Entwicklung des Zuckergehalts während der Biergärung

Enzymatische Zuckerbestimmung | Einer der entscheidenden Momente bei der Kontrolle des Brauprozesses ist die korrekte Bestimmung des Endes der Gärung. Auch die Phase der Nachgärung, mit genauer Einstellung der Karbonisierung im endvergorenen Bier, muss genau überwacht werden [1].

Forscher des CDR Chemielabors „Francesco Bonicolini“ führten eine Studie zur Entwicklung vergärbarer Zucker in der Würze durch. Ziele dabei waren einerseits, die beste Methode zur Bestimmung des Abschlusses des Gärprozesses zu finden. Weiterhin sollte die Konzentration des Restzuckers bestimmt werden, um eventuelle Probleme bei der Karbonisierung zu vermeiden.

Zu diesem Zweck wurde die Entwicklung vergärbarer Zucker und die Änderung der Dichte der Würze während der Gärung mit verschiedenen Methoden untersucht.

Zucker in der Bierwürze

In der Bierwürze können vier Arten vergärbarer Zucker enthalten sein [2]:

• Glucose und Fructose sind Einfachzucker, die durch die beim Brauen verwendeten Hefen vollständig vergärt werden;
• Maltose ist ein Zweifachzucker, bestehend aus zwei Glucosemolekülen, ebenfalls vollständig durch Hefen vergärbar;
• Maltotriose, ein Trisaccharid, bestehend aus drei Glucosemolekülen, kann nur von einigen beim Brauen verwendeten Hefen vollständig vergärt werden, während sie von anderen (gärschwachen) Hefen nur teilweise oder gar nicht fermentiert wird;
• Saccharose, ein Zweifachzucker, bestehend aus einem Molekül Glucose und einem Molekül Fructose, ist von Hefen vergärbar.

Glucose, Fructose, Maltose und Maltotriose sind Zucker, die von Natur aus in der Bierwürze vorkommen, da sie aus der beim Maischen verwendeten Gerstenstärke gewonnen werden. In dieser Studie war auch eine Zugabe von Saccharose mit dem wissenschaftlichen Ziel geplant, die Entwicklung der Saccharose während des Fermentationsprozesses zu analysieren.

Material und Methoden

Zur Durchführung dieser Studie wurden im Labor zwei Bierwürzen nach dem in Tabelle 1 angegebenen Rezept hergestellt. Die eine Würze wurde mit der White Labs-Hefe WLP002 vergoren, die einen Vergärungsgrad von 63 – 70 Prozent erreicht. Die zweite hergestellte Würze wurde mit einer gärstarken Hefe, White Labs WLP099, vergoren. Diese Hefe erreicht Vergärungsgrade von 80 bis zu 100 Prozent.

Das verwendete Wasser hatte folgende Ionen-Zusammensetzung:

• Kalzium: 115 mg/l;
• Alkalität: 98 ppm;
• Sulfate: 256 mg/l;
• Chloride: 56 mg/l.

Die verwendeten Hefen

Bei der Hefe White Labs WLP002 handelt es sich um eine Hefe mit geringem Vergärungsgrad von 63 – 70 Prozent, die nicht den gesamten Zucker der Würze in Alkohol umwandelt. Der optimale Temperaturbereich für die Fermentation liegt bei 18 – 20 °C, sie weist eine sehr hohe Ausflockung und eine mittlere Alkoholtoleranz (5 – 10 Vol.-%) auf.

Eine leichte Diacetylproduktion ist bei WLP002 häufig. Aufgrund der hohen Ausflockung dieses Stammes ist das fertige Bier klar und die Hefe kann für die zukünftige Verwendung problemlos dem Fermenter entnommen werden. Dem hohen Flokkulierungsgrad geschuldet, ist es normal, dass die Hefe Flocken bildet.

Bei der Hefe White Labs WLP099 handelt es sich um eine Hefe, die sehr hohe Vergärungsgrade von 80 – 100 Prozent erreicht. Sie wandelt fast alle Zucker in Alkohol um. Der optimale Temperaturbereich für die Fermentation liegt bei 18 – 20,5 °C, sie weist einen mittleren Ausflockungsgrad auf und verfügt über eine sehr hohe Alkoholtoleranz (> 15 Vol.-%). Diese Hefesorte wurde genetisch verändert, um diesen hohen Vergärungsgrad zu erreichen.

Ab dem Zeitpunkt der Hefezugabe in die jeweilige Würze wurden die Daten über die Konzentration vergärbarer Zucker und die Dichte der Würze gesammelt.

Messgeräte und Analysen

Zur Bestimmung der Konzentrationsschwankung der vergärbaren Zucker wurde CDR BeerLab® verwendet, während die Änderung der Dichte der Würze mit einem tragbaren, digitalen Hydrometer gemessen wurde. Mit diesen beiden Instrumenten wurden die Daten von der Hefezugabe bis zu dem Zeitpunkt erhoben, zu dem die Fermentation als abgeschlossen galt. Für jede Bestimmung wurden etwa 10 ml gärende Würze aus jedem Behälter entnommen und mit Papierfiltern filtriert. Für die Dichtemessung wurden etwa 3 ml Probe benötigt, während für die Analyse mit CDR BeerLab etwa 1 ml ausreichte, um alle Analysen vorzunehmen.

Ergebnisse

Die Tabellen 2 und 3 zeigen die gesammelten Daten der beiden Bierwürzen während der Fermentation.

Das Analysesystem CDR BeerLab kann zwei Arten von Analysen durchführen: die Bestimmung der Summe aus Glucose, Fructose und Maltose und die Bestimmung der Summe aus Glucose, Fructose, Maltose und Saccharose. Zur Vollständigkeit der Informationen wurden für diese Untersuchung jedoch die verschiedenen Zucker einzeln gemessen.

Das Analysesystem bestimmt Glucose, Fructose, Maltose, Maltotriose und Saccharose enzymatisch. Das Kit sieht die Verwendung verschiedener Enzyme vor, die hochspezifisch für Glucose und das Paar Maltose/Maltotriose sind, die zusammen und nicht getrennt bestimmt werden. Fructose hingegen wird durch Isomerisierung zu Glucose bestimmt, während Saccharose durch Invertase invertiert und enzymatisch wie Glucose bestimmt wird. Fructose, die aus der Inversion von Saccharose resultiert, wird ebenfalls zu Glucose isomerisiert und enzymatisch wie freie Glucose bestimmt. Das System besteht aus einem Analysegerät und einem Kit an Enzymen. Es ist vorkalibriert und direkt einsatzbereit. Im Falle des Kits für die Zuckerbestimmung, erfolgt die Kalibrierung durch die Verwendung von Standards in verschiedenen Konzentrationen von Glucose, Fructose, Maltose, Maltotriose und Saccharose. Da die CDR BeerLab-Methode zur Bestimmung von Zuckern enzymatisch ist, wird sie von keiner Interferenz beeinflusst und unterliegt daher keinem Matrixeffekt.

Anhand der in den Tabellen 2 und 3 enthaltenen Daten lässt sich die Entwicklung der Konzentrationen der in der Bierwürze vorhandenen vergärbaren Zucker abschätzen. Die ersten Zucker, die von Hefen vergoren werden, sind Glucose, Fructose und Saccharose. Diese drei Zucker sind in beiden Würzen nach vier Tagen fast nicht mehr vorhanden. Anschließend werden auch Maltose und Maltotriose (gemeinsam mit Maltose bestimmt) fermentiert. Die Gärung gilt nach sechs Tagen als abgeschlossen, wenn die Zuckerkonzentration bei zwei Messungen im Abstand von 24 Stunden konstant bleibt.

Wie aus den Tabellen in der Spalte Glucose + Fructose + Maltose (g/l) hervorgeht, verhielten sich die Hefen am Ende der Fermentation unterschiedlich. Tatsächlich verblieben am Ende der Hefeaktivität von White Labs WLP002 (niedrige Vergärung) 12,7 g/l unvergorener Zucker (Maltotriose) in der Würze, während die White Labs WLP099-Hefe (hohe Vergärung) die Gärung der gesamten Zucker ermöglichte, so dass nur 1 g/l unvergorener Zucker (Maltotriose) in der Würze verblieb. Die Konzentration des Restzuckers ist aufgrund der Eigenschaften der zwei verwendeten Hefen unterschiedlich und sollte bei der Bewertung des Endes der Gärung berücksichtigt werden. Denn, wie aus diesen Messungen hervorgeht, die Gärung ist nicht immer vollständig abgeschlossen, auch wenn die Restzuckerkonzentration nahe Null liegt.

Falls man außerhalb des Reinheitsgebotes arbeitet, ist es auch wichtig, die Restzuckerkonzentration am Ende der Gärung zu kennen. Damit lässt sich die Zuckermenge richtig einschätzen, die dem Bier während der Karbonisierung zugesetzt werden muss, um eine Übergasung zu vermeiden.

Bewertung des Gärungsendes

Wie aus den Tabellen 2 und 3 hervorgeht, beträgt der Gärende-Wert laut dem tragbaren Hydrometer 1,015 g/cm³ für Würze Nr. 1 und 1,006 g/cm³ für Würze Nr. 2. Durch die Bewertung des Gärungsendes mit dem Hydrometer hätte man einen um vier Tage früheren Gärende-Punkt in Betracht gezogen, der Zuckerrückstände in den Bieren hinterlassen hätte. Im Fall von Bier Nr. 1 wären es 2,3 g/l gewesen und bei Bier Nr. 2 0,7 g/l. Die beiden Werte in g/l ergeben sich aus der Differenz der Zuckerwerte zwischen dem Zeitpunkt, zu dem das Ende der Gärung mit Hydrometer festgestellt und dem Zeitpunkt, zu dem das Ende der Gärung mit dem Enzymkit ermittelt wurde.

• Würze Nr. 1: 15 g/l (1,015 g/cm³) – 12,7 (Zuckerwert am Ende der Gärung mit CDR BeerLab) = 2,3 g/l
• Würze Nr. 2: 1,7 g/l (1,006 g/cm³) – 1,0 (Zuckerwert am Ende der Gärung mit CDR BeerLab) = 0,7 g/l

Diese Mengen an vergärbaren Restzuckern hätten zu 0,57 bzw. 0,17 Volumen an CO₂ geführt, was zu einer Übergasung hätte führen können.

Vergleich der Methoden

Um den Abschluss der Gärung zu bestimmen und die Restzuckerkonzentration zu messen, muss man sich auf die letzten vier Tage dieses Prozesses konzentrieren.

Das Ende der Gärung für Würze Nr. 1 und Würze Nr. 2 wurde bei einer Dichte von 1,015 g/cm³ bzw. 1,006 g/cm³ festgelegt (siehe Tab. 1 und 2). Sowohl bei Würze Nr. 1 als auch bei Würze Nr. 2 ist zu sehen, wie die Dichte, die das tragbare Dichtemessgerät in den letzten vier Tagen ermittelt hat, um 0,001 schwankt. Da das Dichtemessgerät eine Auflösung von 0,001 vorweist, liefert das Gerät möglicherweise unbedeutende Daten, da es die Schwankung der Zuckerkonzentration unterhalb der Messauflösung nicht widerspiegelt.

Die erzielten Analyseergebnisse mit BeerLab zeigen hingegen, dass in den letzten vier Tagen der Gärung die Konzentrationen an vergärbaren Zuckern bei Würze Nr. 1 noch um 2,3 g/l und bei Würze Nr. 2 noch um 0,7 g/l abnehmen.

Anhand dieser Datenanalyse lässt sich feststellen, dass das tragbare digitale Dichtemessgerät die Dichte der Würze hinreichend genau beurteilt und daher zur Kontrolle des Fermentationsfortschritts eingesetzt werden kann. Die enzymatische Methode erweist sich hingegen als das geeignetere Instrument, um das Ende der Gärung zu bestimmen, da es präziser ist und selbst kleinste Änderungen der Zuckerkonzentration aufzeigt, die das tragbare Dichtemessgerät nicht effektiv erkennen kann.

Karbonisierung einstellen

Die Gewissheit, dass die Fermentation abgeschlossen ist, ist entscheidend für die Karbonisierungsphase. Um eine übermäßige Bildung von Kohlendioxid zu vermeiden, die zu einem Gushing führen könnte, ist es wichtig, dass die Gärung abgeschlossen ist. Die Analyse der vergärbaren Zucker ist daher von größter Bedeutung für die Berechnung der Zuckermenge, die in der Karbonisierungsphase zugesetzt werden muss, um die für die verwendete Rezeptur erforderlichen CO₂-Werte zu erhalten. Neben einer besseren Kontrolle der letzten Phasen der Gärung ist auch die Analyse des Zuckers sehr wichtig, um die Karbonisierungsphase zu steuern. Das betrifft natürlich nur die Länder, in denen es gestattet ist, Zucker für eine zweite Gärung in der Flasche hinzuzufügen. Dadurch ist es möglich, die CO₂-Mengen zu erhalten, die für die verwendete Rezeptur erforderlich sind.

Schlussfolgerungen

Es lässt sich sagen, dass die Gärung abgeschlossen ist, wenn die Zuckerkonzentration 24 Stunden konstant bleibt. Um das Ende des Gärprozesses zu bestimmen, ist es daher genauer, die Veränderung der Zuckerkonzentration in der Würze zu kontrollieren und nicht die Dichte.

CDR BeerLab erweist sich als das im Vergleich zum tragbaren Hydrometer geeignetere Instrument, um das Ende der Gärung zu bestimmen, da es in der Lage ist, selbst kleinste Änderungen der Zuckerkonzentration aufzuzeigen, die man durch die Dichtemessung nicht erkennen würde.

Um Fehler in der Karbonisierungsphase zu vermeiden, ist es wichtig, ein Analysesystem zu verwenden, das die exakte Restzuckerkonzentration am Ende der Gärung messen kann.

Literatur

1. Marconi, O.; Rossi, S.; Galgano, F.; Sileoni, V.: „Influence of yeast strain, priming solution and temperature on beer bottle conditioning“, Journal of Science and Food Agriculture, 96(12), 2016, S. 4106–4115.
2. Buckee, G. K.; Hargitt, R.: „Measurement of Carbohydrates in wort and beer a Review“, J. Inst. Brew., 84, 1978, S. 13–21.