层析仪─质谱仪，来分析各阶段的成分。本篇只能当做读者了解啤酒科学的入门，若要成功地酿造出啤酒，读者尚需学习更多的技术，因为无论是原料品质的苛求，或对制程参数精准的控制，都是制程中不可轻忽的一环。
精酿啤酒可在家小批量制作，糖化可在煮锅中进行，但均匀及稳定的温度控制是成功的关键因素。图中煮锅外层包覆隔热材料，以维持煮锅糖化时的温度。麦汁的比重可以用简易比重计量测，以计算麦芽糖化过程的效率。
