Arbeitsblatt: Alkoholische Gärung

Alkoholische Gärung Grundlage der Bier- und Weinherstellung, aber auch der Gewinnung von Branntwein, ist die alkoholische Gärung. Lässt man zuckerhaltige Obstsäfte, z. B. Traubensaft, einige Zeit stehen, so fangen sie an zu gären. Es setzt eine lebhafte Gasentwicklung ein. Die Trübung von Kalkwasser zeigt, dass Kohlendioxid entstanden ist. Der süsse Geschmack des Fruchtsaftes ist verschwunden, es riecht nach Alkohol. Abgekochte, sterilisierte Fruchtsäfte oder reine Traubenzuckerlösung verändern sich dagegen nicht. Anders als beim Presssaft von Früchten muss zum Vergären der Traubenzuckerlösung Hefe zugesetzt werden. Früchte wie Trauben oder Äpfel enthalten auf ihrer Schale bereits Hefepilze. Da die Alkoholbildung ohne Zufuhr von Sauerstoff abläuft, bezeichnet man sie als Gärung. Sie ist das Werk von einzelligen, kugelförmigen Hefepilzen, die sich in Zuckerlösungen ungewöhnlich rasch vermehren und dabei Wirkstoffe, sogenannte Enzyme, herstellen. Diese Enzyme wirken als Biokatalysatoren. Sie bewirken die Zersetzung von Traubenzucker. Bei der alkoholischen Gärung wandeln Enzyme der Hefen Traubenzucker in Alkohol und Kohlendioxid um. Zur billigen Alkoholherstellung eignen sich alle zucker- und stärkehaltigen Naturstoffe. Stärkelieferanten sind alle Getreidesorten wie Gerste, Roggen oder Reis. Naturstoffe mit einem hohen Zucker- oder Stärkegehalt liefern dabei einen hohen Alkoholgehalt. Der Alkoholgehalt wird meist in Volumenprozent (Vol.%) angegeben. Allein durch Gärung lässt sich höchstens ein Alkoholgehalt von 15 Vol.% erzielen. Bei höherem Alkoholgehalt sind die Enzyme der Hefen nicht mehr wirksam, die Hefepilze gehen zugrunde und die Gärung hört auf. Auch der Zusatz bestimmter Chemikalien (Konservierungsmittel), höhere Temperaturen oder ein Zuckergehalt von über 30 stören die Funktion der Hefepilze. Wozu sind die Hefen da? Lässt man Fruchtsaft längere Zeit stehen, so setzt schon nach wenigen Tagen eine lebhafte Gasentwicklung ein, die mehrere Tage anhält. Man sagt, die Flüssigkeit gärt. Das gleiche beobachtet man in einer Zucker-Hefe Lösung. In einem Kolben, in dem sich eine Traubenzuckerlösung ohne Hefezusatz befindet, bildet sich kein Gas. Die Hefepilze müssen also mit der Gärung etwas zu tun haben. Hefen sind winzige pflanzliche Lebewesen. Sie sind bei allen Früchten auf der Schale vorhanden. Wie alle Lebewesen brauchen auch Hefen etwas zu fressen. Die Hefepilze, mit denen wir hier zu tun haben, fressen Zucker. Das heisst, sie gewinnen aus dem Nährstoff Zucker ihre Lebensenergie. Dabei entstehen natürlich Stoffwechselprodukte. Diese Stoffwechselprodukte sind der Alkohol und ein Gas, das wir leicht als Kohlendioxid erkennen. Weil die Hefen den Zucker umwandeln, schmeckt ein vergorener Saft auch nicht mehr süss. Bierbrauen Auch beim Bierbrauen findet eine alkoholische Gärung statt: Man bringt zuerst Gerstenkörner zum Keimen. Dabei wird im Korn die Stärke in Traubenzucker umgewandelt. Die gekeimten Körner werden in der Darre getrocknet und geröstet. Dadurch erhält man Malz. In einer Mühle wird dieses Malz gemahlen und danach in 50-60C warmes Brauwasser gegeben. So entsteht die Maische. Beim Maischen löst sich der Zucker aus dem Malz im Wasser Nach kurzem Aufkochen wird die Maische filtriert. Man erhält die sogenannte Stammwürze. Die Rückstände werden als Futtermittel verwendet. Der Stammwürze setzt man nun noch Hopfen als Geschmacks- und Konservierungsstoff zu. Jetzt gibt man die Hefen dazu und die Gärung kann beginnen. Nach 3-4 Tagen ist sie abgeschlossen. Versuche 1 Gib den Saft ausgepresster Weintrauben oder geriebener Äpfel in einen Glaskolben. Leite das entstehende Gas in Kalkwasser und beobachte in längeren Zeitabständen. 2 Wiederhole V1 mit reiner Traubenzuckerlösung oder abgekochten Obstsäften. 3 a) Gib in einen Erlenmeyerkolben ca. 20 Traubenzucker, 200 ml warmes Wasser und etwas Hefe. Leite das entstehende Gas in Kalkwasser. b) Verwende anstatt Traubenzucker eine 30 %ige Honiglösung. 4 CO2Produktion: Wir geben in einen Glaskolben 200 cm3 Brunnenwasser, 20 Traubenzucker (schütteln bis gelöst) und 20 zerkleinerte Presshefe. Bald tritt intensive Gasblasenbildung ein. Ein über die Kolbenöffnung geschobener Gummiballon wird aufgeblasen. Setzen wir einen durchbohrten Gummistopfen mit gebogenem Glasrohr ein, dann können wir das Gärgas in Baryt oder Kalkwasser leiten: Intensive Trübung zeigt CO2 an. Führe den Gärversuch auch mit Fruchtsäften, Bierwürze, Honigwasser aus 5 Alkoholproduktion: Schon der Geruch vergorener Flüssigkeiten zeigt Alkohol an. In einen Glaskolben füllen wir die filtrierte, vergorene Flüssigkeit aus Versuch 4 oder käuflichen Gärmost ein. Wir verschliessen mit durchbohrtem Gummistopfen, in dem ein langes, weites Glasrohr steckt (an Stativ befestigen). Beim Erhitzen entweicht aus dem oberen Ende des Glasrohres Alkoholdampf, den wir entzünden können (bläuliche Flamme). 6 Wärmeproduktion: Gärflüssigkeit wird in eine Thermosflasche eingefüllt (nicht zu hoch !). Wir verschliessen mit Watte und stecken ein Thermometer hinein: deutlicher Temperaturanstieg, doch viel schwächer als in Atmungsversuchen. 7 Zuckerverbrauch: Vergorene Flüssigkeiten haben den süssen Geschmack verloren. Die Fehlingsche Probe mit vergorenen Traubenzuckerlösungen fällt negativ aus. Vom Zucker werden 98 vergoren, 2 zum Aufbau der Hefezellen verwendet. Gleichung der alkoholischen Gärung C6H12O6 2C2H5OH 2CO2 96 kJ Diese Gleichung stellt eine Zusammenfassung komplizierter Teilprozesse dar. Das Endresultat lässt sich sehr einfach ausdrucken: Der Hefepilz spaltet Traubenzucker (z.B.1 kg) in Alkohol (500 g) und Kohlendioxyd (500 250 l), wobei er Energie (etwa 540 kJ) für seinen Lebensbetrieb herausholt. 8 Versuch zur Sauerkrautbereitung. In einer Glasröhre werden je etwa 3 cm fein geschnittener Weisskohl und etwa 1 mm Kochsalz abwechselnd übereinandergeschichtet und fest eingestampft. Oben wird das Glasrohr gegen die Luft abgeschlossen. Thermometer zum Ablesen der Temperatur, Kolbenprober (er nimmt die bei der Gärung entstehenden Gase auf und verhindert dadurch Überdruck). Milchsäurebakterien (einzeln und in Ketten) aus der Lake. Untersucht man täglich einen Tropfen aus der Lake mit dem Mikroskop, so kann man feststellen, wie schnell sich die Milchsäurebakterien vermehren. Gleich nach dem Ansetzen des Versuches findet man nur ganz vereinzelt die kleinen Kugelbakterien. Nach wenigen Tagen aber liegen Tausende im Gesichtsfeld des Mikroskops. Führt man den Versuch zur Sauerkrautbereitung durch, so riecht schon nach wenigen Tagen der Rohrinhalt angenehm nach Sauerkraut. Das Kochsalz entzieht den Kohlblättern Wasser. Es entsteht ein salziger Saft, die Lake. In ihr entwickeln sich neben Hefezellen zahllose winzige Kugelbakterien. Sie verwandeln Zucker und Stärke (aus den Kohlblättern stammend) in Milchsäure (daher der Name Milchsäurebakterien) und geben dem Sauerkohl den angenehmen Geschmack. Essigsäurebakterien vergären Wein und andere alkoholische Flüssigkeiten zu Essig. Bakterien sind die kleinsten bekannten Lebewesen. Sie vermehren sich wie andere Einzeller durch Teilung. Dauersporen dienen der Überwindung schlechter Lebensbedingungen und der Verbreitung. Unter den Bakterien gibt es gefährliche Krankheitserreger.