Während der Herstellung von Whisky stellt der Produktionsschritt der Gärung ein Paradebeispiel für Multitasking dar. Denn die Hefe verstoffwechselt die zuckerhaltige Würze, meistert dabei geschickt verschiedene Stresssituationen und produziert neben Alkohol auch noch verschiedene Aroma- und Geschmacksstoffe, die sich nach Jahren der Fassreifung im Glas wiederfinden. Werden bestimmte Rahmenbedingungen eingehalten, erfüllt die Hefe alle diese speziellen Anforderungen hinsichtlich Geschmacks und Ertrags scheinbar mühelos. Unser Mister Whisky Wissen und Whisky-Connaisseur Dr. Heinz Weinberger nimmt in seinem Artikel die Leserinnen und Leser mit auf eine hochspannende Reise und eröffnet vertiefte Einblicke in die mikroskopisch kleine Welt eines faszinierenden Pilzes.
Auf dem Weg vom Getreide zum Whisky ist die Gärung der entscheidende Schritt in einer Brennerei. Denn bei diesem unter dem Terminus technicus Fermentation zusammengefassten Abschnitt in der Produktion entsteht neben dem Gas Kohlenstoffdioxid (CO2) eben der Alkohol. Streng genommen ist mit diesem umgangssprachlich gebräuchlichen Begriff der trinkbare Alkohol Ethanol gemeint, auch Ethylalkohol bezeichnet. Mit der Gärung startet die Umwandlung einer zuckerhaltigen Würze in eine ethanolische Flüssigkeit, die die Whiskybrenner gerne als „Wash“ oder „Distiller’s Beer“ titulieren. Aus Zucker wird auf natürlichem Wege Bier. In Gang gesetzt durch die biochemische Kraft der Hefe, beginnt ab hier das Herz des Whiskys zu schlagen.
Hefen sind Pilze
Betrachten wir diese wundersamen Lebewesen doch einmal näher. Hefen gehören zur Klasse der Schlauchpilze (Ascomyceten), die eine der großen Abteilungen im Reich der Pilze darstellen. Sie sind einzellige Mikroorganismen und bestehen nur aus einer einzigen Zelle. Möchte man einen Größenvergleich anstellen, dann haben Hefezellen in etwa die Größe von roten Blutkörperchen. Sie sind mikroskopisch klein, so dass Hunderte von Millionen von Hefezellen locker auf einen Teelöffel Platz fänden. Hefen vermehren sich sehr gerne, und das vornehmlich durch das sogenannte Knospen. Dabei bildet die Mutterzelle bei der Sprossung mehrere Ausstülpungen, die man als Tochterknospen bezeichnet. Diese werden von der Mutterzelle abgeschnürt, sind selbstständig lebensfähig und bilden ihrerseits wiederum neue Hefezellen. So beginnt das Wachstum.
Zu den einfachsten Formen dieser Schlauchpilze gehört die Bier- oder Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae. Sie ist nicht nur die Hauptfigur im Bierbrauprozess, sie spielt auch eine zentrale Rolle in anderen biotechnologischen Industrien wie etwa beim Brot backen und Herstellung von alkoholischen Getränken (Whisky, Rum, Vodka, Gin…), aber auch von Feinchemikalien, Proteinen, Enzymen und Bioethanol. Von einigen Ausnahmen mal abgesehen gehören Brauerei- und Brennereihefestämme zur Gattung Saccharomyces. Obwohl das Hauptziel beider Arten von Hefekulturen darin besteht, Ethanol sowie andere sogenannte Metaboliten zu produzieren, gibt es neben vielen Gemeinsamkeiten auch deutliche Unterschiede zwischen ihnen. Das aber würde den Rahmen dieses Artikels sprengen und wir verzichten deswegen auf weitere Details. Konzentrieren wir uns auf die Hefe als solches.
Erste Hilfe gegen die Bierkrankheit
Hefen kann man nicht sehen. Wie Bakterien sind auch diese einzelligen Pilze viel zu klein, um sie mit bloßem Auge zu erkennen. Dies und die Tatsache, dass der Mensch sehr visuell orientiert ist, führten dazu, dass die – mikrobielle – Welt der Hefen lange Zeit im Verborgenen blieb. Der Gattungsname Saccharomyces leitet sich von den griechischen Wörtern sákcharon (Zucker) und mykes (Pilz) ab. Der Name fand erstmals im Jahr 1838 Erwähnung, als die Bierhefe aufgrund ihrer beobachteten Eigenschaften als Saccharomyces cerevisiae (Zuckerpilz des Bieres) bezeichnet wurde. In den 1950er und 1960er Jahren machten Wissenschaftler die entscheidende Feststellung, dass Hefen für die alkoholische Gärung verantwortlich sind. Und diese systematische Untersuchung und Kategorisierung dieser Hefen, die in der Alkoholindustrie zum Einsatz kommen, gehen weitgehend auf die Arbeit des Dänen Emil Christian Hansen in den Laboratorien der Carlsberg Brauerei in Kopenhagen zurück. Ihm gelang im Jahr 1883 erstmalig die Isolierung und Züchtung einer Hefe in Reinkultur, der er den Namen Saccharomyces (S.) carlsbergensis gab.
Anlass für Hansens Forschungen war die Bierkrankheit, die bis zum damaligen Zeitpunkt vorherrschte. Allzu oft erhielt man ein Bier mit unangenehmem Aroma und bitterem Geschmack. Denn trotz aller Bemühungen ließ sich die Gärung nicht kontrollieren. Ob sie erfolgreich verlief oder nicht, glich einem Glücksspiel, was natürlich für die Brauer unbefriedigend war. Hansen erkannte, dass die damals zum Bierbrauen verwendete Hefe eine Mischung aus einer wilden Hefe und einer Kulturhefe darstellte. Und eben jene wilde Hefe wurde von ihm als die maßgebliche Ursache für die Unberechenbarkeit der alkoholischen Gärung und die Bierkrankheit identifiziert. Die entscheidende Wende kam dann am 12. November 1883. Dann nämlich braute die Carlsberg Brauerei mit der von Hansen in ausreichender Menge gezüchteten, reinen Kulturhefe S. carlsbergensis erfolgreich ihr erstes Bier. Ein Erfolg von durchschlagender Wirkung. Ab diesem Zeitpunkt war eine gleichbleibende Bierqualität garantiert. Es gilt als Meilenstein, der die Braukunst weltweit revolutionierte.
Energiegewinnung durch Atmung und Gärung
So klein die Welt der Mikroben auch erscheinen mag, so erstaunlich ist die Leistung dieser Einzeller, die sie verrichten. Denn seit tausenden von Jahren sorgen diese kleinen Lebewesen dafür, dass sich Menschen an alkoholischen Getränken und vergorenen Früchten berauschen können. Seit je her verrichtet die Hefe stoisch ihre Arbeit, und folgt dabei einzig allein ihrer biologischen Bestimmung: nämlich sich zu teilen und für Nachkommen zu sorgen. Das Wichtigste, was die Hefe dazu benötigt, ist Energie. Und diese Energie gewinnt sie durch ein perfekt bis ins kleinste Detail ausgeklügeltes, biochemisches System. Denn durch den Verzehr von Zuckern, in Gegenwart von einigen, nennen wir sie einmal Nahrungsergänzungsmitteln (wie Aminosäuren und Spurenelemente), gewinnt die Hefe diejenige Energie, die sie zum Wachstum benötigt.
Dass dabei zugleich noch etwas Genussvolles für den Menschen herausspringt, ist einer einzigartigen Besonderheit der Hefezelle zu verdanken. Denn die Energiegewinnung durch Verstoffwechselung von Zuckern kann sowohl durch Atmung als auch durch Gärung erfolgen. Die Hefe ist nämlich der einzige lebende Mikroorganismus auf der Erde, der in der Lage ist, effizient zwischen dem aeroben (Atmung) und dem anaeroben (Gärung) Stoffwechselweg der Zelle zu wechseln. Beide Schritte liefern Biomasse (neue Hefezellen), CO2 und ATP. Letzteres steht für Adenosintriphosphat, mit dem in der Biochemie die Energie gemessen wird. Bildlich gesprochen sind ATP-Moleküle biochemische Münzen, mit denen der Energiebedarf bezahlt wird. Die Hefe stellt sich dieses „Zahlungsmittel“ selbst her und produziert durch die Veratmung von Zuckern aus einem Molekül Glucose die große Menge von 38 ATP-Moleküle. Wie beim Menschen auch wird bei der Atmung der Hefe Sauerstoff verbraucht. Ist kein Sauerstoff vorhanden, kann der Atmungszyklus nicht mehr funktionieren und die Hefe schaltet sogleich ihren Stoffwechsel auf Gärung um. Dabei wird Glucose ebenfalls in CO2 und einer neuen Verbindung, Ethanol, verstoffwechselt. Zwar gewinnt die Hefe dabei nur noch zwei Moleküle ATP, die reichen jedoch aus, um die Zellteilung und somit ihr Überleben zu sichern.
Doch für welchen Weg soll man sich entscheiden, wenn zwei Routen zur Verfügung stehen? Dieser Frage gingen Wissenschaftler Anfang des 20. Jahrhunderts nach. 1928 fand man heraus, dass die Hefe stark dazu neigt, den energetisch weniger günstigen Gärungsweg einzuschlagen. Sie nutzt den Atmungsweg nur dann, wenn die Menge an vergärbarem Zucker unter einem Prozent liegt und gleichzeitig Sauerstoff vorhanden ist. Übersteigt die Zuckermenge diesen Wert, entscheidet sich S. cerevisiae für den Gärungsweg, selbst in Gegenwart von Sauerstoff. Die Umstände hierfür sind bis heute nicht vollständig geklärt. Man vermutet, dass sich die Hefezelle vor einer Überlastung mit den hohen Mengen an ATP, die während der Atmung gebildet werden, selbst schützt. Auch eine Abschreckung der Konkurrenz anderer Hefen und Bakterien durch die Bildung von Ethanol, welches antimikrobielle Eigenschaften besitzt, wird unter den Fachleuten diskutiert.
„Die Destillation einer schlechten Wash wird niemals einen guten Whisky ergeben!“
Heinz Weinberger über das Whisky Making.
Ethanol und Fuselalkohole
Die alkoholische Gärung ist die Geburt des Whiskys, denn nur hier entsteht der Alkohol Ethanol. Jene Essenz, aus der Spirituosen gemacht sind. Darüber hinaus produziert die Hefe eine Vielzahl an aromatischen und geschmacksbildenden Gärnebenprodukten, die sogenannten Kongenere, die für das Aroma, den Geschmack und die Textur des späteren Whiskys verantwortlich zeichnen. Das bedeutet, dass bereits während der Gärung die Weichen für einen qualitativ guten Whisky gestellt werden. Hier begangene Fehler werden nicht verziehen, sie ziehen sich wie ein roter Faden durch den weiteren Verlauf der Whiskyherstellung. Nicht umsonst mahnt in der Whiskybranche der Spruch: „Die Destillation einer schlechten Wash wird niemals einen guten Whisky ergeben!“
Bei ihrem biochemischen Drang sich zu teilen, produziert die Hefe über den Gärungsweg neben Ethanol auch andere Alkohole, die sogenannten Fuselöle. Denn für das Wachstum und die Teilung der Hefezelle ist Stickstoff unerlässlich. Und diesen Stickstoff bezieht sie aus Aminosäuren, die in Proteinen und Eiweißen des Getreides enthalten sind und von der Hefe mittels eigener „biologischer Scheren“, den Enzymen, portionsweise herausgeschnitten werden. In der Hefezelle wird den Aminosäuren nur der Stickstoff entnommen und die Überreste werden wieder entsorgt. Dabei zerlegt die Hefe den Rest des Moleküls so lange in kleine Bruchstücke, bis diese durch die Hefezellwand passen und wieder ins Freie, sprich in die „Wash“ gelangen können.
Eben jene kleinen Abbauprodukte bezeichnet man als Fuselöle oder Fuselalkohole. Der am häufigsten im Whisky festgestellte und gleichzeitig auch der wichtigste Fuselalkohol ist Isoamylalkohol, der 40-70 Prozent der gesamten Fuselalkoholmenge ausmacht. Bei niedrigen Konzentrationen hat er ein angenehm fruchtiges Aroma, bei hohen Mengen ist der Geruch jedoch unangenehm und erinnert an schlecht gemachten Schnaps (Fusel). Daher auch der besondere Name.
Produkte der Gärung
Die Hefe kann innerhalb kürzester Zeit eine enorme Menge an Zuckern in Ethanol umwandeln. Typischerweise dauert die Fermentation in der Destillerie zwischen 48 und 72 Stunden, kann jedoch weit darüber hinausgehen, wenn beispielsweise die Gärung übers Wochenende läuft. Vereinfacht lässt sich die Hefe als ein zuckerfressendes, dabei CO2- und Ethanol-ausscheidendes Lebewesen betrachten. Zusammen mit dem Alkohol Glycerol (Glycerin) bilden diese beiden Stoffe die Hauptprodukte der alkoholischen Gärung, obwohl sie wenig Einfluss auf den Geschmack der fertigen Spirituose haben.
Kongenere und mehr
Zu den aromatischen und geschmacksaktiven Gärnebenprodukten, den Kongeneren, welche schlussendlich die Aromatik des späteren Whiskys mitprägen, zählen neben den bereits genannten Fuselalkoholen verschiedene chemische Stoffe wie Ester, Carbonylverbindungen (Aldehyde, Ketone), organische Säuren, Fettsäuren, Phenole sowie Schwefelverbindungen. Sie alle leisten ihren individuellen Beitrag zu den blumigen, fruchtigen, grasigen, seifigen, öligen, schwefligen sowie wachsigen Geruchs- und Geschmacksaromen im späteren Whisky.
Die Ester
Die Ester sind wichtige Verbindungen aus Säuren und Alkoholen und für das blumige sowie fruchtige Aroma von Spirituosen verantwortlich. Insgesamt werden während der Gärung über 100 verschiedene Ester gebildet, deren Aromaspektrum von Apfel, Birne, Pfirsich, Banane über tropische Früchte, Ananas, Himbeere, Brombeere bis hin zu Rum, Klebstoff und Minze reicht.
Organische Säuren, Aldehyde, Ketone und mehr…
Die bei der Gärung gebildeten organischen Säuren und Fettsäuren riechen meist beißend, seifig oder käsig, bilden jedoch mit Alkoholen Ester mit positiverem Charakter. Zu den Carbonylverbindungen zählen Aldehyde wie beispielsweise Acetaldehyd, das mit einem scharfen und stechenden Aroma zur Geruchsintensität beiträgt. Ketone wie das Diacetyl weisen in geringen Mengen ein angenehmes Aroma- und Geschmacksprofil nach Butter, Karamell und Popcorn im gereiften Whisky auf.
…und Phenole und Schwefelverbindungen
Phenolverbindungen kommen als Nebenprodukte der Gärung nur in sehr geringen Mengen vor. Die meisten Phenole im Whisky stammen direkt vom Darren des Grünmalzes über Torfrauch. Derweil haben die Schwefelverbindungen eine sehr niedrige Geruchswahrnehmungsschwelle und sind in der Regel unerwünscht, da sie große negative Auswirkungen auf das finale Aroma der Spirituose haben können. Glücklicherweise werden einige der schwefelhaltigen Stoffe während der Destillation in den Kupferbrennblasen entfernt sowie im Laufe der jahrelangen Reifung in Eichenfässern abgebaut.
Bloß kein Stress!
S. cerevisiae ist ein intensiv erforschter Organismus. Das Verständnis der Struktur der Hefezelle und ihrer Stoffwechselwege liefert wichtige Erkenntnisse darüber, wie der Einzeller in Bezug auf verschiedene Prozessparameter zu behandeln ist. Zwar ist die Hefe ein erstaunlich widerstandsfähiger Organismus, der unter vielen Stressbedingungen überleben kann. Doch wie viele Lebewesen arbeitet auch die Hefezelle unter Stress nicht zufriedenstellend. Ohne die richtigen Nährstoffkomponenten in der Würze, die geeignete Temperatur und den optimalen pH-Wert, hat die Hefe Schwierigkeiten zu wachsen und zu überleben. Stressfaktoren wie Ethanol, hohe Temperaturen und Säuren können die Vitalität und Lebensfähigkeit der Hefe erheblich beeinflussen. Daher ist eine sorgfältige Auswahl der jeweiligen Hefesorte und die genaue Beachtung der Wachstumsbedingungen wichtige Voraussetzungen für eine erfolgreiche Gärung.
Die Wohlfühlzonen
Die Hefe bevorzugt ein leicht saures Milieu mit einem optimalen pH-Wert zwischen 5,0 und 5,2. Inzwischen sind verschiedene Brau- und Destillier-Hefestämme sogar in der Lage, ein gutes Wachstum über den pH-Bereich von etwa 3,5 bis 6,0 zu erzielen. Zudem spielen Mineralien aus dem Maischewasser und der Gerste – wie Calcium-, Magnesium-, Kalium-, Eisen- und Zink-Ionen – eine wichtige Rolle für das Wohlbefinden der Hefe, indem sie die Wirkung der hefeeigenen Enzyme fördern und für die Aktivität sowie ein optimales Wachstum der Hefe sorgen.
Auch die Temperatur ist zu beachten, denn sie steigt während des Gärungsprozesses in der Würze an, und die Hefezelle kann ihre Temperatur nicht selbst regulieren. Da es in Schottland normalerweise keine Temperaturkontrolle bei der Gärung gibt, hilft man sich damit, indem man die Ausgangstemperatur der Würze auf einen niedrigen Wert, typischerweise zwischen 16°C und 19°C, legt. Dies ist ausreichend, um eine maximale Endtemperatur von 32°C bis 35°C zu erreichen, die für eine effiziente Gärung notwendig ist. Das Temperaturoptimum für gutes Hefewachstum liegt meist etwas tiefer – bei etwa 28°C.
Destillierhefen – Formen und Arten
Die vorherrschende Hefesorte, die weltweit bei der Herstellung von Spirituosen eingesetzt wird, basiert auf einer kleinen Anzahl stabiler kommerzieller S. cerevisiae-Stämme, die in erster Linie aus einem Back-/Brauereihefe-Erbe stammen. Während einige Whiskybrennereien ihre eigenen Hefekulturen aus Laborbeständen vermehren, ist der Großteil der Destillerien auf die Lieferung kommerziell erhältlicher Stämme von Hefeproduzenten angewiesen. Obwohl es theoretisch eine große Auswahl an potenziellen Hefestämmen für die Herstellung von Spirituosen gibt, sind für Scotch Whisky nur eine Handvoll Stämme von S. cerevisiae tatsächlich im Handel verfügbar, die im großen Maßstab als Reinkulturen gezüchtet werden. Dazu zählen:
- Distiller’s M und
- MX Hefe (beide von Kerry Bio-Science)
- Pinnacle Hefe (von AB Mauri) sowie
- DistillMax Hefe (von Lallemand).
Diese Destillierhefen sind entweder in trockener Form als aktive Trockenhefe, in gepresster Form als Presshefe oder als Rahmhefe in Form einer flüssigen Aufschlämmung erhältlich, wobei die Haltbarkeit unter Kühlung in dieser Reihenfolge abnimmt. Presshefe kommt meist in Form von 20 kg oder 25 kg Säcken in den Handel und ist bei 4°C etwa vier bis sechs Wochen lang haltbar. Die flüssige Rahmhefe weist zwar nur eine Stabilität von 14 Tagen bei entsprechender Kühllagerung auf, doch sie wird gerne aus praktischen Gründen gerade von größeren Brennereianlagen eingesetzt.
Anforderungsprofile an die Hefe
Das Anforderungsprofil an Destillierhefen ist äußerst anspruchsvoll. Ihnen werden eine hohe Alkoholausbeute von über 90 Prozent sowie ein wünschenswertes Aroma- und Geschmacksprofil bei gleichzeitiger, großer Stresstoleranz abverlangt. Um dies alles zu bewerkstelligen, muss der in einer Brennerei verwendete Hefestamm in der Lage sein, nicht nur die einfachen Zucker, wie Maltose, Glucose und Fructose, sondern auch komplexere Zuckerbausteine, wie Maltotriose und Maltotetraose sowie höhere Dextrine, gleichermaßen verwerten zu können. Zudem sollte die Hefe einen hohen Zuckergehalt in der Würze (Stammwürze) vertragen und eine Toleranz gegenüber hohen Temperaturen von 34°C und mehr aufweisen.
Außerdem sollte sie selbst in einer relativ alkoholreichen Umgebung weiter effektiv arbeiten können und nur wenig verklumpen (flocken). Denn eine niedrige Flockung der Hefe sorgt oft für eine bessere Zuckerverwertung und damit für höhere Alkoholausbeuten. Eine weitere Anforderung an Hefen ist eine gewisse Toleranz gegenüber Giften, sogenannten Toxinen, um sich gegen andere Mikroben zur Wehr setzen zu können. Denn Hefen, wie beispielsweise eingeschleppte Wildhefen, bilden Gifte, um sich im Kampf um die Nährstoffe gegen andere Hefestämme zu behaupten. Unter den Mikroben herrscht also ein harter Überlebenskampf. Sind die Bedingungen für eine Hefe etwas besser als für andere ihrer Art, wird sie die Konkurrenz schnell ausstechen und sich als dominanter Organismus während der Gärung etablieren.
In aller Kürze zusammengefasst
Lassen Sie uns die erstaunliche Welt dieses mikroskopisch kleinen Pilzes zusammenfassen: Hefen sind einzellige Pilze. Aus wirtschaftlicher Sicht sind sie die wichtigste Gruppe von Mikroorganismen auf diesem Planeten, wobei über 90 Prozent des weltweit produzierten Gärungsethanols mit Hefearten der Gattung Saccharomyces hergestellt wird. Das Ziel einer erfolgreichen Gärung durch den Einzeller Hefe besteht darin, das Ausgangsmaterial – sprich die verschiedenen Zucker in der Würze – gegenüber anderen Konkurrenten konsequent und hinsichtlich der Ausbeute hocheffektiv in Ethanol sowie zahlreiche andere geschmacksaktive Zwischen- oder Nebenprodukte umzuwandeln. Diese Kongenere bestimmen die endgültige Qualität und legen den Grundstein für ein vielschichtiges „Distiller’s Beer“, das nach Destillation und Fassreifung einen Whisky von angenehmem Aroma, hervorragendem Geschmack und hoher Qualität erzeugt.
