Gæring

Denne underside udgør tredje del af teorien for Biotech Academys materiale om Ølbrygning.

For at gæren kan omdanne urten til øl, skal urtens sukre omdannes til ethanol og carbondioxid. Gæringen resulterer også i dannelsen af en del biprodukter, der er meget vigtige for blandt andet øllets smag og aroma.

Efter at urten er færdigkogt, afkøles den, inden gæringen kan startes. Gæringsprocessen varer typisk 3-10 dage og foregår i store gæringstanke (Figur 12). I tankene har gærcellerne ikke adgang til oxygen, da processen skal foregå anaerobt. I starten skal urten derimod indeholde oxygen, så gærcellerne kan lave steroler og fedtsyrer. Gæringen foregår ved forskellige temperaturer afhængig af hvilken øltype, der brygges. Anvender man undergær, foregår gæringen normalt ved 10-16°C; anvender man derimod overgær, er temperaturen lidt højere, nemlig 18-25°C.

Under gæringen vil gærcellerne som en naturlig del af de stofskifteprocesser, der foregår, udvikle varme. Derfor afkøles tankene under gæringen. Faktisk producerer gærcellerne mere ethanol pr. tid, jo højere temperaturen bliver, men da en højere temperatur resulterer i uønskede aromastoffer, køles tankene ned.

De biokemiske processer, der foregår inde i gærcellerne under gæringsprocessen, er forklaret i det følgende afsnit.

Figur 12. Billedet viser gæringstanke med et volumen på hver ca. 2000 hektoliter. Med tilladelse fra Carlsbergs Forskningscenter.

Nedbrydning af sukre

Som nævnt i afsnit 2 indeholder ølurten blandt andet glukose, maltose og maltotriose. De sukre, der findes i urten, nedbrydes i en meget bestemt rækkefølge, da gæren skal hydrolyserere di- og trisakkarider inden de kan nedbrydes i glykolysen. Derfor optages og nedbrydes glukose før maltose og maltotriose. Det skyldes blandt andet en mekanisme, der kaldes glukoserepression, og som sikrer, at gærcellen ikke spilder unødvendig energi på at nedbryde større molekyler, når glukose allerede er til stede.

Man inddeler sukrene i urten i to kategorier afhængigt af, hvornår de bliver nedbrudt i løbet af gæringen:

Hovedgæring: glukose og maltose
Sekundær gæring: maltotriose

Glukose nedbrydes til pyruvat gennem glykolysen. Glukose optages af gærcellen ved en ikke-energikrævende proces, der varetages af specifikke glukose-transportører. Derefter phosphoryleres glukose af det første enzym i glykolysen, hexokinase. Glykolysen er en betegnelse for en række reaktioner (1-10 i Figur 13), der foregår i cytoplasmaet, og som resulterer i dannelsen af to pyruvatmolekyler. Man kan kalde det for en spaltning af glukosemolekylet, da glukose indeholder seks carbonatomer, mens pyruvat kun indeholder tre.

I vores celler nedbrydes glukose også gennem glukolysen til pyruvat i cytoplasmaet; pyruvat omdannes videre til oxaloacetat. En mindre del af oxaloacetaten overføres til mitokondrierne, hvor det indgår i citronsyrecyklussen. Den mængde oxaloacetat, der overføres til mitokondrierne og indgår i citronsyrecyklussen, er lige netop stor nok til at opretholde citronsyrecyklussen.

Gærceller har også mitokondrier og er derfor ligesom vores celler i stand til fuldstændigt at nedbryde glukosen til carbondioxid og vand. Den overordnede funktion af glykolysens og citrosyrecyklussens mange trin er gradvist at overføre den energi, der er i glukosemolekylet til en ”energivaluta” i form af ATP. Skete hele omdannelsen i et enkelt trin, ville den energi, der er i glukosen, ikke kunne ”fanges”, og der ville tabes en stor mængde energi i form af varme.

Hvorfor er der alkohol i øl?

Under anaerobe forhold er gærcellerne dog ikke i stand til fuldstændigt at nedbryde pyruvat. Den fuldstændige nedbrydning til carbondioxid kræver nemlig oxygen. Oxygenen indgår ikke i reaktionerne i glykolysen eller citronsyrecyklus, men derimod i de redoxreaktioner i respirationskæden, hvor NADH og FADH₂ oxideres. Oxygenen bruges som oxidationsmiddel for coenzymet NADH. Dette coenzym bliver i glykolysen og citronsyrecyklus reduceret, da det modtager hydrogenatomer samt elektroner.

Det er i respirationskæden, som foregår over den indre membran i mitokondrierne, at NADH oxideres tilbage til NAD⁺ under dannelse af vand:

NADH + H⁺ + ½O₂ → NAD⁺ + H₂O

Under anaerobe forhold er respirationskæden ikke aktiv. Efter en kort periode med anerobe forhold stopper citronsyrecyklussen også med at virke. Det gør den fordi NADH ikke oxideres. Gærcellerne er dog nødt til at få energi på én eller anden måde. Som man kan se på figuren, resulterer glykolysen, udover pyruvat, også i 2 molekyler. ATP og to molekyler NADH. Da der kun findes en begrænset mængde NADH i cellen, er gærcellerne nødt til at finde en måde at regenerere dette molekyle til NAD⁺, fordi det skal bruges i reaktion 6 (se Figur 13).

Figur 13. Pyruvats omdannelse til ethanol

Gærcellerne kan regenerere NADH ved at danne alkohol (reaktion 11 og 12 i Figur 15). Først fraspaltes et carbondioxidmolekyle fra pyruvat, hvorved der dannes acetaldehyd. Derefter reduceres acetaldehyd til alkohol. Reduktionen af acetaldehyd kobles til oxidationen af NADH til NAD⁺, en såkaldt redoxreaktion. Se ovenfor.

Nedbrydelse af maltose og maltotriose kræver, at sukrene optages ved hjælp af nogle specifikke transportproteiner. Når maltose og maltotriose er blevet optaget, hydrolyseres de af intracellelulære α-glukosidaser (blandt andet maltase) til glukose (husk, at maltose består af to glukoseenheder, der er bundet sammen af en α-glykosidbinding). Denne glukose indgår dernæst i glykolysen ligesom den glukose, der blot optages. Sukkermolekyler, der består af mere end tre hexose-enheder, kan ikke nedbrydes af gærcellerne. Disse sukre går under betegnelsen ikke-forgærbare kulhydrater. Det skyldes, at ølgær ikke har enzymerne til at nedbryde dextrinerne (eksempelvis α-amylase, der er omtalt i afsnit 2). Disse sukre vil derfor også være til stede i det endelige øl. Gærcellerne har også brug for nitrogen for at vokse; dette får de fra aminosyrer, der er fremkommet ved nedbrydning af proteiner under mæskningen. Under gæringen er det meget vigtigt at følge med i, hvor aktive gærcellerne er. Man måler derfor dagligt alkoholprocenten og hvor meget maltsukker, der er tilbage i øllet. Ølgær når sjældent mere end 3-4 % alkohol, før væksten og gæringen standser. Væksten standser dog ikke på grund af alkoholkoncentrationen, men udelukkende fordi næringskilden 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.

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 14).

Figur 14. Dannelse af diacetyl.

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 15. 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.