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Bier wird aus Wasser, Malz, Hopfen und Hefe gebraut. Auf diese Ingre-dienzien werde ich im Folgenden ein-gehen.
1.1 Malz
Malz ist die zentrale Zutat für ein Bier. Es steuert die Farbe, ein Grossteil des Aromas und letztlich auch den Alkohol bei. Gewonnen wird Malz aus Getreide, meistens aus Gerste. Vor allem in Deutschland wird auch Weizenmalz verwendet, andere Malzsorten wie Roggen- oder Dinkelmalz sind sehr selten anzutref-fen.
Getreidekörner bestehen zu einem grossen Teil aus Stärke. Die Stärke ist in den Stärkezellen des Mehlkör-pers enthalten, welcher von der Aleuronschicht, der Samenschale und der Spelze umschlossen wird. Die Aleuronschicht besteht aus Proteinen und Fetten und ist bei Braugerste nur relativ schwach ausgebildet, da sich ein zu hoher Eiweissgehalt negativ auf die Haltbarkeit des Bieres aus-wirkt. Samenschale und Spelze be-stehen aus Cellulose.
Ziel des Brauers ist es nun, aus Zu-cker Alkohol herzustellen. Im Getrei-dekorn liegt aber nicht Zucker, son-dern Stärke vor. Diese Stärke dient dem Keimling als Energiereserve wenn er zu wachsen beginnt, aber noch keine Wurzeln ausgebildet hat. Er kann allerdings die Stärke nicht direkt in Energie umsetzen, sondern muss sie zuerst in Zucker aufspalten. Dazu bildet der Keimling bei Kei-mungsbeginn Enzyme (Biokatalysa-toren), die die Stärkespaltung1 kata-lysieren. Dies kann sich der Brauer zunutze machen, indem er die nor-malen Keimungsbedingungen simu-liert. Der Keimling produziert jetzt die später beim Maischen zur Stärke-spaltung nötigen Enzyme selber. Um den Keimvorgang abzubrechen, wird das Grünmalz - so wird das ange-keimte Getreide genannt - getrock-net (geschwelkt). Weist das Korn einen Wassergehalt von unter 10 % auf, kann die Trocknungstemperatur auf 80 - 105 °C erhöht werden, ohne dass die Enzyme dabei Schaden nehmen. Je nach Temperatur, bei der "gedarrt" wird, entstehen unter-schiedliche und unterschiedlich viele Farb- und Aromastoffe. Das jetzt entstandene Malz enthält die deakti-vierten Enzyme für den Stärkeabbau und ist aufgrund seines geringen Wasseranteils recht haltbar. (nach BRANDT 1998:9 ff.). 1 Mehr zu Sacchariden und deren Chemie im Kapitel 2.2 Maischen
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Stärke
Das Polysaccharid Stärke ist aus vielen á-Glucosemolekülen aufgebaut. Diese sind al-lerdings verschiedenartig miteinander verbunden, so dass zwei Stärkekomponenten entstehen, die Amylose (macht etwa 20 % aus) und das Amylopektin (restliche 80 %).
Die á-Glucosemoleküle der Amylose sind an ihren Enden über eine á-(1,4)-Verknüpfung miteinander verbunden und bilden so eine Kette.
CH2OHOHOHOCH2OHOHOHOOCH2OHOHOHOOOO141414......
Amylopektin bildet darüber hinaus auch noch seitliche Verkettungen über á-(1,6)-Verknüpfungen. Es entsteht somit eine Art unregelmässiges, teilweise zerrissenes Netz2.
OCH2OHOHOHOOCH2OHOHOHOOCH2OHOHOHOOOCH2OHOHOHOOCH2OHOHOO141414......1414...
á-(1,4)-Verknüpfung
1.2 Hopfen
Hopfen (Humulus lupulus) ist eine hanfähnliche Kletterpflanze, deren weibliche Blüten (die Hopfendolden) zum Brauen verwendet werden. Hop-fen kommt in unseren Breitengraden zwar auch wild vor, wurde aber schon früh kultiviert.
Die Hopfendolden enthalten das Drü-sensekret Lupulin. Gewisse Substan-zen davon verleihen dem Bier seine Bitterkeit und beeinflussen die Farbe und die Schaumbildung. Eine grosse Bedeutung hat der Hopfen auch für 6
á-(1,6)-Verknüpfung
die Haltbarkeit des Bieres, weil er antibiotische Wirkstoffe enthält. Hop-fen hilft ausserdem Eiweisse aus dem Bier zu entfernen.
Bitterstoffe
Die wichtigsten Bitterstoffe des Hop-fens sind die á-Säuren. Ihr Anteil am Gesamtgewicht variiert recht stark, er kann bis zu 15 % betragen. á-Säuren (beispielsweise Humulon) sind so, wie sie in den Dolden vorlie-gen, wasserunlöslich und werden erst durch Kochen zu einer wasserlösli-chen Form isomerisiert.
2 nach LEHRL 2000:56
nach DANIELS 1996
Neben den á-Säuren enthält Hopfen auch noch andere Stoffe, die bitter schmecken, so zum Beispiel das Hop-fenöl Myrcen. Es ist im Bier uner-wünscht, weil es eine unangenehme raue Bitterkeit verursacht. Myrcen ist jedoch leicht flüchtig und verdampft beim Kochen.
Myrcen, Bitterstoffe des Hopfens.
nach BRANDT 19xx:16
(%)AusnutzungSäure(%)-10Würze(l)EBUHopfen(g)×á××=
Abb.1. Humulon und Die Bitterkeit ist ein wichtiges Cha-rakteristikum für ein Bier. Entspre-chend wird ihr auch viel Aufmerk-samkeit gewidmet. Hierzulande wird die Bitterkeit in European Bittering Units (EBU) ausgedrückt. Ein Wei-zenbier hat normalerweise eine Bit-terkeit von 8 - 15 EBU, während ein Irish Stout schon einmal 65 EBU er-reichen kann. Für den Brauer ist vor allem wichtig, wie viel Hopfen er braucht, um eine bestimmte Bitterkeit zu er-reichen. Dafür muss er abschät-zen können, zu welchem Pro-zentsatz der á-Säuregehalt des Hopfens effektiv in Bitterstoffe umgesetzt werden kann. Diese so genannte Hopfenausnut-zung ist abhängig von der Kochdauer und vom Extraktgehalt der Würze3. HOHOCH2OHCH2CHC3CH3HumulonMyrcen Ausserdem lösen sich Bitterstoffe umso besser, je alkalischer das Brau-wasser ist. CHOHCH3CH3CH2CHCH3CH3OCH2CH2CH2CHCH2
Kochdauer (min) Hopfenausnutzung (%) bei einem Extraktgehalt der Wür-ze von
12.5 % 15 % 20 %
bis 9 5.0 4.8 4.3
10 - 19 12.0 11.4 10.4
20 - 29 15.0 14.3 13.0
30 - 44 19.0 18.1 16.5
45 - 59 22.0 21.0 19.1
60 - 74 24.0 22.9 20.9
> 74 27.0 25.7 23.5
Tab.1. Hopfenausnutzung
Die gewünschte Bitterkeit ist meis-tens im Rezept angegeben. Die Hop-fenmenge kann nach folgender For-mel berechnet werden:
Was ist 1 EBU?
Um herauszufinden, welcher á-Säurenkonzentration 1 EBU ent-spricht, verwende ich die obige For-mel mit folgenden Annahmen: Der á-Säuregehalt beträgt 100 % (somit wird die Lösungsvariable Hopfen(g) sozusagen zu einem absoluten Be-trag für die á-Säure in Gramm). Die Ausnutzung nehme ich ebenfalls zu 100 % an, ich will ja herausfinden, wie viele Gramm bereits isomerisier-ter, wasserlöslicher á-Säuren eine Bitterkeit von einer EBU auslösen. Für EBU setze ich demnach 1 und ich gehe von einem Würzevolumen von einem Liter aus. Es ergibt sich:
3 siehe Kapitel 2.4 Würzekochen
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CH3CH3
Säuren--Iso g 0.001 1001001011á=××× 1 EBU entspricht somit einem Milli-gramm Iso-á-Säuren pro Liter Wür-ze. Aromastoffe Nebst der Bitterkeit verleiht der Hop-fen dem Bier seinen typischen Hop-fengeschmack und -geruch. Dafür sind unzählige verschiedene Stoffe verantwortlich, die meisten davon sind leichtflüchtig und oxidieren sehr leicht. Hopfenpellets Kauft man Hopfen, erhält man meist nicht Dolden, sondern Hopfenpellets. Das sind getrocknete und gemahlene Dolden, die von Stängeln und Blät-tern gereinigt und zu kleinen Zylin-dern - eben zu Pellets - gepresst sind (Abb. siehe Titelseite). Durch die Entfernung unwirksamer Pflan-zenteile, enthalten Pellets mehr Wirkstoffe als die gleiche Menge Hop-fendolden. Bei den üblichen P90 Hopfenpellets braucht man dadurch nur 90 % der im Rezept angegebe-nen Hopfenmenge. Die weniger übli-chen P45 Pellets werden so angerei-chert, dass ihr Gewicht nur noch 45 % des ursprünglichen Hopfenge-wichts beträgt. Bei beiden Sorten ist einfach nur der jeweilige Prozentsatz der im Rezept angegebenen Hop-fenmenge zu verwenden. 1.3 Hefe Hefen sind Pilze und gehören zur Familie der Saccharomyceten. Über ihren Stoffwechsel erzeugen sie etwa 1000 verschiedene Stoffe, je nach Art fallen unterschiedliche Produkte und unterschiedliche Mengen davon an. Während der Gärung produziert die Hefe nebst Ethanol höhere Alko-hole, Ester, Aldehyde, Diacetyl, Ace-toin und Carbonsäuren. Ester steuern einen fruchtigen Geschmack bei und sind beispielsweise bei Weizenbieren erwünscht, der Buttergeschmack von Diacetyl oder der Gemüsegeschmack von Acetoin passen dagegen schlecht zu einem Bier. Die Wahl der Hefe sowie die Eigenschaften ihres Le-bensraums - also der Würze - hat auf das Bier somit erhebliche Auswir-kungen. Abb.2. Hefezellen Der Zuckerabbau Die wichtigste Funktion der Hefe ist die glycolytische Zersetzung von vergärbaren Zuckern zu Ethanol und Kohlendioxid. Über eine ziemlich komplizierte Re-aktionskette, auf die ich hier nicht näher eingehen werde, wandelt die Hefezelle im Cytoplasma vergärbare Zucker letztlich in Ethanol und Koh-lendioxid um. Dabei wird ATP (Ade-nosintriphosphat) aufgebaut, aus welchem die Zelle direkt Energie ge-winnen kann. Stark vereinfacht kann
LEHRL 2000:35
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man diesen biochemischen Prozess so darstellen:
C6O6 ¨ 2 C2H5OH + 2 CO2
+ 105 kJ.mol-1
Hefesorten
Es gibt eine Vielzahl von Hefen mit unterschiedlichen Eigenschaften. So produzieren sie beispielsweise, wie schon besprochen, unterschiedliche Nebenprodukte.
Je nach Art neigen Hefen dazu, lange in der Würze zu schweben und sich erst nach geraumer Zeit abzusetzen. Diese Biere bleiben oft naturtrüb. Solche Staubhefen haben häufig ein hohes Gärvermögen, sie sind also in der Lage, einen grossen Teil der Zu-cker effektiv abzubauen. Andere He-fen setzen sich schnell ab, man spricht von Bruchbildung. Das Bier wird schnell klar und dadurch, dass die Hefe nicht gleichmässig verteilt ist, verläuft die Gärung meist lang-samer und weniger vollständig.
Obergärige Hefe
(Saccharomyces cerevisiae)
Früher wurden alle Biere obergärig gebraut. Diese Hefen bilden grösse-re, lockere Zellverbände. Dadurch können sich entstehende Kohlendi-oxidbläschen an den Zellverband an-lagern und diesen an die Oberfläche aufsteigen lassen (daher der Name).
Dieser Hefentyp gärt am besten bei Zimmertemperatur.
VOGEL 1984:39
VOGEL 1984:39
Abb.3. Zellverbände obergäriger Hefen (650x)
Untergärige Hefe
(Saccharomyces carlsbergensis)
Dieser Hefetyp kam erst ab dem 19. Jahrhundert in Gebrauch. Er bildet viel kleinere oder gar keine Zellver-bände, kann daher kaum Kohlendioxidblasen anlagern und sinkt früher oder später zu Boden. Untergärige Hefe arbeitet am besten bei Temperaturen unter 10 °C. Durch die tiefere Gärtemperatur verläuft die Gärung langsamer und es kann sich wesentlich mehr CO2 im Bier lösen. Untergärige Biere sind in der Regel länger haltbar als obergärige. Sie machen heute einen Grossteil der gesamten europäischen und ameri-kanischen Bierproduktion aus.
Abb.4. untergärige Hefezellen (650x)
Handelsformen
Hefe ist grundsätzlich in zwei Formen im Handel erhältlich. Die billigere und
H129
einfacher zu handhabende ist Tro-ckenhefe. Sie sieht aus wie ein bräunliches Pulver und kann meis-tens einfach auf die Würze gestreut werden. Teurer und bezüglich Lage-rung heikler sind Flüssighefen. Sie sind in einem Beutel mit einer wäss-rigen Lösung suspendiert, in wel-chem sich eine Kapsel mit einer Nährlösung befindet. Wird diese Kap-sel zerbrochen, beginnen sich die Hefezellen zu vermehren. Nach ein bis zwei Tagen ist der Beutel stark gequollen und die aktivierte Hefe kann verwendet werden.
Flüssighefen sind aus folgenden Gründen trotz der komplizierteren Handhabung den Trockenhefen vor-zuziehen:
. Die Trocknung ist ein Prozess, der die Hefe grundsätzlich be-lastet.
. Während des Trocknens und Abpackens besteht die Gefahr einer Verunreinigung durch andere Hefen. Dieser Effekt ist bei guten Trockenhefen aller-dings minim.
. Die Auswahl an Flüssighefen ist wesentlich grösser als die an Trockenhefen.
. Es sind viele qualitativ min-derwertige Noname-Trocken-hefen auf dem Markt.
Hefekulturen sind nach der Gärung nicht "verbraucht", sie können daher grundsätzlich für mehrere Ansätze gebraucht werden. Da allerdings ihre Mutationsrate relativ hoch ist, verän-dert sich die Kultur ziemlich rasch und man sollte nach ein paar Gärun-gen eine neue Kultur einsetzen.
1.4 Brauwasser
Gewissermassen das Substrat jedes Bieres ist das Wasser, mit dem es gebraut wurde. Entsprechend hat die Qualität des verwendeten Wassers Auswirkungen auf das Bier. Von Be-deutung ist vor allem die Wasserhär-te.
Wasserhärte
Die Wasserhärte setzt sich aus der Carbonathärte und der Nichtcarbo-nathärte zusammen. Letztere hat auf das Brauen kaum Auswirkungen, die Carbonathärte jedoch spielt vor allem beim Maischen eine Rolle. Sie wird durch CaCO3 und MgCO3 gebildet. Diese Salze sind beide schwerlöslich. Wenn allerdings viel Kohlendioxid im Wasser gelöst ist, bildet sich damit das leichtlösliche Calciumhydrogen-carbonat (Ca(HCO3)2) und das Was-ser wird hart.
Gelöst zerfällt das Calciumhydrogen-carbonat in die Ionen Ca2+ und 2 HCO3-, wobei letzteres eine Base ist und den pH-Wert somit erhöht. Wenn das Malz nun genügend Phosphate (HPO42- und H2PO4-) in die Maische bringt, reagieren diese zuerst in ei-ner Säure-Base-Reaktion mit OH- zu PO43- (basisch) und H2O. PO43- rea-giert danach mit Ca2+ zum schwer-löslichen Ca3(PO4)2 und fällt aus. Somit verschiebt sich das Gleichge-wicht nach rechts und dem System werden OH--Ionen entzogen.
HPO42- + OH-PO43- + H2O
« +Ca2+
Ca3(PO4)2
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Die für den Maischprozess benötigten Enzyme, sowie die Hefe arbeiten am besten, wenn die Würze leicht sauer ist. Je härter das Wasser ist, desto alkalischer wird die Maische; zum Brauen ist also grundsätzlich weiches Wasser besser geeignet. Dunkles Malz hat nun aber einen höheren An-teil an säurebildenden Phosphaten und lässt daher einen höheren Här-tegrad des Wassers zu, ohne dass dabei die Maische zu alkalisch wird.
Gemessen wird die Wasserhärte in deutschen Härtegraden (°dH). Dabei entspricht 1 °dH einer CaO-Konzentration von 0.01 kg/m3.
Enthärten des Brauwassers
Am einfachsten wird Wasser durch Zugabe von gebranntem Kalk (Calci-umoxid, CaO) enthärtet. CaO rea-giert zuerst mit Wasser zu Ca(OH)2 und geht in Lösung. Der Stoff, der das Wasser hart macht, ist Calcium-hydrogencarbonat4, welches eben-falls im Wasser gelöst ist. Konstruie-ren wir also ein Modell und nehmen an, wir könnten 1 CaO (wird sofort in Ca(OH)2 übergeführt) in das Wasser geben, in dem 1 Ca(HCO3)2 gelöst ist. Dann kommen in unserem Was-ser folgende Ionen vor:
Ca2+ Ca2+
OH- HCO3-
OH- HCO3-
Je ein OH- und ein HCO3- reagieren in einer Säure-Base-Reaktion zu H2O und CO32- (Carbonat-Ion). Die zwei entstandenen CO32--Ionen reagieren mit den beiden Ca2+-Ionen zu zwei CaCO3 (Kalk). Dieser ist schwerlös-lich und fällt aus.
Damit die Enthärtung erfolgreich ist, muss das Verhältnis des zugegebe-nen Calciumoxids zur Carbonathärte des Wassers stimmen. Nach der CaO-Zugabe muss das Wasser für einige Stunden stehen gelassen wer-den, damit sich der ausgefällte Kalk absetzen kann. Wenn dies erfolgt ist, kann das enthärtete Wasser vorsich-tig abgeschlaucht werden. Die letzten paar Zentimeter über Boden werden mitsamt dem Kalk weggeschüttet.
An der Definition des deutschen Här-tegrades ist leicht zu erkennen, dass man für die Enthärtung eines Liters Wasser pro Härtegrad 0.01 g CaO benötigt.
Carbonathärte (°dH) CaO (g)
5 0.5
10 1
15 1.5
20 2
25 2.5
30 3
Tab.2. Wasserenthärtung mit Calciumoxid. Benötigte Menge CaO pro 10 Liter Wasser.
4 siehe 1.4.1 Wasserhärte
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