Gärungsprozesse
Bild vergrößern
(nur auf CD-ROM)
Sudkessel in einer
Brauerei
Unter einer Gärung
versteht man die Umwandlung von organischen Stoffen durch Enzyme oder Mikroorganismen.
Dabei wandeln sich die Stoffe zu Verbindungen mit einfacherem Molekülbau
um. Es existieren verschiedene Gärungsformen, die nach dem entstehenden
Produkt benannt werden. Die Gärung ist wie die Atmung ein Stoffwechselvorgang,
der Energie frei setzt. Im Gegensatz zur Atmung werden die Kohlenhydrate
jedoch nicht vollständig zu Wasser und Kohlenstoffdioxid abgebaut.
Im menschlichen Darm vergären spezielle Bakterien die unverdauten
Kohlenhydrate. Die dabei entstehenden Gase, z.B. Schwefelwasserstoff
und Kohlenstoffdioxid, können Blähungen
und Schmerzen verursachen. Auch die
Erzeugung von Biogas durch Methanbakterien
ist ein Gärungsprozess.
Alkoholische
Gärung
Das Prinzip der Herstellung
von trinkbarem Alkohol ist schon seit dem Altertum
bekannt. Die alkoholische Gärung findet überall in der Natur
statt, wenn aufgeplatztes Obst oder süße Säfte bestimmten
Bedingungen ausgesetzt werden. Bei technischen Prozessen muss das Ausgangsmaterial
oft zuerst verzuckert werden. Bei der Bierherstellung werden Gerstenkörner
zunächst einer Quellung und Keimung ausgesetzt. Vorhandene Enzyme
(Amylasen) wandeln dabei die Stärke in Zucker um. Auf diese Weise
erhält man das zuckerhaltige Malz, das die Bierhefen vergären
kann.
Bild vergrößern
(nur auf CD-ROM)
Verschiedene Malzsorten
zur Bierherstellung
Die Vergärung von
Zuckern (Glucose, Fructose,
Maltose) zu Ethanol wird von Hefepilzen
und Hefeenzymen gesteuert. Diese kommen praktisch überall in der Luft
vor. Bei der Bierherstellung werden sie zusätzlich hinzugefügt.
Gärungen können bei unterschiedlichen Temperaturen stattfinden.
Vereinfacht lässt sich die alkoholische Vergärung von Traubenzucker
mit Hilfe der Hefepilze so darstellen:
Glucose 
Ethanol + Kohlenstoffdioxid
C6H12O6
2 C2H5OH +
2 CO2 DH
= -105kJ/mol
Das entstehende Ethanol
ist ein Produkt einer relativ komplizierten chemischen Reaktion mit zahlreichen
Zwischenschritten. Zunächst wird der Traubenzucker in zehn verschiedenen
Schritten zu Brenztraubensäure umgewandelt. Diese reagiert unter Abspaltung
von Kohlenstoffdioxid wieder in mehreren
Zwischenschritten zu Ethanal, das dann schließlich zu Ethanol reduziert
wird:
Das entstehende Kohlenstoffdioxid
bewirkt ein Aufschäumen während der Gärung. Bei der Bierherstellung
verfärbt sich dieser Schaum durch Verunreinigungen nach und nach bräunlich.
Danach unterzieht man das Produkt noch einer Nachgärung, die bis zu
4 Monaten dauern kann, während die Hauptgärung nach 8-10 Tagen
abgeschlossen ist. Bei obergärigen Bieren findet die Gärung bei
12-15°C statt, bei untergärigen Bieren bei 5-10°C.
Bild vergrößern
(nur auf CD-ROM)
Schaumbildung bei
der Bierherstellung
Bei der Weinherstellung
werden die Trauben zunächst zu einem Brei zerquetscht. Man erhält
eine "Maische", die je nach Weinsorte gepresst oder von den Hülsen
und Schalen befreit wird. Der gepresste Traubensaft wird als "Most" bezeichnet.
Er gelangt in großen Behältern zur Gärung. Die meist metallenen
Behälter sind oben luftdicht mit einem wassergefüllten Gährrohr
verschlossen, so dass das entstehende Kohlenstoffdioxid entweichen kann.
Nach der Haupt- und der Nachgärung wird der entstandene Wein von der
Maische abgetrennt und nach einer Schwefelung für längere Zeit
unter Luftabschluss bei 10-15°C gelagert. Bei dieser "Kellerbehandlung"
entwickelt der Wein sein erwünschtes Aroma.
Die Menge an gebildetem
Ethanol hängt vom Zuckergehalt der Ausgangslösung und von der
Alkoholkonzentration ab, die die Hefeenzyme gerade noch ertragen können,
ohne die Gärung einzustellen. Daher können Biere mit einem Alkoholgehalt
von mehr als 6 Volumenprozent und Weine mit mehr als 16% Alkohol nicht
mehr durch Gärung hergestellt werden. Eine Konzentration des Alkohols,
z.B. bei der Herstellung eines Weinbrandes, erhält man durch Destillation.
Milchsäuregärung
Seit der Mensch sich
mit Milch von Haustieren ernährt, verwendet er die Milchsäuregärung
zur Herstellung von Milchsäure,
bzw. saurer Milch und deren Produkten. Bekannte Beispiele sind Joghurtprodukte
und Sauerkraut. In der Milch kommen Milchsäurebakterien vor, die unter
dem Mikroskop ihre Form erkennen lassen: Es sind kugelförmige Kokken
oder dünne Stäbchen mit einer Größe von 0,5-0,8µm.
Sie sind nicht zur Atmung fähig, und sie leben anaerob, d.h. ohne
Sauerstoff. Sie sterben aber nicht ab, auch wenn sie mal dem Sauerstoff
ausgesetzt werden. In reinem Zucker vermehren sich Milchsäurebakterien
nicht, sie benötigen dafür die Zufuhr von Vitaminen und Aminosäuren.
Sie kommen in der Milch und Milchprodukten vor, sowie auf Pflanzen, im
Darm und in den Schleimhäuten des Menschen.
Der Prozess der Milchsäuregärung
entspricht den Schritten der alkoholischen Gärung bis zur Brenztraubensäure.
Milchsäurebakterien besitzen das Enzym Pyruvatdecarboxylase nicht.
Der zuvor angefallene Wasserstoff reagiert mit Hilfe von NAD (Nicotinamid-adenin-dinucleotid)
mit der Brenztraubensäure, die sich dabei zu Milchsäure umwandelt:
Manche Bakterien erzeugen
die optisch rechtsdrehende L(+)-Milchsäure, andere dagegen nur die
linksdrehende D(-)-Milchsäure. In der Regel erhält man jedoch
ein Gemisch beider Milchsäuren, das als Racemat bezeichnet wird (Näheres
unter >Milchsäure). Durch den
gezielten Einsatz von Milchsäurebakterien erhält man Buttermilch,
saure Sahne, Sauerrahmbutter, Dickmilch und Joghurt.
Bild vergrößern
(nur auf CD-ROM)
Bei der milchsauren
Vergärung werden Gurken in eine Salzlösung eingelegt,
wobei durch einen
Gärprozess Milchsäure und geringe Mengen an Essigsäure entstehen.
Sauerteig
Bei den flachen Fladenbroten
wird der Teig ohne vorhergehende Gärung zu flachen Formen geformt
und gebacken. Im Gegensatz dazu bilden bei Sauerteigen Milchsäurebakterien
während des "Gehen-lassens" des Teigs aus verzuckerter Stärke
Milchsäure (auch geringe Mengen an Essigsäure und Ethanol). Das
dabei entstehende Kohlenstoffdioxid lässt den Teig aufquellen. In
einem gut gehenden Teig werden pro Kilogramm Teigmasse 3,5 Liter Kohlenstoffdioxid
gebildet. Durch verschiedene Zusätze (Milch, Zucker, Öl) versucht
man, ein Brot mit bestimmten Eigenschaften herzustellen. Dieses zielgerichtete
Vorgehen bei einer Gärung wird als Fermentation
bezeichnet. Während des Brotbackens entweichen die flüchtigen
Bestandteile wie Ethanol und Kohlenstoffdioxid und lassen den Teig weiter
aufquellen, so dass man die gewünscht Porösität des Brotes
erreicht. Durch die Hitze bilden sich die typischen Brot-Aromastoffe. Dabei
wird auch ein großer Teil der Stärke in Zucker umgewandelt,
der unter der Hitze teilweise karamelisiert und die braune Rinde ausbildet.