Gæring
Denne underside udgør tredje del af teorien for Biotech Academys materiale om Ølbrygning.
For at gæren kan omdanne urten til øl, skal sukkeret i urten omdannes til ethanol og carbondioxid. Gæringen danner også en række biprodukter, som er vigtige for øllets smag og aroma.
Når urten er færdigkogt, afkøles den, inden gæringen kan starte. Gæringen varer typisk 3–10 dage og foregår i store gæringstanke (Figur 12). I tankene foregår processen uden oxygen, da gæringen skal være anaerob. I starten skal urten dog indeholde oxygen, så gærcellerne kan danne steroler og fedtsyrer. Gæringen sker ved forskellige temperaturer afhængig af øltypen: Undergær foregår normalt ved 10–16°C, mens overgær sker ved 18–25°C.
Under gæringen udvikler gærcellerne varme som led i deres stofskifte. Derfor afkøles tankene under processen. Højere temperaturer øger hastigheden af ethanolproduktionen, men kan samtidig give uønskede aromastoffer, hvorfor temperaturen holdes under kontrol.
De biokemiske processer i gærcellerne under gæringen forklares i det følgende afsnit.
Figur 12. Billedet viser gæringstanke med et volumen på hver ca. 2000 hektoliter. Med tilladelse fra Carlsbergs Forskningscenter.
Nedbrydning af sukker
Som nævnt i afsnit 2 indeholder ølurten blandt andet glukose, maltose og maltotriose. Sukkerne nedbrydes i en bestemt rækkefølge, fordi gæren først skal hydrolysere di- og trisakkarider, inden de kan indgå i glykolysen. Derfor optages og nedbrydes glukose før maltose og maltotriose. Dette skyldes blandt andet en mekanisme kaldet glukoserepression, som sikrer, at gærcellen ikke spilder energi på at nedbryde større molekyler, når glukose allerede er til stede. Se strukturene af de forskellige sukre på Figur 13.
Sukkerne i urten inddeles i to kategorier afhængigt af, hvornår de nedbrydes under gæringen:
-
Hovedgæring: glukose og maltose
-
Sekundær gæring: maltotriose
Figur 13. Glukose, maltose og maltotriose er de vigtigste sukkerarter i ølurten. Glukose nedbrydes først, derefter maltose og til sidst maltotriose, så gærcellen gradvist kan omdanne sukkeret til energi, ethanol og carbondioxid under gæringen.
Glukose nedbrydes til pyruvat gennem glykolysen. Glukose optages af gærcellen via en ikke-energikrævende proces gennem specifikke glukosetransportører og phosphoryleres derefter af enzymet hexokinase, det første trin i glykolysen. Glykolysen består af en række reaktioner (1–10 i Figur 14), der foregår i cytoplasmaet og resulterer i dannelsen af to pyruvatmolekyler. Man kan sige, at glukosen spaltes, da ét glukosemolekyle med seks carbonatomer omdannes til to pyruvatmolekyler med hver tre carbonatomer.
I vores celler nedbrydes glukose på samme måde til pyruvat i cytoplasmaet, som derefter kan omdannes til oxaloacetat. En mindre del af oxaloacetaten transporteres til mitokondrierne, hvor det indgår i citronsyrecyklussen. Mængden af oxaloacetat, der transporteres, er netop nok til at opretholde cyklussen.
Gærceller har også mitokondrier og kan ligesom vores celler fuldstændigt nedbryde glukose til carbondioxid og vand. Glykolysens og citronsyrecyklussens mange trin har til formål gradvist at overføre energien fra glukose til ATP, kroppens “energivaluta”. Hvis omdannelsen skete i ét trin, ville en stor del af energien gå tabt som varme.
Hvorfor er der alkohol i øl?
Under anaerobe forhold er gærceller ikke i stand til fuldstændigt at nedbryde pyruvat. Den fuldstændige nedbrydning til carbondioxid kræver nemlig oxygen. Oxygen indgår ikke direkte i reaktionerne i glykolysen eller citronsyrecyklus, men anvendes derimod i de redoxreaktioner, der foregår i respirationskæden, hvor NADH og FADH₂ oxideres. Oxygen fungerer her som oxidationsmiddel for coenzymet NADH. Coenzymet NAD⁺ reduceres i både glykolysen og citronsyrecyklus, idet det optager hydrogenatomer og elektroner og dermed omdannes til NADH.
I respirationskæden, som foregår i den indre mitokondriemembran, oxideres NADH til NAD⁺ under dannelse af vand: NADH + H⁺ + ½O₂ → NAD⁺ + H₂O
Under anaerobe forhold er respirationskæden inaktiv, og citronsyrecyklussen ophører derfor, da NADH ikke oxideres. For at glykolysen kan fortsætte, må gærcellerne regenerere NAD⁺. Dette sker ved alkoholisk gæring, hvor pyruvat omdannes til ethanol. Først fraspaltes CO₂, så acetaldehyd dannes, hvorefter acetaldehyd reduceres til ethanol samtidig med, at NADH oxideres til NAD⁺ (Figur 15).
Figur 15. Pyruvats omdannelse til ethanol
Maltose og maltotriose optages via specifikke transportproteiner og nedbrydes af intracellulære α-glukosidaser til glukose, som indgår i glykolysen. Kulhydrater med mere end tre hexoseenheder kan ikke nedbrydes af ølgær og betegnes derfor som ikke-forgærbare kulhydrater, som forbliver i det færdige øl.
Gærcellerne har desuden behov for nitrogen i form af aminosyrer, der stammer fra proteiners nedbrydning under mæskningen. Under gæringen følges gærcellernes aktivitet ved måling af alkoholindhold og resterende sukker. Gæringen ophører typisk ved 3–4 % alkohol, fordi næringsstofferne er opbrugt.
Dannelse af biprodukter
Smagen og aromaen af øl er meget kompleks, og den stammer ikke kun fra malten og humlen, men også fra nogle af de biprodukter, gæren producerer under gæringen og modningen. De mængdemæssigt vigtigste biprodukter er alkohol og carbondioxid. Ud over små mængder af glycerol og acetaldehyd dannes også spor af en række organiske syrer, blandt andet eddikesyre, ravsyre og mælkesyre. Der dannes også en del alkoholer, eksempelvis isoamylakohol og α-amylalkohol, som stammer fra gærcellernes omsætning af aminosyrer. Selvom koncentrationen af mange af disse forbindelser er meget lille, har de stor indflydelse på den færdige øl, da de smager meget kraftigt. Under hovegæringen dannes der eksempelvis velsmagende estre, heriblandt ethylacetat.
Figur 16. Dannelse af diacetyl.
Af de forskellige biprodukter, der dannes, er diacetyl meget vigtig. Diacetyl er en vicinal diketon, der er et biprodukt fra biosyntesen af de to aminosyrer leucin og valin. Diacetyl er et stort problem i ølbrygning, da stoffet har en smøragtig smag. Samtidig er vores smagsløg meget sensitive over for stoffet; det vil sige, at selv meget lave koncentrationer kan smages (helt ned til 0,10 mg/L). Diacetyl fremkommer spontant, dvs. ikke-enzymatisk ud fra α-acetolaktat. α-acetolaktat er et mellemprodukt i biosyntesevejen af valin og leucin. Det enzym, som omdanner α-acetolaktat til det næste mellemprodukt i syntesevejen, er ikke særligt effektivt. Derfor ophobes α-acetolaktat i gærcellen og eksporteres ud i øllet. I øllet omdannes α-acetolaktat spontant til diacetyl (Figur 16). Diacetyl fjernes igen fra øllet ved hjælp af to enzymer under den efterfølgende modningsproces (se mere under modningsafsnittet).
Gæren fjernes efter hovedgæringen. Gæren kan bruges til nye gæringer, og den genbruges normalt 5-10 gange, inden den kasseres. Afhængigt af om der er blevet brugt under- eller overgær, opsamles cellerne på lidt forskellige måder. Når gæringen er afsluttet, bundfældes gærcellerne, hvis der er anvendt undergær. Gærcellerne kan høstes til brug i en ny gæring, ved at de pumpes ud af bunden af gærtanken. Hvis der i stedet er anvendt overgær, stiger gærcellerne op til overfladen og danner et tykt gærlag på øllets overflade. Dette lag kan skummes væk og opsamles. Ikke alle gærceller bundfælles eller stiger op til overfaden, så nogle vil forblive i suspension. Disse er ansvarlige for modningen af øllet, da de blandt andet er med til at nedbryde diacetylen.
Efter hovedgæringen er øllet en uklar væske, der endnu ikke har smag som en rigtig øl.
Modning
Under hovedgæringen dannes en del smags- og aromastoffer, der er uønskede i den færdige øl. Derfor lagres øllet. Lagring er en proces, hvor øllet opbevares afkølet i et længere stykke tid (lagringen kan vare fra et par dage op op til fire måneder) efter gæringen. Øllet opbevares køligt, ved ca. 2-6°C men den valgte temperatur afhænger meget af øltypen.
Under lagringen foregår den sekundære gæring, hvor den mængde gær, der er tilbage i øllet, nedbryder de sidste forgærbare kulhydrater (primært maltotriose, men det afhænger af proces og øltype). Nedbrydningen af disse kulhydrater resulterer i produktionen af en stor del af den kulsyre, der findes i det færdige øl. Den carbondioxid, der dannes under den sekundære gæring, er desuden med til at reducere mængden af svovlholdige stoffer, idet der sker en udvaskning, da de svovlholdige stoffer følger med carbondioxiden ud af gæringstanken. Lagringsprocessen er meget vigtig, da smagen forbedres, idet mængden af uønskede smagskomponenter i øllet reduceres. Eksempelvis nedbrydes diacetyl under modningen. Nedbrydelsen af diacetyl sker i to trin. Alle de enzymatiske reaktioner til nedbrydelse af diacetyl foregår inde i gærcellerne, derfor optages diacetyl først af gærcellen. Dernæst reduceres diacetyl ved hjælp af et af de to isoenzymer, diacetyl reduktase og acetoin dehydrogenase, til acetoin under oxidation af NADH. Acetoin reduceres videre til butandiol ligeledes under oxidation af NADH. Butandiol er en næsten smagsløs alkohol. Resultatet vil således være, at gærcellen omdanner et utroligt uønsket aroma-aktivt stof til en alkohol, der næsten ikke kan smages.
Når øllet afkøles til tæt på dets frysepunkt, sker der en udfældning af forskellige stoffer. I frøskallen i maltbyg findes nogle polyphenoler af den type, der kaldes proanthocyanidiner. Disse stoffer går i opløsning under mæskningen og havner i det færdige øl, hvor de udfælder øllets proteiner. Dette medfører, at øllet bliver uklart; derfor filtreres de fleste slags øl efter lagringen, så de udfældede stoffer fjernes. Nogle øl, eksempelvis visse hvedeøl, filtreres dog ikke, og fremstår derfor som uklare.
Den næste proces, der følger efter filtreringen, er justering af carbondioxidindholdet i øllet, og ofte vil man tilsætte lidt ekstra carbondioxid. Kun ca. 15 % af den carbondioxid gærcellerne danner, forbliver opløst i øllet. Resten forsvinder under gæringen. Carbondioxid øger øllets fylde og evne til at danne skum. Carbondioxid er desuden en smagsforstærker og spiller en stor rolle i at forlænge øllets holdbarhed. Mængden af carbondioxid, der kan opløses i øllet, afhænger af temperaturen og af det tryk, der er på overfladen af væsken.
Tapning
Til sidst tappes det færdige øl. I forbindelse med aftapning på flaske, dåse eller fustage, vil øllet normalt blive pasteuriseret enten før -, i forbindelse med – eller efter tapningen. Herved uskadeliggøres uønskede bakterier, og holdbarheden af øllet forlænges. Nogle øl pasteuriseres dog ikke; det gælder f.eks. visse belgiske øltyper. Disse har derfor ofte et større eller mindre indhold af levende gærceller.
Figur 17. Oversigt over, de kemiske reaktioner i omdannelsen af glukose til alkohol.
Infektionsorganismer i øl
Det er vigtigt, at ølbrygningen finder sted under hygiejniske forhold; der skal nemlig meget lidt forurening til, for at øllet får en forkert smag.
De mikroorganismer, der kan skade øl, er begrænset til nogle få arter indenfor bakterier, vildgær og skimmelsvampe. Øl har som et resultat af gæringen en pH-værdi på ca. 4-5, hvilket betyder, at øl er et forholdsvis uhensigtsmæssigt vækstmedie for de fleste mikroorganismer. Alkoholkoncentrationen, den lave pH og tilstedeværelsen af humle, hæmmer væksten af de uønskede mikroorganismer. Desuden vil manglen på næringsstoffer begrænse væksten af de celler, der overlever de hårde betingelser. Ikke desto mindre kan nogle af disse mikroorganismer påvirke gæringen og have effekter på øllets smag og holdbarhed. Blandt bakterierne kan mælkesyre- og eddikesyrebakterier skade øllet. Har øllet en forkert sur smag, er der en god chance for, at det er pga. mælkesyrebakterier. Nogle bakterier kan også forårsage, at diacetylniveauet i øllet er forhøjet. Disse bakterier kaldes for ølpediokokker og kendes for deres særegne form. Pediokokker er kendetegnet ved, at otte celler ofte sidder bundet sammen i terningform.