E – wie Enzyme

Was sind Enzyme?

Enzyme sind meist Proteine (= Eiweiße), die als Biokatalysatoren bestimmte chemische Reaktionen beschleunigen können, ohne dass sie dabei selbst verändert werden. Allen Enzymen gemein ist die Endung „ase“.

Wo befinden sich die Enzyme?

Bestimmte Enzyme sind bereits in der Gerste enthalten. Meist befinden sie sich dort jedoch in einem schlafenden, sprich inaktiven Zustand. Während der Keimung werden sie aufgeweckt bzw. aktiviert. Der Großteil der Enzyme wird also während des Mälzungsprozesses in der Keimphase im Gerstenkorn gebildet.

Was ist das Ziel der Enzyme?

Ziel der Enzyme ist es, die in der Gerste enthaltene Stärke in kleine, gärfähige Zucker abzubauen, damit im nächsten Prozessschritt der Whiskyherstellung – die Fermentation bzw. alkoholische Gärung – diese von der Hefe in Alkohol umgewandelt werden können.

Was ist Stärke?

Stärke ist ein in der Pflanzenwelt weit verbreitetes, organisches Biomolekül und in der Gerste mit einem Anteil von etwa 60 Prozent enthalten. Es ist ein Riesen- oder Makromolekül – in Form eines Vielfachzuckers – welcher ausschließlich aus dem Einzelbaustein Glucose (= Traubenzucker) zusammengesetzt ist. Die einzelnen Glucose-Bausteine verknüpfen sich an einer bestimmten Stelle im Molekül miteinander und bilden dadurch lange Zuckerketten, die sich zu einer Spirale formen. Dieses spiralförmige Riesengebilde nennt man Amylose. Die Glucose-Bausteine können sich jedoch auch über eine andere Stelle im Molekül mit ihren Nachbarn verbinden. Dadurch entstehen lange Zuckerketten, die starke Verzweigungen aufweisen. Diese verzweigte Form wird Amylopektin genannt. Stärke besteht etwa zu 20 bis 30 Prozent aus Amylose und zu 70 bis 80 Prozent aus Amylopektin.

Wie funktioniert der biochemische Stärkeabbau?

Machen wir dazu gedanklich einen Schnitt durch das Gerstenkorn. Dabei erkennt man kleine Kügelchen, die sogenannten Stärkegranula, die von einer schützenden Schicht umgeben und in eine Eiweißmatrix eingebettet sind. Zunächst müssen diese Stärkekügelchen freigelegt werden. Dazu baut eine bestimmte Klasse von Enzymen, die Cytasen, die stärkeumhüllende Schutzschicht auf biochemischem Wege ab. Die Eiweißmatrix, in denen die Stärkekügelchen eingebettet sind, wird mit Hilfe von sogenannten Proteinasen abgebaut. Die Abbauprodukte dieser Enzyme sind verschiedene Aminosäuren, die wiederum als Nahrungs- und Wachstumsquelle für die Hefe bei der späteren Fermentation benötigt werden. Die freigelegten und nunmehr zugänglichen Stärkekügelchen können mit einer dritten Klasse von Enzymen, den Amylasen, in kleinere Fragmente abgebaut werden. Dabei zerlegt die alpha-Amylase die langen Glucose-Ketten der Stärke in kleinere Fragmente, sogenannte Dextrine, sowie in Zuckern mit niedrigerem Molekulargewicht. Beta-Amylase hingegen schneidet immer vom Ende einer Zuckerkette her genau zwei zusammenhängende Glucosemoleküle (= Maltose) ab. Alpha-Glucosidase wiederum entfernt von den Enden der Zuckerketten immer nur ein einzelnes Glucosemolekül, während die Grenz-Dextrinase die Verzweigungen im Amylopektin der Stärke abtrennt. Die dabei gebildeten, kürzeren Zuckerketten können von den anderen Enzymen in gleicher Weise weiter zu gärfähigen Zuckerbausteinen abgebaut werden.

Bei welcher Temperatur arbeiten die Enzyme?

Grundsätzlich wirken die für die Maische relevanten Enzyme bei Temperaturen zwischen 40°C und 80°C, wobei jedes Enzym bzw. jede Enzymklasse einen eigenen optimalen Temperaturbereich hat, innerhalb dessen die biochemischen Prozesse schnellstmöglich und mit hoher Ausbeute ablaufen. Das bedeutet, dass für den enzymatischen Abbau von Stärke sowohl eine bestimmte Temperatur als auch eine bestimmte Zeit die maßgeblichen Parameter darstellen und somit eine enorm wichtige Rolle für einen optimalen Maischeprozess spielen. Das Temperaturoptimum einiger der stärkeabbauenden Enzyme liegt bei 62°C bis 65°C, was in etwa der Temperatur des ersten Maischwassers entspricht. Diese hohe Temperatur führt zu einem Quellen und Platzen der Stärkekügelchen (= Verkleisterung), und erleichtert so den Zugang der Enzyme zur Stärke und deren Abbau. Nach einer Einwirkzeit von etwa 30 Minuten wird die gebildete, zuckerhaltige Würze über den Siebboden des Läuterbottichs – der Mashtun – abgelassen, während zeitgleich von oben frisches Wasser mit einer jetzt höheren Temperatur zugegeben wird. Dies hat den entscheidenden Hintergrund, dass noch verbliebene Stärkekügelchen in der Gerste ebenfalls verkleistert und damit für die Enzyme zugänglich gemacht werden.

Was geschieht mit Enzymen bei höheren Temperaturen?

Die höhere Temperatur überleben zwar nicht mehr alle Enzyme. Doch diejenigen, die nicht sofort thermisch inaktiviert werden, nutzen die verbleibende Gelegenheit, weitere Stärke zu kleineren Zuckermolekülen abzubauen.

Wo liegen die Temperaturoptima der Maischeenzyme?

Die alpha-Amylase ist in einem Temperaturbereich von 65°C bis 75°C stabil. Die anderen Enzyme sind etwas weniger hitzestabil und denaturieren mit der Zeit früher. So liegt das Temperaturoptimum von beta-Amylase bei 60-65°C, das von Grenz-Dextrinase bei 55-60°C und das der alpha-Glucosidase unterhalb von 45°C.

Wieviel Stärke wird zu Zucker umgewandelt?

Am Ende des Maischens sind durch enzymatischen Abbau ungefähr 80 Prozent der Stärke in gärfähige Zucker umgewandelt worden.

Welche Rolle spielt der Proteinanteil in der Gerste?

Der Proteingehalt im Gerstenkorn sollte nicht zu hoch sein. Denn viel Protein bedeutet gleichzeitig weniger Stärke und dies wiederum weniger Zucker, was letztlich zu weniger Alkohol führt. Der Proteingehalt sollte aber auch nicht zu niedrig sein, da die Hefe die aus den Proteinen mit Hilfe der Proteinasen abgebauten Aminosäuren als Nahrungs- und Wachstumsquelle benötigt. Als vernünftiger Kompromiss hat sich ein Proteingehalt im Gerstenkorn von etwa 10 Prozent herauskristallisiert.