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Schule > Biologie > Grundlagen der Biologie > Referat: Alkoholische Gärung am Beispiel des Bierbrauens

Alkoholische Gärung des Biers

Inhalt:

1. Bierhefe
- Entdeckung
- Wirkung
a) obergärige Hefe
b) untergärige Hefe
2. Herstellung von Bier
- Maischen
- Abläutern
- Würzekochen
- Klären und Kühlen
- Gärung
- Gärstadien
- Reifung
- Abfüllung
3. Grundprinzip der Gärung: Glycolyse
- Hauptprodukte
- Nebenprodukte
- Vorgang
- Einflussfaktoren

1.Bierhefe

Entdeckung:
Bereits die alten Ägypter nutzten vor über 5000 Jahren Hefezellen zur Herstellung von Brot und sicherlich auch zum Brauen berauschender Getränke. Entdeckt wurden die Hefezellen durch Antoine von Leeuwenhoeck, dem Erfinder des Mikroskops, als er zufällig sein Bier mikroskopierte.

Wirkung:
Wegen ihres Eiweiß- und Vitamingehalts findet Hefe heute als Nähr- und Heilmittel breite Verwendung – vor allem als Treibmittel beim Backen. Bei der Hefe handelt es sich um mikroskopisch kleine einzellige Organismen aus der Gruppe der Sprossenpilze, die überall in der Luft vorkommen. Sie bewirken, dass bei der Gärung des Biers Malzzucker als Stoffwechselprodukt zu gleichen Teilen in Alkohol und Kohlensäure umgewandelt wird. Genetische Unterschiede führen dazu, dass dabei untergärige Hefen das Trisaccharid Raffinose ( eine Zuckerart ) vollständig, obergärige Hefen dagegen nur zu einem Drittel vergären. Bei ausreichendem Zuckergehalt vermehrt sich die Hefe durch Zellteilung so lange, bis ein Teil der Zellen bei einem Alkoholgehalt von über 6,5% abstirbt.

Die Qualität eines Biers, bezogen auf Aroma, Vollmundigkeit, Schaum, Farbe und Bitterkeit, wird nicht unwesentlich auch von der Geschwindigkeit und dem Ausmaß der Vergärung so wie vom Sauerbildungsvermögen der Hefe bestimmt, außerdem durch die unterschiedliche Bildung von Stoffwechsel- oder Gärnebenprodukten und die Ausscheidung von Eiweiß-, Bitter- und Gerbstoffen.

Für die Bierherstellung wurden seit dem letzten Jahrhundert spezielle, dem jeweiligen Biertyp entsprechende Hefestämme entwickelt, sogenannte „Reinzuchthefen“, die frei von Begleitorganismen gezüchtet werden. Weil der Geschmack des Biers sehr vom jeweiligen Hefestamm abhängt, achten viele Brauereien darauf, durch eigene Reinzüchtungen genetisch identische Hefestämme zu erhalten. Je nach Art des zu brauenden Biers wird dabei eine ober- oder untergärige Heferasse verwendet.

a) Obergärige Hefe:
Obergärige Hefen (Saccharomyces cerevisiae ) bilden Sprossverbände und setzten sich während der Gärung in Form einer dicken Schaumkronen (Kräusen ) an der Oberfläche des Jungbiers ab, wodurch das Bier während der Gärung geschützt ist. Obergärige Hefen arbeiten bei einer Temperatur von 15-23 °C und erlauben deshalb eine etwas kürzere Gärphase.

b) Untergärige Hefe:
Untergärige Bierhefe ( Saccharomyces calsbergensis ) wird bei Temperaturen von 4-12°C aktiv, bildet keine Sprossverbände und setzt sich während der Gärung am

Boden ab. Sie vergärt wegen der niedrigeren Temperatur langsamer und bildet eine dünnere Schaumkrone als obergärige Hefen. Untergäriges Bier kann wegen der niedrigeren Gär- und Lagertemperaturen mehr Kohlensäure bilden. Es schmeckt deshalb etwas frischer und ist länger haltbar als obergäriges Bier.

2. Herstellung von Bier

Maischen
Malz wird zerkleinert und das Malzschrot wird mit Wasser in der Maischepfanne im Verhältnis 1:2 aufgerührt. Um den Enzymen die Umwandlung der Stärke in Zucker zu ermöglichen, wird die Mischung (->Maische) stufenweise erwärmt und mit Rastzeiten auf bestimmten Temperaturen gehalten. Zwischen 45 und 50°C werden Proteine abgebaut. Die Umwandlung in Zucker und Dextrine findet zwischen 52 bis 67°C statt. Bei 72°C ist das Maischen abgeschlossen (Abmaischtemperatur).

Zum Erwärmen auf die richtigen Temperaturen kennt der Brauer zwei Möglichkeiten. Die ältere Methode heisst "Dekoktionsverfahren" und die einfachere und heute meistens angewendete Methode "Infusionsverfahren". Das Brauverfahren, die genauen Temperaturen und deren Rastzeiten sind bei jedem Bierstil verschieden und gehören zum Geheimnis und Know-How einer Brauerei.

Abläutern
Nachdem das Maischen abgeschlossen wurde, müssen nun die festen Bestandteile ("Treber") von der malzzuckerhaltigen Flüssigkeit ("Würze") getrennt werden.

Dazu wird die Maische in den Läuterbottich gepumpt. Im Läuterbottich befindet sich ein Siebboden mit feinen, kleinen Schlitzen. Die Malz-Kornhäute ("Spelzen") setzen sich nach ein paar Minuten auf dem Siebboden ab und bilden eine zusätzliche Filterschicht. Die flüssige Würze läuft durch die Spelzenschicht und den Siebboden geläutert in die Würzepfanne.

Würzekochen
Nach dem Abläutern wird die Würze in der Würzepfanne gekocht. Dabei wird Hopfen in mehreren Gaben zugegeben, Wasser bis zum gewünschten Extraktgehalt verdampft und unerwünschte Eiweissstoffe ausgeschieden.

Die Würze wird während ca. 1 1/2 Stunden intensiv und stark wallend gekocht. In modernen Würzepfannen wird bis zu 15% des Inhalts verdampft. Es wird solange gekocht bis der Extraktgehalt der Würze („Stammwürzegehalt“) für den entsprechenden Biertyp/-stil passt.

Klären und Kühlen
Bevor die gekochte, heiße Würze vergoren werden kann, müssen Hopfenreste und andere Trübstoffe entfernt werden. Dies geschieht mittels Zentrifugen oder Whirlpool. Danach wird die Würze auf die Endtemperatur gekühlt, damit die Hefe beigegeben werden kann.

Gärung
Während der Hauptgärung im Gärkeller vergärt die Hefe innerhalb 3 bis 6 Tagen den größten Teil des im Sudhaus gewonnenen Malzzuckers der Würze in Alkohol und Kohlensäuregas (CO2). Der Alkohol bleibt dabei im Bier und der größte Teil des CO2 verflüchtigt sich. In modernen Brauereien wird in besonderen Anlagen das CO2 gesammelt. Die vergorene Würze nennt die Fachwelt "Jungbier".

Für das Starten der Gärung wird die abgekühlte Würze nach dem Brauen im Gärkeller zuerst mit reichlich Sauerstoff belüftet. Danach gelangt sie in offene oder geschlossene Gärbottiche. In modernen und großen Brauereien verwendet man heutzutage geschlossene zylinderkonische Gärtanks.

Gärstadien
Die Wandlung der Würze in Jungbier kann man mit folgenden Stadien während der Hauptgärung beschreiben:
•Innerhalb der ersten 12 Stunden vermehrt sich die Hefe und sammelt aus dem vorhandenen Zucker und Sauerstoff die Kraft für ihre Vermehrung und die Gärung. Am ersten Tag überzieht sich die Oberfläche bereits mit einer feinen weissen Schaumdecke.

•Ab dem zweiten Tag bringt das aufsteigende CO2 eine gut sichtbare Bewegung in die Würze und befördert Trub- und Hopfenbitterstoffe aus der Würze in die Schaumdecke. Die nun bräunlich gefärbte Schaumdecke nennt die Fachwelt "Kräuse". Während dieser Phase beginnt in der Würze die Umwandlung des Zuckers in Alkohol und CO2.
•Am dritten oder vierten Tag erreicht die Gärung ihren aktivsten Punkt. Die Temperatur steigt durch die Gärung an.
•Ab dem fünften Tag, sobald in der Würze kein Zucker mehr vorhanden ist, stirbt die Hefe ab und das Jungbier ist entstanden. Die Kräuse fällt langsam zusammen und der Zeitpunkt für das Abfüllen ("Schlauchen") in die Lagertanks ist gekommen.

Reifung
Das vergorene Jungbier aus dem Gärkeller enthält Alkohol, etwas Kohlensäure, noch etwas vergärbaren Zucker und ist mit Trubstoffen und Hefen durchsetzt.

Die Reifung des Jungbieres findet in Lagertanks unter leichtem Druck statt. Idealerweise bei einer Temperatur um +/- 1°C - egal ob unter- oder obergärig. Während der kalten Reifung klärt sich durch Absetzen von Hefe und Trubstoffen das Bier weitgehend. Das CO2 - die Kohlensäure - bindet sich im Bier durch den leichten Druck und die Kälte.

Je nach Bierstil und Brauerei dauert die Reifung zwischen 2 bis 15 Wochen. Ein paar wenige Spezialitäten brauchen sogar noch länger. Der Brauer sagt diesem Prozess deshalb auch Nachgärung. Nach dieser Reifung kann man das Bier als "Zwickelbier", "Tankbier" oder "Kellerbier" geniessen

Abfüllung
Durch Filtration werden nach der Lagerung Resthefen und Trübstoffe entfernt. Danach wird das Bier auf Hochleistungsmaschinen ohne Luftkontakt steril in Flaschen, Dosen und Fässer abgefüllt. So ist es auch ohne Pasteurisation über viele Wochen oder Monate haltbar.

Filtriert wird Jungbier meist mit Kieselgurfilter. Kieselgur ist ausgeglühter, steriler Muschelsand und sieht unter dem Mikroskop aus wie ein Golfball mit enorm grosser Oberfläche. Dem Bier wird Kieselgur zugefügt und zusammen mit den daran hängenbleibenden Resthefen und Trübstoffen auf Celluloseschichten oder im Kesselfilter auf feinen Chromstahlsieben zurückgehalten. Dabei entsteht durch die Kieselgur eine natürliche Filterschicht. Das Bier wird so "poliert" und erhält seinen einmaligen Glanz.

Nach der Filtration erfolgt in Abfüllstrassen die Abfüllung in Flaschen, Dosen und Fässer. Unter Gegendruck wird das Bier in sauerstofffreie und sterile Gebinde (Flaschen, Dosen und Fässer) abgefüllt. Durch den vorgespannten Druck im Gebinde schäumt das kalte Bier nicht auf.
Erst mit der Filter- und Abfülltechnik in diesem Jahrhundert wurde aus dem ursprünglichen Frischprodukt Bier ein Massenprodukt der modernen Märkte. Sicherlich auch ein Grund für den weltweiten Siegeszug des hellen Lagerbieres.

3. Grundprinzip der Gärung: Glycolyse

Hauptprodukte:
1. Ethlylalkohol (Ethanol)
2. Kohlenstoffdioxid (aus einem Liter Most mit 90°Oe können im Verlauf der Gärung
bis zu 50l CO2 entstehen)

Nebenprodukte:
1. Glycerin (6-10% des Alkoholgehalts)
2. Butylenglykol
3. Höhere Alkohole
4. Methanol (aus Pektin)
5. Acetaldehyd
6. Bernsteinsäure
7.Flüchtige Säuren: Essigsäuren
Propionsäuren
Buttersäure
8. Ester: vorgenannten Alkohole und Säuren bilden Geruch und Geschmack
9. Bukettstoffe: Höhere Alkohole
Ester
Aldehyde
Säuren

Vorgang: (siehe auch Anhang)
Die summarische Gärungsgleichung
C6H12O6 -> 2 C2H5OH + 2 CO2,
die bereits 1815 von Lavoisier aufgestellt wurde, stellt nur eine grobe Zusammenfassung einer komplexen Reaktionsfolge dar.
In einer als Glykolyse bezeichneten Reaktionsfolge wird zunächst Glycose durch Phosphorylierung mit ATP (Adenosintriphosphat) in Gegenwart des Enzyms Hexokinase zum Glucose-6-phospat phosphoryliert, das mit dem Enzym Phosphofructokinase zum Fructose-6-phosphat reagiert, welches mit weiterem ATP zum Fructose-1,6-diphoshat führt. Durch Einwirkung des Enzyms Aldolase entstehen daraus zwei C3-Bruchstücke: Glycerinaldehyd-3- phospat und Dihydroxy-aceton-phosphat. Der weitere Gärungsverlauf besteht zunächst in einer Hydridübertragung durch NAD+ (Nicotinamid- adenin-dinucleotid) unter Oxidation zu 3- bzw. 2-Phosphoglycerinsäure, die unter Wasserabspaltung Phosphoenolpyruvat liefern. Nach

Dephosphorylierung mit ADP (Adenosindiphosphat) entsteht Brenztraubensäure. Beim Vorgang der Glycolyse wird Energie frei. Pro Glukosemolekül entstehen zwei ATP und zwei NADH+H+. Das NADH+H+ wird von der Hefe nun zum Abbau der Brenztraubensäure verwendet, was unter Entwicklung von CO2 (Kohlendioxid) Acetaldehyd bildet und letztlich zum Ethanol führt.
Die Gesamtbilanz kann durch die "Idealisierte Gärungsgleichung" beschrieben werden:
C6H12O6 + 2 ADP + 2 H3PO4 -> 2 C2H5OH + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H2O

Einflussfaktoren:
a) Lufteinfluss: mit Luft: Ausbeute von ca.75%
ohne Luft: Ausbeute von ca. 90% (Pasteur-Effekt)

b) Alkoholgehalt: Bierhefe: max.7%vol (bei diesem Alkoholgehalt werden Schimmel-
pilze sofort abgetötet)

c) CO2: verdrängt Umgebungsluft wodurch Schimmelpilze und bestimmte aerobe
Bakterien keine Wirkung mehr haben.

d) Temperatur: obergärige Hefe: 15-23°C
untergärige Hefe: 4-12°C
>40°C: Hefe stellt Wachstum und Vermehrung ein
>65°C: Hefen sterben schon nach wenigen Minuten ab

Während der Gärung erhöht sich die Temperatur aufgrund der Wärmeentwicklung
durch die Zuckeraufspaltung (pro mol Zucker (180g), werden ca. 100kJ (24kcal)
frei).

e) Druck: - atmosphärisch
- alternierend: 8-10 bar
- konstant: 3 bar

Quellen:
http://www.bier.de/inhalt.html
http://www.egbeck.de/skripten/12/bs12-21.htm
http://www.fraenkische-schweiz.com/info/bierbrauen.html
http://web.indstate.edu/thcme/mwking/glycolysis.html
http://info.bio.cmu.edu/Courses/BiochemMols/Glycolysis/GlycolysisMain.htm
http://genome-www.stanford.edu/Saccharomyces/VL-what_are_yeast.html
Biologiebuch Kl.11
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