Die Vergärung

Die Vergärung der Würze

Unter dem Begriff "alkoholische Gärung" versteht man einen komplizierten biologischen Abbau von Zuckern resp. Kohlenhydraten zu Alkohol (Ethanol, Aethyl-Alkohol, C₂H₅OH) und Kohlendioxyd (CO₂). Als Zucker sind im Zusammenhang mit der Würzevergärung hauptsächlich das Disaccharid Maltose, daneben aber auch Saccharose, die Hexosen Glucose (C₆H₁₂O₆) und Fructose sowie das Trisaccharid Maltotriose beteiligt. Das entstehende Kohlendioxyd wird im Brauereibereich traditionell auch heute noch als Kohlensäure bezeichnet. Alkohol und Kohlendioxyd sind allerdings bei weitem nicht die einzigen Produkte, die bei der Gärung entstehen. Die zusätzlich entstehenden Stoffwechselprodukte der Hefezellen sind ebenfalls wichtig für die Eigenschaften des späteren Bieres. Die Vergärung erfolgt bei der Würzevergärung durch die Aktivität der Hefezellen; sie kann aber grundsätzlich auch von anderen Mikroorganismen bewirkt werden.

Die Hefe kann die in der Würze zur Verfügung gestellte Energie unter Gärbedingungen eigentlich nur schlecht nutzen.

Die Hefe muss den noch energiereichen Alkohol, als für sie schädlichen Stoff ausscheiden. Alkohol beginnt denn auch bereits bei Konzentrationen ab 6 % die Hefevermehrung negativ zu beeinflussen. In Zahlen heisst dies, dass von den 686 kcal, die bei der vollständigen Veratmung eines Mols Glucose frei würden, bei der Vergärung nur deren 22 kcal für die Hefe zur Verfügung stehen. Davon können wiederum lediglich 14 kcal in chemische Energie umgesetzt werden (266 kcal bei der Atmung). Unter chemischer Energie versteht man dabei, dass spezielle energiereiche Verbindungen wie NADPH (Abkürzung für reduziertes Nicotinsäure-Amid-Adenin-Dinucleotid-Phosphat) und ATP (Adenosintriphosphat) gebildet werden, die im Stoffwechsel an anderer Stelle wieder eingesetzt werden können. Die Differenz zwischen den aufgrund des Zuckerabbaues zur Verfügung stehenden und den effektiv biochemisch genutzten Energiemengen, äussert sich als Wärme. Diese ist für den Hefestoffwechsel als verloren zu betrachten. Um die Gärtemperatur im Gärkeller konstant zu halten muss die entstehende Wärme bei der Gärung natürlich laufend abgeführt werden.

Die Hefe bevorzugt zwar eindeutig die anaerobe Gärreaktion, doch besitzt sie auch die Fähigkeit, ihren Stoffwechsel an aerobe Bedingungen anzupassen. Hat die Hefe genügend Sauerstoff (O₂) zur Verfügung, wird sie teilweise auf die Atmungsreaktion ausweichen und ihre Vermehrung dadurch sogar beschleunigen. Weil sie aus der Energie eines Mols Glucose mit der Atmung statt nur zwei Molen Adenosintriphosphat (ATP) deren 38 gewinnen kann, ist die Vermehrung begünstigt. Diese Eigenschaft wird beim Anstellen der Würze mit Hefe durch die intensive Vermischung mit Sauerstoff bewusst genutzt, damit möglichst schnell grössere Mengen an aktivierter Hefe vorhanden sind, die dann wiederum mit einer intensiven Vergärung beginnen. Schlussendlich werden bei der normalen Gärung in der Brauerei nur etwa 2 % des Zuckers veratmet und etwa 98 % vergoren.

Man unterscheidet bei der Vergärung der Würze je nach der Temperaturführung und der verwendeten Hefe in das sogeannte untergärige und das obergärige Verfahren (siehe auch hier). Beim untergärigen und hierzulande meistens angewendeten Verfahren, erfolgt das Vergären der Würze zeitlich und räumlich getrennt in zwei Abschnitten. Der erste Abschnitt wird Hauptgärung genannt und findet im Gärkeller statt, während der zweite Abschnitt als Nachgärung bezeichnet wird und in Drucktanks im Lagerkeller durchgeführt wird. Bei der obergärigen Prozessführung erfolgt die Vergärung im Gegensatz dazu oft nur in einem Schritt und sie wird auch bei höheren Temperaturen und in entsprechend kürzeren Zeiten durchgeführt. Im Anschluss werden die einzelnen Verfahren noch eingehender beschrieben. Die Übergänge zwischen den hier einzeln beschriebenen Prozessschritten werden aufgrund neuer Technologien immer fliessender. So kommen vermehrt auch kontinuierliche Verfahren zur Herstellung von Bier zum Einsatz, bei denen die Würze in Gärtürmen vergoren wird. Diese neueren Verfahren haben den Vorteil, dass die Kosten teilweise beträchtlich unter denjenigen der diskontinuierlichen Produktionsweise liegen.

Hauptgärung

Die Hauptgärung beginnt mit dem Anstellen der gekühlten Würze und endet mit dem Schlauchen des Jungbieres (Brauerbezeichnung für das Umpumpen in den Lagerkeller). Traditionell findet die Hauptgärung noch in offenen Gärbottichen im Gärkeller statt. Dieser weist zur optimalen Vergärung bei untergärigem Bier meist eine Temperatur von 5-7 °C auf. Der Temperaturbereich für die Hauptgärung reicht je nach Biersorte aber von 4 bis 11 °C. Bei obergärigem Bier treten Bedingungen auf, auf die wir nachfolgend noch etwas näher eingehen (siehe hier).

Die Gärgefässe waren ursprünglich offene Bottiche aus lackiertem, paraffiniertem oder gepichtem Eichenholz die dann von kunststoffimprägniertem Zement, Stahlemaille, Aluminium oder V2A-Stahl abgelöst wurden. Zum Teil werden die Gärbottiche auch mit Hauben abgedeckt, um das entstehende Kohlendioxid aufzufangen.

Der primäre Zweck der Hauptgärung ist der Abbau der vergärbaren Zucker in der Würze zu Alkohol und Kohlendioxid mittels der zugefügten Hefe. Diese exotherme Reaktion liefert den Hefen die Energie, die sie brauchen, um zu leben und um sich zu vermehren. Die Hefemenge steigt während der Vergärung denn auch auf das Zwei- bis Vierfache an. Gleichzeitig führt die freiwerdende Energie zu einer Temperaturerhöhung, die wiederum eine Kühlung erforderlich macht, um die Temperaturen im Gärkeller halten zu können. Für die Gärräume wird oft das Prinzip der Umluftkühlung benutzt, bei dem einerseits gekühlte und filtrierte Luft mit Ventilatoren in den Gärkeller gedrückt und andererseits das freiwerdende Kohlendioxid entfernt wird. Dieses Prinzip ist insbesondere dann sinnvoll, wenn mit offenen Gärgefässen gearbeitet wird. Zusätzlich werden die Gärbottiche und Gärtanks mit Hilfe von Kaltwasser gekühlt, das in eingebauten Wärmetauschern zirkuliert.

Während der Hauptgärung bilden sich Geruchs- und Geschmacksstoffe, die das Bukett des Jungbieres beeinflussen. Auch werden Hopfenbitterstoffe ausgeschieden, die am Ende der Hauptgärung als braune Rückstände auf den auf dem Jungbier schwimmenden "Kräusen" gut sichtbar sind. Diese werden beim "Abheben der Decke" entfernt. Damit meint der Brauer, dass die Kräusen vor dem Umpumpen des Jungbieres in den Lagerkeller abgeschöpft werden.

Die Gärführung im Gärkeller dauert etwa 7 bis 12 Tage. Dabei wird der Extraktgehalt der Maische je nach Biersorte ausgehend von 6.5 - 18% um 85-90 % reduziert. Der erste Schritt in den Anstelltanks wird auch als "Zeuggeben" bezeichnet. Die Angärung und Vermehrung der Hefe wird durch eine intensive Sauerstoffbeimischung stark angeregt.

Anschliessend erst wird die Würze in die einzelnen Gärbottiche verteilt, wo sich nach ungefähr einem Tag die ersten Gärsymptome bemerkbar machen: Durch die immer grösseren Mengen an Kohlendioxid die durch das Aufkommen der Würze gebildet werden (Gärungsbeginn), steigen immer mehr kleine Bläschen auf, die langsam einen weissen, rahmigen Schaum bilden (sog. Weisskräusen). Dieser Schaum bildet sich aus Eiweissbestandteilen der Würze und ist am 2. und 3. Tag besonders gut zu beobachten. Er beginnt sich dann infolge der in der Würze gelösten, bitteren Hopfenharze zunehmend braun zu verfärben. Die vom Schaum gebildeten Kräusen werden immer höher und lockerer und erreichen schliesslich das Stadium der "Hochkräusen". Diesen Begriff benutzt der Brauer für die stärkste Hefetätigkeit nach etwa 3 Tagen. Danach sinkt die Gäraktivität allmählich wieder, und die Hefe setzt sich langsam am Boden ab (untergärige Hefe). Mangels Nachschub an Kohlendioxid fallen auch die Kräusen zusammen und es verbleibt eine dünne, braune Decke, welche die Schlauchreife des Jungbieres anzeigt.

Das Schlauchen des Jungbieres erfolgt bei Lagerbier bei einer Temperatur zwischen 5 und 5.5 °C, sobald der Extraktgehalt auf 2.7 bis 2.8 % gesunken und das Aussehen des Jungbieres im Schauglas wunschgemäss ist (Farbe, Trübung). Je nach dem, ob es viel oder wenig Hefe enthält und nach dem Aussehen des Hefebruches, wird es als "grün" oder "lauter" bezeichnet. Grün, resp. hefereich wird geschlaucht, wenn eine starke Nachgärung im Lagerkeller erwünscht ist. Dies trifft bei kalten Lagerkellern und kurzen Verweilzeiten zu. Lauter wird dagegen geschlaucht, wenn im Lagerkeller höhere Temperaturen herrschen oder eine längere Lagerzeit angestrebt wird.

Das Schlauchen wird damit begonnen, dass die entstandene "Decke" mit Sieblöffeln entfernt wird. Anschliessend wird das Jungbier in den Lagerkeller umgepumpt und die auf das Zwei- bis Vierfache angewachsene Hefemenge geerntet. Nur die mittlere Schicht wird dabei weiterverwendet (Kernhefe). Diese wird für die Weiterverwendung noch entsprechend aufbereitet (siehe hier).

Die gründliche Reinigung bildet den Abschluss des Schlauchens. Offene Gärbottiche müssen in aufwendiger Handarbeit gereinigt werden. Ein Grund mehr, weshlab sich die geschlossenen Systeme immer mehr durchsetzen.Diese können automatisch gereinigt werden (CIP-Reinigung, resp. Cleaning In Place-Reinigung).

Obergärige Biere

Bei der obergärigen Gärführung wird die Gärung mit anderen Hefesorten und bei höheren Temperaturen (15-20 °C) durchgeführt. Die Gärung lässt sich wie beim untergärigen Verfahren in verschiedene Gärstadien unterteilen, erfordert aber nur 2-7 Tage. Die Hefe bildet nach der Gärung eine feste Decke und wird in den Fraktionen Hopfentrieb, Hefentrieb und Stellhefe abgeschöpft. Auf eine Nachgärung wird vielfach verzichtet. In einigen Fällen wird eine Nachgärung z.T. in Fässern oder dann als Flaschengärung durchgeführt.

Im Gegensatz zu früher spielen die obergärigen Biere heute nur noch eine untergeordnete Rolle. Von grösserer Bedeutung sind sie vor allem in England und in Belgien. In Deutschland sind diesbezüglich die Weissbiere zu erwähnen. Eine Zusammenstellung der Biertypen finden Sie demnächst auf dieser Site.

Hefereinigung

Um die Hefe aktiv und gesund zu erhalten, muss sie vor einem erneuten Anstellen (weitere "Führungen") entsprechend behandelt werden. Zu diesem Zweck unterhalten die Brauereien einen sogenannten Hefekeller.

Durch das Sieben mit feinen Vibrationssieben werden zunächst ein Grossteil der mechanischen Verunreinigungen sowie grobe Hopfenharzteilchen entfernt. Daraufhin wird die Hefe gewaschen, damit auch feine mechanische Verunreinigungen, Eiweiss, tote Hefezellen und eventuelle Bakterien möglichst eliminiert werden. Man bedient sich dafür oft sogannter zylindrokonischer Tanks, in denen geschlämmt wird. Die Hefe wird dabei durch von unten einströmendes Wasser zu einer Wirbelbewegung veranlasst, so dass die unerwünschten Verunreinigungen vom Wasser durch den Überlauf mitgerissen werden. Die Menge des einfliessenden Wassers muss dabei genau geregelt werden, damit neben den Verunreinigungen nicht auch gesunde Hefezellen mitgerissen werden. Dieser Reinigungsschritt dauert normalerweise etwa eine Stunde.

In einigen Brauereien wird ein Teil der geernteten Hefe auch als soganannte "Samenhefe" an andere Betriebe verkauft. Dazu wird die Hefe nach der Reinigung in feinmaschige, starke Säcke abgefüllt und gepresst, bis der Trockensubstanz-Gehalt etwa 20 % beträgt (Presshefe). Das entstehende Hefepulver ist von fast weisser Farbe und wird danach in geeigneten Gebinden für den Versand bereit gestellt.

Wenn die normale Hefeaufbereitung nicht ausreicht, resp. wenn die Hefe sich als zu stark mit Fremdkeimen infiziert erweist, so führt man eine Säurewäsche durch. Dabei wird das pH der Hefesuppe unter ständigem Rühren durch die Zugabe von Schwefelsäure auf einen Wert von 2 abgesenkt. Nach 2-6 Stunden wird die Wäsche durch die Anhebung des pH's auf den ursprunglichen Wert beendet.