Zucker, Nahrung der Hefe (Saccharomyces cerevisiae)

Die Hefe (norddeutsch Gest, englisch yeast) ist eines der ältesten von Menschen genutzten Organismen zur enzymatischen Umwandlung von Stoffen in Alkohol und Gas (Fermentation). Dieser Prozess hat auch in der industriellen Produktion einen hohen Stellenwert erreicht. Schon in der Antike wusste man, dass Fermentation ohne den Hefepilz nicht funktionierte. Im Mittelalter gab es bereits den Beruf des Hefners, der die Hefe für die Brauleute vorhielt. Louis Pasteur beschrieb 1876 in seiner Arbeit „Études sur la bière“ die Hefe und ihre Bedeutung zur Gärung (mikrobieller Abbau organischer Stoffe). Mittlerweile können Hefepilze schon gentechnisch synthetisch erzeugt werden.

Heute kennt man über 5000 verschiedene Hefestämmen. Ein grosser Teil davon kann durch Umwandlung von Mono– und Polysacchariden in den Mitochondrien Alkohol (Ethanol) und Kohlendioxid (CO2) produzieren. Eingesetzt werden diese unter Anderem zur Herstellung von Teigwaren, Wein, Bier und Treibstoffen. Besonders hervorgetan hat sich dabei die Backhefe oder auch Bierhefe (Saccharomyces cerevisiae, Zuckerpilz) genannt. Diese obergärige Hefe verarbeitet nur Mono- und Disaccharide. Polysaccharide, wie Stärke, können wegen der fehlenden Amylasen Enzymen nicht verarbeitet werden. Die Hefe kann sowohl mit Sauerstoff arbeiten, als auch anaerob, wobei ein wenig Sauerstoff für die Zwischenritte gebracht wird. Das Abfallprodukt ist überwiegend Alkohol und Kohlendioxid. Das Mengenverhältnis wird dabei von der Konzentration von Zucker und Sauerstoff bestimmt. Ist kein Zucker mehr vorhanden wird die Energie vom Ethanol genommen, bis keine Nährstoffe Phosphat und Aminosäuren mehr vorhanden sind oder die Alkoholkonzentration zu hoch ist. Die optimale Temperatur liegt bei 32°C und einen Druck unter 8 Bar. Bei 45°C stirbt die Hefe ab. Die Hefe vermehrt sich durch Sprossung und verdoppelt sich alle 90-120Min unter idealen Bedingungen. Zur Vermehrung braucht die Hefe ideal Nahrung aus einer flüssigen Lösung bestehend aus 50% Zucker, Vitamin B, Ammonium- und Phosphatsalze mit einem pH-Wert von 4,5. Zur Vermehrung muss diese Lösung belüftet werden.

Die Natur speichert ihre Energiereserven hauptsächlich in dem Polysaccharid Stärke ab. Dies hat den Vorteil, dass Stärke wesentlich kompakter ist, als die Lagerung in kleineren Zuckermolekülen möglich wäre. Damit die Pflanze die Energie aus der Stärke wieder gewinnen kann, muss sie dafür aus den Eiweisen Abbauhelfer, die Amylasenenzyme bilden. Die Aufgabe beim Maischen ist also aus dem Polysaccharid Stärke im Malz soviel Mono- und Dissaccharide, wie möglich mit Hilfe von Amylasen herzustellen.

Saccharide bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoffketten, mit mindestens drei Kohlenstoffatomen als Kettenbausteine, mindestens eine Hydroxygruppe (-OH) und eine Carbonylgruppe ( -CH2OH) auf. Der Zucker mit der kürzesten Kette ist die Ribose.

Der bekannteste Kettenzucker ist die Fructose. Dieses Molekül hat die Eigenschaft sich zu einem Fünfeckring über eine Hydroxygruppe zu bilden und bekommt dann den Namen Fructofuranose.

Ein weiterer Vertreter der kürzeren Zucker ist die Glucose (Traubenzucker).

Auch sie kann über eine Hydroxygruppe einen Sechseckring bilden und wird damit zur Glucopyranose. Die Ringe einzeln nennt man Monosaccharide. Diese haben die Möglichkeit sich über eine Hydroxygruppen zusammenzuschließen. Je nach Anzahl von zusammenhängenden Ringen heissen sie dann Di-, Tri- oder Polysaccharide.

Der bekannteste Vertreter der Disaccharide ist die Saccharose (Haushaltszucker). Sie besteht aus dem Zusammenschluss von Glucopyranose und Fructofuranose.

Die Stärke gehört zu den Polysacchariden und besteht aus einer Kette mehrerer verschieden verbundener Glucopyranosen. Die beta-Amylasen zerschneidet dabei die Stärke in die Maltose.

Die Maltose ist ein Disaccharid bestehend aus zwei Glucopyranosen. Diese kann von den Bierhefen als Energiequelle verwendet werden.

Die alpha-Amylase bildet weitestgehend das Polysaccharid Maltodextrin (Maltodextrose, Dextrin). Dieses Oligosaccharid (3-10 linear verbundene Ringe) kann nicht mehr von der Hefe verwendet werden und bildet beim Brauen die entsprechende Süsse. Beim Maischen (Brauen) wird die Steuerung des Abbaues der Stärke mit Hilfe der Amylasen über die Temperatur und Zeit gesteuert. Dabei arbeitet die beta-Amylase optimal bei ca 63°C und die alpha-Amylase bei 72°C.

In den Mitochondrien der Hefezelle wird ann aus Glycose Ethonal hersgestellt.

Links:
https://de.wikipedia.org/wiki/Hefen
https://de.wikipedia.org/wiki/Backhefe
https://de.wikipedia.org/wiki/Fermentation
https://de.wikipedia.org/wiki/Louis_Pasteur
https://de.wikipedia.org/wiki/Hefner
https://de.wikipedia.org/wiki/Mitochondrium
https://de.wikipedia.org/wiki/G%C3%A4rung
https://de.wikipedia.org/wiki/Amylasen
https://de.wikipedia.org/wiki/Monosaccharide
https://de.wikipedia.org/wiki/Glucose
https://de.wikipedia.org/wiki/Disaccharide
https://de.wikipedia.org/wiki/Maltose
https://de.wikipedia.org/wiki/Maltodextrin
https://de.wikipedia.org/wiki/Dextrine
https://de.wikipedia.org/wiki/St%C3%A4rke
https://de.wikipedia.org/wiki/Oligosaccharide

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