Ølbrygning

Resume: Fremstilling af øl er ikke en proces, der lige er blevet opfundet, men der bliver hele tiden forsket i alle dele af ølbrygningsprocessen, således at fremstillingen kan optimeres. Projektet giver dig et indblik i den forskning og udvikling, der foregår i en dansk bioteknologi virksomhed.

Ølbrygning er verdens første form for bioteknologi. Det er et klart eksempel på, hvordan mennesket teknologisk kan styre biologiske processer og derved producere et biologisk produkt. Fremstilling af øl er altså ikke en proces, der lige er blevet opfundet, men der bliver hele tiden forsket i alle dele af ølbrygningsprocessen, således at fremstillingen kan optimeres. Forbehandling og mæskning er processer der drives af enzymer til stede i det byg, man anvender til ølbrygning. Projektet indeholder en beskrivelse af de relevante enzymer, for at kunne give et bedre indblik i de biologiske processer som ølbrygning kræver. Gæring indebærer vækst af gærceller, hvilket forudsætter en forståelse af de typer sukkerarter, som gær kan vokse på, samt en forståelse for vækstfaserne i en fermenteringsproces.

Projektet giver dig et indblik i den forskning og udvikling, der foregår i en dansk bioteknologi virksomhed. Der er altså mere biologi i ølbrygning, end man måske lige går og tror! Det skulle gerne stå klart efter du har læst teorimaterialet. Først får du en kort beskrivelse af ølbrygningens rige danske historie. I de fem teori afsnit, vil hele ølbrygningsprocessen blive beskrevet i detaljer. Det første afsnit, Introduktion, skal ses som en oversigt, og det er en fordel at have figuren fra denne fremme, mens man læser de tre følgende teoriafsnit. Det sidste afsnit, Vækstfaser, skal ses som supplerende materiale, hvis der eksempelvis udføres vækstforsøg med gær under arbejde med projektet.

Prøv også kræfter med biologien bag ølbrygning, med de tilhørende forsøg!

Ølbrygningens historie i Danmark

Ølbrygning er et af de første eksempler på anvendt bioteknologi, og øl blev brygget længe før man egentlig vidste, at der var mikroorganismer involveret i processen. Den første nedskrevne beretning om brygning er fra Egypten for 5000 år siden. I Danmark er de første spor omkring 3.400 år gamle og stammer fra Egtvedpigens grav. Ølbrygningen har gennem de seneste år gennemgået noget af en revolution. Et utal af mikrobryggerier dukker op hvert år, specialøl er blevet meget populære, og mange ølentusiaster ynder at fremstille deres helt egen øl. Alligevel er maltnings-, brygge- og gæringsprocessen stort set den samme, og har været uændret de seneste 150 år. Den mere videnskabelige forståelse af de processer, der ligger til grund for ølbrygning, har dog betydet en øget effektivitet og en større kontrol af processerne.

Ølbrygning kan med rette siges at have haft en finger med i spillet om at sætte Danmark på verdenskortet inden for bioteknologi. Carlsberg, der var et af de første store danske bryggerier, blev grudlagt i 1847. I 1875 oprettede brygger J.C. Jakobsen Carlsberg Laboratorium. Laboratoriet blev organiseret i to afdelinger: kemi og fysiologi, hver med dets egen professor. Deres mål var at udvikle det naturvidenskabelige kendskab til maltning, brygning og fermenteringsoperationer. Forskningen på laboratoriet resulterede i nogle meget vigtige observationer, og har dannet grundlag for mange teknikker og metoder, der stadig bruges i laboratorier verden over.

Eksempelvis kan der nævnes:

- Professor, Emil Chr. Hansen, der var leder af Fysiologisk Afdeling på Carlsberg Laboratorium fra 1879 til 1909, fandt i 1883 en måde, hvorved gær kunne rendyrkes, så man undgik vildgær i ølbrygningen. På det tidspunkt havde mange bryggerier problemer med vildgær, og derfor var denne opfindelse meget afgørende for bryggeriindustrien over hele verden. Den første brygning med rendyrket gær, Carlsbergs undergær nummer 1, Saccharomyces carlsbergensis, blev en succes.
- Laboratoriets første leder, Johan Kjeldahl, offentliggjorde i 1883 en metode til at bestemme nitrogenindholdet i organisk materiale, hvilket kan bruges til at bestemme proteinindhold.
- Kemikeren S.P.L. Sørensen introducerede i 1909 pH-begrebet, der bruges som mål for opløsningers surhedsgrad den dag i dag.
- I 1935 klarlagde Øjvind Winge, professor ved Carlsbergs Laboratoriums fysiologiske afdeling, livscyklus og generationsskifte hos gær. Dette har haft stor betydning for forståelsen af gærgenetik og molekylære biologi af de stammer, der i dag bruges i laboratorier over hele verden.

Laboratoriet eksisterer stadig og har til huse i Carlsbergs Forskningscenter. Forskningen spænder fra fordybelse i byggens og gærens stofskiftereaktioner til anvendt forskning og udvikling, hvor nye metoder og råvarer afprøves.

Ølbrygningsprocessen

Ølbrygning er en relativt simpel proces. Gærceller overføres til et næringsmedie, som kaldes urten, hvor de optager og forbruger næringsstoffer for at kunne vokse.

Under gæringen omdanner cellerne sukker til alkohol, og en række andre kulstofforbindelser. Det er i høj grad disse kulstofforbindelser, der er med til at give øllet smag.

Når gæringsprocessen er færdig, fjerner man gærcellerne fra næringsmediet. Dette gærede medie, nu uden gærceller, kalder vi: ”Den grønne øl.”

Den grønne øl modnes og filtreres, før vi kan tilsætte kulsyre, og tappe den som færdig øl. Figur 1 viser alle trinene, der indgår i en ølproduktion. Alle trinene vil blive gennemgået i detaljer i de følgende afsnit.

Figur 1. Oversigt over de processer der leder til øl på flaske.

1: Støbning, 2: Maltning, 3: Tørring, 4: Formaling, 5: Mæskning, 6: Filtrering, 7: Kogning af urt, 8: Gæring og modning, 9: Tapning

Teori:

Materialet består af fire teoriafsnit. Disse kan findes ved at trykke på knapperne nedenfor.

Opgaver og forsøg:

Opgaver
Opgaver – Teoretiske spørgsmål
Nedenfor er nogle spørgsmål, som berører den centrale teori for emnet, og som kan hjælpe med at opklare nogle af de centrale teoretiske elementer. Du kan besvare alle spørgsmål ud fra teorien ovenfor.
1. Nedskriv de biologiske processer, der foregår under hvert trin i de processer der indgår i produktion af øl (brug evt. Figur 1 i introduktionsafsnittet).
2. Forklar hvad aerob og anaerob betyder og opskriv reaktionen for aerob og anaerob nedbrydelse af glukose.
3. Forklar med egne ord hvad termerne haploid og diploid betyder.
4. Forklar med egne ord hvad termostabilitet betyder.
5. I hvilken del af mæskningen bliver størstedelen af maltsukkeret frigivet?
6. Gærsvampen Saccharomyces cerevisiae er en meget vigtig industriel organisme. Hvad bruges denne svamp til udover at lave øl?
7. Hvilke substrater vokser gær på? Forklar hvorfor gærceller ikke vokser på stivelse.
8. Forklar forholdet mellem genotype og fænotype. Hvordan kan en celles metabolisme ændres og hvilke muligheder det giver?
9. Forklar hvorfor det er vigtigt at der under modningen af øl stadig er gærceller tilbage.
10. Forklar hvorfor gærceller kan blive ”gamle”.
11. Hvorfor er det vigtigt præcist at vide hvilken gærstamme man bruger til fremstillingen af øl, og hvilke konsekvenser kan det have at bruge en ”forkert”.
12. Forklar ud fra en NAD⁺/NADH balance hvorfor en gærcelle producerer ethanol under anaerobe forhold.
13. Hvorfor er det vigtigt, at både 𝛼- og 𝛽-amylase er aktive under mæskningen?
a. Hvad ville der ske med den efterfølgende gæring, hvis et af enzymerne ikke var aktive?
b. Hvad ville der ske hvis enzymerne ikke blev inaktiveret efter mæskningen?
14. Hvad ville der ske, hvis bygkernerne under spiringen fik lov til at spire i mere end fem dage. Hvad ville der ske hvis bygkernerne ikke får lov til at spire længe nok?
15. Tegn strukturen for glucose og maltose. Forklar hvad de to sukkermolekyler har tilfælles.
16. Beskriv de strukturelle forskelle mellem 𝛽-glucan og cellulose og mellem 𝛽-glucan og stivelse. Forklar hvorfor stivelse også kaldes en 𝛼-glucan?
17. Ved mæskning ved lav temperatur (< 65°𝐶) op når man meget forgærbart sukker, mæskes istedet ved høj temperatur (> 65°𝐶) får man mere ”ikke-forgærbart” sukker, hvilket resulterer i en alkoholsvagere og sødere øl. Forklar hvorfor det er tilfældet.
18. Nævn nogle forskelle mellem gærceller og bakterieceller.
19. Beskriv hvordan diacetyl dannes og hvorfor det er uønsket i øl.
20. Forskere indenfor bioteknologi bruger gær når de laver genteknologi. Saccharomyces cerevisiae har GRAS (generally regarded as safe) status. Dette betyder at S. cerevisiae er sikker at arbejde med og kan bruges til produktion af fødevarer. Hvorfor tror du at S. cerevisiae har GRAS status?

Opgaver kan hentes som pdf her.
Forsøg
Formålet med laboratorieøvelserne er at få en forståelse for de biokemiske processer der foregår i gærceller, samt vise nogle af de meget simple teknikker man kan bruge for at undersøge disse.
Der er 6 øvelser til projektet:
Øvelse 1: Gær i ballon
Øvelse 2: Påvisning af sukraseaktivitet
Øvelse 3: Påvisning af sukraseaktivitet i upasteuriseret øl
Øvelse 4: Rendyrkning af gær
Øvelse 5: Gæring af æblejuice
Øvelse 6: Vækstforsøg med gær

Faglig forberedelse
Før øvelsen udføres er det vigtigt, at du har kendskab til kulhydraters opbygning samt en forståelse for hvordan sukre kan nedbrydes enzymatisk. Desuden er det vigtigt at vide hvordan cellen er opbygget. Alt dette kan du lære ved at læse de teoriafsnit der hører til dette projekt.

Praktiske informationer
Skulle det ske at det ikke er muligt at gennemføre alle øvelserne, kan de enkelte øvelser sagtens stå alene.
Desuden er det muligt for eleverne at gennemføre nogle af øvelserne hjemme på køkkenbordet.

Lærervejledning kan hentes her.
Herunder kan du se vejledningsvideoer til øvelserne
Du har mulighed for at besøge et bryggeri med klassen: DA Åben Virksomhed.
Videoer
Videoer
Gærs vækstfaser
Gær og temperatur
Gæren i øllet – sukraseaktivitet
Gæren i øllet – renstrygning
Hvis du har spørgsmål af enhver art til øvelsen, er du meget velkommen til at kontakte Biotech Academy. Så vil vi forsøge at hjælpe bedst muligt, hurtigst muligt.
Rigtig god fornøjelse med øvelsen!