Wie funktioniert die Gärung von Wasser, Zucker und Hefe?
Die alkoholische Gärung ist einer der ältesten biochemischen Prozesse, die der Mensch gezielt nutzt. Besonders bei der Herstellung von Brot, Bier, Wein und Spirituosen spielt die Gärung von Wasser, Zucker und Hefe eine zentrale Rolle. Doch wie läuft dieser Prozess im Detail ab, welche chemischen und biologischen Vorgänge stecken dahinter und welche Bedingungen müssen geschaffen werden, damit aus einfachen Zutaten ein wohlschmeckendes Endprodukt entsteht?
Grundlagen: Zucker, Wasser und Hefe
Unsere Backhefe besteht aus richtigen Lebewesen! Die zum Brotbacken verwendete Hefe ist ein einzelliger Pilz, der keine Fruchtkörper bildet. Sie gehört zu den Einzellern und vermehrt sich durch Zellteilung oder die Bildung von Ablegern. Deswegen sehen wir von ihr ohne Mikroskop auch nicht mehr als eine gelblich-graue Masse. Hefearten wie Saccharomyces cerevisiae sind die wichtigsten Akteure bei der Gärung, besonders bei der Herstellung von Bier und Wein.
Der wichtigste Zucker, von dem Hefe sich ernährt, ist Traubenzucker (Glucose). Aus Traubenzucker- bzw. Glucose-Molekülen können alle Lebewesen schnell Energie gewinnen. In Teigen, Bierwürze und Weinmaischen steckt meist Stärke als Ausgangsstoff, ein sogenannter "Vielfachzucker", also eine lange (vielfach verzweigte) Kette von einzelnen Zucker- bzw. Glucosemolekülen. Die Stärke im Teig können die Hefepilze allerdings nicht direkt verarbeiten, dafür liefert das Mehl die zur Spaltung der Stärke notwendigen Enzyme, die Amylasen. Vorhandene Enzyme - die Amylasen - wandeln beim Erwärmen die Stärke in Zucker um. Erst wenn die Stärke zu einzelnen Zuckermolekülen zerlegt wurde, werden diese für die Hefen nutzbar und können abgebaut werden.
Wie läuft die Gärung ab?
Beim Kneten des Teigs mit Wasser und Mehl quellen die Klebereiweiße auf. Dadurch wird der Teig aufnahmefähig für Gase. Sobald Hefe und Zucker (oder zu Zucker gewandelte Stärke) im Wasser gelöst sind, beginnt die Hefe, den Zucker zu verdauen. Dabei läuft folgendes ab: Aus einem Molekül Glucose wird durch mehrere Zwischenschritte ein Molekül Pyruvat (Brenztraubensäure) hergestellt, das anschließend weiterverarbeitet wird. Von Pyruvat wird Kohlenstoffdioxid abgespalten und es entsteht Acetaldehyd. Der Acetaldehyd wird dann durch NADH zu Ethanol reduziert, wobei das oxidierte NAD+ wieder als Wasserstoffakzeptor in der Glykolyse zur Verfügung steht.
Die summarische Gleichung der alkoholischen Gärung durch Hefe, aufgestellt von J.L. Gay-Lussac (1815), lautet:
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| Formel | Erklärung |
|---|---|
| C6H12O6 → 2 CO2 + 2 C2H5OH | Glucose wird zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid |
Bedingungen für die Gärung
Die Gärung läuft optimal ab, wenn anaerobe Bedingungen bestehen, also ohne Sauerstoff. Wenn Sauerstoff vorhanden ist, bevorzugen Hefen die Atmung, was die Gärung zurückdrängt. Dieses Phänomen wird als Pasteur-Effekt bezeichnet. Zu Beginn, z.B. bei Bier, wird manchmal Sauerstoff beigegeben, damit die Hefezellen sich schnell vermehren. Sobald der Sauerstoff verbraucht ist, schalten sie auf Gärung um.
Die optimale Temperatur für die Hefegärung liegt zwischen 30 und 37 °C, je nach Anwendung. Die Gärung ist sehr temperaturempfindlich: Zu hohe oder zu niedrige Temperaturen können den Prozess verlangsamen oder sogar ganz zum Erliegen bringen. Für das Brotbacken etwa liegt die optimale Temperatur bei etwa 32 °C. Die Gärung startet, sobald alle Zutaten gemischt und die Bedingungen stimmen. Auch der Zuckergehalt hat Einfluss: Ist er zu hoch (über 20-25 %), verlangsamt sich die Gärung durch die osmotische Belastung für die Hefen. Ab einem Alkoholgehalt von etwa 15 % stellen Hefen die Gärung ein, da sie abgetötet werden.
Entstehung von Kohlendioxid und Alkohol
In einem gut gehenden Teig werden pro Kilogramm Teigmasse etwa 3,5 Liter Kohlendioxid produziert. Während des Gärprozesses nimmt die Kohlendioxidmenge im Teig stetig zu - die Bläschen und Blasen im Teig sind das sichtbare Zeichen der Gärung. Dieses Gas wird im Teig gehalten, sorgt für das Aufgehen und bewirkt das Aufschäumen. Auch beim Backen dehnt sich das CO2 weiter aus und macht Brot und Kuchen locker und fluffig. Während des Backens entweichen Kohlenstoffdioxid und flüchtige Bestandteile wie Ethanol, sodass man eine schöne Porosität im Brot erhält.
Wichtige Enzyme und Umsetzung von Stärke
Die Hefen können nicht jede Zuckerform direkt verarbeiten, z.B. haben Back-Hefen kein Enzym, um Milchzucker (Laktose) zu spalten, und sind deshalb "laktoseintolerant". Laktosefreie Milch enthält Zusatz von Laktase, die die Laktose schon zu Glucose und Galactose spaltet, weshalb laktosefreie Milch süßer schmeckt.
Beim Bierbrauen spielt die Umsetzung von Stärke in Zucker eine wichtige Rolle. Alles beginnt beim Mälzen: Gerste wird eingeweicht und zum Keimen gebracht, dabei entstehen Enzyme wie Amylasen. Helles Braumalz wird nur aus Gerste gewonnen, es ist das am häufigsten eingesetzte Malz zur Bierherstellung. Die Bierhefen können nur diesen vergärbaren Zucker umsetzen. Ein Karamellmalz enthält Karamellisierung hergestellte, nicht mehr vergärbare Zucker, was zur speziellen Süße im Festbier beiträgt.
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Alkoholische Gärung bei Spirituosen, Bier und Wein
- Allgemein werden stärkehaltige Rohstoffe (Getreide, Kartoffeln, Reis) zerkleinert und mit Wasser vermischt, sodass Maische entsteht. Enzyme in der Maische spalten die Stärke in Zucker um. Hefe wird zugesetzt, die den Gärprozess auslöst: Der Zucker wird zu Alkohol und Kohlendioxid umgewandelt.
- Bei Bier unterscheidet man Hauptgärung (ca. 1 Woche) und Reifung (bis zu 6 Wochen). Nach dem Würzekochen gelangen Aroma-, Bitter- und Gerbstoffe in die Würze. Die Gärung ist temperaturabhängig - z. B. bei untergärigem Bier mindestens 12 °C, bei obergärigem etwa 20 °C.
- Bei der Weinherstellung werden die Trauben nach der Ernte zuerst von den Stielen befreit und zerquetscht zur Maische. Es wird Schweflige Säure zugegeben, um Bakterien und unerwünschte Hefen abzutöten. Danach werden gezüchtete Kulturhefen zugesetzt, der Gärprozess kann kontrolliert ablaufen. Nach der Gärung wird der Wein weiter gelagert, z. B. in Eichenfässern, damit das Aroma sich entwickelt.
| Produkt | Rohstoff | Enzyme/Hefe | Hauptprodukte |
|---|---|---|---|
| Brot | Mehl (Stärke) | Amylase, Backhefe | CO2, Ethanol |
| Bier | Malz (Gerste) | Mälzen, Bierhefe | CO2, Ethanol |
| Wein | Trauben (Glucose) | Weinhefe | CO2, Ethanol |
| Spirituosen | Getreide/Kartoffeln/Reis | Hefe | CO2, Ethanol |
Fermentation und Aromaentwicklung
Dieses zielgerichtete Vorgehen bei einer Gärung wird als Fermentation bezeichnet. Um ein volles Aroma im Brot zu erreichen, ist es gut, den Vorteig lange stehen zu lassen. Während des Backens bilden sich die typischen Aromastoffe im Brot. Bei dieser Reaktion entstehen dunkle Pigmente (Melanoide), die für die Färbung der Brotkruste verantwortlich sind und den Bereich des Brotes mit der höchsten Geschmacksintensität ausmachen.
Durch verschiedene Zusätze wie Milch, Zucker und Öl versucht man, ein Brot mit bestimmten Eigenschaften herzustellen. Ein wohlschmeckendes Brot entsteht durch eine Kombination aus Gärung, Porosität und Aromabildung. Auch die Fähigkeit, das entstandene Kohlendioxid im Teig zu halten, ist entscheidend.
Milchsäuregärung - ein Sonderfall
Neben der alkoholischen Gärung gibt es auch die Milchsäuregärung, die vor allem bei der Herstellung von Joghurt und Sauerkraut eine Rolle spielt. Bei dieser Milchsäuregärung entstehen Milchsäure, geringe Mengen Essigsäure und Ethanol. Die Gärung ist auch ein natürlicher Prozess, der in vielen anderen Lebensmitteln auftritt.
Bedeutung und Anwendung der Gärung
Die alkoholische Gärung ist die wirtschaftlich bedeutsamste aller Gärungen. Ethanol wird als Grundstoff für die chemische Industrie, als Kraftfahrzeugtreibstoff und als Genussmittel (Bier, Wein) in großem Umfang produziert. Durch die Suche nach alternativen, erneuerbaren Energieträgern hat die Umwandlung von Biomasse in Ethanol als Bioenergie an Bedeutung gewonnen. In Zukunft könnten auch Bakterien eine Rolle spielen, die sich durch höhere Produktivität oder Thermophilie (Gärung bei bis zu 70 °C) auszeichnen.
Experimente zur Gärung
- Füllt eine Flasche halb mit lauwarmem Wasser und löst Zucker darin auf. Fügt Hefe hinzu und verschließt die Flasche mit einem Luftballon.
- Der Luftballon bläst sich auf: Das von der Hefe produzierte Gas ist Kohlendioxid (CO2), das schwerer als Luft ist und Sauerstoff nach oben verdrängt.
- Entfernt den Luftballon und fügt ein Streichholz hinzu - der Sauerstoff fehlt und das Streichholz geht aus.
Bedeutung für Genuss und Ernährung
Ohne Zucker kein Bier, kein Brot - und ohne unsere cleveren Bäckermeister:innen kein perfektes Getränk oder Backwerk. Die Gärung ist der Herzschlag unserer Genussmittel und eine faszinierende Verbindung biologischer und chemischer Vorgänge.
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