Die Rolle der Hefen bei der Gärung
Hefen sind einzellige Mikroorganismen, die bei der Gärung über den eigenen Stoffwechsel und Enzyme, die sie produzieren, den Zucker in Alkohol und Kohlendioxid umsetzen.
Im Weinberg bilden sich natürliche Hefen auf den Beeren. Sie ernähren sich von den Beeren, die die Vögel nicht geholt haben. Dabei steht ihnen Sauerstoff zur Verfügung; sie können atmen.
Im Most steht den Hefen kein Sauerstoff zur Verfügung; der Abbau der beiden Zuckersorten Glukose und Fruktose läuft über Zwischenschritte ab. Dazu produzieren die Hefen Enzyme, die nacheinander verschiedene Prozesse ablaufen lassen.
Die von den Hefen gebildeten Enzyme reagieren selbst nicht, beschleunigen jedoch Stoffwechselvorgänge im Most, die der Hefe über Zwischenschritte Nahrung zufügen, die sie selbst im Most nicht bilden können.
Diese anaeroben Prozesse sind weit weniger effektiv als die der atmenden Hefen, haben aber einen großen Vorteil für den Menschen: es entsteht neben dem Alkohol eine ganze Reihe von Aromastoffen.
Die Ernährung der Hefen
Hefen konsumieren hauptsächlich einfache Zucker wie Glukose und Fruktose, die im Most vorhanden sind. Zusätzlich können sie Saccharose abbauen, indem sie diese mithilfe des Enzyms Invertase in Glukose und Fruktose aufspalten. Die aufgenommenen Zucker dienen den Hefen sowohl als Energiequelle als auch als Material für Zellwachstum und Vermehrung.
Die Zuckerumsetzung
Die Umsetzung von Zucker durch Hefen erfolgt in mehreren Schritten.
Glykolyse
Glukose wird in Pyruvat umgewandelt. Dabei wird Energie in Form von ATP gewonnen, die die Zellen für ihre Lebensprozesse benötigen.
Alkoholische Gärung
Das Pyruvat wird durch die Zymase, eine Gruppe von Enzymen, in Ethanol und Kohlendioxid umgewandelt. Bildung von Nebenprodukten: Neben Ethanol entstehen flüchtige Säuren, Ester und andere Verbindungen, die maßgeblich die Aromen des Weins beeinflussen.
Steuerung durch Enzyme
Die Hefen steuern die enzymatischen Prozesse aktiv. Enzyme wie Invertase und die Komponenten des Zymase-Komplexes werden je nach Bedarf produziert, um den Zucker effizient abzubauen. Gleichzeitig regulieren die Hefen die Aktivität dieser Enzyme, um ihre Energiegewinnung zu optimieren und das Zellwachstum anzupassen.
Zellatmung (aerob)
- Voraussetzung: Sauerstoff ist vorhanden.
-
Mechanismus:
- Glykolyse: Glucose wird zu Pyruvat abgebaut, wobei eine geringe Menge ATP und NADH entsteht.
- Pyruvat-Oxidation: Pyruvat wird im Mitochondrium zu Acetyl-CoA umgewandelt.
- Citratzyklus: Acetyl-CoA wird weiter abgebaut, dabei entstehen CO₂, NADH und FADH₂.
- Atmungskette: Elektronen aus NADH und FADH₂ werden genutzt, um in der inneren Mitochondrienmembran ATP zu produzieren.
- Endprodukte: Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O).
- Energieausbeute: Sehr effizient, bis zu 36-38 Moleküle ATP pro Molekül Glucose.
- Bedeutung für Hefen: Sauerstoff erlaubt den Hefen, maximale Energie aus Zucker zu gewinnen. Sie nutzen diesen Weg primär für Wachstum und Vermehrung.
Alkoholische Gärung (anaerob)
- Voraussetzung: Kein Sauerstoff ist vorhanden.
-
Mechanismus:
- Glykolyse: Glucose wird zu Pyruvat abgebaut, wobei ATP und NADH entstehen.
-
Alkoholische Gärung:
- Dekarboxylierung: Pyruvat wird zu Acetaldehyd und CO₂ umgewandelt.
- Reduktion: Acetaldehyd wird durch NADH zu Ethanol reduziert.
- Endprodukte: Ethanol und Kohlendioxid (CO₂).
- Energieausbeute: Sehr ineffizient, nur 2 Moleküle ATP pro Molekül Glucose.
- Bedeutung für Hefen: Dieser Prozess ermöglicht das Überleben in sauerstofffreien Umgebungen. Die niedrige Energieausbeute reicht für grundlegende Lebensfunktionen.
Vergleich der Prozesse
| Aspekt | Zellatmung (aerob) | Alkoholische Gärung (anaerob) |
|---|---|---|
| Sauerstoffbedarf | Ja | Nein |
| Energieausbeute | Hoch (36-38 ATP/Glucose) | Niedrig (2 ATP/Glucose) |
| Endprodukte | CO₂, Wasser | CO₂, Ethanol |
| Effizienz | Sehr effizient | Weniger effizient |
| Zweck | Wachstum, Vermehrung | Überleben in sauerstofffreien Bedingungen |
| Nebenprodukte | Keine | Ethanol, flüchtige Verbindungen |
Enzyme und ihre Funktion
Hefen produzieren verschiedene Enzyme, darunter:
- Invertase: Spaltet Saccharose in Glukose und Fruktose.
- Zymase-Komplex: Eine Gruppe von Enzymen, die Glukose und Fruktose in Ethanol und Kohlendioxid umwandeln.
Diese Enzyme ermöglichen es den Hefen, Energie in Form von ATP zu gewinnen, die für Zellfunktionen benötigt wird.
Einfluss der Gärtemperatur
Die Temperatur während der Gärung beeinflusst die Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktionen und die Bildung von Aromen:
- Für Weißwein: Gärtemperaturen zwischen 12-18°C fördern fruchtige und florale Aromen.
- Für Rotwein: Höhere Temperaturen von 25-30°C extrahieren mehr Tannine und Farbstoffe.
Früher, ohne moderne Kühlung, waren unkontrollierte Temperaturen ein Problem. Heute ermöglicht die Kühlung präzise Steuerung und verbessert die Qualität der Weine.
Sauberkeit im Weinkeller
Absolute Sauberkeit im Weinkeller ist essenziell, um unerwünschte Mikroorganismen zu vermeiden. Rückstände von Hefen, Zucker oder Most können zu Fehlaromen führen. Moderne Hygienepraktiken gewährleisten eine kontrollierte Gärung und klare Aromen.
Reinzuchthefen
Die Prozesse bei der Gärung sind sehr komplex - und damit unsicher. Schon lange helfen sich Winzer mit Hefe aus der Tüte: sie sind deutlich aktiver als natürliche Hefen aus dem Weinberg und liefern sichere Ergebnisse.
Es werden nur solche Hefen gezüchtet, die die erwünschten Enzyme produzieren und damit die Gefahr der unerwünschten Nebenprodukte ausschließen.
Leider auch die erwünschten Nebenprodukte, die einen Wein erst interessant werden lassen.
