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Alkoholische Gärung
Die alkoholische Gärung ist ein enzymatischer Prozess, bei dem Kohlenhydrate, hauptsächlich Glucose, unter anoxischen Bedingungen zu Ethanol …
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Grundprinzip und Bedeutung
Die alkoholische Gärung ist ein enzymatischer Prozess: Kohlenhydrate, hauptsächlich Glucose, werden unter anoxischen Bedingungen, also ohne verfügbaren Sauerstoff, zu Ethanol („Trinkalkohol“) und Kohlenstoffdioxid abgebaut. Vor allem Zuckerhefen nutzen diesen Stoffwechselweg vorübergehend zur Energiegewinnung, wenn sie nicht atmen können.
Hefen sind fakultative Anaerobier. Bei Sauerstoffzufuhr bauen sie Glucose durch Zellatmung über Glykolyse, Citratzyklus und Atmungskette vollständig zu Kohlenstoffdioxid und Wasser ab. Dabei entstehen aus einem Molekül Glucose 32 Moleküle ATP. ATP (Adenosintriphosphat) ist ein wichtiger Energieträger der Zelle. Ohne Sauerstoff erfolgt stattdessen Gärung; sie liefert nur zwei ATP pro Glucose. Deshalb setzen Hefen unter Luftabschluss Glucose deutlich schneller um, was den geringeren Energiegewinn teilweise ausgleicht. Dies heißt Pasteur-Effekt. Dennoch wachsen und vermehren sie sich ohne Sauerstoff wesentlich schwächer; außerdem ist das gebildete Ethanol ein Zellgift.
Bei hoher Zuckerkonzentration können Hefen sogar trotz ausreichenden Sauerstoffs gären, wenn ihre Enzyme der Zellatmung überlastet sind. Dieses Verhalten wird Crabtree-Effekt genannt. Alkoholische Gärung kommt auch bei manchen Bakterien vor, etwa bei Sarcina ventriculi, sowie in geringem Umfang bei Pflanzen unter Sauerstoffmangel.
Reaktionsweg und Energiebilanz
Die Gärung beginnt mit der Glykolyse, dem Abbau eines Moleküls D-Glucose zu zwei Molekülen Pyruvat. Backhefe, Saccharomyces cerevisiae, verwendet dafür den Embden-Meyerhof-Parnas-Weg. Dabei entstehen aus zwei ADP und zwei Phosphatresten zwei ATP; außerdem werden zwei Moleküle NAD+ zu NADH reduziert. NAD+ (Nicotinamidadenindinukleotid) ist ein Cofaktor, also ein für Enzyme benötigter Hilfsstoff.
Damit die Glykolyse weiterlaufen kann, muss NAD+ zurückgebildet werden. Zuerst spaltet die Pyruvatdecarboxylase (EC 4.1.1.1) von jedem Pyruvat ein Molekül Kohlenstoffdioxid ab; es entsteht Acetaldehyd. Das Enzym benötigt Thiaminpyrophosphat, einen Verwandten des Vitamin B1, und zwei Magnesiumionen als Cofaktoren. Anschließend reduziert die Alkoholdehydrogenase (EC 1.1.1.1) Acetaldehyd mit NADH zu Ethanol und regeneriert dabei NAD+. Sie enthält ein Zinkion, das die Carbonylgruppe des Acetaldehyds polarisiert. Alle Schritte finden im Zytoplasma statt. Acetaldehyd ist sehr giftig und wird daher rasch weiter umgesetzt.
Für Bäckerhefe lautet die Netto-Reaktionsgleichung:
C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi → 2 C2H5OH + 2 CO2 + 2 ATP
Die beiden Folgereaktionen nach der Glykolyse dienen vor allem der NAD+-Regeneration, nicht der zusätzlichen ATP-Gewinnung. Ohne sie würde NAD+ knapp und der Abbau bei Pyruvat stoppen. Insgesamt ist die Gärung eine Disproportionierung, eine besondere Redoxreaktion: Ein Drittel des Kohlenstoffs verändert seine Oxidationszahl von 0 in Glucose zu +4 in Kohlenstoffdioxid, zwei Drittel zu −2 in Ethanol.
Die Änderung der Freien Energie beträgt unter Standardbedingungen bei pH 7 ΔG0' = –218 kJ je Mol Glucose, bei der Zellatmung –2822 kJ je Mol Glucose. Diese Werte gelten für 25 °C, 1,013 bar und festgelegte Konzentrationen; in lebenden Systemen weichen die tatsächlichen Bedingungen meist davon ab.
Steuerung, andere Zucker und Nebenstoffe
Das Umschalten zwischen Zellatmung und Gärung lässt sich nicht durch ein allgemeines Schema erklären; Sauerstoffgehalt und Glucosespiegel spielen eine Hauptrolle. Bei S. cerevisiae gibt es die cytosolischen Alkoholdehydrogenasen ADH1 und ADH2. ADH1 baut Ethanol schneller auf und ist ständig vorhanden. Fällt die Glucosekonzentration stark, wird ADH2 gebildet; bei vorhandenem Sauerstoff kann sie Ethanol zur Energiegewinnung schneller abbauen.
Neben Glucose können Hefen weitere Zucker vergären. Sie bevorzugen meist Glucose („glucophil“). Traubenmost enthält Glucose und Fructose zu gleichen Teilen; bei restsüßem Wein besteht der verbleibende Zucker deshalb überwiegend aus Fructose. Fructose kann in die Glykolyse eingeschleust werden. Galactose wird über Galactose-1-phosphat und UDP-Galactose zu Glucose-6-phosphat umgewandelt. Saccharose wird durch Invertase in Glucose und Fructose gespalten, Lactose durch β-Galactosidase in Galactose und Glucose. Stärke aus Getreide wird beim Keimen durch Amylase zunächst zu Maltose abgebaut.
Zymomonas mobilis nutzt statt des üblichen Wegs den Entner-Doudoroff-Weg. Er liefert pro Glucose nur ein ATP, läuft aber schneller und erzielt eine höhere Ausbeute; die letzten beiden Gärungsschritte entsprechen denen bei Hefen.
Neben Ethanol und Kohlenstoffdioxid entstehen Begleitstoffe, darunter höhere Alkohole, Ester, Aldehyde, Ketone, Schwefelverbindungen, organische Säuren und mehrwertige Alkohole wie Glycerin. Einige werden Fuselöle genannt. Methanol und Begleitalkohole wie Butanol, Amylalkohol und Hexanol entstehen nicht auf dem beschriebenen Hauptweg, etwa beim Abbau von Aminosäuren oder bei der Spaltung von Pektinen. Methanol wird im Körper über Formaldehyd zu Ameisensäure umgesetzt; deren Anreicherung kann metabolische Azidose, Sehnervschäden und Tod verursachen. Bekannte Methanolvergiftungen beruhten fast ausschließlich auf mit Methanol versetzten Alkoholika.
Natürliches Vorkommen und Getränkeherstellung
Auf Obst leben natürliche Hefen und Bakterien. Bei länger warm gelagertem, verderbendem Obst kann im Inneren Sauerstoffmangel entstehen; Hefen vergären dort Zucker zu Alkohol. Bei Wein kann eine Spontangärung stattfinden, bei der sich die auf Traubenschalen vorhandenen Wildhefen vermehren. Sie kann individuellere Aromen liefern, ist aber weniger vorhersehbar und kann durch unerwünschte Hefen oder Bakterien zum Verderb der Maische führen. Reinzuchthefen bestehen aus einem ausgewählten Hefestamm und werden zu Beginn in ausreichender Menge zugesetzt, damit der Alkoholgehalt rasch steigt und Wildhefen absterben.
Für Bier wird Stärke, meist aus Getreide, zunächst verzuckert. Beim Mälzen werden Enzyme aktiviert; beim Maischen spalten sie Stärke zu Maltose. Die abgekühlte Würze wird mit Hefe versetzt, die Maltose zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid abbaut. Als Brauhefen werden beispielsweise S. cerevisiae, Saccharomyces uvarum = obergärig, und Saccharomyces carlsbergensis = untergärig genannt.
Wein entsteht aus zuckerhaltigem Traubensaft. Weinhefen können bis zu einer Zuckerkonzentration von 250 g pro Liter gären; darüber entzieht hoher osmotischer Druck den Zellen Wasser. Die Alkoholgrenze der Hefen liegt je nach Stamm zwischen 5 % und 23 %. Für Schaumwein wird ein Grundwein mit Restzucker durch höhervergärende Saccharomyces bayanus in einem Druckbehälter, zum Beispiel in der Flasche, weiter vergoren. Das gebildete Kohlenstoffdioxid kann dann nicht entweichen.
Reinzuchthefen werden passend zu den Bedingungen gewählt: Kaltgärhefen arbeiten bei 15–20 °C, alkoholtolerante Hefen werden für Portwein und Sherry genutzt. „Turbohefen“ erreichen unter optimalen Bedingungen bis zu 20 % Alkohol. Höhere Alkoholgehalte entstehen durch Destillation, Zusatz von Neutralalkohol oder Ausfrieren von Wasser. Oberhalb von etwa 15–16 % reicht der Zucker reiner Fruchtsäfte nicht aus; Zucker muss zugesetzt werden.
Backwaren, weitere Lebensmittel und Industrie
Bei Brot, Brötchen und traditionellem Hefekuchen lockert Backhefe, Saccharomyces cerevisiae, den Teig. Das bei der Gärung entstehende Kohlenstoffdioxid verteilt sich fein im Teig und vergrößert sein Volumen. Ethanol verdampft beim Backen; die Hefe stirbt dabei wegen der hohen Temperaturen ab. Toastbrot kann dennoch bis zu 2,8 Vol.% Alkohol enthalten, wenn nach dem Backen Alkohol als Konservierungsmittel zugesetzt wird.
Kefir wird mit Kefirknollen hergestellt, einer Gemeinschaft symbiotisch lebender Hefen und Bakterien. Die Lactose der Milch wird durch Bakterien über Milchsäuregärung zu Milchsäure und durch Hefen über alkoholische Gärung zu Ethanol abgebaut. Je nach Gärdauer enthält Kefir 0,2 bis etwa 2 % Alkohol. Kumys ist traditionell vergorene Stutenmilch.
Industriell hergestelltes Ethanol dient als Fahrzeugtreibstoff, Ausgangsstoff für chemische Synthesen und zur Desinfektion. Billiges Getreide oder Kartoffeln liefern Stärke, die durch Enzyme zu Zucker gespalten wird. Durch Gärung sind höchstens 23 % Alkohol erreichbar; Kolonnen-Destillation ergibt 96 % (Azeotrop). In Deutschland unterliegt genießbarer Alkohol der Branntweinsteuer. Treibstoffethanol ist davon unter strengen Kontrollen ausgenommen, ebenso vergälltes Ethanol. Dieses wird mit geringen Mengen Methylethylketon und anderen Stoffen ungenießbar gemacht und darf nicht für Lebensmittel oder Getränke verwendet werden. Das bei großtechnischer Gärung anfallende Kohlenstoffdioxid wird teilweise komprimiert und für die Getränke- und Lebensmittelindustrie vermarktet.
