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Gärungsprozesse
Gewinnung von Alkoholen und Milchsäure
Unter einer Gärung versteht man die Umwandlung von organischen Stoffen durch Enzyme oder Mikroorganismen. Dabei wandeln sich die Stoffe zu Verbindungen mit einfacherem Molekülbau um. Es existieren verschiedene Gärungsformen, die nach dem entstehenden Produkt benannt werden. Die Gärung ist wie die Atmung ein Stoffwechselvorgang, der Energie frei setzt. Im Gegensatz zur Atmung werden die Kohlenhydrate jedoch nicht vollständig zu Wasser und Kohlenstoffdioxid abgebaut. Im menschlichen Darm vergären spezielle Bakterien die unverdauten Kohlenhydrate. Die dabei entstehenden Gase wie Schwefelwasserstoff und Kohlenstoffdioxid können Blähungen und Schmerzen verursachen. Auch die Erzeugung von Biogas durch Methanbakterien ist ein Gärungsprozess.


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Sudkessel in einer Brauerei


Alkoholische Gärung 
  
Das Prinzip der Herstellung von trinkbarem Alkohol ist schon seit dem Altertum bekannt. Die alkoholische Gärung findet überall in der Natur statt, wenn aufgeplatztes Obst oder süße Säfte bestimmten Bedingungen ausgesetzt werden. Bei technischen Prozessen muss das Ausgangsmaterial oft zuerst verzuckert werden. Bei der Bierherstellung werden Gerstenkörner zunächst einer Quellung und Keimung ausgesetzt. Vorhandene Enzyme (Amylasen) wandeln dabei die Stärke in Zucker um. Auf diese Weise erhält man das zuckerhaltige Malz, das die Bierhefen vergären kann. 
   

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Verschiedene Malzsorten zur Bierherstellung

  
Die Vergärung von Zuckern wie Glucose, Fructose oder Maltose zu Ethanol wird von Hefepilzen und Hefeenzymen gesteuert. Diese kommen praktisch überall in der Luft vor. Bei der Bierherstellung werden sie zusätzlich hinzugefügt. Gärungen können bei unterschiedlichen Temperaturen stattfinden. Vereinfacht lässt sich die alkoholische Vergärung von Traubenzucker mit Hilfe der Hefepilze so darstellen: 
  
Glucose    Ethanol  +  Kohlenstoffdioxid 
C6H12O6    2 C2H5OH  +  2 CO2    DH = -105kJ/mol 
 
Der entstehende Ethanol ist ein Produkt einer relativ komplizierten chemischen Reaktion mit zahlreichen Zwischenschritten. Zunächst wird der Traubenzucker in zehn verschiedenen Schritten zu Brenztraubensäure umgewandelt. Diese reagiert unter Abspaltung von Kohlenstoffdioxid wieder in mehreren Zwischenschritten zu Ethanal, das dann schließlich zu Ethanol reduziert wird: 
  
   Alkoholische Gärung   
 
Das entstehende Kohlenstoffdioxid bewirkt ein Aufschäumen während der Gärung. Bei der Bierherstellung verfärbt sich dieser Schaum durch Verunreinigungen nach und nach bräunlich. Danach unterzieht man das Produkt noch einer Nachgärung, die bis zu vier Monaten dauern kann, während die Hauptgärung nach acht bis zehn Tagen abgeschlossen ist. Bei obergärigen Bieren findet die Gärung bei 12°C bis 15°C statt, bei untergärigen Bieren bei 5°C bis 10°C.

   
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Schaumbildung bei der Bierherstellung

  
Bei der Weinherstellung werden die Trauben zunächst zu einem Brei zerquetscht. Man erhält eine "Maische", die je nach Weinsorte gepresst oder von den Hülsen und Schalen befreit wird. Der gepresste Traubensaft wird als "Most" bezeichnet. Er gelangt in großen Behältern zur Gärung. Die meist metallenen Behälter sind oben luftdicht mit einem wassergefüllten Gär-Röhrchen verschlossen, so dass das entstehende Kohlenstoffdioxid entweichen kann. Nach der Haupt- und der Nachgärung wird der entstandene Wein von der Maische abgetrennt und nach einer Schwefelung für längere Zeit unter Luftabschluss bei 10°C bis 15°C gelagert. Bei dieser "Kellerbehandlung" entwickelt der Wein sein erwünschtes Aroma. Die Menge des gebildeten Ethanols hängt vom Zuckergehalt der Ausgangslösung und von der Alkoholkonzentration ab, die die Hefeenzyme gerade noch ertragen können, ohne die Gärung einzustellen. Daher können Biere mit einem Alkoholgehalt mit mehr als sechs Volumenprozent und Weine mit mehr als 16 Prozent Alkohol nicht mehr durch Gärung hergestellt werden. Eine Konzentration des Alkohols, zum Beispiel bei der Herstellung eines Weinbrandes, erhält man durch Destillation. 
  
  
Milchsäuregärung 
  
Seit der Mensch sich mit Milch von Haustieren ernährt, verwendet er die Milchsäuregärung zur Herstellung der Milchsäure. Bekannte Beispiele sind Joghurtprodukte und Sauerkraut. In der Milch kommen Milchsäurebakterien vor, die unter dem Mikroskop ihre Form erkennen lassen: Es sind kugelförmige Kokken oder dünne Stäbchen mit einer Größe von 0,5 bis 0,8 Mikrometer. Sie sind nicht zur Atmung fähig, sie leben anaerob ohne Sauerstoff. Sie sterben aber nicht ab, auch wenn sie mal dem Sauerstoff ausgesetzt werden. In reinem Zucker vermehren sich Milchsäurebakterien nicht, sie benötigen dafür die Zufuhr von Vitaminen und Aminosäuren. Sie kommen in der Milch und Milchprodukten vor, sowie auf Pflanzen, im Darm und in den Schleimhäuten des Menschen. Der Prozess der Milchsäuregärung entspricht den Schritten der alkoholischen Gärung bis zur Brenztraubensäure. Milchsäurebakterien besitzen das Enzym Pyruvatdecarboxylase nicht. Der zuvor angefallene Wasserstoff reagiert mit Hilfe von NAD (Nicotinamid-adenin-dinucleotid) mit der Brenztraubensäure, die sich dabei zu Milchsäure umwandelt: 
  

    Milchsäuregärung   
  

Manche Bakterien erzeugen die optisch rechtsdrehende L(+)-Milchsäure, andere dagegen nur die linksdrehende D(-)-Milchsäure. In der Regel erhält man jedoch ein Gemisch beider Milchsäuren, das als Racemat bezeichnet wird. Durch den gezielten Einsatz von Milchsäurebakterien erhält man Buttermilch, saure Sahne, Sauerrahmbutter, Dickmilch und Joghurt.


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Bei der milchsauren Vergärung werden Gurken in eine Salzlösung
eingelegt.
Es entstehen Milchsäure und wenig Essigsäure.

  

Sauerteig 
  
Bei den flachen Fladenbroten wird der Teig ohne vorhergehende Gärung zu flachen Formen geformt und gebacken. Im Gegensatz dazu bilden bei Sauerteigen die Milchsäurebakterien während des "Gehenlassens" des Teigs aus verzuckerter Stärke die Milchsäure. Dabei entstehen auch geringe Mengen Essigsäure und Ethanol. Das dabei entstehende Kohlenstoffdioxid lässt den Teig aufquellen. In einem gut gehenden Teig werden pro Kilogramm Teigmasse 3,5 Liter Gas gebildet. Durch verschiedene Zusätze wie Milch, Zucker und Öl versucht man, ein Brot mit bestimmten Eigenschaften herzustellen. Dieses zielgerichtete Vorgehen bei einer Gärung wird als Fermentation bezeichnet. Während des Brotbackens entweichen die flüchtigen Bestandteile wie Ethanol und Kohlenstoffdioxid und lassen den Teig weiter aufquellen, so dass man die gewünschte Porosität des Brots erreicht. Durch die Hitze bilden sich die typischen Brot-Aromastoffe. Dabei wird auch ein großer Teil der Stärke in Zucker umgewandelt, der unter der Hitze teilweise karamellisiert und die braune Rinde ausbildet.

 
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