Fermentation
Was versteht man unter Fermentation? Sie ist ein biochemischer Prozess in der Whiskyherstellung. Bei der alkoholischen Gärung wandelt die Hefe den Zucker in Alkohol und Kohlendioxid um.
Der Fermentationsprozess
Folgendes passiert, wenn die Hefe der Würze zugesetzt wird. Die Hefe löst die Umwandlung des Zuckers in Alkohol aus, wobei Kohlendioxid freigesetzt wird.
Diese Reaktion können wir riechen, sehen und spüren!
Man kann den Alkohol riechen, aber es ist nicht ratsam, die Nase zu tief in den Bottich zu stecken, wegen des aufsteigenden Kohlendioxids. Beim Aufsteigen verursacht es deutlich sichtbaren Schaum an der Oberfläche der Maische. Das Kohlendioxid verdunstet in der Luft. Einige Brennereien, die über einen geschlossenen Abzug verfügen, fangen diese Gase auf.Die bei diesem Prozess entstehende Wärme schließlich spürt man, wenn man die Hand auf den Gärbottich legt.Über die Dauer und die Temperatur des Fermentations-Prozesses entstehen die komplexen Aromen des Whiskys, vor allem im zweiten Teil der Gärung, wenn die Aktivität der Hefe nachlässt. Die Hauptgärung endet, wenn die Hefe keinen Zucker mehr umwandeln kann und die Alkoholkonzentration in der Würze zu hoch wird. In diesem Stadium, wenn der Alkohol die Hefe daran hindert, aktiv zu werden, beginnen verschiedene Bakterien zu arbeiten.
Milchsäurebakterien
Sie waren bereits vor dem Maischen "Bewohner" des Malzes und müssen daher im Gegensatz zur Hefe nicht extra zugesetzt werden. Die chemischen Reaktionen, die diese Bakterien auslösen, führen zu neuen Verbindungen. Dabei handelt es sich um Säuren, Aldehyde, Ester und langkettige Alkohole. Sie machen zwar nur einen geringen Anteil aus, beeinflussen aber das Aroma und den Körper der Würze und gehen bei der nachfolgenden Destillation nicht verloren!
Die Dauer der Gärung ist von Brennerei zu Brennerei unterschiedlich. Nach 48 bis 96 Stunden ist sie abgeschlossen und die Maische hat einen Alkoholgehalt von etwa 6 bis 10 Prozent. Das reicht für ein gutes Bier, aber nicht für einen Whisky.
Alle Interessierten finden weiter unten den Biochemischen Hintergrund.
Die Hefe
Die Hefe macht’s! Sie ernährt sich von Zucker und produziert dabei nicht nur Alkohol, sondern auch wertvolle Aromen und Geschmacksstoffe. Während der Gärung entstehen Wärme und Bläschen, die das charakteristische ‚Blubbern‘ erzeugen.
Durch das Maischen des Malzes entsteht eine Zuckerlösung, die sogenannte Würze. Um diesen Zucker in Alkohol umzuwandeln, ist ein Gärungsprozess erforderlich, weshalb Hefe zugesetzt werden muss. Da Hefe keine hohen Temperaturen verträgt, wird die Würze auf etwa 20 °C abgekühlt, bevor die Hefe in den Gärbottich gegeben wird. Die Hefe kann entweder direkt in die Würze gegeben werden oder in einem kleinen zusätzlichen Rührwerk aufgelöst und zubereitet werden, um eine schnellere Gärung einzuleiten
Es gibt verschiedene Arten von Hefe, die von Brauern und Brennern verwendet werden, aber alle gehören zu einer Spezies namens "Saccharomyces cerevisiae". Hefen sind Pilze und keine Bakterien! Bierhefe entwickelt aromatischere Geschmacksstoffe, Brennereihefe kann mehr Alkohol erzeugen. Die meisten Whiskybrenner verwenden eine Mischung aus Bier- und Brennereihefe, weil sie erfahrungsgemäß in mehrfacher Hinsicht die besten Ergebnisse erzielt. So sorgt ein bestimmter Hefestamm für eine schnelle und vollständige Gärung, erzeugt positive Aromen und minimiert die Schaumbildung.
Die Hefemenge macht 2 bis 2,5 Prozent im Gärbottich aus, aber die Brennereihefe kann eine Tonne Malz in 4.000 Liter Alkohol umwandeln.
Der Gärbottich
In einem Gärbottich findet ganz allgemein die Vergärung von Bier, Wein und auch Whisky statt. Er kann aus unterschiedlichen Materialien gefertigt werden. Wichtig ist eine hohe Beständigkeit gegenüber Alkohol und Fruchtsäuren.
Traditionelle hölzerne Gärbottiche
Traditionell werden Gärbottiche aus Holz hergestellt. Oft sieht man sie aus Oregon Kiefer, die sehr hoch wächst, wenig Äste hat und eine sehr feine Holzstruktur aufweist. Es gibt aber auch Gärbottiche aus Lerche oder Zypresse. Sie werden mit Deckeln abgedeckt, um das Eindringen von Bakterien und das Überlaufen der Maische zu verhindern, wenn diese durch die Gärung zu stark ansteigt. Als zusätzliches Mittel gegen die Schaumbildung werden in den Gärbottichen rotierende Klingen angebracht.
Holz ist ein organisches Material und ein idealer Wirt für Bakterien. Deshalb müssen hölzerne Gärbottiche besonders sorgfältig und gründlich gereinigt werden, um unerwünschte Nebeneffekte zu vermeiden. Die Reinigung erfolgt sowohl durch starkes Dämpfen, als auch durch den Einsatz chemischer Lösungen. Dies ist nicht nur bei traditionellen Gärbottichen aus Holz notwendig, sondern auch bei solchen aus Eisen oder Stahl. Allerdings ist die Gefahr von hartnäckigen bakteriellen "Gästen" bei Holzbottichen besonders groß.
Warum also noch Holzbottiche? Es wird behauptet, dass die Gärung in Holzbottichen aufgrund von Wechselwirkungen Aromen liefert. Wenn man jedoch bedenkt, wie oft die Bottiche benutzt werden, wie klein die Oberfläche des Holzes ist, die mit der Maische in Berührung kommt, und schließlich, wie kurz die Gärzeit ist, kann man sich vorstellen, wie gering dieser Einfluss letztlich sein kann.
Aber es gibt ein Argument für Holzgärbottiche, das alle anderen Argumente, so logisch und kompetent sie auch sein mögen, übertrifft: Holzbottiche sehen in unseren Augen einfach besser aus und passen zu unseren Vorstellungen von traditioneller Whiskyherstellung!
Alte gusseiserne Gärbottiche
Im 19. und 20. Jahrhundert suchten einige Brennereien nach Alternativen. Sie wollten Materialien verwenden, die leichter zu reinigen waren und eine längere Lebensdauer hatten. Gusseisen war damals die Antwort, und in einigen Brennereien sind diese schweren Gärbottiche noch zu sehen.
Neue Edelstahl Gärbottiche
Edelstahl die große Erfindung zu Beginn des 20. Jahrhunderts, die bald die meisten Industriezweige revolutionierte. In jeder Brennerei, die Sie besuchen, werden Sie rostfreien Stahl sehen, auch wenn dort noch mit traditionellen Methoden gearbeitet wird. Einige verwenden ihn nur als Tank für den Rohbrand, andere haben seine beträchtlichen Vorteile erkannt und viele andere Behälter und Apparate, wie z.B. Gärbottiche, durch Edelstahl-Bottiche ersetzt.
Edelstahlbottiche sind die optimale Alternative zu hölzernen Gärbottichen, wenn es darum geht, Reinigungslösungen anzuwenden und Bakterien und Pilze durch ein geschlossenes Becken fernzuhalten. Moderne Edelstahlbottiche verfügen über automatische Reinigungssysteme, so dass weniger chemische Reinigungsprozesse erforderlich sind.
Gekühlte Gärbottiche
Einige moderne Brennereien verwenden gekühlte Gärbottiche, mit denen die Temperatur der Maische geregelt werden kann. Dabei handelt es sich um geschlossene Systeme, in denen der Gärprozess und die Aktivität der Hefe sowie die Entstehung von Nebenprodukten beeinflusst werden können.
Die Hauptgärung endet, wenn die Hefe keinen Zucker mehr umwandeln kann und die Alkoholkonzentration der Würze zu hoch wird. In diesem Stadium, wenn der Alkohol die Hefe daran hindert, aktiv zu werden, beginnen verschiedene Bakterien zu arbeiten, insbesondere Milchsäurebakterien. Sie waren "Bewohner" des Malzes, bevor es eingemaischt wurde, so dass sie, anders als die Hefe, nicht gesondert zugesetzt werden müssen. Die chemischen Reaktionen, die diese Bakterien anstoßen, führen zu neuen Verbindungen. Dabei handelt es sich um Säuren, Aldehyde, Ester und langkettige Alkohole. Sie machen zwar nur einen geringen Anteil aus, beeinflussen aber das Aroma und den Körper der Würze. Da die meisten von ihnen bei der folgenden Destillation nicht verloren gehen, wäre es ein großer Fehler, ihnen keine Beachtung zu schenken.
Biochemischer Hintergrund
Whisky ist per Definition ein aus Getreide gebranntes Getränk. Doch wie wird aus Getreide Alkohol? Natürlich durch Gärung. Bis es soweit ist, muss eine lange Kette chemischer und biologischer Reaktionen durchlaufen werden.
Was passiert im Inneren der Gärbottiche, wenn Hefe in die Würze gegeben wird? Nennen wir es Chemie! Es ist eine sehr einfache Reaktion, aber das Ergebnis ist faszinierend: C6H12O6 -> 2 x C2H5OH + 2 CO2 + Wärme.
Diese Formel in Worte gefasst: In unserer Würze befinden sich Glukosemoleküle. Die Hefe spuckt sie nun aus und jedes Molekül liefert zwei Ethanolmoleküle (das ist der Alkohol, den wir brauchen), zwei Kohlendioxidmoleküle und Wärme.
Es folgt eine detaillierte Erklärung.
Zucker
Das Getreidekorn besteht vornehmlich aus Stärke. Die weiteren Bestandteile sind Eiweiße, Fette und Spurenelemente. Die Stärke ist der Ausgangsstoff für die Alkoholproduktion. Zur einfacheren Erklärung der chemischen Zusammenhänge möchte ich jedoch nicht bei der Stärke, sondern dem Zucker beginnen. Zucker und Stärke gehören beide in die Gruppe der Kohlenhydrate. Hat man die Grundeigenschaften des Zuckers verstanden, so kann man leicht den Rückschluss auf die Stärke ziehen.
In der Geschichte kannten unsere lokalen Vorfahren nur den Bienenhonig und Früchte als Zuckerlieferanten. Das änderte sich schlagartig mit der Entdeckung der Welt, als der Rohrzucker aus den südlichen Breiten zu uns kam. Es ist gar nicht so lange her, daß die Zuckerrübe bei uns als Zuckerlieferant erschlossen wurde. Ab der Mitte des vergangenen Jahrhunderts wurde in unseren Breiten verstärkt Rübenzucker-Fabriken errichtet. Heute produzieren wir in Rüben- und Stärkezuckerfabriken und importieren zusätzlich noch erhebliche Mengen an Rohrzucker in die Europäischen Gemeinschaft (Lieferanten z.B. Südafrika und Mauritius).
Jeder kennt einige Zuckerformen aus der Lebensmittelwerbung. Über die im Folgenden aufgeführten Zucker hinaus gibt es noch viele weitere Zucker, deren chemischer Aufbau aber ähnlich ist.
| Bezeichnung | Chemische Bezeichnung | Formel |
|---|---|---|
| Rohrzucker | Saccharose | C12H22O11 (=2*C6H12O6-H2O) |
| Traubenzucker | Glucose | C6H12O6 |
| Fruchtzucker | Fructose | C6H12O6 |
| Milchzucker | Lactose | C12H22O11 |
| Malzzucker | Maltose | C12H22O11 |
Glucose
Allen diesen Zuckern ist ihre chemische Grundformel C6H12O6 gemein. Ein einfaches Zuckermolekül besteht also aus 6 Kohlenstoff-, 12 Wasserstoff- und 6 Sauerstoff-Atomen. Die folgende Struktur zeigt ein gestrecktes D-Glucose-Molekül.
Fructose
Die für uns wichtigen Zucker Glucose und Fructose haben sechs Kohlenstoff-Atome (C6H12O6). Es gibt aber auch Zucker mit fünf oder sieben Kohlenstoffatomen (Beispiel: Ribose) bei denen in der Kette eine H-C-OH Einheit fehlt oder zusätzlich eingefügt ist.
Ein Fruchtzucker (Fructose) hat einen leicht unterschiedlichen Aufbau in der Kette. Die zweite H-C-OH Gruppe ist durch eine Ketongruppe ersetzt (C=O). Dafür fehlt die Aldehydfunktion am Kettenende.
Was macht einen Zucker süß?
Es sind die OH-Gruppen, die mit den Rezeptoren auf unserer Zunge reagieren. Aber nicht die Menge der OH-Gruppen ist ausschlaggebend, es ist vielmehr die Stellung dieser OH-Gruppen im Raum, die nur in einer bestimmten Lage mit unseren Rezeptoren auf der Zunge Kontakt aufnehmen können. Es gibt Stoffe, deren OH-Gruppen sind ähnlich im Raum angeordnet (Süßstoff, Glycol, etc.), und deshalb auch süß schmecken.
Die C1 und C5 Atome des Zuckers können sich über das doppelt gebundene Sauerstoff Atom der oberen Aldehyd-Gruppe zu einem Ring aus fünf Kohlenstoff- und einem Sauerstoffatom verbinden (addieren). Dabei wird kein Atom abgespalten, sondern alle Atome werden in die neue Ringstruktur eingebaut. Das sechse Kohlenstoffatom steht seitlich vom Ring ab. Der Ring ist jedoch im Raum nicht eben, sondern vielmehr sesselförmig abgeknickt. Diese Ringstruktur ist energetisch günstiger als die freie Kette. Statistisch stellt sich ein Gemisch aus 99% Ringen und 1% Ketten in einer Glucose-Lösung ein.
Maltose und Glucose
Bei den für die Alkohol-Produktion wichtigen Zuckern (Maltose und Glucose) ist die Ringbildung typisch. Der Rohrzucker besteht jedoch nicht nur aus 6-er Ringen, sondern kann auch 5-er Ringe bilden.
Die OH Gruppe am ersten C-Atom (ehemals Aldehyd-Gruppe in der Kette) kann nun mit dem H-Atom am gleichen C-Atom vertauscht sein. Dies ergibt eine andere räumliche Anordnung. Man spricht in diesem Fall von einer beta-Anordnung.
Stärke
Kurz geschrieben
sieht diese Verbindung nun so aus:
Chemisch geschrieben
Dies bedeutet, dass sich ein alpha-Glucosering (Glc) über das C1-Atom mit einem zweiten alpha-Glucosering mit dessen C4-Atom verbindet.
Stärke ist
nun die wiederholte Verknüpfung solcher Zucker nach der verallgemeinerten Formel:
Diese Formel beschreibt die chemisch reine Stärke mit dem Namen Amylose. Die reine Amylose ist räumlich gewunden. In Natura ist die Stärke nicht ganz so regelmäßig strukturiert. Es gibt nicht nur Ketten sondern auch Verzweigungen.
Verkettet man beta-Glucose nach der gleichen Methode, so erhält man Zellulose, wie sie im Holz der Whiskyfässer zu finden ist. Die Zellulose-Moleküle sind lange Ketten, die sich nebeneinander lagern und über Wasserstoffbrückenbindungen binden können. Deshalb ist Zellulose faserig und stabiler als das Stärkemehl.
Das Enzym Amylase aus der Gerste kann nun die Stärke des Getreidekorns an den O-Bindungen zerteilen. Mit Zellulose kann es dagegen nichts anfangen. Die beta-Formen kann es nicht erkennen. Ziegen sind dagegen in der Lage, mit Hilfe von Mikroorganismen in ihrem Darm, die Cellulose in Zucker zu spalten.
Das Enzym greift die Ketten an, teilt sie und trennt immer zweier Zucker (Dimere und Maltose) von den Enden des Stranges ab. Ist die gesamte Kette zerteilt, bleiben nur 2er- und 3er-Ketten (Trimere) übrig. Auch die Trimere kann das Enzym nicht weiter abbauen.
BESONDERHEIT: Das Enzym Amylase liegt ausschließlich im Gerstenmalz vor. Es kann aber nicht nur die Stärke der Gerste sondern auch Stärken aus anderen Getreidesorten in Zucker zerteilen. Aus diesem Grund enthält die Maische für Bourbon und Grain Whisky in der Regel einen 10% Anteil an Gerstenmalz.
Große Grain Brennereien, Stärkezuckerfabriken und auch die amerikanischen Whiskey Brennereien machen sich eine Besonderheit der Stärke zu Nutze. Stärke kann säure-hydrolytisch unter Zufuhr von Wärme gespalten werden. In den Kochern der Bourbon Brennereien wird im sauren Milieu (Sour Mash) bei leichtem Überdruck der Mais bei 105 °C für 25 min gekocht (1,14 bar = 2 psi Überdruck) und so die Spaltung der Stärke beschleunigt. Dies kann den Einsatz von Gerste ersetzen.
Alkoholische Gärung
Der letzte Schritt vom Getreidekorn zum Alkohol ist die Alkoholische Gärung. Was ist die Alkoholische Gärung? Da stellen wir uns einfach mal janz dumm ... (frei nach Heinz Rühmann - 'Die Feuerzangenbowle')
Die alkoholische Gärung wird nicht von Enzymen, sondern vielmehr von Hefen ausgeführt. Hefen sind keine Bakterien sondern Pilze. Hefen sind in der Natur überall anzufinden. Besonders im Herbst, wenn die Früchte reif werden, fliegen ihre Sporen in großer Zahl durch unsere Umgebungsluft. Sie führen in der Zucker/Wasser-Lösung eine einfache chemische Reaktion nach der folgenden Formel durch:
Hefe
Der Hefepilz spaltet ein Glycose-Molekül und erzeugt pro Ring zwei Ethanol-Moleküle (Alkohol) und zwei Kohlendioxid-Moleküle und Energie in Form von Wärme. Zusätzlich entstehen fruchtige Aromastoffe (Ester), die dem Whisky seine große Geschmacksvielfalt verleihen. Der reinen Stärke kann der Hefepilz nichts anhaben. Sie bleibt von den Pilzen verschont.
In Schottland kommen in der Regel zwei verschiedene Trockenhefen (Bäcker- und Brauereihefe) zum Einsatz. Die erste von beiden sorgt für eine schnell beginnende Gärung. Gleichzeitig wird der Wash angesäuert. Die zweite Hefe arbeitet im sauren Milieu besser und erreicht erst später ihre maximale Leistung. Sie sorgt dafür, dass im Wash ein hoher Alkoholgehalt entsteht.
In den USA legt man bei der Whiskey-Herstellung ganz besonderen Wert auf die fruchtigen Ester spezieller Hefen. Jeder Bourbon hat deshalb seine eigene(n) Hefe(n). Sie wurden aus wilden Hefen isoliert und von den Firmen patentiert. Sämtliche verwendeten Hefen werden in eigenen Vermehrungsanlagen in großer Menge erzeugt und auch flüssig zugesetzt.
Kohlendioxid
Das Kohlendioxid steigt in der gärenden, blubbernden Lösung auf und verteilt sich in der Luft. Das erzeugte Ethanol reichert sich in der Lösung an. Von der frei werdenden Energie lebt der Hefepilz. Dieser Vorgang dauert so lange an, bis entweder aller Zucker verbraucht ist (typisch für den Whisky) oder bis die Alkoholkonzentration so weit angestiegen ist, dass der Hefepilz sich durch seine eigenen Produkte selbst abtötet (typisch für Wein).
Essig - Essigsäure - Essigbakterien
Jeder Brenner, Brauer oder Winzer hat sich mit den Essigbakterien notgedrungen zu beschäftigen. Essigbakterien kommen genauso wie die Hefepilze in der freien Natur vor. Sie ernähren sich von Alkohol und erzeugen Essigsäure. Ist ein Gärbehälter (Wash Back, Fermenter) einmal von Essigbakterien befallen, so kann man die gesamte Füllung nicht weiter verwenden. Aus diesem Grund werden die Wash Backs in Schottland mit chemischen Substanzen gereinigt und in den USA werden die Fermenter sogar mit hoher Temperatur sterilisiert. Die grundlegende chemische Reaktion, die die Essigbakterien ausführen, sieht so aus:
Da die Reaktion Sauerstoff benötigt, kann man unter strengem Luftabschluss in der Regel eine Infektion mit Essigbakterien vermeiden. Über die hier beschriebenen Essigbakterien hinaus gibt es spezielle Bakterien, die sich zunächst Alkohol selbst produzieren, bevor sie Essigsäure erzeugen. Es gibt aber auch höher entwickelte Pilze, die diesen Essigbakterien Konkurrenz machen und ebenfalls von der Stärke bis zur Essigsäure durchreagieren können. Die Natur hält noch viele Wunder für uns bereit. Bis zu deren Erforschung sollten wir uns ganz einfach an den Produkten der Natur erfreuen.
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