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Rohstoffe

05.09.2022

Einfluss der Witterung auf die Biogenese unterschiedlicher Hopfeninhaltsstoffe

Klimaempfindlichkeit | Der Einfluss des Klimas auf den α-Säurengehalt des Hopfens ist bekannt, systematische Erkennt­nisse bezüglich der Biosynthese von Aromasubstanzen und Poly­phenolen fehlen jedoch. Für diese Untersuchung wurden Pellet­proben aus großen Partien von 20 deutschen Hopfensorten ausgewählt. Die Ergebnisse werden im folgenden Beitrag dargestellt.

Die beiden aufeinanderfolgenden Erntejahre 2015 und 2016 eigneten sich gut für eine Gegenüberstellung. Der Sommer 2015 war heiß und trocken, während der Sommer 2016 gute Bedingungen mit genug Niederschlag und moderaten Temperaturen bot. Die α- und β-Säuren zeigten sich ziemlich anfällig gegenüber den ungünstigen Bedingungen im Jahr 2015, v. a. bei den Aromasorten, weniger bei den Flavour- oder Bittersorten. Auch die Aromasubstanzen litten unter der Dürre und Hitze, aber unterschiedlich je nach Stoffgruppe. Indessen waren die Polyphenolgehalte stabil, 2015 sogar etwas höher. Die Anfälligkeit von Hopfeninhaltsstoffen und -sorten gegenüber Klimaeinflüssen ist offensichtlich unterschiedlich ausgeprägt. Brauer sollten dies bei ihrer Hopfenauswahl berücksichtigen.

Zielsetzung

Die Tatsache des Klimawandels ist unbestreitbar und beispielsweise in [1] überzeugend belegt. So nahmen die Durchschnittstemperaturen in den Monaten Juni bis August in Bayern von 15,8 °C (1961 – 1990) auf 17,5 °C (1991 – 2020) zu.

Eine Betrachtung über einen längeren Zeitraum (ab 2002) und die Auswirkungen des Klimawandels mit Fokus auf die α-Säurenerträge (kg α/ha) verschiedener deutscher Hopfensorten ist in [2] abgehandelt. Es gelang, einen abgesicherten Zusammenhang zwischen Witterung und α-Säurenertrag abzuleiten und auch deutliche Sortenunterschiede aufzuzeigen.

Genauere Untersuchungen zu anderen Hopfeninhaltsstoffen wie β-Säuren, Cohumulonanteil, Aromasubstanzen und Polyphenolen fehlen allerdings, was Ziel dieser Arbeit ist. Eine ausführliche Darstellung der Ergebnisse findet sich in [3].

Methodik des Vergleichs

Weil langjährige Beobachtungen fehlen, eignen sich für einen Vergleich zwei Hopfenernten mit deutlich unterschiedlichen Witterungsverhältnissen. Es bieten sich hier die Jahre 2015 (heiß und trocken) und 2016 (genügend Niederschlag, moderate Temperaturen) mit der Gegenüberstellung einer schlechten und guten Ernte an. Die mittlere Temperatur in der Hallertau von Juni bis August betrug 19,5 °C im Jahr 2015 gegenüber 17,7 °C 2016, die Summe der Niederschläge in den drei Monaten 178 mm (2015) gegenüber 334 mm (2016), und die Hitzetage (Tage mit mehr als 30 °C) waren 2015 mit 36 Tagen deutlich häufiger als 2016 mit nur sieben Tagen.

Probenauswahl

Als Proben für die Untersuchungen dienten inert verpackte, bei 2 °C gelagerte Pellet-Originalgebinde (Typ 90) aus großen Verarbeitungen, die eine homogene Mischung aus einer Vielzahl von Einzelpartien repräsentieren.

Die 20 wesentlichen in diesen Jahren in Deutschland angebauten Sorten waren:

  • 4 klassische Aromasorten = Landsorten: Hallertauer Mfr. (HAL), Hersbrucker (HEB), Tettnanger (TET), Spalter (SPA);
  • 7 gezüchtete Aromasorten: Perle (PER), Hallertauer Tradition (HTR), Spalter Select (SSE), Saphir (SIR), Opal (OPL), Smaragd (SGD), Northern Brewer (NBR); aus Sicht der Autoren ist allerdings der NBR nach wie vor eher ein Bitterhopfen und wird im Durchschnitt der Zuchtsorten nicht berücksichtigt;
  • 4 Flavoursorten: Mandarina Bavaria (MBA), Hüll Melon (HMN), Hallertau Blanc (HBC), Cascade (CAS);
  • 5 Bittersorten: Magnum (HMG), Taurus (HTU), Herkules (HKS), Polaris (PLA), Nugget (NUG).

Spalter und Tettnanger stammten aus ihrem jeweiligen Herkunftsgebiet, alle anderen Hopfen aus der Hallertau.

Analytik und Berechnung der Ergebnisse

Die Pelletproben wurden auf folgende Merkmale analysiert:

  • α- und β-Säuren inkl. des Cohumulonanteils mittels HPLC nach EBC 7.7;
  • Gesamtpolyphenolgehalt (TPP) nach EBC 7.14;
  • Niedermolekulare Polyphenole (lmwPP) mittels einer hauseigenen HPLC-Methode;
  • Xanthohumol mittels HPLC;
  • Gaschromatographische Bestimmung (GC-FID) der Aromakomponenten, mit Angabe der folgenden acht Merkmale: Summe aller kalibrierten Substanzen, Myrcen, Humulen, Sauerstofffraktion (Moleküle mit mindestens einem Sauerstoffatom, löslich in Würze und Bier), Linalool, Summe der Carbonsäure-Ester, Sesquiterpenalkohole sowie Epoxide von Humulen und β-Caryophyllen.

Entscheidend in dieser Arbeit ist die Fragestellung: Wie reagieren Komponenten verschiedener Hopfensorten auf die Witterung, wie stark leiden sie unter Trockenheit und Hitze? Dabei interessiert die Relation der Absolutwerte zwischen den Ernten 2015 und 2016. Die Verrechnung der Daten erfolgt auf folgende Weise:

Formel 1

Daraus resultieren die prozentualen Mehr- oder Mindermengen (Δ) in Ernte 2015 gegenüber Ernte 2016.

Die Tabellen 1 bis 3 sind je nach den Gehalten im Jahr 2015 gegenüber 2016 (in % relativ) in sechs Schritte und Farbstufen gegliedert, und zwar von keinem Unterschied und damit unempfindlich gegenüber dem Klima (> 95 %, grün) bis zu einem großen Unterschied und damit empfindlich gegenüber dem Klima (< 55 %, rot).

Versuchsergebnisse

Die Sorten sind aufgeteilt in Land-, Zuchtaroma-, Flavour- und Bittersorten mit den jeweiligen Mittelwerten und einem Gesamtdurchschnitt.

Tab. 1 Gehalte von α- und β-Säuren, Xanthohumol (XN), Gesamtpolyphenolen (TPP) und niedermolekularen Polyphenolen (lmwPP)…

Tabelle 1 enthält die Angaben zu den α- und β- Säuren, Cohumulonanteilen, Gesamt- und niedermolekularen Polyphenolen und Xanthohumol.

Die Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:

  • α- und β-Säuren reagieren besonders empfindlich auf das Klima, allerdings stärker ausgeprägt bei den Aromahopfen.
  • Der Cohumulonanteil wird nicht beeinflusst; die Homologen der α-Säuren verhalten sich identisch.
  • Gesamt- und niedermolekulare Polyphenole zeigen keinerlei Reaktion gegenüber der Witterung. Diese Substanzen finden sich in den Doldenblättern, sind also “Blattpolyphenole”.
  • Trocken-heiße Witterung setzt allerdings dem Xanthohumol zu, besonders in den Aromasorten. Xanthohumol ist in den Lupulindrüsen gespeichert und kann als „Lupulinpolyphenol“ bezeichnet werden.

Tabelle 2 enthält die relativen Gehalte von acht Kennzahlen des Hopfenaromas in der Ernte 2015 im Vergleich zu 2016, die sich in der Klimaempfindlichkeit unterscheiden, aber auch zwischen den Hopfensorten deutliche Differenzen erkennen lassen.

Tab. 2 Gehalte in % relativ von Aromakomponenten und Aromakennzahlen in Ernte 2015 im Vergleich zur Ernte 2016

Aus Tabelle 2 lässt sich folgern:

  • Humulen ist stabiler als Myrcen;
  • die Sauerstofffraktion reagiert stärker auf das Klima als die Summe aller Substanzen;
  • die Summe der Ester ist besonders klimaempfindlich;
  • Linalool ist etwas stabiler als die Ester;
  • Sesquiterpenalkohole sind relative stabil im Gegensatz zu den Epoxiden;
  • die Landsorten werden besonders durch die Witterung beeinträchtigt, deutlich stabiler sind die Flavourhopfen.

Der Gesamtdurchschnitt aller 20 Sorten lässt erkennen, dass die α- und β-Säuren mit 72 Prozent in Ernte 2015 gegenüber 2016 der klimaempfindlichste Metabolit sind, gefolgt von der Summe der Aromasubstanzen (83 %). Überraschenderweise zeigen die Polyphenole bis auf das Xanthohumol (84 %) keinerlei negative Reaktion (109 %).

Vergleich der einzelnen Hopfensorten

Ein vereinfachter Vergleich der Klimaempfindlichkeit der 20 Sorten und ihrer Inhaltsstoffe kann über die Einschätzung ihres „Bitter- und Aromapotential“ erfolgen. Die von den Autoren gewählten Begriffe verstehen sich wie folgt:

Neben den α-Säuren tragen auch „Begleitbitterstoffe“ besonders bei späten Gaben zur Bierbittere bei. Die β-Säuren werden als ein geeigneter Indikator für die Menge an Begleitbitterstoffen im Bier betrachtet [4, S. 212 ff]. Unter Bitterpotential verstehen die Autoren eine Berechnung aus α-Säuren und β-Säuren mit unterschiedlicher Gewichtung:

Formel 2

Der Begriff Aromapotential einer Sorte orientiert sich an dem Beitrag einer Substanz/Substanzgruppe zum Hopfenaroma im Bier bei späten Gaben oder beim Hopfenstopfen [4]. Dazu werden sechs für ein Hopfenaroma im Bier verantwortliche Größen (in % relativ 2015:2016) zur durchschnittlichen Berechnung des Aromapotentials herangezogen:

  • Summe aller kalibrierten Substanzen;
  • Myrcen (kann besonders beim Hopfenstopfen Wirkung zeigen);
  • Sauerstofffraktion (in Bier lösliche Substanzen);
  • Summe der Ester (fruchtige Noten, Umwandlung in aromaintensive Ethylester);
  • Linalool (bekannter Indikator für Hopfenaroma);
  • Epoxide (in der Literatur oft erwähnt).

Tabelle 3 enthält die Relationen des Bitter- und des Aromapotentials aller 20 Hopfensorten in % rel. von 2015 gegenüber 2016. Aus beiden Werten ist noch das Mittel angegeben. Mit Hilfe dieser Kennzahl aus Bitter- und Aromapotential lässt sich ein Ranking von 1 = „wenig klimaempfindlich“ bis 15 = „sehr klimaempfindlich“ aufstellen.

Tab. 3 Bitter- und Aromapotential als % relativ 2015:2016 aller 20 Sorten; Mittelwert daraus …

Die Klassifizierung der Klimaempfindlichkeit weist eine große Streuung auf. Die Flavoursorten Mandarina und Blanc stehen an der Spitze, einige Landsorten sowie Perle und Northern Brewer liegen am Ende. Ferner kann angenommen werden, dass ein früher Erntezeitpunkt einer Sorte (TET, HAL, SSP, PER and NBR) die Klimaempfindlichkeit fördert. Interessant mag noch sein, bei welchen Sorten zwischen der Stabilität des Bitterpotentials gegenüber dem Aromapotential ein deutlicher Unterschied besteht. Das Bitterpotential ist bei den Bittersorten HMG, HKS und NUG um mehr als zehn Prozent stabiler als das Aromapotential. Umgekehrt verhalten sich die Aromasorten HBC, SIR, SSE, TET, HAL, PER und NBR mit einem um mehr als zehn Prozent höheren Aromapotential gegenüber dem Bitterpotential.

Konsequenzen für die Hopfendosage

Die Untersuchungen zeigen, dass sich das Verhältnis von Stoffgruppen untereinander je nach der Witterung von Ernte zu Ernte deutlich verschieben kann, besonders zwischen α-Säuren und Polyphenolen. So gelangt beim Einsatz einer klimaempfindlichen Sorte in einem trockenen, heißen Jahrgang die gut doppelte Menge an Polyphenolen und 30 bis 80 Prozent mehr an gewissen Aromagruppen bei gleicher α-Dosage ins Bier. Der Brauer muss damit flexibel auf unterschiedliche Ernten reagieren.

Zusammenfassung

Die Analysenresultate der schwachen Ernte 2015 wurden mit denen der guten Ernte 2016 in % relativ verrechnet. Die Minder- bzw. Mehrmengen in Ernte 2015 gegenüber 2016 sind in % rel. zu verstehen und lassen sich wie folgt zusammenfassen:

  • Die Reaktionen der α-Säuren (– 30 %), Summe der Aromastoffe (– 17 %) und Gesamtpolyphenole (+ 9 %) im Gesamtdurchschnitt aller 20 Sorten zeigen große Unterschiede;
  • Aromagruppen reagieren unterschiedlich. Am empfindlichsten auf den Faktor Klima zeigen sich die Ester mit – 39 Prozent, gefolgt von Myrcen mit – 23 Prozent und Linalool mit – 19 Prozent;
  • Polyphenole sind in allen untersuchten Merkmalen erstaunlich klimastabil. Abweichend verhält sich nur Xanthohumol (– 16 %);
  • am klimaempfindlichsten sind die Landsorten gefolgt von den Zuchtaroma-, den Bitter- und den Flavourhopfen;
  • ein früher Erntezeitpunkt verstärkt die Klimaempfindlichkeit.

Da sich Substanzen unterschiedlich verhalten, verschieben sich die Verhältnisse von Stoffgruppen untereinander je nach Ernte, besonders die α-Säuren zu den Polyphenolen. Über eine angepasste flexible Anreicherung bei der Pelletherstellung lassen sich diese Relationen partiell ausgleichen.

Das Verhältnis des Bitter- zum Aromapotential kann sich in Abhängigkeit von der Witterung verschieben, was zu Aromaänderungen im Bier führt, wenn z. B. späte Gaben nach den α-Säuren dosiert werden. Eine Dosage der Aromagaben bei Kochende, im Whirlpool oder besonders beim Hopfenstopfen nach einem oder mehreren Aromakriterien ist daher sinnvoll.

Womit die verschiedenen Reaktionen von Hopfeninhaltsstoffen auf die Witterung zu erklären sind, ist noch offen. Es handelt sich weitgehend um enzymatische Vorgänge bei der Biogenese. Dabei ist es durchaus denkbar, dass Enzyme unterschiedlich mit Wassermangel und hohen Tagestemperaturen fertig werden [5]. Neue Ansätze auf die Klimadiskussion im Hopfen zeigen sich bereits. Beim jüngsten Meeting der technisch-wissenschaftlichen Kommission des IHB im Juli 2022 in Lugo, Spanien, beispielsweise berichteten Nesvadba et al. über ein Projekt „Development of genotypes for drought resistance“, das vorerst bis 2026 angelegt ist [6].

Sie wollen mehr zum Thema wissen? Werfen Sie doch mal einen Blick in unser Dossier: Hopfen!

Literatur

  1. Deutsches Klima-Konsortium, Deutsche Meteorologische Gesellschaft, Deutscher Wetterdienst, Extremwetterkongress Hamburg, Helmholtz-Klima-Initiative, klimafakten.de (Hrsg.): Was wir heute übers Klima wissen – Basisfakten zum Klimawandel, die in der Wissenschaft unumstritten sind, Juni 2021, https://www.dwd.de/DE/klimaumwelt/aktuelle_meldungen/210609/basisfakten-zum-klimawandel_dkk.pdf?__blob=publicationFile&v=2
  2. Forster, A.; Schüll, F.: „Einfluss des Klimawandels auf den Hopfen“, BRAUWELT Nr. 36, 2019, S. 1020–1024.
  3. Forster, A.; Gahr, A.; Schüll, F.; Bertazzoni, J.: „The impact of climatic conditions on the biogenesis of various compounds in hops“, BrewingScience 74, 2021, S. 160–171.
  4. Biendl, M.; Engelhard, B.; Forster, A.; Gahr, A.; Lutz, A.; Mitter, W.; Schmidt, R; Schönberger, C.: Hopfen – Vom Anbau bis zum Bier; Fachverlag Hans Carl, 2012.
  5. Kolenc, Z.; Vodnik, D.; Mandelc, S.; Javornik, B.; Kastelec, D.; Cerenak, A.: „Effects of drought stress on hop (Humulus Lupulus L.): physiological and proteomic view“, Plant Physiology and Biochemistry 105, 2016, S 67–78.
  6. Nesvadba, V.; Donner, P.; Charvàtovà, J.: Hop Breeding in the Czech Republic, Proceedings of the Scientific-Technical Commission, Lugo, Spanien, 3. – 7. Juli 2022, S. 13–16.