Biotransformation von Hopfeninhaltsstoffen durch die Hefe

Beer does not make its­elf pro­per­ly by its­elf. It takes an ele­ment of mys­te­ry and of things that no one can understand.

Fritz May­tag

Bio­trans­for­ma­ti­on ist nicht zu Letzt durch den Bier­stil New Eng­land IPA zu einem der Buz­z­wör­ter unter Craft­brau­ern gewor­den. Dabei, wenn man es genau nimmt, lau­fen uns beim Brau­en stän­dig bio­trans­for­ma­to­ri­sche Pro­zes­se über den Weg, sagt doch der Begriff, der aus der Phar­ma­ko­lo­gie und Toxi­ko­lo­gie aus­ge­lie­hen ist, nichts anders aus als die che­mi­sche Modi­fi­ka­ti­on eines Stof­fes durch einen Orga­nis­mus. Der gesam­te Stoff­wech­sel der Hefe ist von sol­chen Vor­gän­gen bestimmt. Im enge­ren Sin­nen, meint der Brau­er damit aber die Wech­sel­wir­kung der Hefe mit bestimm­ten Hop­fen­in­halts­stof­fen, die durch eine enzym­ka­ta­ly­sier­te Hydro­ly­se zu neu­en, hoch aro­ma­ti­schen Ver­bin­dun­gen führt.

Stand der Forschung

Auch wenn es den Ein­druck macht, dass es sich beim The­ma Bio­trans­for­ma­ti­on von Hop­fen­in­halts­stof­fen durch die Hefe um den „neu­es­ten Scheiß“ der Craft­brau­er han­delt, ist das The­ma bereits seit unge­fähr 40 Jah­ren Gegen­stand der Forschung.

In den 1980ern wur­de das ers­te mal von For­schern eine Umwand­lung des Hop­fen­in­halts­stof­fes Gera­ni­ol zu ß‑Citronellol beob­ach­tet [1]. Um die Jahr­tau­send­wen­de beschäf­tig­ten sich dann For­scher inten­si­ver mit dem The­ma, um die Zusam­men­hän­ge zu ver­ste­hen, wie zum Bei­spiel Andrew King und Richard Dick­son im Jah­re 2002.

Sie konn­ten in Labor­ver­su­chen nach­wei­sen, dass sowohl unter­gä­ri­ge, als auch ober­gä­ri­ge Hefe in der Lage ist, Hop­fen Monoterpen­al­ko­ho­le zu ver­än­dern [2]. Wohl einer der bekann­tes­ten Ver­tre­ter die­ser Grup­pe ist das Lina­lool, das als Haupt­in­di­ka­tor­sub­stanz für die Hop­fen­no­te im Bier gilt. Inter­es­sant ist Lina­lool nicht zuletzt durch sei­nen sehr gerin­gen Geschmacks­schwel­len­wert von ledig­lich 1–2 ppb (parts per bil­li­on) [3].

Hat sich die For­schung am Anfang vor allem dafür inter­es­siert, wie das typi­sche Hop­fen­aro­ma sta­bi­li­siert wer­den kann, kam spä­ter die Fra­ge auf, wie sich die­ses Phä­no­men gezielt für hop­fen­aro­ma­ti­sche, gestopf­te Bie­re ein­set­zen lässt. Dazu kam, dass vie­le Craft­bie­re immer stär­ker gestopft wur­den, und eini­ge Craft­brau­er genau die­se Phä­no­me­ne bei Ihren Bie­ren beob­ach­te­ten, aber nicht deu­ten konnten.

Chad Yakobson vom Croo­ked Stave Arti­san Beer Pro­ject berich­tet zum Bei­spiel in einem Inter­view mit Clai­re Bul­len aus dem Jahr 2019 von einem India Bar­ley­wi­ne, den er 2009 bei Odell Brewing gebraut hat. Der Bar­ley­wi­ne war mit Ama­ril­lo ™ und Sim­coe ™ gestopft und mit dem Brettanomyces-​Stamm von Orval ver­go­ren. Das fri­sche Bier hat­te deut­li­che Orangen- und Kie­fer­naro­men, wäh­rend sich nach eini­ger Zeit ein inten­si­ves Laven­del­aro­ma breit mach­te [4].

Hopfenöle und Aroma

Hop­fen trägt in hohem Maße zum Bier­aro­ma bei. Beson­de­rer Auf­merk­sam­keit kommt dabei im Brau­pro­zess den Bit­ter­säu­ren und den flüch­ti­gen, äthe­ri­schen Ölkom­po­nen­ten zu.

Geht es um das typi­sche Hop­fen­aro­ma im Bier, so ste­hen neben den Bit­ter­säu­ren vor allem der Gesamt­öl­ge­halt, das Myr­cen, das Lina­lool, das Caryo­phyl­len, das Far­ne­sen, das Humu­lene und das Gera­ni­ol im Mit­tel­punkt des Inter­es­ses, obwohl Stu­di­en zei­gen, dass wohl min­des­tens 485 Hop­fen­in­halts­stof­fe an der kom­ple­xen Aro­ma­bil­dung betei­ligt sind. Neu­es­te Stu­di­en spre­chen gar von bis zu 1000 unter­schied­li­chen Hop­fen­kom­po­nen­ten [5].

Von die­sen über 400 iden­ti­fi­zier­ten, aro­ma­ti­schen Hop­fen­in­halts­stof­fen sind etwa zwei bis drei Dut­zend maß­geb­lich am Bier­aro­ma betei­ligt, wobei die Ter­pen­koh­len­was­ser­stof­fe β‑Myrcen, β‑Caryophyllen und α‑Humulen etwa 80% des Hop­fen­öls aus­ma­chen [6].

Shar­pe und Laws haben 1981 die ein­zel­nen Stoff­grup­pen und Sub­stan­zen des Hop­fen­öls wie folgt unter­teilt: [9]

Einteilung der Hopfenöle nach Sharpe und Laws

Abb. 1: Einteilung der Hopfenöle nach Sharpe und Laws

Die sen­so­ri­schen Ein­drü­cke der wich­tigs­ten Hop­fen­aro­ma­stof­fe wer­den so beschrieben[3] [6] [9] [10]:

Kom­po­nen­teAro­ma­be­schrei­bungSchwel­len­wert
Myr­cen„grün“, Harz30–1000 μm/​l
Humu­lenKie­fer, Holz, Kräuterk.A.
ß‑CaryophyllenHolz450 μm/​l
Far­ne­senBlü­ten, floralk.A.
Lina­loolFlo­ral, Orange20–80 μm/​l
Gera­ni­olFlo­ral, Rose, süß29–36 μm/​l
α‑TerpineolFlie­der, Nadelbaum2000 μm/​l
NerolFlo­ral, Limette500 μm/​l

Hopfenaroma im Sudhaus

Im Brau­pro­zess sind zwei unter­schied­li­che Anwen­dung des Hop­fens maß­geb­lich an der Aro­ma­bil­dung betei­ligt, wobei sich das dar­aus resul­tie­ren­de Aro­ma durch die tech­no­lo­gi­schen Unter­schie­de in der Anwen­dung unter­schei­det. Der ers­te mög­li­che Ein­satz des Hop­fens erfolgt im Heiß­be­reich des Sud­hau­ses. Hier liegt der tech­no­lo­gi­sche Fokus vor allem auf der Iso­me­ri­sie­rung der α‑Säure um die­se in der Wür­ze zu lösen und so, unter ande­rem, für die Bit­te­re im Bier zu sor­gen [7].

Dies geschieht erst bei Tem­pe­ra­tu­ren über 80°C. Bei einer Kochung unter Nor­mal­druck, also bei 100°C, erreicht die Iso­me­ri­sie­rung erst nach etwa vier Stun­den Ihr Maxi­mum [15].

Dem steht das Ver­hal­ten der hop­fen­aro­ma­ti­schen Öle gegen­über. Die­se sind meist hydro­phob, sehr schlecht in Wür­ze lös­lich und leicht flüch­tig [8]. Durch das Aus­damp­fen und die Adsorp­ti­on am Heiß­trub gehen wäh­rend der Kochung die flüch­ti­gen, hydro­pho­ben Hop­fen­aro­ma­stof­fe fast voll­stän­dig ver­lo­ren [12]. Die­sen Effekt kennt auch jeder Brau­er aus der Rea­li­tät: je län­ger Hop­fen gekocht wird, des­to bit­te­rer wird die Wür­ze aber des­to weni­ger hopfenaromatisch.

Hopfenaroma im Keller

Der zwei­te Zeit­punkt, bei dem Hop­fen ins Spiel kommt, kann im Kalt­be­reich sein, näm­lich beim Hop­fen­st­op­fen. Die­se ver­meint­lich neue Tech­nik der Craft­brau­er wur­de bereits 1687 von W.H. Hoh­berg in Geor­gi­ca curio­sa beschrie­ben – ist also gar nicht so neu wie man meint, nur für eini­ge Zeit aus der Mode gekom­men [13].

Beim Stop­fen dreht sich nun die Situa­ti­on um. Eine Iso­me­ri­sie­rung zur lös­li­che­ren Iso-​α-​Säure fin­det nicht mehr statt. Der wäh­rend der Gärung ent­stan­de­ne Alko­hol bewirkt aber durch sei­ne Alkyl­grup­pe, das sich unpo­la­re Stof­fe wie zum Bei­spiel Fet­te lösen. Durch sei­ne Hydro­xy­grup­pe auf der ande­ren Sei­te ist er in der Lage, sich in Was­ser zu lösen. Durch die was­ser­ähn­li­che Hydro­xy­grup­pe und den lipo­phi­len Koh­len­was­ser­stoff­rest ver­hält sich Etha­nol wie ein „Lösungs­ver­mitt­ler“.

Ist zum Bei­spiel Myr­cen in Was­ser prak­tisch unlös­lich (maxi­ma­le Lös­lich­keit 4,09mg/l bei 25°C [16]), gibt es Myrcen-​Alkohol-​Lösungen mit 1000mg/​l im Handel[17].

In einer 2012 ver­öf­fent­lich­ten Stu­die zum The­ma „Die Kalthop­fung – Unter­su­chung ver­schie­de­ner Para­me­ter“ wur­de unter ande­rem ana­ly­siert, in wel­cher Grö­ßen­ord­nung wäh­rend der Kalthop­fung unter­schied­li­che Hop­fen­in­halts­stof­fe im Bier in Lösung gehen. Dabei wur­de stell­ver­tre­tend die Zunah­me an α‑Säure, Myr­cen und Lina­lool unter­sucht. Die Zunah­me hängt natür­lich auch von der Kon­zen­tra­ti­on im Stopfhop­fen ab. In einer der Ver­suchs­rei­hen wur­de die Men­ge des Hop­fen über des­sen Gesamt­öl­ge­halt berech­net. Dosiert wur­den kon­stant 2g Gesamt­öl je hl. Unter­sucht wur­den sie­ben Hop­fen und gestopft wur­de ein IPA das vor dem Kalthop­fen fol­gen­de Para­me­ter auf­wies: [18]

Para­me­terWert
Stamm­wür­ze14,6%
Alko­hol­ge­halt5,6 Vol.-%
Bit­ter­ein­hei­ten32,0 IBU
Iso-​α-​Säuren29,0 mg/​l
α‑Säuren3,3 mg/​l
Lina­lool19,5 μg/​l
 Hop­fen Para­me­terZunah­me im Bier nach dem Stopfen
Hop­fen­sor­teDosie­rung g/​hl%- α‑Säure HopfenLina­lool μg/​g Hopfen%- α‑Säure mg/​lα‑Säure Zunah­me %Lina­lool μg/​lLina­lool Zunahme %
2008÷20÷0041709,831,22.884.849.2252.3
Pola­ris7019,625,62.060.623.0117.9
2009÷001÷7181708,65,23.8115.266.7342.1
Hal­lertau­er Blanc18610,828,83.6109.148.6249.2
Man­da­ri­na Bavaria1609,122,44.8145.550.8260.5
Bra­vo13018,140,85.5166.760.0307.7
US04195562,79,62.884.889.4458.5
Mit­tel­wert20611.223,43.6109.155.4284.1

Das heißt, die Kon­zen­tra­ti­on an α‑Säure wird durch das Stop­fen im Schnitt mehr als ver­dop­pelt und der Gehalt an Lina­lool ver­drei­facht sich fast. Dar­aus lässt sich die Aus­beu­te der bei­den Stof­fe wäh­rend des Stop­fens errechnen:

Hop­fen­sor­teAus­beu­te α‑Säure %Aus­beu­te Linalool %
2008÷20÷0041.792.8
Pola­ris1.5128.3
2009÷001÷7182.6754.5
Hal­lertau­er Blanc1.890.7
Man­da­ri­na Bavaria3.3141.7
Bra­vo2.3113.1
US04191.9167.5

Wäh­rend der Aus­beu­te­fak­tor der α‑Säure erwar­tungs­ge­mäß nied­rig aus­fällt, ver­wun­dert der Aus­beu­te­fak­tor von teil­wei­se über 100% beim Lina­lool. Eine Erklä­rung ist die enzy­ma­ti­sche Frei­set­zung von gly­co­si­disch gebun­de­nem Lina­lool [19]. Dabei wird durch das Hefe­enzym β‑Glucosidase die Hydro­ly­se der gly­co­si­di­schen Bin­dung eines nicht-​aromatischen Gly­co­sids kata­ly­siert, das zu Glu­ko­se und eben Lina­lool zer­fällt [20].

Abb. 2: Enzymatische Spaltung des Glycosids Linalyl durch β-Glucosidase der Hefe

Die­se Reak­ti­on erklärt zum einen die Zunah­me an aro­ma­ak­ti­ven Sub­stan­zen beim Stop­fen, wäh­rend die Hefe noch aktiv ist, zum ande­re aber auch den soge­nann­ten Hop-​Creep, also die plötz­lich wie­der stär­ker wer­den­de Gärung, die zum Bei­spiel zur Über­kar­bo­ni­sie­rung füh­ren kann.

The Good and the Bad

Obwohl eine noch akti­ve Hefe also anschei­nend Vor­tei­le beim Stop­fen bringt, steht dem ein ande­rer Effekt gegen­über. Der Effekt, den wir im posi­ti­ven Sin­ne beim Aus­trei­ben von Jung­bier­aro­ma­stof­fen nut­zen, die soge­nann­te Kohlendioxidwäsche.

Zu die­sem The­ma hat Dr. Kor­bi­ni­an Hasl­beck eini­ge Stu­di­en durch­ge­führt. Er hat dabei die Gär­ga­se wäh­rend des Kalthop­fens durch eine Was­ser­kas­ka­de aus 5 Zylin­dern mit jeweils 2,7l Was­ser gelei­tet. Im Anschluss dar­an wur­de das Was­ser auf den Gehalt an Lina­lool, β‑Myrcen, Ethyl­he­xa­no­at, Iso­a­myl­ace­tat und Sty­rol unter­sucht. Dabei konn­te er rela­tiv hohe Kon­zen­tra­tio­nen der Aro­ma­stof­fe nachweisen.

Sei­ne Stu­die zeigt auch, dass eine nicht uner­heb­li­che Men­ge die­ser Aro­ma­kom­po­nen­ten durch die Hefe absor­biert und mit der Hefe spä­ter ent­fernt wird [21]. Das heißt, wäh­rend eine akti­ve Hefe zwar die Bil­dung aro­ma­ak­ti­ver Sub­stan­zen för­dert, wer­den die­se auch im hohen Maße wie­der ausgetrieben.

Hopfenstopfen in der Praxis

Aus die­sen bei­den gegen­sätz­li­chen Effek­ten erge­ben sich eini­ge Anhalts­punk­te für die Praxis:

  • Das Stop­fen soll­te gegen Ende der Gärung statt­fin­den (fal­len­de Kräu­sen), um zwar die Bio­trans­for­ma­ti­on aus­nut­zen zu kön­nen, aber die Ver­lus­te durch das ent­ste­hen­de Koh­len­di­oxid zu minimieren
  • Der Alko­hol­ge­halt und damit das Lösungs­ver­mö­gen für Hop­fen­in­halts­stof­fe ist gegen Ende der Gärung höher
  • Gegen Ende der Gärung kann die Tem­pe­ra­tur erhöht wer­den, wodurch die Lös­lich­keit steigt, ohne Gefahr zu lau­fen uner­wünsch­te Gärungs­aro­men ins Bier zu bekom­men und ohne eine hef­ti­ge Koh­len­di­oxid­pro­duk­ti­on zu pro­vo­zie­ren (kochen­de Gärung), die ent­spre­chend viel Aro­ma aus­trei­ben würde.
  • Hop­fen mit vie­len Hop­fen­ölen verwenden
  • Hefen mit hoher β‑Glucosidase Akti­vi­tät verwenden

Abb. 3: β-Glucosidase Aktivität verschiedener Lallemand Hefen [21]

References

[1] Peacock, V. E.; Dein­zer, M. L.; Lik­ens, S. T.; Nicker­son, G. B.; McGill, L. A.: „Flo­ral hop aro­ma in beer”, J. Agric. Food Chem. 29 (6), 1981, S. 1265–1269

und

Seaton, J. C.; Moir, M.; Sug­get, A.: „The refi­ne­ment of hop fla­vour by yeast action”, Pro­cee­dings of the 17th Con­ven­ti­on of the Insti­tu­te of Brewing, Aus­tra­lia and New Zea­land Sec­tion, Perth, Aus­tra­lia, 1982, S. 117–124.

12. Lam, K. C.; Fos­ter II, R. T.; Dein­zer, M. L.: „Aging of hops and their con­tri­bu­ti­on to beer fla­vor”, J. Agric. Food Chem. 34 (4), 1986, S. 763–770.

[2] Andrew J King, J. R. (2003). Bio­trans­for­ma­ti­on of hop aro­ma ter­peno­ids by ale and lager yeasts. FEMS Yeast Rese­arch, Volu­me 3, Issue 1, 53–62.

[3] Takoi, Kiyo­shi. (2012). Aro­ma­ver­bin­dun­gen und der typi­sche geschmack von aromahophen-​neuzuechtungen.. Brau­welt. 152. 916–921.

[4] Goodbeerhunting.com, Janu­a­ry 2, 2019

[5] Kis­hi­mo­to, Toru, Dis­ser­ta­ti­on, Hop-​Derived Odo­rants Con­tri­bu­ting to the Aro­ma Cha­rac­te­ris­tics of Beer, Kyo­to Uni­ver­si­ty, Kyo­to, Japan, 2008

[6] Gra­ham Eyres, Jean-​Pierre Dufour, Edi­tor: Vic­tor Pree­dy, Hop Essen­ti­al Oil: Ana­ly­sis, Che­mi­cal Com­po­si­ti­on and Odor Cha­rac­te­ris­tics, Beer in Health and Dise­a­se Pre­ven­ti­on, Aca­de­mic Press, Cam­bridge, MA, USA, 2009

[7] Denis De Keu­ke­lei­re, Fun­da­men­tals of beer and hop che­mi­stry, Uni­ver­si­ty of Gent, Gent, Bel­gi­en, 1998

[8] Nils Rett­berg, Mar­tin Biendl, Leif-​Alexander Gar­be, Hop Aro­ma and Hop­py Beer Fla­vor: Che­mi­cal Back­grounds and Ana­ly­ti­cal Tools—A Review, Jour­nal of the Ame­ri­can Socie­ty of Brewing Che­mists, Volu­me 76 Issue 1, Ame­ri­can Socie­ty of Brewing Che­mists (ASBC), Saint Paul, MN, USA, 2018

[9] F.R. Shar­pe, D.R.J. Laws, The Essen­ti­al Oil of Hops – A Review, Jour­nal of the Insti­tu­te of Brewing, Insti­tu­te of Brewing and Distil­ling Volu­me 87, Issue 2, Lon­don, UK, 1981

[10] K. Sil­be­rei­sen, E. Krü­ger, B. Wag­ner, M. Forch, Ein­fluß eini­ger Hop­fen­öl­kom­po­nen­ten auf Geschmack und Aro­ma des Bie­res, Monats­schrift für Braue­rei, Aus­ga­be 21, Versuchs- und Lehr­an­stalt für Braue­rei, Ber­lin, 1968

[11] M. Moir, Hop aro­ma­tic com­pounds, Euro­pean Bre­we­ry Con­ven­ti­on, Mono­graph 22 Sym­po­si­um on Hops Zoe­ter­wou­de, Ver­lag Hans Carl, Nürn­berg, 1994

[12] W. Mit­te­rer, M. Biendl, D. Kalt­ner, Beha­viour of hop deri­ved aro­ma sub­s­tan­ces during wort boi­ling, Euro­pean Bre­we­ry Con­ven­ti­on Mono­graph 31 Sym­po­si­um on Fla­vour and Fla­vour Sta­bi­li­ty in Nan­cy, Ver­lag Hans Carl, 2001

[13] W.H. von Hoh­berg, Geor­gi­ca curio­sa, Ver­lag Micha­el und Johann Fried­rich End­ters seel. Erben, Nürn­berg, 1687

[14] Her­tel, M., Dil­len­bur­ger, M.: Mög­lich­kei­ten zur Erhö­hung der Bit­ter­stoff­aus­beu­te bei der Bier­be­rei­tung (Teil 2). Brau­welt, Ver­lag Hans Carl, Nürn­berg , 2009

[15] M. Biendl, B. Engel­hard, A. Fors­ter, A. Gahr, A. Lutz, W. Mit­ter, R. Schmidt, C. Schön­ber­ger, Hop­fen: Vom Anbau bis zum Bier, Ver­lag Hans Carl, Nürn­berg, 2012

[16] Yal­kow­sky, S.H., He, Yan, Jain, P. Hand­book of Aque­ous Solu­b­i­li­ty Data Second Edi­ti­on. CRC Press, Boca Raton, FL, USA, 2010

[17] beta-​Myrcen Solu­ti­on 1000 ug/​mL, Tho­mas Sci­en­ti­fic, Swe­des­bo­ro, NJ 08085, U.S.A.

[18] W. Mit­ter, S. Cocuz­za, Die Kalthop­fung – Unter­su­chung ver­schie­de­ner Para­me­ter, Aus­wir­kun­gen durch die Art der Ein­brin­gung, Brau­in­dus­trie, Ver­lag W. Sachon, Aus­ga­be 11, 2012

[19] D. Kalt­ner, Dis­ser­ta­ti­on Brau­we­sen, Unter­su­chun­gen zur Aus­bil­dung des Hop­fen­aro­mas und tech­no­lo­gi­sche Maß­nah­men zur Erzeu­gung hop­fen­aro­ma­ti­scher Bie­re, Tech­ni­sche Uni­ver­si­tät Mün­chen, Lehr­stuhl für Tech­no­lo­gie der Braue­rei I, Wei­hen­ste­phan, 2000

[20] C. Rice, T. Fisch­born, S. van Zan­dy­cke, J. Mon­ta­sell, Best Prac­ti­ces Botransformation- The Impor­t­ance of Yeast in Dry­hop­pint, Lal­le­mand, 2015

[21] Kor­bi­ni­an Hasl­beck, Flüch­ti­ge Hop­fen­aro­ma­stof­fe im Brau­pro­zess, Brau­welt, Ver­lag Hans Carl, Nürn­berg, Nr. 40–41, 2018

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