Der Brauprozess kann in zwei Teile unterteilt werden: der aktive und passive Part (aktiv bzw. passiv bezogen auf den Brauer selbst). Nach dem der Brauer die Hefe in die Würze gegeben hat, kann er sich zurücklehnen. Nun kann er nichts mehr machen außer warten. Warten, dass die Hefe arbeitet und aus Zucker Alkohol macht.

Hefe, Yeast, Zuckerpilz: Saccharomyces.

Bei Hefen im Allgemeinen handelt es sich um einzellige Organismen, die keine Art der Schutzform wie z. B. Haut besitzen. Dafür sind sie aber in der Lage sich schnell zu vermehren. Sie sind gerade mal 5 bis 10 µm groß. Sie sind rund bis eiförmig. Es gibt an die 500 verschiedenen Stämme. Als Brauhefe wird primär Saccharomyces (zu deutsch: Zuckerpilz) eingesetzt. Saccharomyces cerevisiae und Saccharomyces pastorianus sind die Brauhefen für obergärige bzw. untergärige Biere.

Metabolismus

Aber genug von diesen Eckdaten, gehen wir gleich zum wichtigsten Teil über, der Metabolismus. Denn hier passiert das, was so unheimlich wichtig ist für den Charakter des Bieres: es entstehen Alkohol, Aromen und Geschmack. Doch wie genau läuft die Alkoholherstellung ab? Wie wird aus Zucker Alkohol?

Zucker ist nicht gleich Zucker

Während des Maischen wird Stärke zu Zucker umgesetzt (dazu gibt es demnächst auch einen Beitrag). Zucker ist allerdings nicht gleich Zucker. So gibt es Glucose, Fructose, Maltose und und und… Glucose und Fructose sind sogenannte Einfachzucker. Maltose ist ein Zweifachzucker (siehe Abbildung 1). Einfachzucker bestehen vereinfacht gesagt aus einem Baustein. Mehrfachzucker bestehen aus mehreren Bausteinen.

Zucker ist nicht gleich Zucker
Abbildung 1: Zucker ist nicht gleich Zucker – Einfachzucker: Glucose und Fructose, Zweifachzucker: Maltose
Wie aus Zucker Alkohol wird in 2 Schritten

Wenn die schlafenden Hefezellen in die Würze kommen, versuchen sie als erstes jeden verfügbaren Sauerstoff zu bekommen, um sich zu revitalisieren. Denn erst dann können sie Nährstoffe und Zucker, wie Maltose, aufnehmen. Maltose besteht aus zwei Glucosebausteinen und wird im initialen Schritt der Alkoholherstellung gespaltet. Dies ist eine enzymatische Reaktion (Enzym: Maltase) in der Hefe und resultiert in zwei Glucoseeinheiten. Die entstandene Glucose kann dann in zwei Schritten zum Alkohol (Ethanol) umgesetzt werden.


1. Schritt:

Der erste Schritt ist eine Reihe an biochemischen Reaktionen, die im Cytoplasma (Grundstruktur der Zelle) der Hefezelle stattfinden. Dabei wird Glucose über mehrere Schritte (Glykolyse) zu einem Zwischenprodukt (Pyruvat) abgebaut. Von hier aus gibt es nun zwei Varianten, welche die Hefe wählen kann. Die Entscheidung ist abhängig vom Sauerstoffgehalt.

2. Schritt 
SAUERSTOFF VORHANDEN: aerobe Atmung

Gibt es viel Sauerstoff (aerobe Bedingung) wird das gebildete Zwischenprodukt (Pyruvat) weiter in das Kraftwerk der Zelle (Mitochondrium) transportiert. Das Zwischenprodukt wird hier zu Kohlenstoffdioxid und Wasser gespaltet. Zusätzlich entsteht bei diesem biochemischen Prozess sehr viel für die Zelle speicherbare Energie.

Dieser Ablauf ab der Glucose bis zum Kohlenstoffdioxid nennt sich auch aerobe Atmung. Dieser Abbau ist eine in viele kleine Einzelschritte zerlegte Redoxreaktion – also eine Elektronenumverteilung. Dadurch gewinnt die Zelle die maximale Energie aus einem Molekül Glucose. Maximaler Energiegewinn ist aus der Sicht der Hefezelle das Hauptziel. Allerdings entsteht bei der aeroben Atmung kein Alkohol.

WENIG SAUERSTOFF VORHANDEN: Anaerobe Ethanolherstellung

Alkohol (Ethanol) entsteht während der zweiten Möglichkeit. Ist nicht genügend Sauerstoff (anaerobe Bedingungen) vorhanden, geht die Hefezelle in den Überlebensmodus. Unter anaeroben Bedingungen verbleibt das gebildete Zwischenprodukt (Pyruvat) im Cytoplasma. Der Weg vom Zwischenprodukt zum Alkohol ist eigentlich ein zweistufiger Schritt. Als Zwischenstopp entsteht ein für die Zelle giftiges Molekül, welches sofort zu Ethanol abgebaut wird. Bei diesem Abbau – Reduktion genannt – werden Elektronen umverteilt. Ethanol ist ein Molekül, welches Elektronen aufgenommen hat. Diese Elektronen kamen von einem Elektronendonor – NADH. So entsteht neben Ethanol nicht nur Kohlenstoffdioxid, sondern auch der Elektronenakzeptor NAD+. Akzeptor heißt, dass dieses Molekül in der Lage ist bei einer Anschlussreaktion Elektronen aufzunehmen. Diese Eigenschaft ist notwendig, um den Glucoseabbau von vorn zu beginnen. Die Zelle recycelt quasi den Elektronenakzeptor und benutzt ihn für die nächste Runde Glucoseabbau.

Kurzum: Dieser beschriebene Weg wird eingeschlagen, wenn wenig Sauerstoff zur Verfügung steht. Die Zelle will überleben und braucht dazu Energie. Maximale Energie bekommt sie durch den Abbau von Glucose und anschließender aeroben Atmung. Steht nicht genügend Sauerstoff zur Verfügung geht die Zelle in einen Überlebensmodus. Dabei wird Ethanol und etwas Energie (~8%) gebildet. Neben Ethanol und Energie wird auch ein Elektronenakzeptor zurückgewonnen. Diesen nutzt die Zelle, um eine neue Runde des Glucoseabbaus zu starten.

Damit ist die Zelle nicht sonderlich glücklich, aber sie „humpelt so durchs Leben“.

Zusammenfassung
Abbildung 2: Auszug aus Hefemetabolismus unter aeroben und anaeroben Bedingungen.
Wieso entsteht überhaupt Ethanol bei der Bierfermentation?

Diese Frage ist sehr berechtigt, da die Fermentation ja nicht unbedingt unter Sauerstoffmangel stattfindet. Es gibt den sogenannten Crabtree-Effekt, den sich der Brauer zu Nutze macht. Hauptbestandteil der Würze nach dem Hopfenkochen ist ja Maltose. Nach dessen Spaltung steht also viel Glucose zur Verfügung (mehr als 100mg/L). Die Glucosekonzentration ist also hoch. Bestimmte Proteine, die für die aerobe Atmung notwendig sind, können bei einer so hohen Glucosekonzentration nicht gebildet werden. Dadurch kann Glucose nicht zu Kohlenstoffdioxid oxidiert werden, sondern wird zu Ethanol reduziert. So gewinnt die Zelle viel weniger Energie und ihre Wachstumsrate (Reproduktionsrate) ist deutlich vermindert. 

Dieser für die Zelle nachteilige Effekt ist voreilig für uns Brauer, um aus Zucker Alkohol zu gewinnen.

Abbildung 3: Auszug aus Hefemetabolismus unter aeroben und anaeroben Bedingungen inkl. Crabtree Effekt.