Gärungsprozesse
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.
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
durch folgende Reaktionsgleichung beschreiben:
Glucose (Traubenzucker) ---Hefeenzyme--->
Ethanol + Kohlenstoffdioxid
C6H12O6
---Hefeenzyme---> 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.
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.
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.
