Gärungsspektren beim Bierbrauprozess. Vergärung verschiedener Zucker durch die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Erläuterung des Begriffs „Gärungsspektren“

3. Durchgeführte Experimente
3.1 Grundsätzlicher Versuchsaufbau
3.2 Gärvermögen verschiedener Zucker
3.2.1 Monosaccharide
3.2.2 Disaccharide
3.2.3 Polysaccharide
3.3 Galactosevergärung

4. Das Temperaturoptimum der alkoholischen Gärung

5. Schlussbemerkung

6. Literatur- und Quellenverzeichnis

7. Abbildungsverzeichnis

8. Selbstständigkeitserklärung

1 Einleitung

Bayerisches Bier. Ein Thema, das in der Lage ist, schnell und fortwährend für Gesprächsstoff zu sorgen. So kann Bayern zum Beispiel mit ca. 140 Litern pro Kopf und Jahr nicht nur den höchsten Pro-Kopf-Konsum an Bier in Deutschland vorweisen, sondern besitzt darüber hinaus mit über 600 Brauereien die größte Anzahl pro Bundesland innerhalb der Bundesrepublik.¹

Die Tatsache, dass Bier aber oft einseitig, d.h. nur als Genussmittel wahrgenommen wird, erschöpft das Themengebiet „Bier“ dabei bei weitem nicht vollständig. Diese Tatsache zusammen mit der Freude am naturwissenschaftlichen Experimentieren sind Anlass genug gewesen, sich näher mit dem W-Seminar „Flüssiges Brot“ auseinanderzusetzen.

Zwei Gründe sprechen dabei besonders für das gewählte Thema „Gärungsspektren“:

Zum einen sind bereits mehrfach Versuche zu derselben Fragestellung durchgeführt und in zugehöriger Fachliteratur beschrieben worden, was hilfreiche Vergleiche ermöglicht.²

Zum anderen geht mit allen durchgeführten Experimenten nur ein begrenzter zeitlicher und arbeitstechnischer Aufwand einher. Die meisten Chemikalien und die benötigten Geräte sind verfügbar, sodass nur ein geringer Teil der Chemikalien selbst beschafft werden muss.

Zentrale Fragestellung der Arbeit bildet dabei die Frage nach der Vergärbarkeit der Zucker Glucose, Fructose, Galactose, Saccharose, Lactose, Maltose, Stärke und Cellulose durch die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae. Außerdem wird geprüft, inwiefern bei der alkoholischen Gärung doppelte Zuckermassen zu verdoppelter Produktion von Ethanol führen.

Zuletzt wird der Frage nachgegangen, ob die verwendeten Zucker enzymatisch umgewandelt werden müssen, bevor sie durch die Hefe vergoren werden können.

Zur Beantwortung dieser Fragen werden mehrere Experimente herangezogen, auf welche im nachfolgenden Teil der Arbeit genauer eingegangen wird.

2 Erläuterung des Begriffs „Gärungsspektren“

Die alkoholische Gärung stellt als Umwandlung des Einfachzuckers Glucose zum Alkohol Ethanol den bedeutendsten Schritt der Bierproduktion dar. Genau an dieser Stelle des Herstellungsprozesses hakt diese Arbeit ein und versucht dabei, die alkoholische Gärung hinsichtlich unterschiedlicher Substrate genauer zu untersuchen.

Der Begriff „Gärungsspektren“ bezeichnet daher die Fähigkeit der Hefe Saccharomyces cerevisiae, neben dem Monosaccharid Glucose potenziell mehrere andere Zucker zu vergären.

Dabei ist es wichtig, zu erwähnen, dass Saccharomyces cerevisiae fakultativ anaerob ist.³ Dies bedeutet, dass Glucose als zentrale Energiequelle⁴ wahlweise verbrannt oder vergoren werden kann. Welcher Stoffwechselweg tatsächlich gewählt wird, hängt jeweils von äußeren Faktoren ab.

Eine mögliche Umwandlung der Glucose stellt die Zellatmung dar. Dafür muss der Hefe Sauerstoff zur Verfügung stehen, um als Oxidationsmittel zu dienen. Zudem darf die Glucosekonzentration 100 mg pro Liter Nährmedium nicht überschreiten.⁵ Glucose wird dabei zunächst in den Mitochondrien aerob zu Wasser und Kohlenstoffdioxid verbrannt.

C6H12O6 + 6 O2 à 6 H2O + 6 CO2

Wird dieser Grenzwert an Zucker hingegen überschritten, wird auch unter aeroben Bedingungen Ethanol gebildet (Crabtree-Effekt)[[5]]. Zudem bildet Hefe ebenfalls Ethanol, wenn beim Stoffwechsel kein Sauerstoff zur Oxidation der Glucose zur Verfügung steht.

C6H12O6 à 2 C2H5OH + 2 CO2

Bei allen nachfolgenden Experimenten muss also sichergestellt werden, dass die eingesetzte Hefe anaeroben Bedingungen ausgesetzt wird oder die Glucosekonzentration 100 mg/l überschreitet. Nur so kann die alkoholische Gärung als maßgeblicher Stoffwechselprozess gewährleistet und untersucht werden.

3 Durchgeführte Experimente

Um alle Fragen aus der Einleitung zufriedenstellend beantworten zu können, werden mehrere Experimente herangezogen. Diese werden im nachfolgenden Kapitel ausführlich erläutert. Dabei wird auf die Planung und Durchführung eingegangen. Zudem werden alle Beobachtungen beschrieben und das Experiment im Anschluss ausgewertet. Zum Abschluss werden aus den gewonnen Resultaten Schlüsse gezogen.

3.1 Grundsätzlicher Versuchsaufbau

Für die durchgeführten Experimente ist zunächst eine Versuchsapparatur notwendig, die eine alkoholische Gärung ablaufen lässt. Zudem muss das dabei entstandene Kohlenstoffdioxid quantitativ nachgewiesen werden können. Nachdem nach eigenständigen Überlegungen kein umsetzbarer Ansatz gefunden werden konnte, ist der Rückgriff auf bereits durchgeführte Experimente zu diesem Thema die naheliegendste Lösung gewesen. ⁶

Abb. 1: Gärungssaccharometer nach Einhorn; hier fälschlicherweise als Gärröhrchen bezeichnet

Ein für Gärungsversuche geeignetes Laborgerät ist das Gärungssaccharometer nach Einhorn (vgl. Abb. 1). Zur Durchführung des Gärversuchs wird das Gärungssaccharometer vollständig mit einer Hefe-Zucker-Lösung befüllt, um so die Bildung eines mit Luft gefüllten Hohlraumes zu verhindern. Dadurch steht der Hefe kein Sauerstoff zur Zellatmung zur Verfügung; es herrschen anaerobe Bedingungen. Um den lebensnotwendigen Energiebedarf trotzdem decken zu können, muss die Hefe den Stoffwechsel nun auf die alkoholische Gärung umstellen. Somit wird durch die Abwesenheit von Sauerstoff die alkoholische Gärung erzwungen. Da kein Gärungssaccharometer zur Verfügung steht, wird stattdessen ein Reagenzglas mit aufgedruckter Volumenskala benutzt. Um die alkoholische Gärung erfolgreich zu simulieren, muss in etwa derselbe Stammwürzegehalt wie bei der Bierproduktion gewählt werden. Da in Deutschland die meisten Biere einen Stammwürzegehalt zwischen 11 und 16 °P (Grad Plato) aufweisen ⁷ , werden für die Versuche 13 °P als Mittelwert mehrerer Biersorten angenommen. 13 °P entsprechen dabei ungefähr einer Zuckerkonzentration von 130 g/l. [[7]]

[...]

¹ vgl. Brack, 2016

² vgl. Heimann, 2007, S. 165ff.

³ vgl. Matissek, 2016, S. 530

⁴ vgl. Jährig, 1993, S. 45

⁵ vgl. Renneberg, 2018, S. 15

⁶ vgl. Sommer, 2018, S. 192

⁷ vgl. Generalzolldirektion: Höhe der Biersteuer, Bonn. (letzter Zugriff: 28.10.2019)