Ølbrygningningens biologi

Byg er råmaterialet i ølbrygning. Processen igangsætter spiring i byggen, som derved aktiverer enzymer til nedbrydning af stivelsen. De enzymer udnyttes til at nedbryde stivelsen til glukose og maltose, og det er råstoffet for den gær der skal gære og danne alkohol. Der tilsættes også humle og evt. krydderier for at få præcis den smag man ønsker. Variationsmulighederne er uendelige, men de basale ingredienser er byg, vand, gør og humle.

Byg indeholder en stor mængde stivelse som er lagret i stivelseskornene, og et aleuronlag indeholder protein, fedt og mineraler, som ud over at det giver skum, giver næring til gæren. Bemærk at der slet ikke er maltose i byggen – den dannes først i bryggeprocessen.

Stivelsen og mineralerne i kornet er oprindeligt en madpakke kornet har fået, så det har resourcerne til at spire. Den madpakke bruger vi vil at brygge øl.

Brygningens 9 trin. Herunder vil hvert trin blive gennemgået.

1 støbning/udblødning

Støbning er når byggen lægges i blød i 2 døgn, og kernerne optager vand og når fra de 16% til 45%.

Når kornet optager vand starter spiringen, fordi der dannes gibberalinsyre. Gibberalinsyre giver besked til aleuroncellerne om at aktivere proteinsyntesen og danne en række enzymer. Det er disse naturlige enzymer, skal nedbryde stivelse og proteiner i kornet under mæskningen.

2. Maltning

Ved maltning spirer kornet i 5 dage, og der dannes flere enzymer som nedbryder stivelse og protein. De enzymer bruges i mæskningen men væksten stoppes igen for vi er ikke interesseret i en bygplante og vi ønsker ikke at hele madpakken opbruges.

Formålet er at lade kornet aktivere enzymer – især fytase. Når fytase dannes frigives fosfat til dannelse af DNA, RNA og ATP i de nydannede planteceller. Andre enzymer begynder nedbrydningen af stivelse.

α-amylase dannes i aleuronlaget og β-amylase der indtil nu har været inaktivt, aktiveres. De begynder at nedbryder stivelse til maltose.
Proteaser nedbryder proteinerne i aleuronlaget, så der åbnes for at α-amylase og β-amylase kan nedbryde stivelsen til maltose. α -amylase kaldes en endoamylase, fordi den klipper tilfældige steder i stivelsesmolekylet. β-amylase fortsætter arbejdet og klipper resterne til disakkaridet maltose. Carboxypeptidase findes naturligt i kornet, men der kan også tilsættes ekstra enzymer for at frigive flere aminosyrer til brug for gærens vækst.
Beta-glucanase, begynder nedbrydningen af cellevæggen omkring stivelseskornene, så amylaserne kan trænge ind og nedbryde. Det gør det også lettere at filtrere, hvis en del af cellevæggen er nedbrudt. Cellevæggen består primært af beta-glucan som er et polysakkarid, men det er bygget, så amylaserne ikke kan nedbryde det. Beta-glucanase har sit optimum ved 62-65, men denaturerer ved 72-73 °C.

Stivelse (amylose) er en lang kæde på flere tusinder glukosemolekyler (polysakkarid). α-amylase klipper det inde i kæden, mens β-amylase klipper enderne, så produktet er disakkaridet maltose.

α -amylase klipper tilfældige steder i stivelsesmolekylet, mens β-amylase kun klipper i spidserne og danner maltose (disakkarid).

Vi springer det trin over i øvelsen og køber maltet byg. Her er det maltede byg tørret for at inaktivere enzymerne (ikke denaturere = ødelægge). Spirer og rødder fjernes også inden vi køber dem, fordi de kan give en bismag i øllet.

Det kan være vanskeligt at aktivere alle enzymer i den rette mængde. Novo Nordisk tilbyder 3 enzymprodukter som indeholder

Glucanase – nedbryder glucan i cellevæg
xylanase – nedbryder hemicellulose i cellevæggen
protease – nedbryder proteiner i primært aleuronlaget
Pectinase – nedbryder pectin
Amylase – nedbryder stivelse (amylose og amylopektin)
pollulanase – en dextrinase, der nedbryder korte kulhydrater
Lipase – nedbryder fedt (lipid)

3. Tørring og ristning

Tørringen sker for at fremme aroma og farve i øllet.

Ristning

Man kan vælge at riste byggen hvis man vil have en mørk øl som porter. Ved opvarmning denaturerer enzymerne, og de må tilsættes igen senere. Man kan også ”riste” det ved en maillard-reaktion, som sker ved en lavere temperatur. Det er en kompleks biokemisk reaktion hvor glukose og maltose reagerer med aminosyrer. Det giver nye smagsnuancer, som vi oplever ved, bagt brød, kaffe, flæskesvær og popcorn. Det bruges ved mørk øl som Lager og Ale.

EBC-skalaen angiver hvor mørkt malten og dermed øllet bliver. EBC på 2-3 finder vi i en almindelig Tuborg pilsner, mens en blackmalt når 1500 EBC-enheder.

4. Maling

Byggen findeles, så overfladen øges. Det giver en øget overflade enzymerne kan virke på.

Malingen skal være så grov, at den lige netop adskiller skaldelene fra maltkornet, og kernen knuses i mindre stykker.
– Håndbog i ølbrygning

Hvis byggen males for fint, kan det stoppe filteret til, men risikoen for grov maling er, at ikke alt stivelse nedbrydes. Frøskallen (cellulose) vil ikke blive nedbrudt, men senere fungerer det som et naturligt filter.

5. Mæskning

Nu kommer enzymerne vi aktiverede under maltningen på arbejde. De nedbryder stivelsen – genopfrisk kulhydrater. Under spiring blev enzymerne aktiveret, men blev standset igen under tørring. Ved mæskning blandes malten, som er de knuste bygkerner, med vand, og enzymerne bliver atter aktive. Under mæskningen får enzymerne lov at virke, så mest muligt af maltbyggen omdannes til maltose og aminosyrer. Malten, som er de knuste bygkerner. Målet er at 95% af stivelsen omdannes til dextriner, maltose og glukose og det sikres ved optimal pH og ved at holde styr på temperaturen. Vi kalder blandingen med vand og malt for mæsken.

Mæskningen vil gå hurtigere, hvis blandingen er fortyndet, så det er en måde at styre processen på.

Gelatinering

Optaget af vand springer stivelseskornene pga. osmose. Det gør substansen mere klistret, men giver også bedre adgang for enzymerne, så de kan nedbryde stivelsen.

Liquificering

Væsken bliver hurtigt tyndtflydende, fordi α-amylase nedbryder de lange stivelsesmolekyler til mindre dele.

Saccharification (saccarose = sukker)

Blandingen bliver mere sød, fordi amylaserne omdanner mere og mere stivelse (ikke sødt) til mono og disakkarider (sødt). Tag en smagsprøve.

Temperatur

Enzymerne har forskelligt enzymoptimum, men vi kan ikke ramme dem alle på en gang. Enten kan vi holde temperaturen på en gennemsnitlig temperatur, eller også lave en mæskeprofil, hvor man varierer temperaturen, så alle enzymer udnytter deres optimum. Det er yderst vigtigt at mæskningen ikke sker ved en temperatur på over 75-80 °C, da de fleste enzymer derved vil denaturere.

pH

De fleste har et pH-optimum tæt ved 5-6, men også her må vi vælge. α-amylase har pH optimum på 5,3-5,7, mens β-amylase har 5,0-5,5, så vi vælger en gennemsnits pH på 5,3. pH kan justeres ned ved at tilsætte mælkesyre (2-hydroxypropansyre), svovlsyre eller citronsyre. Skal pH hæves kan baserne CaCO₃ eller NaHCO₃ bruges.

Gærceller nedbryder simple kulhydrater som glukose, fruktose, maltose og maltotriose

Mæskeprofilen til højre:

Malt tilsættes til 57 62 ͦ C varmt vand.
Proteinpause
opvarmning til 62-68 ͦ C
Forsukringspause hvor kulhydrater nedbrydes
Temperatur hæves til 70 ͦ C
Dextrinpause 20 min
Temperatur hæves til 78 ͦ C og resterende enzymer denaturerer.
Alle enzymer har gjort deres job, og er denatureret.

En mæskeprofil viser hvor længe mæskningen udføres ved hvilken temperatur. På den måde kommer de fleste enzymer i aktion i deres optimum. Der findes automatiseret bryggeudstyr, som kører igennem temperaturintervallerne. Hvis proteinpausen bliver for lang, vil så meget protein nedbrydes af proteaser og beta-glucanase, at øllet ikke danner skum.

Eksempel på mæskeprofil, der tager hensyn til amylaserne. Efter Biotech Academy. Bemærk at værdien for amylasernes temperaturoptimum varierer meget efter hvor du læser om dem.

Til slut hæver vi temperaturen til 76-78 grader så væsken bliver tyndtflydende dvs. viskositeten bliver lav. Den må dog ikke blive for høj, for ikke at denaturere α-amylase, som stadig skal nedbryde stivelse under filtreringen, for hvis der efterlades stivelse bliver øllet grumset.

Infusionsmæskning med stigende temperatur. Til brygning af Kölsch.

– Efter Håndbog i Ølbrygning

6 Filtrering

Den sukkerholdige væske kaldes urten, og rester af agner og cellevægge skal filtreres fra. Vi bruger en spand med huller, og agnerne danner sit eget filter. Vi lader urten løbe igennem flere gange, så urten bliver klar. Vi afslutter med tilsætning af vand for at skylle mest muligt maltose med ud – det kaldes eftergydning og vandet skal være 75 °C for at få mest muligt sukker med. Vi tilsætter ca. 1,5 gange den urt vi filtrerer. En høj temperatur sænker viskositeten, så det lettere løber igennem filteret.

Mikroorganismer som gær kræver desuden mindst 15% vand for at kunne overleve pga. osmose. Det er i øvrigt grunden til at honning ikke bliver rådden.

Mængde afhænger af hvor meget det skal fortyndes for vi vil gerne ramme en sukkerprocent på 2,5%. Jo mere sukker der er i urten, jo højere densitet har væsken og det kan vi udnytte til at måle sukkerindholdet. Brix-tallet målet med en Brix-måler og 2,5 °Bx svarer til 2,5% sukker ved 20°C. Tag en smagsprøve.

Hvis urten er uklar, kan det være fordi bygmalten blev kværnet for fint. Så kan filtreringen godt tage en del tid.

Det er også muligt at bruge en humlepose, som er en filtersæk urten hældes i.

7. Kogning af urt

Urten skal nu koges 60 minutter (se vejledningen). Det denaturerer alle enzymer, som nu har aftjent deres funktion, men det dræber også bakterier og andre mikroorganismer, som kan forurene vores øl.

Her tilsættes også humle og andre ingredienser, som skal give øllet smag. Ved kogning fordamper vand, og urten koncentreres.

Aminosyren methionin er en af de to aminosyrer, som indeholder svovl. De findes naturligt i byg, og kan danne dimethylsulfid og vil give øllet en uønsket bismag af kogte grøntsager allerede ved lave koncentrationer. Ved kogning uden låg fordamper det allerede ved 37 °C, men det kan godt gendannes, hvis ikke øllet nedkøles hurtigt efter kogning. Der kan bruges et kølerør, eller gryden kan stilles udenfor, hvis der er koldt.

Det skummer, når man koger og det skyldes proteiner der denaturerer. Proteinerne fanger CO2 boblerne på overfladen. Det er især i hvede vi finder meget protein, og derfor skummer en hvedeøl også mere. Skum er positivt, fordi CO2 trækker proteiner ud af øllet og gør det mere klart.

Humle (Humulus lupulus)

Humle er en hampplante som tilsættes de fleste øl for at give en bitterhed og smag, men den virker også som konservingsmiddel.

Give bitterhed til øllen
Længere holdbarhed da iso-alfa syren hindrer fx uønskede bakterier i at vokse i øllen. Den hæmmer ikke gæren.
Humle har også en beroligende/ søvndyssende effekt der forstærkes af alkoholen påvirkning af GABA-receptorerne.

Humlen er en flerårig klatreplante som kan blive 7-10 meter høj, og der er brugt store summer igennem historien for at avle den helt rigtige humle. Især med støtte fra Carlsberg fonden.

Den kan godt dyrkes i Danmark, men vokser bedre lidt sydligere. I norden var det indtil for 100 år siden et krav, at man skulle dyrke humle, men vi producerer det ikke længere i Danmark. Nordisk Genbank forsøger at indsamle de gamle nordiske sorter for at de ikke skal gå tabt.

IBU – International Bitter Units

Et tal for hvor bitter en øl er, eller mere præcist indholdet af alfasyre i mg/l øl. Endnu en af de mange øl-forkortelser.

En hvedeøl har en IBU på 14-20, mens den mørke Stout når op 30-60 IBU.

Humlen tilfører aroma og smag, men den har et lavt kogepunkt, så den fordamper desværre let. Derfor tilsættes humlen sent i kogningen, medmindre der bruges bitterhumle, som gerne skal koges en time for at kunne trække smagen ud af planten. På en time frigives 30% af bitterstofferne. Humlen kan også koges kortere tid, hvis man ønsker en svagere bitterhed i øllet. Der kan også bruges tørhumle, som først tilsættes under gæringen.

Et væld af andre smagsstoffer kan tilsættes sammen med eller i stedet for humle: malurt, bynke, enebær og porse. Men også hyben, ingefær, lakrids, stjerneanis, korianderfrø, appelsinskal, kaffe, æble og blomme. Vi har humle, men hvis du ønsker at prøve en ny smag af, så tag noget med.

8. Gæring og modning

Æresgæsten i ølbrygningen er ølgæren Saccharomyces cerevisiae, som nedbryder mono-, di, og triglycerider og omdanner dem til alkohol og CO₂.

Der anvendes to typer gær.

Saccharomyces cerevisiae til overgæret øl, dvs. gæren lægger sig i overfladen under brygningen. Det er den vi anvender.
Den anden type hedder Saccharomyces carlsbergensis og laver en undergæret øl. Gæt selv hvem der har isoleret og givet navn til den sidste af de to.

Hvad er gær?

Gær er en encellet eukaryot svampeart, som både kan leve aerobt og anaerobt, og det er det sidste der kommer i spil når vi brygger øl.

Overgær og undergær

Overgær og undergær er forskellige. Overgæren lægger sig i overfladen, men danner ikke kolonier af gærceller, og den har en optimal vækst ved 30-35 °C.

Undergæren synker til bunds, og de kan enten bestå af enkelt-celler eller de kan danne kolonier og det er genetisk bestem hvem der gør hvad. Deres vækst sker ved en noget lavere temperatur end overgæren.

Det er vigtigt at holde gæringen inden for temperaturintervallet. Er temperaturen for lav risikerer vi at gæren går i dvale, og hvis temperaturen er for høj, vil der dannes biprodukter som fx det frygtede stof diacetyl, som giver en smøragtig bismag, eller acetaldehyd, som smager af grønne æbler. Nogle af de uønskede stoffer kan forsvinde under lagringen på flasker.

Det er ikke kun rummets temperatur, der påvirker gæringens temperatur. Gæringen er en exoterm proces som afgiver varme, og derfor kan bryggetemperaturen nå 12 °C over rumtemperaturen.

Humleknop

Igennem tiden har man dyrket og isoleret nye stammer med nye egenskaber. Fx bedre udnyttelse af maltotriose, hastighed, sedimentering (bundfældelse), temperaturfølsomhed, tolerance overfor temperaturudsving. Det fulde genom for de fleste gærstammer er i øvrigt kortlagt.

I slutningen af 1800-tallet lykkes det at isolere en enkelt gær. Inden da kom der vildgær og bakterier i øllet og var det aldrig til at vide hvad man fik i sin øl, og den kunne smage både dårligt eller eksplodere, når man åbnede den.

Det er selvfølgelig ikke kun sukker og alkohol og CO₂ der er i spil under gæringen, og de mange stoffer der er involveret i gæren er med til at give øllet sin specielle smag. Ellers kunne man jo bare tilsætte alkohol og CO₂ til urten, men det vil smage forkert. DR har lavet serien Bryggeren der igennem 12 afsnit beskriver historien bag tilblivelsen af den øl vi kender i dag.

Metabolisme

Ølgæren fungerer både aerobt og anaerobt. Da gær er en heterotrof organisme, er den aerobe respiration velkendt.

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 30 ADP + 30 P_i → 6 CO₂ + 6 H₂O + 30 ATP

Respirationen sker i cytoplasmaet og mitokondriet som hos mennesket.

Den anaerobe forbrænding:

C₆H₁₂O₆ + 2 ADP + 2 P_i → 2 C₂H₅OH (ethanol) + 2 CO₂ + 2 ATP

Det er 63-77 % af stivelsen som nedbrydes af gæren, og det som er tilbage giver en sødme i øllet.

Den anaerobe proces består af glykolysen og alkoholgæringen og sker i cytoplasmaet. Ud over glukose har gæren også brug for aminosyrerne leucin og valin som også transporteres igennem transportproteiner i cellemembranen. Proteinerne er specifikke dvs. de kun transporterer en slags stof.

Den anaerobe respiration giver et langt lavere udbytte af ATP, så energien fra glukosen kan kun forsvinde ét sted hen og det er i alkoholen. Alkohol har et energiindhold der ligger mellem glukose og fedt. Glukose 17 Kj/g, alkohol 29 Kj/g og fedt 37 Kj/g.

Hvad er gær?

Gær er en encellet eukaryot organisme. Den er heterotrof, dvs. den spiser noget når den skal have energi i modsætning til de autotrofe planter.

I ølbrygning skelner vi mellem to typer som dog er samme art:

Overgær (Saccharamyces cerevisiae), som vokser i overfladen under gæringen. Den arbejder bedst ved 18-22 grader. Det er den gærtype vi bruger.
Undergær (Saccharomyces uvarum), som synker til bunds og har enzymer med optimum på 6-15 grader.

Der findes mange stammer gær af de to varianter.

Glukosen omdannes anaerobt til pyruvat som vi kender det hos mennesket. Overskuddet af H⁺ afleveres til acetaldehyd, som omdannes til ethanol. Sker det ikke vil glykolysen gå i stå og gæren får ikke ATP. Det ligner hvad der sker i menneskelige celler, men her afleveres H⁺ til laktat. Læs mere om glykolysen. Gær kan også lave aerob respiration i mitokondriet, men det er ikke beskrevet i figuren.

Gæren har ikke kun brug for maltose, for gæren deler sig og den ny DNA og RNA har brug for både P og N, som den får fra maltbyggen. Derfor er det afgørende for gæringen, at enzymerne aktiveres under maltningen, så de stoffer kan gøres tilgængelige.

Reaktionen foroven viser kun glukose, men gæren nedbryder også fruktose, maltose og maltotriose. Men ikke lige let. Gæren foretrækker glukosen som let optages og omsættes.

Gærens formering

Gær formerer sig ved knopskydning, som er en form for kloning hvor cellerne laver kopier af sig selv. Under brygningen er der 1.000.000 gærceller pr. ml.

Gærens vækst følger et mønster, som ses på figuren til højre.

Aromastoffer er duft og smagsstoffer, og de frigives under gæringen. Kemisk er det esterforbindelser, og det findes i smagsstoffer og parfyme. Forskellige gærstammer danner forskellige esterforbindelser, og dermed smagsvarianter. En høj gæringsstemperatur gør at gærcellerne laver flere esterforbindelser.

Det er ikke alle estere vi er interesseret i. Diacetyl giver som nævnt en smøragtig smag, men den kan fjernes hvis øllet får tid til at gære færdigt. Også på flasker sker der en fjernelse. Det er også for at undgå diacetyl at vi køler hurtigt ned i punkt 6.

Vores overgær gærer ved 20 grader i ca. en uge, og dernæst hælder vi gærrester fra og fortsætter 1-2 uger og hælder de på flasker. I begyndelsen er det vigtigt at gæren formerer sig, så vi kan få mange celler på arbejde på en gang. Derfor kan man ryste bryggespanden med indhold så cellerne får ilt. Man kan blæse luft i karret, men vi risikerer at forurene vores øl.

De første 24 timer ser der ikke ud til at ske noget – det er lagfasen. Når der begynder at dannes skum på overfladen og gærrøret klukker, så ved vi processen er i gang.

Efter 3-4 dage vil gæringen aftage igen, og gærrøret vil klukke færre gange. Efter 2 uger er vi nede på ca. 2 kluk/minut.

Hvis vi køler øllet ned før tapning bliver det mere klart – hvis det er koldt udenfor kan vi stille det ud inden vi tapper det på flasker.

9. Tapning og modning

Efter gæring, skilles øllet fra gærresterne og man forsøger at få så klar en øl som muligt. Det tappes på rengjorte flasker, så vi ikke risikerer forurening med andre mikroorganismer.

Alkohol er gift for organismer – også bakterier, men en alkoholprocent på 5% er ikke nok til at slå dem ihjel, og det er derfor er vi mere hysteriske med hygiejnen end i vin eller whiskey med høj alkoholprocent.

Under lagringen vil der dannes brus, dvs. CO₂ ved yderligere gæring. Afhængig af temperatur og gærtype tager det et par uger til nogle måneder.

Øllen kan ikke tåle lys og varme da det kan danne ildesmagende svovlforbindelser, så derfor er ølflasker også mørke. Ikke alle flasker vi bruger er mørke, så sørg for at holde dem væk fra stærk lys.

Litteratur

Wolfgang kunze – Technology brewing and malting. En sag på knap 1000 sider.
Biotech academy. Ølbrygning.
Beerzymes.dk Gæring og læring. Christian Rix m.fl.
Håndbog i Ølbrygning af Simon Wrisberg