Die Chemie des Bieres – Burschungsvortrag von Richard Rudolph

Der Inhalt eines Bieres ist weit komplizierter, als wir uns das vorstellen können. Neben Wasser, Ethanol, Mineralstoffen, Zucker, Geruchs- und Geschmacksstoffen befinden sich noch eine Großzahl weiterer verschiedener Inhaltsstoffe im Bier. Viele davon sind verschiedene Inhaltsstoffe der Brauzutaten.

Brauzutaten

Für die Herstellung eines Bieres nach deutschen Reinheitsgebot wird ausschließlich Wasser, Malz, Hopfen und Hefe verwendet. Die Wahl der Zutaten beeinflusst maßgeblich den Geschmack des Bieres.

Am meisten beeinflusst das Wasser den Geschmack. Dies kommt durch die Art und Menge an gelösten Salzen und organischen Substanzen zustande. Dazu beeinflusst der PH-Wert des Wassers die Löslichkeit des Malzes. Die Salze wirken dazu auf die enzymatischen Vorgänge ein und können die Wirkung der Hefe verhindern.

Vom Hopfen werden nur die weiblichen Dolden verwendet, die Lupulin-Körner enthalten. Die im Hopfen enthaltenen Hopfenöle, hauptsächlich Bitter- und Gerbstoffe, sorgen Maßgeblich für den bitteren Geschmack des Bieres. Wichtiger ist das Lupulin, das sich vorallem aus Lupulonen, Humulonen, Alpha- und Beta-Säuren besteht. Das Lupulin stabilisiert den Bierschaum, wirkt antiseptisch, stoppt die Bildung von Milchsäurebakterien, was zu einer höheren Haltbarkeit führt und fügt auch den bitteren Geschmack bei. Zudem verhindert es das sauer werden des Bieres

Die Hefe, oder eher die Hefepilze, „erzeugen“ den Alkohol. Durch den Stoffwechsel der Fungi wird Maltose und Glucose in Ethanol gespalten. Es gibt zwei Arten von Hefen: obergärige und untergärige. Obergärige Hefen leben bei Raumtemperatur, untergärige bei 4 – 9 °C. Die Art der Hefe bestimmt, ob man ein obergäriges oder untergäriges Bier erhält.

Das Malz wird aus der Braugerste hergestellt. Helles Malz gibt ein helles Bier, dunkles Malz ein dunkles Bier.

Der Brauvorgang

Das Brauen eines Bieres besteht aus 7 Schritten, dem Mälzen, Schroten, Maischen, Abläutern, Würzekochen, Gären und abschließendem Filtrieren.

Das Mälzen bildet mit der Herstellung des Malzes den Auftakt. Dafür wird die Braugerste mit Wasser zum Keimen gebracht und anschließend, bei 80 °C für helle Biere und bei 105 °C für dunkle Biere, geröstet. Das dient dazu, die Produktion von Enzymen und eine erste Spaltung der Stärke in Maltose anzustoßen.

Daraufhin wird das Braumalz geschrotet, für bessere Löslichkeit im Braukessel.
Das Maischen ist einer der wichtigsten Schritte. Hier findet die eigentliche Spaltung der Stärke in verschiedene Zucker statt.

Das geschrotete Malz wird im Braukessel mit Wasser vermischt und auf 35 – 50 °C erhitzt. Wenn die angestrebte Temperatur erreicht ist, wird eine Rast von 15 Minuten eingesetzt, die sogenannte Eiweißrast. Die Rast dient dazu, Proteine zu Spalten und Abzubauen, was eine bessere Klärung, Vollmundigkeit und Haltbarkeit zur Folge hat. Die restlichen Eiweiße dienen als Nahrung für die Hefe. Nach der Rast wird die Maische auf 65 °C erhitzt, worauf erneut eine 15-minütige Rast folgt. Diese Rast nennt man die erste Verzuckerungsrast. In dieser Rast wird die Reststärke in Maltose gespalten. Nach diesem Vorgang wird die Maische erneut erhitzt, auf 72 °C, worauf eine weitere verzuckerungsrast von 30 Minuten folgt. In dieser zweiten Verzuckerungsrast wird die restliche Stärke, die in der vorhergegangenen Rast nicht gespalten wurde, in Dextrine gespalten. Dextrine sind Polysaccharide mit einer Kettenlänge von mindestens 3 Monomeren.
Wenn diese letzte Rast verstrichen ist, wird mit der Iodprobe der Stärkegehalt der Maische geprüft. Wenn sich in der Maische noch Reststärke befindet, lagert sich das elemetare Iod in die Helixstruktur der Stärke ein, eine bläuliche Verfärbung ist die Folge. Ist das der Fall, wird die Dextroserast fortgesetzt. Fällt die Probe hingegen negativ aus, wird der Maischvorgang durch Erhitzen auf 78 °C beendet.

Im nächsten Schritt wird der Sud abgeläutert, die festen Bestandteile werden abgetrennt. Um den Treber abzutrennen, lässt man den Sud c.a. 30 Minuten im Läuterbottich ruhen. Der Treber sinkt zu Boden und bildet dort eine Schicht, den Treberkuchen. Dieser wird beim Ablassen des Suds als natürlicher Filter genutzt. Anschließend werden mit warmen Wasser letzte Vitamine und Nährstoffe ausgelöst. Der Treber findet Verwendung als hochwertiges Futtermittel.

Im darauf folgenden Würzekochen wird der Hopfen hinzugegeben und der Sud, nun Würze genannt, c.a. 1,5 Stunden gekocht. Danach werden erneut Schwebstoffe abzentrifugiert.

Darauf folgt die Alkoholische Gärung, das Herzstück der Bierherstllung. Durchgeführt wird die Gärung von der Hefe, die in diesem Schritt hinzugegeben wird. Abhängig von der Art der Hefe dauert der Vorgang unterschiedlich lange. Obergäriges Bier erhält man bei 15 – 20 °C in 2 – 3 Tagen, untergäriges zwischen 4 – 8 °C in 7 – 8 Tagen. Die Hefe führt einen anaeroben Stoffwechsel aus, wobei die Glucose bzw Maltose in Ethanol und Kohlenstoffdioxid gespalten wird.

Nach der Hauptgärungszeit wird das Bier in Flaschen und Fässer umgefüllt und gärt dort noch leicht nach.

Abschließend werden meist die letzten Schwebstoffe abfiltriert.

Die Chemie der Stärkespaltung

Zunächst betrachten wir die Struktur von Stärke. Stärke besteht aus c.a. 20% Amylose und 80% Amylopektin. Das sind lange Polysaccharidketten aus Glucose-Monomeren, die α-1,4-glycosidisch, bzw α-1,6-glycosidisch bei den Verzweigungen des Amylopektins, verknüpft sind. Diese α-1,4-glycosidische Bindung wird von Amylasen aufgebrochen und somit kleine Teilketten mit Länge 1 und 2, also Glucose und Maltose gebildet.

Abbildung 1 Stärkespaltung auf Strukturebene
Abbildung 1 Stärkespaltung auf Strukturebene

Für diesen Vorgang werden 2 Aminosären benötigt. Glutamin 233 (Glu) und Asperagin 197 (Asp). Im Folgenden werden nur noch die deprotoniert vorliegende Carboxylgruppe des Asperagin und die protonierte Carboxylgruppe des Glutamin betrachtet. Das Glutamin führt mit seiner Hydroxy-Teilgruppe einen Säurekatalysierten Angriff auf die Bindung zwischen dem Sauerstoffatom der glycosidischen Bindung und dem Kohlenstoffatom des Glucoserings aus und spaltet diese. Dadurch wird an das O-Atom ein Wasserstoffatom addiert und das C-Atom im Ring eine positive ladung erhält. Nun kann die deprotonierte Carboxygruppe des Asp einen nukleophilen Angriff auf jenes C-Atom, das nukleophil, durchführen, wodurch eine Bindung zwischen den beiden Atomen gebildet wird. Der Glucosering ist also mit dem Asperagin verbunden. Um diese Bindung zu lösen, spaltet das nun basisch reagierende Glutamin ein H-Atom aus einem Wassermolekül, bindet dieses Atom an sein deprotoniertes O-Atom und bildet somit ein Hydroxymolekül, eine klassische Base. Diese greift das C-Atom im Glucosering mit der Bindung zum Asp an, bewirkt eine Spaltung der Bindung und addiert sich an das Atom. Dieser Schritt wird Basen-katalysierte Hydrolyse genannt.
Somit ist die α-1,4-glycosidische Bindung gespalten und die katalytischen Reaktanden, die Aminosäuren, liegen wieder im Ausgangszustand vor.

Abbildung 2 Stärkespaltung auf Molekülebene
Abbildung 2 Stärkespaltung auf Molekülebene

 

Alkoholische Gärung

Die Alkoholische Gärung ist das Herzstück der Alkoholherstellung und gleichzeitig ein wichtiger biologischer Vorgang. Unter Abschluss von Sauerstoff wird Glucose bzw. Maltose in Ethanol und Kolenstoffdioxid gespalten. Für die Hefe ist die Gärung unter den anoxischen Bedingungen die Einzige Energiequelle.

Summerisch betrachtet, ergibt sich folgende Reaktionsgleichung:

C6H12O6 –> 2C2H5OH + 2CO2

Hinter dieser zusammenfassenden Reaktionsgleichung verbirgt sich eine Menge an komplizierten Abläufen. In neun Reaktionsschritten, der Glycolyse, wird die Glucose zu Pyruvat gespalten und zur Benztraubensäure protoniert. Dabei findet auch die Energiegewinnung von 2 Adenosintriphosphat (ATP) statt. Hierbei wird an die vorhandenen, hier 2, Adenosindiphosphat-Moleküle (ADP) ein Phosphoratom addiert. Auf die Glycolyse folgt eine Pyruvatdecarboxylase, wobei das Pyruvat zu Ethanal reagiert. Abschließend reagiert das Ethanal in einer Alkoholdehydrogenase zu Ethanol.

Abbildung 3 Verkürzte Reaktionsgleichung der Alkoholischen Gärung
Abbildung 3 Verkürzte Reaktionsgleichung der Alkoholischen Gärung

 

Sensorisches

Zuletzt wird auf ein paar sensorische Aspekte eingegangen.

Der Geruchseindruck kommt durch kleine Kohlenwasserstoffverbindungen mit einem Maximalgewicht von 300 g/mol zustande. Diese Verbindungen sind leicht flüchtig, gehen also leicht in den gasförmigen Zustand über. So gelangen sie vom Bier auf die Riechschleimhaut in der Nase, wo sie wohl durch das Schlüssel-Schloss-Prinzip einen Reiz in den Rezeptoren auslösen und so den Geruchseindruck erzeugen. Die genaue Funktionsweise ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch unbekannt.
Diese Moleküle sind hauptsächlich Alkane, Alkene, Alkine, Alkohole, Aldehyde, Ester, Ketone und Benzolderivate.

Abbildung 4 Beispiele für Geruchsstoffe
Abbildung 4 Beispiele für Geruchsstoffe

Der Geschmackssinn funktioniert analog zum Geruchssinn. Der einzige Unterschied ist das Molekülgewicht. Dieses ist hier unwichtig, da die Aromastoffe durch Außenwirkung, durch den Menschen, zu den Rezeptoren gelangen. Im Bier sorgen, neben dem Wasser, vorallem die im Hopfen enthaltenen Aroma-, Gerb- und Bitterstoffe für den Geschmack. Beispiele sind Myrcen und Linalool.

Der Farbeindruck ist komplizierter. Im generellen ist Farbe eine Energie, die das menschliche Auge in einem bestimmten Frequenzbereich wahrnimmt. Diese Energie kommt dadurch zustande, dass die Valenzelektronen eines Atoms durch Photonen angeregt und auf ein höheres Energieniveau gebracht werden. Von diesem Niveau „fallen“ die Elektronen unter Energiefreigabe auf ihr ursprüngliches Niveau zurück. Die freigesetze Energie nehmen wir als Farbe wahr.
Für die Bierfarbe existiert eine europäische Einheit, die EBC Skala (European Brewery Convention). Auf dieser Skala wird ein Bier von 4 bis über 100 EBC eingeteilt. Ein normales Helles Bier hat einen Wert von 4 – 8 EBC, Guinness, ein Stout, besitzt einen Wert von > 100 EBC.

Abbildung 5 Die EBC Skala
Abbildung 5 Die EBC Skala
Die Chemie des Bieres – Burschungsvortrag von Richard Rudolph