Einfluss der Vermälzung von Gerste und Weizen auf die Ausbildung und Freisetzung von Präkursoren erwünschter und unerwünschter Vinylaromaten bei der Herstellung von Weizenbier
Authors: Kalb Valerian , Hofmann Thomas 
Published: June 2023

Weizenbier ist ein spezieller Biertyp, welcher vor allem im deutschsprachigen Raum Europas (Deutschland und Österreich) gebraut wird. Mit einem Produktionsvolumen von 9 Millionen hL in Deutschland und 0,2 Millionen hL in Österreich im Jahr 2018 betrug der Anteil von Weizenbier am Jahresbierausstoß in diesen Ländern 9,2 bzw. 2,0 %. Traditionell wird dieser Biertyp aus Gersten‐ und Weizenmalz (>50 %) unter Einsatz von obergärigen Hefen hergestellt, wobei aromaaktive Vinylaromaten gebildet werden, welche dem Weizenbier das beliebte und charakteristische Nelkenartige und leicht phenolische Aroma verleihen. Die oben genannten erwünschten Schlüsselaromastoffe in Weizenbier werden in einem Decarboxylierungsprozess aus Zimtsäurederivaten (traditionell als Phenolsäuren bezeichnet), nämlich p‐Cumar‐ und Ferulasäure, in Gegenwart von Pof‐aktiven, obergärigen Hefen gebildet. In diesem biochemischen Prozess wird auch Zimtsäure, welche ebenfalls aus den eingesetzten Gersten‐ und Weizenmalzen stammt, umgesetzt, wobei unerwünschtes, toxikologisch relevantes Styrol entsteht. Seit den 1970er Jahren ist bekannt, dass Styrol ein natürlicher Bestandteil von Weizenbier ist. Jedoch erlangte sein Vorkommen erst 1996 Beachtung, als die Weltgesundheitsorganisation (WHO) eine tolerierbare tägliche Aufnahme (TDI) von 7,7 μg/kg Körpergewicht und Tag festlegte. Spätestens mit der Klassifizierung als „möglicherweise krebserregend beim Menschen” (Klasse 2B) durch die Internationale Agentur für Krebsforschung (lARC) wurde die Brauindustrie auf dieses Thema aufmerksam und setzte große Anstrengungen in die Styrolminimierung aus Gründen des Verbraucherschutzes. Die gegenwärtige Dissertation basiert auf einer Reihe von Studien zur Styrolminimierung und war im Speziellen auf die Aufklärung der Einflüsse der Vermälzung von Gerste und Weizen auf die Ausbildung und Freisetzung der Präkursoren von erwünschten und unerwünschten Vinylaromaten bei der Herstellung von Weizenbier fokussiert. Der erste Teil dieser Arbeit zielte auf ein grundlegendes Verständnis der Veränderungen, welche infolge des Mälzens und Maischens an den Phenolsäuren auftreten, ab. Dazu wurden Malz‐ und Würzeproben unter typischen Bedingungen der Weizenbierproduktion aus vier Gersten‐ und drei Weizensorten hergestellt und die unvermälzten Korn‐, Malz‐ und Würzeproben auf deren Gehalt an totaler, löslicher und freier Zimt‐, p‐Cumar und Ferulasäure untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass Zimtsäure in Korn und Malz weniger als 0,1 % und in der Würze weniger als 2 % des Gesamtphenolsäuregehaltes bestimmt. Die gleichzeitig vergleichbaren Konzentrationenvon freier Zimt‐ und p‐Cumarsäure in Korn und Malz konnten dabei darauf zurückgeführt werden, dass Zimtsäure bereits in Malz zu über 80 % in einer löslichen und p‐Cumar‐ und Ferulasäure noch zu über 90 % in einer unlöslich estergebunden Form vorlagen. Der hohe Anteil an freier Zimtsäure im Vergleich zur p‐Cumar‐ und Ferulasäure wirkte sich zudem direkt auf die Transferraten vom Malz in die Würze aus, welche für Zimtsäure bei über 100 % und für die erwünschten Phenolsäuren bei kleiner 8 % lag. Ein Vergleich der Gersten‐ und Weizenmalze hinsichtlich deren Eintrag an Zimt‐, p‐Cumar‐ und Ferulasäure in die Würzen zeigte, dass die Verwendung von Gerstenmalzen zu einem Eintrag in einem Verhältnis von 2:14:84 and von Weizenmalzen von 1:2:97 führt. Als nächstes, mit dem Ziel eines besseren Verständnisses der Enzymaktivitäten, welche direkt oder indirekt an der Freisetzung der Phenolsäuren während des Mälzens beteiligt sind, wurden die Korn‐ und Malzproben aus selbigem Probensatz auf deren aund β‐ Amylase‐, β‐Glucanase‐, Feruloylesterase‐ und Proteaseaktivitäten untersucht. Zusätzlich wurden die totalen und wasserextrahierbaren Arabinoxylan‐ und β‐Glucanegehalte in diesen Proben bestimmt, da in Getreide die Zielanalyten hauptsächlich an das Nicht‐Stärkepolysaccharid Arabinoxylan gebunden sind. Anhand eines vollständigen Abbaus des β‐Glucans und damit der Zellwände konnte der Einschluss von Phenolsäuren in intakten Zellwänden und damit deren Unzugänglichkeit durch Enzyme ausgeschlossen werden. Wie erwartet zeigte sich eine positive Korrelation zwischen dem Abbau des Arabinoxylans und der Freisetzung der Phenolsäuren. Interessanterweise bestand jedoch kein direkter Zusammenhang zwischen der Aktivität der Feruloylesterase, welche für die direkte Freisetzung der Phenolsäuren verantwortlich ist und der freien Phenolsäurekonzentration, was darauf hinwies, dass die Feruloylesteraseaktivität nicht exklusiv für den Gehalt der freien Phenolsäuren verantwortlich ist und weitere Faktoren wie Inhibitorproteine und die Gesamtgehalte der Phenolsäuren berücksichtigt werden müssen. Die Abwesenheit einer Korrelation zwischen der Proteaseaktivität und den untersuchten Enzymaktivitäten zeigte zudem, dass die an der Freisetzung der Phenolsäuren beteiligten Enzyme nicht durch die Proteasen angegriffen werden. Aufbauend auf diesen neuen Erkenntnissen wurden im zweiten Teil dieser Arbeit ausgewählte Mälzungsparameter, wie die Weichtemperatur, die Keimtemperatur in Kombination mit der Belüftungsrate und die Temperaturen, welche während des Darrens verwendet werden, auf deren Eignung zur Styrolreduktion untersucht. Für jeden dieser Parameter wurden mehrere Mälzungsexperimente, unter Einsatz des selben Rohmaterials bestehend aus zwei Gerstensorten und einer Weizensorte, durchgeführt. Aus den Malzen wurden im Weiteren Würzen hergestellt, um festzustellen, inwiefern sich der Mälzungsprozess auf die Präkursorenkonzentrationen in den Würzen auswirkt. Das größte Potential zur Styrolreduktion zeigte die Schwelktemperatur. Niedrigere Temperaturen sollten hier bei der Mälzung von Gerste und Weizen höheren Temperaturen vorgezogen werden. Im Labormaßstab ließ sich durch die Auswahl niedrigerer Schwelktemperaturen eine Reduktion der Styrolkonzentration von bis zu 72 % erreichen. Der zweitgrößte Einfluss zeigte die Keimtemperatur zusammen mit der Belüftungsrate, wobei in diesem Fall höhere Temperaturen und niedrigere Belüftungsraten sich vorteilig auf eine Reduktion von Styrol mit einem Reduktionspotential von bis zu 52 % auswirkten. Den geringsten Einfluss zeigte die Weichtemperatur, mit der Fähigkeit durch Einsatz höherer Temperaturen die Styrolkonzentration um bis zu 16 % zu senken. Interessanterweise zeigte der Mälzungsparameter mit der höchsten Prozesstemperatur auch den größten Einfluss, was vermutlich auf die Temperaturabhängigkeit der Enzyme zurückzuführen ist. Bisher wurden die Gersten‐ und Weizensorten immer getrennt untersucht, weshalb im dritten Teil dieser Arbeit Würzen unter Einsatz von unterschiedlichen Verhältnissen von Gerstenzu Weizenmalz hergestellt wurden. Die Daten aus diesen Experimenten dienten dazu, zu bestimmen, ob und wie sich die Phenolsäurekonzentrationen und Enzymaktivitäten in diesen beiden Getreidesorten gegenseitig beeinflussen, wenn diese bei der Weizenbierherstellung miteinander verschnitten werden. Dabei zeigte sich, dass es zu keinen synergistischen Effekten kommt, wenn Gersten‐ und Weizenmalze bei der Herstellung von Weizenbier vermengt werden. Stattdessen wurde eine lineare Korrelation in Abhängigkeit vom Verhältnis zwischen Gerstenund Weizenmalz und den Phenolsäurekonzentrationen festgestellt. Der Gehalt an Phenolsäuren in Würzen zur Weizenbierherstellung ist demnach eine Funktion der Konzentration in Würzen aus 100 % Gerste oder Weizen, multipliziert mit dem jeweiligen Prozentsatz der für das Einmaischen verwendeten Getreideart. Abschließend wurden die Würzen, im Hinblick auf die hefeeigene Feruloylesteraseaktivität und der fehlenden Korrelation zwischen den freien Phenolsäurekonzentrationen in den Prozessintermediaten zu den Vinylaromatkonzentrationen in Weizenbier, in Gegenwart von zwei unterschiedlichen Pof‐aktiven, obergärigen Hefestämmen fermentiert. Dadurch sollte die Frage geklärt werden, zu welchem Anteil die löslich estergebundenen Phenolsäuren zur finalen Vinylaromatkonzentration in Weizenbier beitragen. Vergleichbare Konzentrationen der löslich estergebundenen Phenolsäuren in Würze und Bier zeigten dabei, dass es zu keiner Freisetzung löslich estergebundener Phenolsäuren und damit im Folgenden zu einerUmsetzung zu den Vinylaromaten gekommen ist. Gleichzeitig wurde ein vollständiger Abbau der freien Phenolsäuren durch die Fermentation beobachtet, wodurch abschließend gezeigt werden konnte, dass die finalen Vinylaromatkonzentrationen hauptsächlich durch die freien Phenolsäurekonzentrationen in den Ausschlagswürzen und weniger durch die Gehalte der löslich estergebundenen Phenolsäuren oder der hefeeigenen Feruloylesterase bestimmt werden.