Einführung

Die Frische des Biers ist ein Qualitätsmerkmal, das für die Verbraucher von großer Bedeutung ist und für die großen Brauereien einen wichtigen Indikator darstellt. Da die chinesische Bierbrauerei weitgehend auf  Mit der High-Gravity- und High-Adjunct-Technologie wird der Bierkörper immer leichter und erfrischender, was die maskierende Wirkung auf die Alterungsaromen abschwächt und den Frischeaspekt stärker in den Vordergrund stellt.

Die systematische Erforschung der Bieralterung lässt sich bis in die 1960er Jahre zurückverfolgen. Zu den derzeit anerkannten Alterungsmechanismen gehören vor allem:

• Lipid-Oxidation
• Abbau von Aminosäuren
• Oxidation höherer Alkohole
• Maillard-Reaktion
• Veresterung und Lactonisierung

Im Allgemeinen liegen die Alterungsstoffe unterhalb ihrer sensorischen Schwelle, aber die kombinierte Wirkung mehrerer Verbindungen kann zur Wahrnehmung des Alterungsgeschmacks führen.

In dieser Studie sind nachweisbare alternde Substanzen definiert als Alterungsindikatoren, deren Konzentrationsänderungen mit der Intensität des Alterungsgeschmacks korrelieren und den Grad der Bieralterung anzeigen können. Je nach Alterungsmechanismen und indikativer Rolle können diese Verbindungen weiter klassifiziert werden in:

• Sauerstoff-Belastungsanzeigen
• Indikatoren für die thermische Belastung
• Indikatoren für die Lipid-Oxidation

Diese werden verwendet, um die Sauerstoffbelastung, den Hitzestress und die Frische des Rohmaterials während des Brauens zu bewerten.

Die bisherige Forschung konzentrierte sich hauptsächlich auf:

• Nachweismethoden für alternde Verbindungen
• Veränderungen während der Lagerung von fertigem Bier

Studien über Veränderungen während des Brauprozesses selbst sind nach wie vor begrenzt. Mit der Vertiefung der Forschung ist die Verlagerung der Untersuchung auf den Brauprozess eine wichtige Richtung in der weltweiten Forschung zur Frischekontrolle geworden. Die meisten Studien beziehen sich jedoch auf Lagerbier, während Untersuchungen zu hellem Bier, das mit einheimischer Hefe gebraut wird, noch fehlen.

Daher wurde für diese Arbeit ausgewählt 18 repräsentative Alterungsbestandteile mit verschiedenen indikativen Rollen als Forschungsziele. Auf der Grundlage etablierter Nachweismethoden wurden ihre Veränderungstendenzen während des Brauprozesses erforscht.

Materialien und Methoden

1. Materialien und Instrumente

Zu den analysierten altersbedingten Verbindungen gehören:

• Aldehyde: 2-Methylpropanal, 2-Methylbutanal, 3-Methylbutanal, Pentanal, Hexanal, Furfural, Methional, Phenylacetaldehyd, trans-2-Nonenal
• Andere Alterungsindikatoren: Furfurylethylether, Acetylfuran, Methylfurfural, Benzaldehyd, Ethylnikotinat, Phenethylacetat, Phenethylacetat (doppeltes OCR), γ-Nonalacton, β-Damascenon

Inklusive Reagenzien und Ausrüstung:

• Ethanol (chromatographische Qualität, Merck, Deutschland)
• Reinstwassersystem (Millipore, Deutschland)
• Automatischer Festphasen-Mikroextraktionssammler (CTC, Schweiz)
• SPME-Fasern (Supelco, USA)
• GC-MS-System (PerkinElmer, USA)
• DB-5MS Kapillarsäule (Agilent, USA)

2. Bestimmungsmethoden

2.1 Nachweis von Aldehyden im Alter

Probenahmepunkte während des Brauens:

• Kalte Würze
• Voller Tank nach dem Ansetzen der Hefe
• Hauptgärung
• Post-Fermentation
• Kühllagerung
• Fertiges Bier

Die Detektion erfolgte mittels SPME-GC-MS mit Derivatisierung auf der Faser.

Wichtige Bedingungen:

• Helium Trägergas
• Splitless-Injektion
• Programmierter Temperaturanstieg
• Elektronen-Ionisierung (70 eV)
• Qualitative Vollscan-Analyse + quantitative Analyse mit ausgewählten Ionen
• Externe Standardkalibrierung mit Biermatrix

2.2 Integrierte Detektion von Nicht-Aldehyd-Alterungsindikatoren

Enthaltene Verbindungen:

• Furfurylethyläther
• Acetylfuran
• Methylfurfural
• Benzaldehyd
• Ethylnikotinat
• Phenethylacetat
• γ-Nonalacton
• β-Damascenon

Diese repräsentieren verschiedene Reaktionswege der Alterung. Auch die Detektion verwendet  SPME-GC-MS-Headspace-Extraktion, mit ähnlichen chromatographischen und massenspektrometrischen Bedingungen. Zur Quantifizierung wurde eine externe Standardkalibrierung mit verbindungsspezifischen Ionen verwendet.

2 Ergebnisse und Analyse

2.1 Veränderungstrend der Alterungsaldehyde während des Brauens

Indem Sie den industriellen Brauprozess verfolgen, können Sie den Gehalt an Aldehyden im Alterungsprozess feststellen:

• Kaltwürze
• voller Tank nach dem Ansetzen der Hefe
• Hauptgärung
• Nach der Gärung
• Kühllagerung
• fertiges Bier

wurden analysiert.

Die Braubedingungen waren:

• Stammwürze: 13 °P
• Hefe-Ansetzrate: 1,0 × 10⁷ Zellen/mL
• Hauptgärung: 10 Tage
• Nach der Gärung: 12 Tage
• Kühllagerung: 13 Tage
• Fertiges Bier nach Verdünnung von kalt gelagertem Bier auf 8 °P

Der Vergleich der Aldehyde zwischen Kaltwürze- und Volltankproben ist in Abbildung 1, während die Veränderung während der Fermentation in Abbildung 2. Das Diagramm auf Seite 3 zeigt, dass die Aldehyde unmittelbar nach dem Ansetzen der Hefe stark abfallen und während der gesamten Gärung auf einem sehr niedrigen Niveau bleiben.

Aldehyde sind Abbauprodukte von Aminosäuren und werden normalerweise als Sauerstoffbelastungsindikatoren während der Lagerung. Sie können sich während der Lagerung bilden:

• Darren von Malz
• Einmaischen
• Würzekochen
• Sterilisation
• Lagerung

Sie können auch im fertigen Bier durch Oxidation höherer Alkohole entstehen.

Im Vergleich zur Würze sanken alle Aldehyde auf extrem niedrige Werte in der Volltankphase. Zum Beispiel:

• 2-Methylpropanal
• 2-Methylbutanal
• 3-Methylbutanal
• methional
• Phenylacetaldehyd

sind nach dem Ansetzen der Hefe deutlich gesunken.

Ungesättigte Aldehyde wie z.B.:

• trans-2-Nonenal
• Hexanal
• pentanal

stammen aus Abbau von ungesättigten Fettsäuren und werden üblicherweise als Indikatoren für die Frische von Rohstoffen. Diese Verbindungen können während der Bierlagerung durch enzymatische und nicht-enzymatische Lipidoxidation zunehmen.

Furfural, das durch Reaktionen zwischen Aminosäuren und reduzierenden Zuckern bei hohen Temperaturen entsteht, ist typischerweise ein Indikator für die thermische Belastung während des Brauens. Sein Gehalt nahm von der kalten Würze bis zur Volltankphase deutlich ab, und auch die Gesamtmenge der Aldehyde ging stark zurück.

Der starke Rückgang der Aldehyde nach dem Anstellen der Hefe ist hauptsächlich auf folgende Faktoren zurückzuführen die Reduktion von Aldehyden zu entsprechenden Alkoholen durch die Hefe während der frühen Gärung. Während der übrigen Fermentationsphasen blieben die Aldehydwerte niedrig und stiegen nur geringfügig durch die Verpackung und Sterilisation vor der endgültigen Bierbildung an.

Die Vitalität der Hefe und die Eigenschaften des Stammes spielen daher eine entscheidende Rolle für den Aldehydgehalt und die allgemeine Frische des Bieres. Neben der Fähigkeit, Aldehyde zu reduzieren, trägt die Hefe auch zu endogenen Antioxidantien bei, wie z.B.:

• Schwefeldioxid
• Glutathion
• Thiol-Proteine

und kann pro-oxidative Metallionen wie Eisen und Kupfer absorbieren.

2.2 Veränderungstrend der Alterungsindikatoren, die mit der integrierten Methode ermittelt wurden

Die Variation der Nicht-Aldehyd-Alterungsindikatoren während desselben Brauprozesses ist dargestellt in Abbildung 3 auf Seite 3, die Konzentrationskurven über verschiedene Fermentationsstufen hinweg zeigt. Das Diagramm zeigt, dass einige geschmacksbezogene Alterungsindikatoren während der Gärung deutlich zunehmen.

Phenethylacetat stieg während der Gärung stark an, was auf die steigenden Werte von:

• Essigsäure
• Phenethylalkohol

Sein fruchtiges Aroma ist ein positives Frische-Aroma im Bier. Nachdem er bei der kalten Lagerung einen Höhepunkt erreicht hatte, nahm er im fertigen Bier leicht ab.

Auch γ-Nonalacton, eine Lactonverbindung mit kokosnussartigem Aroma, stieg während der Gärung infolge des Fettsäurestoffwechsels der Hefe deutlich an. Obwohl es selbst nicht unangenehm ist, kann seine Süße die Wahrnehmung von Frische verringern und dient somit als Alterungsindikator. Synergistische Effekte zwischen γ-Nonalacton und trans-2-Nonenal können den Alterungsgeschmack intensivieren.

β-Damascenon, eine von Carotinoiden abgeleitete Carbonylverbindung mit fruchtigem Aroma, nahm während der Gärung leicht zu und steigt bekanntermaßen während der Bierlagerung weiter an.

Benzaldehyd und Methylfurfural verringerten sich zunächst aufgrund der Hefereduktion, stiegen aber während der Hochtemperatursterilisation in der Verpackung wieder an.

Andere Verbindungen – darunter:

• Furfurylethylether
• Acetylfuran
• Phenethylacetat-Ester (Spur)

zeigten nur geringe Schwankungen ohne klare Trends. Ethylnikotinat nahm leicht zu. Hefe kann Furfurylethylether nicht verstoffwechseln; daher kann der Zusatz von Hefe zwar die kartonartigen Alterungsaromen reduzieren, aber die lösungsmittelartigen Noten dieser Verbindung nicht beseitigen.

Acetylfuran, ein Produkt der Maillard-Reaktion, nimmt im Allgemeinen während der Lagerung zu und spiegelt die thermische Belastung wider, obwohl seine Konzentrationsänderung während des Brauens nicht offensichtlich ist.

Weitere Veränderungen der alterungsbedingten Verbindungen während der Fermentation

Während der Gärung, β-Damascenon zeigte einen leichten Anstieg, der von einer niedrigeren Anfangskonzentration auf ein höheres Niveau im fertigen Bier anstieg. Diese Verbindung gehört zu den von Carotinoiden abgeleiteten Carbonylverbindungen und weist ein fruchtiges Aroma auf; es ist bekannt, dass ihr Gehalt während der Bierlagerung weiter ansteigt.

Benzaldehyd und Methylfurfural sind ebenfalls Aldehydverbindungen. Ähnlich wie bei anderen Aldehyden nahm ihre Konzentration in der frühen Gärungsphase aufgrund der Hefereduktion ab. Während der Verpackungsphase, die zum fertigen Bier führt, verursachte die Hochtemperatursterilisation jedoch einen deutlichen Anstieg des Methylfurfurals.

Furfurylethylether, Acetylfuran, und Phenethylacetat-Ester zeigten nur geringe Schwankungen während der Gärung, ohne klare Tendenz zur Veränderung. Ethylnikotinat zeigte einen leichten Anstieg. Furfurylethylether selbst hat einen lösungsmittelähnlichen Geruch, und Experimente bestätigten, dass Hefe keine Fähigkeit zur Umwandlung dieser Verbindung besitzt. Daher kann die Zugabe von Hefe zwar die kartonartigen Alterungsaromen (wie trans-2-Nonenal) stark verbessern, aber die lösungsmittelartige Note, die durch Furfurylethylether verursacht wird, nicht beseitigen.

Ethylnikotinat und Ethylacetat gehören beide zu den Ethylestern. Ihre Konzentrationen sind während der Gärung relativ niedrig, können aber während der Lagerung aufgrund der Anwesenheit von reichlich Ethanol deutlich ansteigen.  Acetylfuran, ein Produkt der Maillard-Reaktion, nimmt während der Lagerung von Bier allmählich zu und steht in direktem Zusammenhang mit der thermischen Belastung; aufgrund seiner geringen Konzentration ist sein Veränderungstrend während des Brauens jedoch nicht offensichtlich.

Gesamtinterpretation der Auswirkungen der Fermentation auf die Alterungsindikatoren

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Prozess der Biergärung gekennzeichnet ist durch:

• Umfangreiche Hefereduktion von Aldehyden und
• Gleichzeitige Bildung von geschmacksaktiven Alterungsindikatoren wie
  • Phenethylacetat
  • β-Damascenon
  • γ-Nonalacton

Die Fähigkeit der Hefe, Aldehyde zu reduzieren, hängt ab von Belastungseigenschaften. Unter festen industriellen Belastungen,  Vitalität und physiologischer Zustand der Hefe direkt bestimmen:

• Aldehyd-Reduktionsvermögen
• Redoxpotential des fertigen Biers

Bei der Frischekontrolle von Bier, neben der Reduzierung:

• Sauerstoffbelastung
• thermische Belastung
• Gehalt an Übergangsmetallionen

Hefe-Management ist ein weiterer wichtiger Regulierungsfaktor. Jeder Vorgang, der die Vitalität der Hefe beeinflusst, hat Auswirkungen:

• Fähigkeit zur Aldehydreduktion
• Produktion von körpereigenen Antioxidantien
• Bildung von Alkohol-Ester-Aromastoffen

Ein unsachgemäßes Hefemanagement kann sogar zu einer Autolyse der Hefe führen und diese freisetzen:

• Eisen- und Kupfer-Ionen (pro-oxidative Faktoren)
• Fettsäuren (Vorläufer der Alterung)

die die Bierreifung beschleunigen.

Fazit

In dieser Studie wurde eine in unserem Labor entwickelte GC-MS Nachweismethode verwendet, um die Veränderung von 18 alterungsbedingten Verbindungen während des industriellen Brauprozesses zu verfolgen und deren Veränderungstrends während des Prozesses zu klären.

Die Ergebnisse zeigen, dass:

1. Hefe weist ein starkes Reduktionsvermögen auf
   • Aldehyde in der Würze werden in der frühen Gärphase stark reduziert
   • Ihr Gehalt bleibt während der anschließenden Gärung nahezu unverändert.
   • Die Vitalität des Hefestamms beeinflusst entscheidend die Aldehydverteilung im fertigen Bier
2. Phenethylacetat, eine repräsentative Verbindung für Frische-Aromen,
   • Wird in großen Mengen während der Fermentation produziert
3. γ-Nonalacton und β-Damascenon,
   • Als Stoffwechselprodukte der Hefe steigen sie während der Gärung deutlich an.
4. Andere nachgewiesene Verbindungen wie Furfurylethylether
   • Kein klares Variationsmuster zeigen

Insgesamt zeigt die Studie den kritischen Einfluss der Hefe auf die Alterungsindikatoren von Bier auf und verdeutlicht, wie wichtig es ist, das Hefemanagement zu verstärken, wodurch die Frischekontrolle in der industriellen Bierproduktion stark unterstützt wird.

Referenzen

Yin, H., Tian, Y., Hao, J., & Dong, J. (2013). Veränderungen von 18 Alterungsindikatoren während der Biergärung. Beer Science and Technology, 34(1), xx-xx.