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2.5.2.1Stärkeabbau

Der Stärkeabbau ist der wichtigste enzymatische Vorgang beim Maischen. Hierbei muss die unlösliche Malzstärke in lösliche Form übergeführt und bis zu einem definierten Maß abgebaut werden (s. Jodnormalität, Endvergärungsgrad des angestrebten Biertyps). Als erstes müssen Stütz- und Gerüstsubstanzen und Eiweiße abgebaut werden, damit die Stärkekörner frei zugänglich sind (Bimodale Verteilung: Großkörner 25 μm, Kleinkörner 5 μm). Hauptbestandteile der Stärkekörner sind die α-Glucane Amylose (Glucoseeinheiten in α-1,4-Bindung) und Amylopektin (Glucoseeinheiten in α-1,4-u. α-1,6-Bindung).

Abb. 2.18:Aufbau des Stärkekorns [2.43]

Die Anordnung des Amylopektins im Stärkekorn führt zu der typischen Ringbildung bestehend aus amorphen und semikristallinen Schichten. Seine molekulare Struktur setzt sich aus kristallinen Clustern (Lamellen) von Doppelhelices zusammen (Abb. 2.18), die aus Glucoseeinheiten aufgebaut sind.

Nach dem enzymatischen Freilegen (Cytolyse, Proteolyse) der Stärkekörner erfolgen dann ein Quellen, Verkleistern und durch die Enzyme die Verflüssigung und der Angriff. Die ablaufenden Mechanismen sind bis heute nicht vollständig geklärt [2.44, 2.45]. Bekannt ist, dass bei der Verkleisterung das Stärkekorn Wasser aufnimmt, was im Bereich von 50 bis 65 °C zu einer stärkeren Quellung (amorphe Bereiche) führt. Mit zunehmender Temperatur schmelzen die kristallinen Bereiche und die Körner verlieren ihre Form. Abb 2.19 dokumentiert fotografisch die Veränderung des Stärkekorns während eines Infusionsmaischverfahrens [2.46].

Abb. 2.19:Morphologische Veränderung des suspendierten Stärkekorns [2.46]

Die Amylose geht kolloidal über, das Amylopektin ist für die Verkleisterung verantwortlich. Erst mit dem Verkleistern können die Stärkepolymere enzymatisch hydrolysiert werden. Bei mangelnder Verkleisterung können sich durch einen niedrigen Endvergärungsgrad, Jodreaktionen, Kleistertrübung und Filtrationsprobleme (α-Glucane) Qualitätseinbußen einstellen. Als Einflussfaktoren auf das Verkleisterungsverhalten werden der Lipidgehalt und das Verhältnis aus großen und kleinen Stärkekörnern genannt [2.44]. In extremen Gerstenjahrgängen kann sich die Verkleisterungstemperatur nach oben verschieben (bis ca. 67 °C), was eine technologische Korrektur erfordert.

Reaktionskinetische Untersuchungen zeigen, dass die Maltosebildung während der 65 °C-Rast bei einem Feinschrot aus gut gelöstem Malz nach 10 bis 20 min abgeschlossen ist (Abb. 2.20). Auch Schur [2.47, 2.48] stellte fest, dass innerhalb der Aufheizzeit von 50 °C auf 65 °C in 15 min die größte Menge an Maltose gebildet wird und sich während der eigentlichen Rast bei 65 °C nur noch geringfügige Mengen an Maltose bilden. Ein Grund dafür wurde in der kompetitiven Hemmung der ß-Amylase durch die bereits vorliegende Maltose gesehen.

Abb. 2.20:Maltosebildung, 65 °C isotherm [2.41]

Die Reaktionsgeschwindigkeiten für die Maltose- und Extraktbildung sind bei allen vier Versuchen, unabhängig von Schrotfeinheit (FS = Feinschrot, GS = Grobschrot) und Malzlösung (gg = gutgelöst, sg = schlechtgelöst) annähernd gleich (Abb. 2.20). Ebenso ergeben sich keine Unterschiede bei der Maltosebildung zwischen einem gut und einem schlecht gelösten Malz innerhalb des Fein- und des Grobschrots. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass die Maltosebildung als Grundlage für die Vergärbarkeit nach 20 bis maximal 30 min abgeschlossen ist. Anscheinend bewirkt ein Überschuss an Enzymen keine zusätzliche Stoffumsetzung, bzw. die Anzahl der im Schrot befindlichen Enzyme reicht bei beiden Malzqualitäten aus, um die reaktiven enzymatisch angreifbaren Stellen vollständig zu belegen. Dies könnte auch der Grund dafür sein, dass beim Feinschrot die Stärkehydrolyse nicht schneller vonstatten geht. Mit den eingesetzten Prallmühlen (Hammermühle, Fächerschlägermühle) bleibt die Struktur der Stärkekörner (5–30 μm) erhalten und somit wird auch die Anzahl der reaktiven Stellen nicht erhöht [2.49]. Damit hat auch die Schrotung keinen Einfluss auf die vorhandene Verkleisterungstemperatur [2.44, 2.45].

Unter dem Aspekt eines forcierten Abbaus der Malzinhaltsstoffe (Zellwände) und eines tatsächlichen Angriffs der Stärkekörner ist der Einsatz des Dispax-Reactors® zu diskutieren. Verglichen wurden isotherme Maischen aus Pulverschrot (Prallmühle = Fächerschlägermühle) mit Dispaxmaischen [2.50]. Bezüglich des Stärkeabbaus ist kein signifikanter Unterschied zwischen beiden Zerkleinerungstechniken ersichtlich. Wie schon erwähnt, ist der Umsatz innerhalb der ersten 10 min am stärksten. Die deckungsgleichen Extraktverläufe lassen keinen gesteigerten Abbau der hochmolekularen Stärke bei der Dispergiertechnik erkennen. Bei unterschiedlich gelösten Malzen ist die Extraktbildung (Abb. 2.21) in beiden Fällen gut, verläuft, wie es aus den reaktionskinetischen Ergebnissen zu erwarten ist und führt zu verkürzten Maischzeiten. Schon die Dissertation von Einsiedler [2.41] s.o. zeigte, dass die Maltosebildung von der Malzlösung weitgehend unabhängig ist.

Abb. 2.21:Dispaxmaischen, 65 °C isotherm, Extraktbildung [2.50]

Die elektronenmikroskopischen Aufnahmen (Abb. 2.22) belegen sehr anschaulich, dass nach der Zerkleinerung des Malzes über den Dispax beim gut gelösten Malz die Zellwände in kleinen Fetzen vorliegen und die Stärkekörner (5–30 μm) frei zugänglich, aber trotz der angewendeten Zerkleinerungstechnik intakt vorliegen.

Abb. 2.22:REM-Aufnahme, gut gelöstes Malz, dispergiert

Nur der Einsatz einer Rührwerkskugelmühle führt zu einer Zerkleinerung der Stärkekörner. Diese Technik, die für den Brauereibetrieb allerdings nicht praktikabel ist, bewirkt einen Angriff der Stärkekornstruktur (Abb. 2.23) und eine Ausbeuteerhöhung.

Abb. 2.23:REM-Aufnahmen von Stärke vor (oben) und nach der Zerkleinerung (unten) mit der Rührwerkskugelmühle [2.51]

Brautechnologisch besteht die Eingriffsmöglichkeit darin, dass man niedriger einmaischt, dadurch Bestandteile der Stütz- und Gerüstsubstanzen wie Hemicellulosen, Lipide und Proteine freisetzt, somit die Quellung und Verkleisterung einleitet und hierdurch in einem gewissen Maße die enzymatischen Umsetzungen fördert.

Die Modellierung des Stärkeabbaus basiert auf der Vorstellung des Flüssig-Flüssig-Modells (Abb. 2.24), das in seiner Funktionsweise einem Schwamm gleicht. Das Schrot stellt die Schwammstruktur dar. Das Wasser lagert sich in die Hohlräume der Schrotpartikeln ein. Die Inhaltsbestandteile des Schrots lösen sich in dem Wasservolumen und somit liegt eine bestimmte Anfangskonzentration c_0i des Stoffes i zum Zeitpunkt t=0 vor.

Abb. 2.24:Bildhafte Darstellung der Modellidee [2.52]

Durch das Konzentrationsgefälle in der Partikel und dem äußeren Wasser (später Würze) beginnt die Diffusion von Inhaltsbestandteilen von der Phasengrenzschicht in das äußere Wasservolumen, in welchem Konvektion herrscht, bis die Konzentrationen innen und außen den gleichen Betrag erreicht haben (Abb. 2.24).

Zur mathematischen Beschreibung werden Differentialgleichungen verwendet, die die Diffusionsvorgänge, die Massenbilanz und die Temperaturabhängigkeit berücksichtigen [2.52].

Abb. 2.25 zeigt beispielhaft den Vergleich zwischen Messung (Symbole) und Simulation (Kurvenverlauf) bei Verwendung eines Temperatur-Zeit-Profils. Mithilfe der entwickelten Modelle für den Stärke-, ß-Glucan- und Eiweißabbau ist eine Vorhersage des Umsetzungsverlaufs bei vorgegebenem Temperatur-Zeit-Profil möglich. Allerdings sind im Rahmen der Standardmalzanalyse zusätzliche Messungen (z. B. Anfangsgehalt Stärke, Zucker, Enzyme) erforderlich. Bei den einzusetzenden Modellkonstanten ist zwischen den universell einsetzbaren wie Aktivierungsenergie, Diffusionskoeffizient und Proportionalitätsfaktor, die nur einmal ermittelt werden müssen, und den spezifischen wie Frequenzfaktor, Geschwindigkeitskonstante und Verkleisterungstemperatur zu unterscheiden. Diese sind vom jeweils eingesetzten Rohstoff abhängig und müssten über einen längeren Zeitraum beobachtet werden. Des Weiteren ist der Soll-Ist-Zustand der Maische über weiter entwickelte Online-Messysteme zu kontrollieren.

Abb. 2.25:Modellvalidierung [2.52]

Wir kommen zur Frage der Maischzeitverkürzung zurück: In der Praxis beansprucht die 65 °C-Rast bei Dekoktionsverfahren im günstigsten Fall rund 60 min. Es muss zwangsläufig zur Diskussion gestellt werden, ob aus dieser aus technologischer Sicht unnötig langen Rast Nachteile für die Würzezusammensetzung (s. Eiweißfraktionen) resultieren. So konnte bereits Barth [2.53] nachweisen, dass längere Rasten bei 65 °C zu einem Abbau der hochmolekularen Fraktion (10000–60000 Dalton) und der Glycoproteide führen. Andererseits zeigte sich, dass bei höheren Temperaturen ≥ 70 °C die Lösung der Glycoproteide gefördert wird, ohne dass ein Abbau stattfindet.

2.5.2.2Eiweißabbau

Die Eiweißstoffe im Malz bestehen aus einem Gemisch unterschiedlicher stickstoffhaltiger Gruppen. Die genuinen Eiweiße (Albumine, Globuline, Prolamine, Gluteline) werden zu wasserlöslichen Peptiden abgebaut. Sie tragen zur Vollmundigkeit bei, beeinflussen den Bierschaum, sind beteiligt bei Farbreaktionen, sind essentiell für den Hefestoffwechsel (Leucin, Isoleucin, Valin), können aber auch zu Abscheidungsproblemen und mangelnder Stabilität führen. Die Lösung der Stickstoffsubstanzen verläuft während der Keimung wesentlich intensiver als der Stärkeabbau. Dies spiegelt sich in der Relation Mälzen/Maischen 1:0,6 bis 1,0 beim Eiweißabbau wider. Die Eiweißlösung ist infolgedessen durch die Malzqualität vorgegeben. Selbst mit hohen Einmaischtemperaturen gelingt es nicht, den Eiweißabbau unter einen bestimmten Wert zu bringen [2.54]. Insgesamt sind beim Maischen nur begrenzte Korrekturen möglich.

Abb. 2.26:Bildung der Aminosäuren, 50 °C isotherm [2.41]

Der Eiweißabbau bezüglich der Aminosäurenbildung wird deutlich durch die Schrotfeinheit beeinflusst (Abb. 2.26). Dies könnte auch der Grund sein, weshalb sich beim Maischen von Mehl und Schrot eine Differenz im Extrakt ergibt. Hier werden nicht nur Zucker, sondern auch Eiweißstoffe und Glucane erfasst. Des Weiteren übt die Malzlösung Einfluss aus. Bei Feinschroten ist die Bildung der Aminosäuren (Summe der einzelnen Aminosäuren mittels HPLC) spätestens nach 20 min abgeschlossen. Die Grobschrote erreichen erst nach 50 min das Niveau der Feinschrote. Allerdings ist nicht bekannt, inwieweit hochmolekulare schaumpositive Proteine bei längeren Rastzeiten als 20 min und einem hierdurch marginal erzielbaren Zuwachs an alpha-Aminostickstoff (FAN) zusätzlich abgebaut werden. Die relativ langsame Nachbildung an niedermolekularem Stickstoff zeigte sich schon bei früheren Untersuchungen [2.55]. Andererseits muss man sich darüber im Klaren sein, dass das Niveau des FAN einen Mindestwert in der Anstellwürze nicht unterschreiten darf. Für eine optimale Hefeernährung werden als Eckwerte 200-250 mg/l FAN (auf 12 GG % ber.) in der Anstellwürze genannt (22 % vom Gesamt-Stickstoff). Verschieden stark gelöste Malze und damit variierende FAN-Gehalte üben einen Einfluss auf die Bildung und Reduktion von 2-Acetolactat (Intermediärstoffwechselprodukt der Valinbiosynthese) bei der Gärung und Reifung aus. Aus einer starken Unterbilanzierung an FAN resultieren bei der Vergärung erhöhte Mengen an Acetohydroxisäuren und dadurch längere Reifungszeiten. Nachbesserung ist hier durch Absenkung der Einmaischtemperatur möglich. Das Niveau des gut gelösten Vergleichsmalzes wird jedoch meist nicht erreicht [2.56].