Das liebste Getränk der Deutschen ist schon seit Tausenden Jahren bekannt. Schon bei den Ägyptern galt Bier als Volksgetränk und wurde auch den Sklaven als Nahrungsmittel ausgeschenkt. Bei den alten Germanen wurde vor jeder Versammlung Bier getrunken, da man annahm, dass die alkoholisierende Wirkung des Bieres der Redseeligkeit und der Wahrheitsfindung diente (Bild 1).
Der Brauvorgang selbst dürfte eher zufällig entdeckt worden sein. Denkbar wäre, dass feuchtes Brot in einem Tongefäß vergessen und später der entstandene Brei verkostet wurde. Zum Erstaunen stellte man eine berauschende Wirkung dieses süß-säuerlich schmeckenden Breies fest. Wahrscheinlich haben Wildhefen den Gärvorgang initiiert. Dieser Prozess könnte dann verändert und verbessert worden sein. Die Brot-Biere waren trübe, enthielten noch keinen Hopfen und waren nur begrenzt haltbar.
Die Bierherstellung wurde vor allem in Klöstern weiterentwickelt und dafür die verschiedensten Rohstoffe verwendet. Aufgrund der wahllos zusammengestellten Zutaten, deren sich die Brauer bedienten, erließ 1516 der Herzog Wilhelm IV. von Bayern das Deutsche Reinheitsgebot. In dieser ältesten Lebensmittelverordnung der Welt schützt der Herzog nicht nur die bayerischen Biertrinker vor allerlei obskuren Zutaten, sondern regelt auch den Preis, zu dem die Brauer das Bier maximal verkaufen dürfen: "… Wo aber einer nicht Märzen - sondern anderes Bier brauen oder sonstwie haben würde, soll er es keineswegs höher als um einen Pfennig die Maß ausschenken und verkaufen. Ganz besonders wollen wir, dass forthin allenthalben in unseren Städten, Märkten und auf dem Lande zu keinem Bier mehr Stücke als allein Gersten, Hopfen und Wasser verwendet und gebraucht werden sollen. Wer diese unsere Androhung wissentlich übertritt und nicht einhält, dem soll von seiner Gerichtsobrigkeit zur Strafe dieses Fass Bier, so oft es vorkommt, unnachsichtlich weggenommen werden."
Erst 1876 klärte der französische Wissenschaftler LOUIS PASTEUR (Bild 2) in seinem Werk "Etudes sur la biere" die biochemischen Vorgänge der Bierherstellung auf. Er konnte nachweisen, dass für den alkoholischen Gärprozess Hefen verantwortlich sind. Später erkannte EDUARD BUCHNER (1860 -1917), dass die von den Hefen produzierten Enzyme eine Schlüsselrolle bei der alkoholischen Gärung spielen.
Nach dem bis heute gültigen Reinheitsgebot dürfen zur Bierherstellung
nur Gerste, Wasser, Hopfen und die später dazugekommene Hefe als
Rohstoffe zur Bierherstellung verwendet werden. Heute existieren in Deutschland
über 5 000 verschiedene Biersorten, die sich alle nur in Menge,
Verarbeitung und Qualität ihrer Zutaten unterscheiden dürfen.
Die Technik des Bierbrauens von der Gerste bis zum Bier als "Gerstensaft"
umfasst weit mehr als den Prozess der alkoholischen Gärung (Bild
9, siehe unten), kann aber trotzdem im Chemieunterricht anschaulich nachgestellt
werden.
Von der Gerste zu Maische
Ein Gerstenkorn besteht aus der Frucht-
und Samenschale, der Aleuronschicht, dem Nährgewebe und dem Keimling.
Frucht- und Samenschale dienen dem Korn als Schutz. Die Aleuronschicht
enthält Eiweiße, Fette, Mineralsalze und Vitamine. Das Nährgewebe
liefert dem Keimling die nötige Energie zum Wachstum (Bild 3).
Das Nährgewebe (ca. 85 %) ist mit Stärkekörnchen angefüllt.
Zwischen der Stärke befinden sich Eiweiße sowie geringe Mengen
löslicher Zucker, Fette und 0,3 bis 0,5 % Mineralsalze. Stärke
gehört zu den Kohlenhydraten (Zuckern) und kann mit Iod-Kaliumiodid-Lösung
nachgewiesen werden.
Experiment 1
Aufgabe:
Weise Stärke im Gerstenkorn nach.
Vorbereitung:
Geräte: Mörser mit Pistill, Objektträger,
Deckgläschen, Filterpapier, Pipette
Chemikalien: Iod-Kaliumiodid-Lösung, Wasser,
Gerstenkörner
Durchführung:
Zermörsere einige Gerstenkörner, bis du ein feines Schrot erhältst
und füge etwas Wasser hinzu. Gib mit der Pipette einen Tropfen des
Gemisches auf einen Objektträger und lege ein Deckgläschen darauf.
Um die Strukturen der Stärke besser erkennbar zu machen, färbe
das Präparat mit Iod-Kaliumiodid-Lösung an. Dazu pipettierst
du einen Tropfen der Färbelösung an den Rand des Deckgläschens
und saugst den Tropfen mithilfe von Filterpapier durch das Präparat.
Beobachtung und Auswertung:
Notiere deine Beobachtungen (Bild 4) und fertige ein farbiges mikroskopisches
Bild der Stärkekörner an.
Fügt man einer Stärkelösung Hefe zu, so wird man feststellen,
dass die Hefe keine Gärtätigkeit entwickelt. Stärke kann
also nicht direkt zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid vergoren werden. Die
Ursache liegt im Bau der Stärkemoleküle (Bild 5). Stärke
ist ein Vielfachzucker, dessen Moleküle aus vielen Baueinheiten von
Glucose (Traubenzucker, Bild 5) bestehen.
Der Vielfachzucker muss erst in kleinere Baueinheiten aus zwei Glucosebausteinen
zerlegt werden, damit er mit der Hefe reagieren kann. Im Getreide sind
Enzyme vorhanden, die Stärke zu
einem vergärbaren Zweifachzucker, der Maltose
(Malzzucker, Bild 5) abbauen können. Diese chemische Reaktion lässt
sich durch folgendes Experiment nachweisen.
Experiment 2
Aufgabe:
Vergleiche Malz und Gerste auf ihren Malzzuckergehalt.
Vorbereitung:
Geräte: 2 Mörser mit Pistill, Löffel,
3 Reagenzgläser, Reagenzglasständer, Reagenzglasklammer, Bunsenbrenner,
Vierfuß mit Ceranplatte, Becherglas, Schutzbrille
Chemikalien: Malzzucker (Maltose), Gerste,
Malz, fehlingsche Lösung I und II, Wasser
Durchführung:
Gib in einen Mörser einen Löffel voll Gerste, in den anderen
einen Löffel Malz. Zerkleinere beides mit Hilfe der Pistille.
Gib anschließend eine Spatelspitze des Malzzuckers in Reagenzglas
1, eine Spatelspitze des Gerstenmehls in Reagenzglas 2 und eine Spatelspitze
des Malzmehls in Reagenzglas 3.
Nun fülle in jedes Reagenzglas jeweils ca. 2 cm hoch fehlingsche
Lösung I und II ein und erhitze anschließend vorsichtig im
Wasserbad (Schutzbrille aufsetzen!).
Beobachtung und Auswertung:
Notiere deine Beobachtungen (Bild 6) und erkläre sie. Erstelle ein
Fließschema, das den Abbau der Stärke bis zum Ethanol bei der
Bierherstellung wiedergibt.
Mit der Hefe zur Gärung
Der Abbau von Stärke zu Maltose geschieht in der Mälzerei und
ist der erste Schritt der Bierherstellung. Das Malz
wird getrocknet und an die Brauerei geliefert. Hier wird es zu Schrot
gemahlen und mit Wasser zur Maische
vermischt (Bild 9, siehe unten).
Der wasserlösliche Malzzucker aus der Maische muss nun vergoren werden.
Dazu filtriert man die Maische und fügt Hopfen zum Filtrat, dass
der Brauer Würze nennt. Als fester
Rückstand bleibt sogenannter Treber zurück, der als Kraftfutter
für Schweine genutzt wird. Die Würze versetzt man anschließend
mit Hefe,
um die Kohlehydrate zu vergären. Die Bierhefen (Saccharomyces
cerevisiae und Saccharomyces carlsbergensis)
gehören zu den Sprosspilzen. Dabei handelt es sich um einzellige,
kugelige Pilze von 5 bis 15 pm Größe. Im Lichtmikroskop lassen
sie kaum Details erkennen. Erst durch Anfärben mit spezifischen Farbstoffen
werden die Zellbestandteile sichtbar.
Experiment 3
Aufgabe:
Fertige ein mikroskopisches Bild der Hefe an.
Vorbereitung:
Geräte: Mikroskop, Objektträger,
Deckgläschen, Pipette, Becherglas (50 ml), Spatel
Chemikalien: Trockenhefe, lauwarmes Wasser,
Traubenzucker
Durchführung:
Gib eine Spatelspitze Trockenhefe und dieselbe Menge Traubenzucker in
das Becherglas. Fülle es zur Hälfte mit Wasser auf und rühre
gut um.
Gib einen Tropfen der Suspension auf einen Objektträger, setze ein
Deckgläschen rauf und betrachte das Präparat unter dem Mikroskop.
Beginne mit der kleinsten Vergrößerung.
Beobachtung und Auswertung:
Notiere deine Beobachtungen (Bild 7). Versuche, eine Zellteilung zu erkennen
und beschreibe den Vorgang.
Die Hefezellen enthalten bzw. produzieren selbst verschiedene Enzyme,
die den biochemischen Abbau von Maltose zu Glucose und die Vergärung
der Zucker ermöglichen bzw. beschleunigen. Auf diese Weise können
Hefezellen die Energie für Wachstum und Vermehrung gewinnen, wenn
kein Sauerstoff zur Verfügung steht.
In Gegenwart von Sauerstoff (unter aeroben Bedingungen, z. B. an der Luft)
bauen Hefen Kohlenhydrate durch Atmung
vollständig zu Kohlenstoffdioxid und Wasser ab:
Bei der Atmung werden die Hefeenzyme nicht benötigt. Steht jedoch kein Sauerstoff zur Verfügung (anaerobe Bedingungen), dann stellen die Hefezellen ihren Stoffwechsel um. Unter Beteiligung der Enzyme erfolgt nur ein unvollständiger Abbau von Traubenzucker durch alkoholische Gärung zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid (Bild 8).
Die Gärung ist wie die Atmung ein exothermer
Prozess. Zwar wird bei der Gärung ein deutlich geringerer Energiegewinn
erzielt (2 ATP statt 18 ATP), aber der Zelle dadurch das Überleben
unter Sauerstoffausschluss ermöglicht.
Der Alkohol (Ethanol) kann von den Hefezellen nicht weiter verarbeitet
werden und wird ausgeschieden. Dabei vertragen sie nur einen Alkoholgehalt
von ungefähr 15 %, da Ethanol auch für Hefezellen giftig
ist und diese bei höheren Konzentrationen absterben.
Der Verlauf des Gärprozess ist von mehreren Reaktionsbedingungen
abhängig. Das folgende Experiment zeigt die Temperaturabhängigkeit
der alkoholischen Gärung
Experiment 4
Aufgabe:
Triff eine Voraussage zur Temperaturabhängigkeit der Gärung
und überprüfe deine Vermutung experimentell.
Vorbereitung:
Geräte: 3 Gärröhrchen nach EINHORN,
3 Bechergläser (50 ml), Spatel
Chemikalien: Trockenhefe, Wasser, Traubenzucker
Durchführung:
Gib zwei Spatelspitzen Trockenhefe und zwei Spatelspitzen Traubenzucker
in jedes der drei Bechergläser. Fülle jeweils zur Hälfte
mit Wasser auf und rühre gut um. Befülle jeweils ein Gärröhrchen
mit der Suspension. Stelle einen Ansatz in den Kühlschrank (ca. 10
°C), einen in den Trockenschrank (40°C) und einen auf die Fensterbank
(ca. 20 °C).
Beobachtung und Auswertung:
Notiere deine Beobachtungen in der nächsten Chemiestunde und erkläre
sie. Wurde deine Voraussage bestätigt?
Technologie der Bierherstellung
Der allgemeine technologische
Ablauf der Bierherstellung ist in Bild 9 dargestellt: Das in der Mälzerei
produzierte Malz wird zuerst in einer Schrotmühle zerkleinert (Schroten).
Bei der Einmaischung wird das geschrotete
Malz mit dem Brauwasser bei einer Temperatur von 35°C bis 50°C
unter ständigem Rühren in der Maischpfanne vermischt.
Bei dieser Temperatur erfolgt der Eiweißabbau. Die Dauer und Temperatur
ist entscheidend für die Klärung, die Schaumbildung und die
Vollmundigkeit des Bieres. Dann erhöht man die Temperatur auf 60
bis 74 °C , um die verbleibende Stärke zu Malzzucker (Maltose)
abzubauen. Durch eine Temperaturerhöhung auf 78°C wird die Stärke
vollständig in Maltose umgewandelt.
Als Läutern bezeichnet der Brauer
die Trennung (Filtrierung) des festen Malzschrotes (Treber) von der verbleibenden
Flüssigkeit (Würze). Die noch heiße Würze
wird je nach Bierart mit unterschiedlichen Mengen Hopfen vermischt und
gekocht. Anschließend filtriert man die gehopfte Würze, um
diese von den entstandenen Trübstoffen zu trennen.
Zur Gärung wird die gehopfte Würze
auf die je nach Biersorte notwendige Gärtemperatur abgekühlt
und mit entsprechender Bierhefe versetzt. Die Gärung dauert ca. eine
Woche. Zur Nachreifung lagert die Brauerei
das fertige aber noch junge Bier 4 bis 5 Wochen in großen Tanks.
Danach wird es noch einmal gefiltert, in Fässer bzw. Flaschen abgefüllt
und verkauft.