Alkoholische Gärung ist die Grundlage für die Zubereitung von alkoholischen Getränken. Dies ist der einfachste und günstigste Weg, Ethylalkohol zu bekommen. Die zweite Methode - die Hydratation von Ethylen, ist synthetisch, wird selten und nur bei der Herstellung von Wodka verwendet. Wir werden die Eigenschaften und Bedingungen der Fermentation untersuchen, um besser zu verstehen, wie der Zucker Alkohol wird. Aus praktischer Sicht wird dieses Wissen helfen, eine optimale Umgebung für Hefe zu schaffen - es ist richtig, Brag, Wein oder Bier zu verwenden.
Alkoholvergärung ist der Prozess der Umwandlung von Glucose in Ethylalkohol und Kohlendioxid in anaeroben (anoxischen) Medium durch Hefe. Die Gleichung lautet wie folgt:
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2.
Als Ergebnis wird ein Molekül Glucose in 2 Moleküle Ethylalkohol und 2 Moleküle Kohlendioxid umgewandelt. In diesem Fall wird Energie freigesetzt, was zu einem leichten Anstieg der Temperatur des Mediums führt. Auch während der Fermentation entstehen Fuselöle: Butyl-, Amyl-, Isoamyl-, Isobutyl- und andere Alkohole, die Nebenprodukte des Aminosäurestoffwechsels sind. In vielen Hinsichten bilden Fuselöle das Aroma und den Geschmack des Getränks, aber die meisten von ihnen sind schädlich für den menschlichen Körper, so dass die Hersteller versuchen, Alkohol von schädlichen Fuselölen zu reinigen, aber nützliche zurücklassen.
Hefe sind einzellige Pilze sphärischer Form (etwa 1500 Arten), die sich aktiv in einem flüssigen oder halbflüssigen, zuckerreichen Medium entwickeln: auf der Oberfläche von Früchten und Blättern, in Nektarblüten, abgestorbener Phytomasse und sogar in Erde.
Dies ist einer der allerersten vom Menschen gezähmten Organismen, hauptsächlich Hefe, die zum Backen von Brot und zum Zubereiten von alkoholischen Getränken verwendet wird. Archäologen fanden heraus, dass die alten Ägypter 6000 Jahre v. Chr. Waren. e. gelernt, Bier zu machen, und um 1200 vor Christus. e. haben eine Menge Hefebrot gemeistert.
Die wissenschaftliche Untersuchung der Art der Gärung begann im XIX. Jahrhundert, der ersten chemischen Formel, die von G. Gay-Lussac und A. Lavoisier vorgeschlagen wurde, aber das Wesen des Prozesses blieb unklar, zwei Theorien entstanden. Der deutsche Wissenschaftler Justus von Liebig nahm an, dass die Fermentation mechanischer Natur ist - die Schwingungen von Molekülen lebender Organismen werden auf Zucker übertragen, der in Alkohol und Kohlendioxid gespalten wird. Im Gegenzug glaubte Louis Pasteur, dass die Grundlage des Fermentationsprozesses biologische Natur ist - wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind, beginnt die Hefe, Zucker zu Alkohol zu verarbeiten. Pasteur konnte experimentell seine Hypothese beweisen, später wurde die biologische Natur der Fermentation von anderen Wissenschaftlern bestätigt.
Das russische Wort "Hefe" stammt aus dem altslawischen Verb "drozgati", was soviel bedeutet wie "quetschen" oder "kneten", es gibt eine offensichtliche Verbindung zum Brotbacken. Der englische Name Hefe "Hefe" wiederum geht auf die alten englischen Wörter "gist" und "gyst" zurück, was "Schaum" bedeutet, "Gas freisetzen" und "kochen", was näher an der Destillation ist.
Als Rohstoffe für Alkohol dienen Zucker, zuckerhaltige Produkte (hauptsächlich Früchte und Beeren) sowie stärkehaltige Rohstoffe: Getreide und Kartoffeln. Das Problem ist, dass Hefe keine Stärke fermentieren kann, also muss man sie zuerst in einfachen Zucker aufteilen, was durch ein Enzym namens Amylase geschieht. Amylase kommt in malzgetriebenem Korn vor und wird bei hoher Temperatur (normalerweise 60-72 ° C) aktiviert, und der Prozess der Umwandlung von Stärke in einfache Zucker wird "Verzuckerung" genannt. Die Verzuckerung von Malz ("heiß") kann durch die Zugabe von synthetischen Enzymen ersetzt werden, bei denen es nicht notwendig ist, die Würze zu erhitzen, daher wird die Methode "kalte" Verzuckerung genannt.
Bedingungen der Fermentation
Die folgenden Faktoren beeinflussen die Entwicklung der Hefe und den Verlauf der Fermentation: Zuckerkonzentration, Temperatur und Licht, Säuregehalt des Mediums und Vorhandensein von Spurenelementen, Alkoholgehalt, Sauerstoffzugang.
1. Konzentration von Zucker. Für die meisten Heferengen ist die optimale Süße der Würze 10-15%. Bei Konzentrationen über 20% wird die Fermentation schwächer und bei 30-35% ist fast garantiert, dass sie endet, da Zucker ein Konservierungsmittel wird, das die Hefe daran hindert, zu arbeiten.
Interessanterweise ist die Fermentation schwach, wenn der Zuckergehalt des Mediums unter 10% liegt, aber bevor Sie die Würze süßen, müssen Sie sich an die maximale Alkoholkonzentration (4. Punkt) erinnern, die während der Fermentation erhalten wird.
2. Temperatur und Licht. Für die meisten Hefestämme ist die optimale Fermentationstemperatur 20-26 ° C (unterfermentierte Bierhefe benötigt 5-10 ° C). Der akzeptable Bereich ist 18-30 ° C. Bei niedrigeren Temperaturen verlangsamt sich die Fermentation signifikant, und bei Werten unter Null hört der Prozess auf und die Hefe "schläft" ein - sie fließen in die Anabiose. Um die Gärung wieder aufzunehmen, genügt es, die Temperatur zu erhöhen.
Zu hohe Temperatur zerstört Hefe. Die Dauerschwelle hängt von der Belastung ab. Im allgemeinen werden Werte über 30-32 ° C als gefährlich angesehen (insbesondere für Wein und Bier), aber es gibt getrennte Rassen von Alkoholhefe, die der Würztemperatur bis 60 ° C widerstehen können. Wenn Hefe "gekocht" wird, um die Gärung wieder aufzunehmen, müssen Sie der Würze eine neue Charge hinzufügen.
Der Prozess der Gärung an sich bewirkt eine Temperaturerhöhung um einige Grad - je größer das Volumen der Würze und je aktiver die Hefe, desto größer die Erwärmung. In der Praxis wird die Temperaturkorrektur durchgeführt, wenn das Volumen mehr als 20 Liter beträgt - es ist genug, um die Temperatur unter 3 bis 4 Grad von der oberen Grenze zu halten.
Der Behälter ist an einem dunklen Ort oder mit einem dichten Tuch bedeckt. Das Fehlen direkter Sonneneinstrahlung hilft Überhitzung zu vermeiden und wirkt sich positiv auf die Arbeit von Hefen aus - Pilze mögen kein Sonnenlicht.
3. Säure des Mediums und das Vorhandensein von Mikroelementen. Die Säure von 4,0-4,5 pH fördert die Alkoholgärung und hemmt die Entwicklung von fremden Mikroorganismen. In der alkalischen Umgebung werden Glycerin und Essigsäure sezerniert. In neutraler Würze verläuft die Fermentation normal, aber pathogene Bakterien entwickeln sich aktiv. Die Säure der Würze wird korrigiert, bevor Hefe hinzugefügt wird. Oft erhöhen Destillateure-Amateure den Säuregehalt mit Zitronensäure oder einem sauren Saft und reduzieren den Quench durch Kalk oder verdünnen mit Wasser.
Zucker benötigt neben Zucker und Wasser noch andere Stoffe - vor allem Stickstoff, Phosphor und Vitamine. Diese Hefe-Mikroelemente werden verwendet, um die Aminosäuren zu synthetisieren, die ihr Protein bilden, sowie für die Reproduktion in der Anfangsphase der Fermentation. Das Problem ist, dass es zu Hause nicht möglich ist, die Konzentration von Substanzen genau zu bestimmen, und eine Überschreitung der zulässigen Werte kann den Geschmack des Getränks (insbesondere Wein) negativ beeinflussen. Daher wird angenommen, dass der stärkehaltige und fruchthaltige Rohstoff zunächst die erforderliche Menge an Vitaminen, Stickstoff und Phosphor enthält. In der Regel wird nur reiner Weißzucker gefüttert.
4. Alkoholgehalt. Auf der einen Seite ist Ethylalkohol ein Produkt des Lebens von Hefe, auf der anderen Seite ist es ein starkes Gift für Hefepilze. Bei Alkoholkonzentration in Würze verlangsamt sich die Fermentierung um 3-4%, Ethanol beginnt die Entwicklung der Hefe zu hemmen, bei 7-8% Hefe reproduzieren sie sich nicht mehr, und bei 10-14% hört die Verarbeitung von Zucker auf - die Gärung hört auf. Nur einzelne Stämme von Kulturhefe, die im Labor ausgeschieden werden, sind gegenüber Alkoholkonzentrationen über 14% tolerant (einige setzen die Fermentation auch bei 18% und darüber fort). Etwa 1% Zucker in Würze produziert etwa 0,6% Alkohol. Dies bedeutet, dass eine Lösung mit einem Zuckergehalt von 20% (20 × 0,6 = 12) erforderlich ist, um 12% Alkohol herzustellen.
5. Zugang zu Sauerstoff. In anaerober Umgebung (ohne Zugang zu Sauerstoff) zielt die Hefe auf das Überleben ab, nicht auf die Fortpflanzung. In diesem Zustand wird das Maximum des Alkohols zugeteilt, daher ist es in den meisten Fällen notwendig, die Würze vor dem Luftzutritt zu schützen und gleichzeitig die Entfernung von Kohlendioxid aus dem Tank zu organisieren, um einen erhöhten Druck zu vermeiden. Diese Aufgabe wird durch den Einbau einer Hydraulikdichtung gelöst.
Bei ständigem Kontakt der Würze mit der Luft besteht die Gefahr der Säuerung. Am Anfang, wenn die Fermentation aktiv ist, drückt das freigesetzte Kohlendioxid die Luft von der Würzeoberfläche weg. Aber wenn die Gärung schwächer wird und Kohlendioxid immer weniger erscheint, gelangt die Luft in einen nicht verschlossenen Behälter mit Würze. Unter dem Einfluss von Sauerstoff werden Essigsäurebakterien aktiviert, die Ethylalkohol für Essigsäure und Wasser verarbeiten, was zum Verderb von Wein, geringerer Ausbeute an Mondschein und dem Auftreten von saurem Geschmack in Getränken führt. Daher ist es wichtig, den Tank mit einer hydraulischen Dichtung zu verschließen.
Für die Reproduktion von Hefe (um die optimale Anzahl von ihnen zu erreichen) wird jedoch Sauerstoff benötigt. Die übliche Konzentration ist genug, dass es in Wasser ist, aber für eine beschleunigte Reproduktion wird das Gebräu für mehrere Stunden offen gelassen (mit Luftzutritt), nachdem die Hefe mehrmals eingeführt und gemischt wurde.