Biotransformation

Lange Zeit als intuitives „Betriebsgeheimnis“ betrachtet, steht es heute im Mittelpunkt der Kreation moderner Biere, insbesondere von NEIPAs und hocharomatischen Bieren.

In der Brauwelt wird die Gärung nicht mehr einfach als Umwandlung von Zucker in Alkohol und CO2 betrachtet. Sie ist ein regelrechtes chemisches Labor, in dem Hefe mit Hopfeninhaltsstoffen interagiert, um neue, zuvor nicht existierende Aromen zu erzeugen.

  1. Was ist Biotransformation?

Biotransformation bezeichnet die chemische Umwandlung organischer Verbindungen durch Mikroorganismen. Beim Bier betrifft dies hauptsächlich die Wirkung von Hefeenzymen auf zwei Arten von Molekülen, die aus Hopfen stammen: Terpene und Thiole .

  1. Schlüsselmechanismen:
Die 3 Biotransformationsprozesse

Drei biochemische Biotransformationsprozesse – HOPSTORE

Terpenalkoholumwandlung: Reduktase

Hopfenöle sind reich an Geraniol (rosenartig/blumig). Während der aktiven Gärung kann Hefe Geraniol in Citronellol (zitronenartig/zitronengrasartig) umwandeln. Dieser Prozess verändert das Aromaprofil des Bieres grundlegend.

Dies ist eine Modifikation der Molekülstruktur. Geraniol (Rosenduft) ist die Hauptvorstufe. Unter der Einwirkung von Hefereduktasen erfährt es eine Umwandlung:

  1. Geraniol -> Citronellol: Hefe reduziert die Doppelbindung des Geraniols. Citronellol hat einen deutlich frischeren Zitronen-/Zitrusduft.
  2. Nerol -> Geraniol: Hefe kann Nerol in Geraniol isomerisieren und so das Blütenbildungspotenzial erhöhen, bevor sie es wieder umwandelt.

Glycosidhydrolyse: Beta-Glucosidase

Viele Terpene sind „eingeschlossen“: Sie sind an ein Zuckermolekül (oft Glucose) gebunden. Diese werden Glykoside genannt. In dieser Form ist das Molekül zu schwer, um zu verdunsten (daher ist es geruchlos) .

Hefe produziert ein Enzym, die Beta-Glucosidase , die wie eine chemische Schere wirkt. Sie spaltet die glykosidische Bindung und setzt so das aromatische Terpen in das Bier frei.

Beta-Lyase-Freisetzung

Thiole sind organische Schwefelverbindungen. Sie sind verantwortlich für die Duftnoten von Passionsfrucht, Guave und Buchsbaum .

Der Mechanismus des Vorläufers verknüpft

Im Hopfen liegen Thiole hauptsächlich als Vorstufen vor, die an Cystein oder Glutathion gebunden sind. Beispiel: 3-Sulfanylhexan-1-ol (3SH) ist an Cystein gebunden (Cys-3SH).

Hefe kommt mit dem Enzym Beta-Lyase ins Spiel:

  1. Die Hefe absorbiert die Vorstufe (Cys-3SH) durch ihre Zellmembran.
  2. Das Enzym Beta-Lyase spaltet die Kohlenstoff-Schwefel-Bindung von Cystein.
  3. Freies Thiol (3SH) wird in die Würze freigesetzt.

Die meisten Stämme von Saccharomyces cerevisiae besitzen das Gen (IRC7), das für dieses Enzym kodiert, aber es ist oft inaktiv oder ineffizient. Deshalb selektieren oder modifizieren Labore bestimmte Stämme.

Diese Enzyme werden von der Hefe für ihren eigenen Stoffwechsel produziert (oft zur Kohlenstoff- oder Stickstoffbindung). Sobald die Gärung abgeschlossen ist und die Hefe in die Ruhephase (Ausflockung) eintritt, nimmt die Enzymproduktion ab. Deshalb muss das Kalthopfen erfolgen, solange die Hefe noch hochaktiv ist.

Das chemische Gleichgewicht des Mostes

Das chemische Gleichgewicht der Würze (pH-Wert, Nährstoffe) kann die Expression dieser spezifischen Enzyme fördern: Um diese organisch-chemischen Reaktionen zu optimieren, muss der Brauer auf die physikalisch-chemische Umgebung im Gärbehälter einwirken.

Hefe ist eine komplexe biologische Maschine: Ihre Enzyme funktionieren nur unter bestimmten Bedingungen hinsichtlich pH-Wert, Temperatur und Verfügbarkeit von Cofaktoren optimal.

  1. Der Einfluss des pH-Werts auf die Enzymaktivität

Der pH-Wert der Maische ändert sich während der Gärung drastisch (von ca. 5,2 auf ca. 4,2). Jedes an der Biotransformation beteiligte Enzym besitzt jedoch ein katalytisches Optimum :

  • Beta-Glucosidase: Ihre Aktivität ist im Allgemeinen bei einem pH-Wert von etwa 5,0 maximal.
  • Beta-Lyase: Sie reagiert sehr empfindlich auf Säure, ihre Aktivität wird in übermäßig sauren Umgebungen häufig gehemmt.

Tipp: Erhöhen Sie den pH-Wert am Ende der Gärung leicht mit Kaliumbicarbonat, um die enzymatische Aktivität aufrechtzuerhalten und die Adstringenz des Hopfens zu begrenzen.

  1. Cofaktoren und Nährstoffe: Die Rolle von Metallionen

Enzyme wie die Beta-Lyase sind häufig Metalloenzyme . Sie benötigen Cofaktoren, um zu funktionieren, darunter:

  • Magnesium (Mg2+): Essentiell für viele Phosphattransferreaktionen und die Aktivierung der Glykolyse, wodurch die Hefe vital genug bleibt, um Terpene zu verstoffwechseln.
  • Zink (Zn²⁺): Ein essenzieller Cofaktor für die Alkoholdehydrogenase und andere Biokonversionsenzyme. Beispielsweise verlangsamt ein Zinkmangel in Most die Umwandlung von Geraniol zu Citronellol.

  1. Glukosehemmung

Dies ist ein grundlegender Punkt der organischen Chemie: die Repression durch Zucker .

Viele Hefestämme exprimieren Beta-Glucosidase-Gene nur dann, wenn einfache Zucker (Glucose) aufgebraucht sind.

Tipp: Wenn Sie zu früh hüpfen lassen (direkt nach dem Ansetzen), kann die hohe Glukosekonzentration die Produktion von Biotransformationsenzymen hemmen. Der ideale Zeitpunkt liegt oft bei 24–48 Stunden , wenn die Glukose verbraucht ist, die Fermentation komplexer Zucker (Maltose) aber bereits in vollem Gange ist.

Die Vorläufer der Thiole

Wer schon einmal an einem Sack Nelson-Sauvin -Hopfen gerochen hat, hat wahrscheinlich Noten von weißen Trauben wahrgenommen. Derselbe Hopfen kann dem fertigen Bier jedoch auch explosive Aromen von Passionsfrucht oder Guave verleihen. Diese Diskrepanz lässt sich durch Thiol-Vorstufen erklären: geruchlose Moleküle im Hopfen, die ihr Aromapotenzial erst nach einem spezifischen enzymatischen Prozess entfalten.

Die chemische Natur der Vorläufer

Im Hopfen machen freie (aromatische) Thiole nur einen winzigen Anteil (weniger als 1 %) aus. Der überwiegende Teil ist in Form nichtflüchtiger Vorstufen gebunden.

Die zwei Hauptformen:

Thiole sind primär an zwei organische Moleküle gebunden, die sie „einschließen“.

  1. S-Cystein (Cys-): An diese Aminosäure ist das Thiol gebunden. Es ist die direkteste Form für die Biotransformation.
  2. Glutathion (G-): Ein komplexeres Molekül (Tripeptid). Es ist der am häufigsten vorkommende Speicher, benötigt aber zwei Umwandlungsschritte, bevor es das Aroma freisetzt.

Aromatische Zielmoleküle:

  • 3SH (3-Sulfanylhexan-1-ol): Bringt Noten von Passionsfrucht und rosa Grapefruit.
  • 4MMP (4-Methyl-4-sulfanylpentan-2-on): Enthält Noten von schwarzer Johannisbeerknospe und Buchsbaum. Freisetzungsmechanismus (Biotransformation).

Der intrazelluläre Prozess:

  • Transport: Die Hefe muss zunächst die Vorstufe (oft Cys-3SH) über Aminosäuretransporter in ihre Zelle bringen.
  • Spaltung: Das Beta-Lyase-Enzym spaltet die Kohlenstoff-Schwefel-Bindung (CS).
  • Freisetzung: Das nun freie und flüchtige Thiol (3SH) entweicht aus der Zelle und löst sich im Bier auf.

 

Empfohlene Hopfensorten :

Hopfen, reich an gebundenen Vorstufen (Cys-3SH / G-3SH):

Diese Hopfensorten eignen sich perfekt zum Hinzufügen während des Maischens oder zu Beginn der Gärung:

  • Cascade : Der unangefochtene Champion unter den Vorstufen. Es bietet das beste Preis-Leistungs-Verhältnis für die Anreicherung von Muss-Produkten mit latenten Thiolen.
  • Saaz : Sehr reich an 3SH-Vorstufen, trotz seines von Natur aus edlen und krautigen Aromaprofils.
  • Perle : Überraschend reich an Vorstufen tropischer Früchte.
  • Calypso : Enthält sehr hohe Konzentrationen an gebundenen Vorstufen.
  • Hallertau Blanc : Eine wichtige Quelle für Vorläuferstoffe, die an Weißwein (Sauvignon Blanc) erinnern.

 

„New Generation“ Hopfen (Freigeister + Vorläufer)

Diese Sorten bieten sofortige Aromen und liefern außerdem Brennstoff für die Biotransformation.

  • Nectaron (NZ): Reich an freien Thiolen (4MMP) und Vorstufen.
  • Nelson Sauvin (NZ): Der Maßstab für Weintrauben- und Passionsfruchtnoten.
  • Motueka (NZ): Sehr reich an verwandten Formen, die an Limetten und tropische Früchte erinnern.

Tipp: Wenn Sie den Thiolgehalt mit europäischen Hopfensorten maximieren möchten, empfehle ich Folgendes:

  1. Verwenden Sie einen älteren Jahrgang von Perle oder Cascade zum Maischehopfen , um Vorstufen kostengünstig in die Würze freizusetzen.
  2. Verwenden Sie Hallertau Weiß im Whirlpool bei 80°C.
  3. Beimpfen Sie mit einem Hefestamm, der reich an Beta-Lyase und Beta-Glucosidase ist.

 

Fokus auf Mash Hopping

Maischehopfen ist die ultimative Technik zur Extraktion von Thiolvorstufen. Im Gegensatz zum traditionellen Hopfen, das auf flüchtige Öle (Terpene) abzielt, besteht das Ziel hier darin, schwere und stabile Moleküle zu solubilisieren: Thiole, die an Glutathion gebunden sind .

Hier finden Sie eine technische Anleitung, um diesen Schritt erfolgreich abzuschließen:

  1. Die physikalisch-chemischen Parameter des Maischehüpfens

Ziel ist es, die Hopfenvorstufen bereits vor dem Kochen in die Würze zu überführen.

  • Der richtige Zeitpunkt: Geben Sie den Hopfen gleich zu Beginn des Maischvorgangs hinzu, direkt nachdem Sie das Getreide mit dem Wasser vermischt haben.
  • Temperatur: Thiolvorstufen (S-konjugiert) lösen sich perfekt zwischen 62 °C und 68 °C . Bei dieser Temperatur wird keine Bitterkeit extrahiert (die α-Säuren isomerisieren nicht).
  • pH-Wert: Halten Sie einen Standard-Maische-pH-Wert zwischen 5,2 und 5,4 ein. Ein zu hoher pH-Wert könnte Polyphenole (Adstringenz) aus dem Hopfenpflanzenmaterial extrahieren.
  • Dosierung: Rechnen Sie mit etwa 2 bis 4 g Hopfen pro Liter fertigem Bier . Für 20 Liter Bier sollten Sie 40 bis 80 g Hopfen mit hohem Vorläufergehalt (z. B. Saaz, Cascade FR, Motueka) verwenden.

  1. Warum verdampft es beim Kochen nicht?

Das ist die Frage, die sich alle Brauer stellen. Hopfenaromen sind normalerweise sehr flüchtig, aber die Vorstufen der gebundenen Thiole sind nichtflüchtige Moleküle .

  • Sie werden durch das Zucker- oder Aminosäuremolekül, an das sie gebunden sind, „beschwert“.
  • Sie verbleiben daher während des gesamten Kochvorgangs im Most.
  • Erst im Gärbehälter spaltet die Hefe diese Verbindung auf, wodurch das Thiol flüchtig (und somit geruchsintensiv) wird.

  1. Das Oxidationsrisiko:

Die größte Gefahr beim Maischehopfen ist die Oxidation. Heiße Würze ist ein Sauerstoffschwamm, und Thiole vertragen das nicht.

  • Der Polyphenol-Trick: Durch die Zugabe von Hopfen zur Maische werden natürliche Antioxidantien bereitgestellt, die die Würze beim Umfüllen schützen.
  • Heißseitenbelüftung: Vermeiden Sie Spritzer beim Umfüllen der Würze in den Kochkessel. Verwenden Sie Schläuche, die bis zum Boden der Kessel reichen.

Das Hopfen beim Maischen ersetzt nicht das Kalthopfen. Es bildet die chemische Grundlage. Verwenden Sie für das Hopfen beim Maischen etwa 15 bis 20 % Ihrer gesamten Hopfenmenge.

Fokus auf Enzyme

Wenn Sie Ihre bevorzugte Hefesorte nicht ändern möchten (beispielsweise, wenn Sie unbedingt US-05 oder WLP001 verwenden wollen, die von Natur aus nicht sehr aktiv Thiole verstoffwechseln), können Sie exogene Enzyme hinzufügen. Dies ist eine gängige Praxis in der Weinherstellung, die auch bei Craft-Brauern immer beliebter wird.

Beim Brauen ist das gesuchte Enzym Beta-Lyase . Allerdings wird es selten „rein“ verkauft. Es ist häufig in Enzympräparaten enthalten.

Marktbenchmarks:

  • Aromazyme (Lallemand): Dies ist die am einfachsten zugängliche Option für Brauer. Es enthält Beta-Glucosidasen, die Terpene freisetzen und zur allgemeinen Aromaentwicklung beitragen.
  • Rapidase Revelation Aroma (DSM): Dieses Enzym, das von Winzern häufig verwendet wird, besitzt eine starke Thiol-Vorläufer-Spaltungsaktivität. Es eignet sich hervorragend für Bierwürze.
  • Enzyme vom Typ „Thiol-Lib“: Einige spezialisierte Anbieter beginnen damit, spezifische Mischungen von Glycosidasen und Lyasen zu vermarkten, um die 3SH-Gruppe zu maximieren.

Wann und wie sollte das Enzym hinzugefügt werden?

Damit das Enzym wirksam sein kann, muss es wirken, solange das Medium noch in Bewegung ist und bevor der pH-Wert zu stark absinkt.

  1. Der ideale Zeitpunkt: Geben Sie das Enzym gleichzeitig mit der Hefe hinzu. Das Enzym beginnt sofort mit dem Abbau der Hopfenvorstufen.
  2. Temperatur: Die Enzyme arbeiten perfekt bei klassischen Gärtemperaturen (18°C – 22°C).
  3. Dosierung: Im Allgemeinen sehr niedrig, etwa 5 g pro 100 Liter (beachten Sie stets das technische Datenblatt des Herstellers).

 

Weitere zu berücksichtigende Techniken

  1. Der Whirlpool bei niedriger Temperatur (80°C)

Freie Thiole (die bereits geruchsintensiv sind) sind extrem flüchtig und hitzeempfindlich.

Nach dem Kochen die Würze auf 80°C abkühlen lassen, bevor der Whirlpool-Hopfen hinzugefügt wird.

Bei dieser Temperatur kommt die Isomerisierung von α-Säuren (Bitterkeit) fast zum Erliegen, vor allem aber wird die Verdampfung empfindlicher Thiole eingeschränkt, während gleichzeitig eine optimale Extraktion der verbleibenden Vorstufen ermöglicht wird.

  1. „Dip Hopping“: Die japanische Technik

Diese von der Brauerei Kirin erfundene Technik besteht darin, den Hopfen vor dem Hinzufügen der Würze in den Gärbehälter zu geben und anschließend die heiße Würze (ca. 75-80 °C) darüber zu gießen.

Dies ermöglicht eine schnelle Extraktion mittels Infusion. Vor allem aber sorgt der unmittelbar anschließende Gärbeginn dafür, dass das von der Hefe produzierte CO2 den Sauerstoff verdrängt und so die Thiole vor vorzeitiger Oxidation schützt.

  1. Bekämpfung der Oxidation (Brauen mit niedrigem Sauerstoffgehalt)

Thiole (wie 3SH) besitzen eine Schwefelfunktion, die sehr leicht zu Disulfiden oxidiert, welche völlig geruchlos sind.

Die Verwendung von Kaliummetabisulfit (KMS) oder Ascorbinsäure (Vitamin C) in sehr kleinen Mengen im Maischwasser hilft, den Sauerstoff einzufangen, der die Hopfenthiole in den ersten Minuten zerstören würde.

Spülen Sie Ihre Gärbehälter und CO2-Leitungen regelmäßig. Schon ein einziger Kontakt mit Luft kann die Aromawahrnehmung von Thiolen halbieren.

Die Gärung unter Druck ist ebenfalls eine gute Methode, um Aromastoffe im Bier zu erhalten. Man muss jedoch darauf achten, einen für die Hefe „lebensfähigen“ Druck aufrechtzuerhalten (z. B. 1 bar).

  1. Das „Phantasma“ oder Traubenschalen

Wer noch einen Schritt weiter gehen möchte, kann Phantasm-Pulver (Sauvignon-Blanc-Traubenschalen) oder Traubenstiele in den Whirlpool geben. Dadurch erreicht man eine Konzentration an Vorstufen (3SH), die mit Hopfen allein nicht zu erzielen ist. Es ist der stärkste „Treibstoff“.

  1. Kalthopfung (Frühe Kalthopfung)

Um die Biotransformation zu maximieren, ist der Zeitpunkt des Trockenhopfens von entscheidender Bedeutung.

Geben Sie den Hopfen zum Kalthopfen hinzu, wenn vor dem Ende der Gärung noch etwa 2 bis 3 Punkte Stammwürze übrig sind (oft am 2. oder 3. Tag).

Die Hefe ist noch aktiv genug, um die letzten Vorstufen des frischen Hopfens zu spalten und dabei den Sauerstoff zu verbrauchen, der beim Öffnen des Gärbehälters eingebracht wurde.

 

Der Fall der ökologischen Landwirtschaft

Bei der Bio-Zertifizierung (Agriculture Biologique) nach europäischen Vorschriften unterliegt die Verwendung von Zusatzstoffen oder Zutaten aus Trauben (wie Schalen, Most oder Extrakte) zwei Hauptprinzipien: der zertifizierten Herkunft des Produkts und seiner Rolle im Rezept.

Landwirtschaftliche Zutaten (z. B. Traubenschalen)

Wenn Sie getrocknete Traubenschalen (wie das Produkt Phantasm ) oder frische Traubenschoten verwenden, um Thiolvorstufen zu gewinnen:

  • Obligatorische Zertifizierung: Das Produkt selbst muss bio- zertifiziert sein. Man darf keinem bio-zertifizierten Bier (AB) herkömmliches Traubenpulver hinzufügen.
  • Die 95%-Regel: Um das europäische Bio-Siegel tragen zu dürfen, müssen 95 % der landwirtschaftlichen Zutaten aus biologischem Anbau stammen. Bio-Trauben werden bei dieser Berechnung genauso berücksichtigt wie Malz oder Hopfen.
  • Der Fall Phantasm: Das klassische Phantasm-Pulver stammt bisher aus Weinbergen in Marlborough, von denen nicht alle bio-zertifiziert sind. Es gibt jedoch Alternativen (wie beispielsweise Trauben von lokalen Bio-Winzern), die diese Anforderung perfekt erfüllen.

Enzyme (Aromazym, Beta-Lyase)

  • Status von Herstellungshilfsstoffen: In der BIO-Verordnung werden Enzyme als „Herstellungshilfsstoffe“ betrachtet.
  • Nicht-GVO-Ursprung: Um im ökologischen Landbau zugelassen zu werden, darf ein Enzym nicht von oder aus gentechnisch veränderten Organismen (GVO) hergestellt werden.
  • Nicht-Ionisierung: Um in BIO zugelassen zu werden, darf ein Enzym nicht ionisiert worden sein.
  • Verfügbarkeit: Bitte prüfen Sie bei Ihrer Zertifizierungsstelle, ob das betreffende Enzym auf deren Liste der zugelassenen Verarbeitungshilfsstoffe steht. Die meisten herkömmlichen önologischen Enzyme sind akzeptabel, sofern sie garantiert gentechnikfrei und frei von nicht zugelassenen Konservierungsstoffen (wie bestimmten Sulfiten oder Benzoaten) sind.

Extrakte und Aromen

  • Natürliche Aromen: Wenn Sie einen „Vorläuferextrakt“ in flüssiger Form verwenden, muss dieser als „Natürliches Aroma von [XX]“ gekennzeichnet sein, und mindestens 95 % des Aromaanteils müssen aus der angegebenen Quelle stammen (z. B. Traube).
  • Verbot von Lösungsmitteln: Die Extraktion darf nicht mit in der ökologischen Landwirtschaft verbotenen chemischen Lösungsmitteln (wie z. B. Hexan) durchgeführt worden sein. Zulässig sind grundsätzlich nur Wasser, Ethanol oder CO₂.

 

Bevor Sie beginnen, sollten Sie die Produkte, die Sie verwenden möchten, von Ihrer Zertifizierungsstelle validieren lassen. Dies gilt unabhängig davon, ob es sich um Hefe, Enzymkonzentrat, Mineralsalze usw. handelt.

Achten Sie beim Kauf all dieser Produkte darauf, dass Ihr Lieferant zertifiziert ist und dass auch die von ihm angebotenen Produkte zertifiziert sind.

 

Bibliografie / Nützliche Links

Hier finden Sie eine Zusammenstellung wissenschaftlicher, technischer und kommerzieller Referenzen.

Wissenschaftliche Referenzen (Leitstudien)

Diese Artikel bilden die Grundlage für das Verständnis der Terpen-Biokonversion und der Thiol-Freisetzung.

  • Takoi et al. (2010): Synergistische Effekte von aus Hopfen gewonnenen flüchtigen Verbindungen
  • Holt et al. (2011): Der Einfluss der Beta-Lyase-Aktivität auf tropische Aromen
  • King & Dickinson (2003): Biotransformation von Hopfenterpenalkoholen
  • Belda et al. (2017): Mikrobielle Beiträge zum Wein- und Bieraroma

Hefestämme

Hier finden Sie die Links zu den Lieferantenspezifikationen für Stämme, die für die Biotransformation optimiert sind.

Pioniere der Thiole und innovativer Produkte

Technische Konzepte und Methoden (Popularisierung)

  • Scott Janish – „Das neue IPA“
  • Omega Yeast – „Das Maische-Hopping-Projekt“
    • Beschreibt die wissenschaftlichen Hintergründe der Zugabe von Cascade/Saaz zur Maische zur Freisetzung von Thiolen.
    • Link zur Fallstudie

Regulierungsdokumente und Zusammenfassungen

  • Verordnung (EU) 2021/1165 (Zusatzstoffe und Enzyme im ökologischen Landbau)
    • Zur Überprüfung des Einsatzes exogener Enzyme (β-Glucosidase) in der biologischen Produktion.
    • EUR-Lex-Link