Der Läuterprozess

Autor	Institution
Dr. Michael Kupetz,	Lehrstuhl für Brau- und Getränketechnologie, TUM
M. Ittensohn	Lehrstuhl für Brau- und Getränketechnologie, TUM
Dr. Martina Gastl	Lehrstuhl für Brau- und Getränketechnologie, TUM
Prof. Thomas Becker	Lehrstuhl für Brau- und Getränketechnologie, TUM

Datum	29. Oktober 2020
Ausgabe	4
Jahrgang	88
Seitenzahl	136-139

Trotz kontinuierlicher Weiterentwicklung der Sudhaustechnologie stellt der Prozessschritt des Läuterns nach wie vor den limitierenden Faktor im Sudhaus dar [1-3]. Nichtsdestotrotz ist es aktuell möglich, bis zu 14 Sude pro Tag mittels moderner Sudhaustechnik durchzuführen [4]. Aufgrund der engen Taktung können bereits geringfügige Verzögerungen im Läuterprozess die Anzahl der Sude verringern und damit die Produktivität herabsetzen. Die Ursachen für diese Verzögerungen können oft nicht direkt identifiziert werden, da der Läuterprozess von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst wird.

Ziel der Forschungsarbeit

Verfahrenstechnisch stellt das Läutern die Trennung der ungelösten Stoffe des Malzes (Treber) von der flüssigen Phase (Würze) dar, wobei dieser Prozess in zwei Stufen unterteilt werden kann: den Ablauf der Vorderwürze, den sogenannten Hauptguss, sowie die Nachgüsse zum Auswaschen der Treber [5].

Aufgrund der komplexen Zusammensetzung der Maische finden beim Läutern Trennmechanismen der Kuchen-, Oberflächen- und Tiefenfiltration statt [6]. Bei der Kuchenfiltration sind die zurückgehaltenen Partikel kleiner als der Porendurchmesser des Filtermediums. Mit zunehmender Läuterzeit wächst dieser Kuchen und der Durchfluss verringert sich. Im Gegensatz hierzu sind die Partikel, welche bei der Oberflächenfiltration abgetrennt werden, größer als die Poren des Filtermediums. Durch das Absetzen der Partikel verblocken die Poren und der Durchfluss nimmt ebenfalls ab.

Bei der Tiefenfiltration werden die Partikel im Inneren des Filterkuchens gebunden und durch Diffusion, Sedimentation sowie Wechselwirkungen zurückgehalten [7]. Bis dato konnte allerdings noch nicht geklärt werden, welcher dieser Mechanismen zu welchem Zeitpunkt des Läuterprozesses dominiert.

Die treibende Kraft des klassischen Läuterbottichs ist die statische Höhe und somit das Druckgefälle während des Läuterprozesses [8]. Dieses Druckgefälle kann neben der Schrotsortierung vor allem durch die Malzqualität und ihre chemische Zusammensetzung sowie den Maischprozess mit den dabei stattfindenden enzymatischen Abbauvorgängen beeinflusst werden [9]. Die Qualität der Läuterarbeit wird durch die Merkmale Extraktgehalt der Würze, Läuterzeit und Trübung der Würze bewertet [9].

Vor allem zytolytische Malzinhaltsstoffe wie β-Glucane und Arabinoxylane wurden als hemmende Substanzen innerhalb des Läuterprozesses identifiziert [10-15]. Im Malz werden diese mit summarischen Merkmalen wie der Mürbigkeit des Malzes oder der Viskosität der isothermen 65 °C-Würze abgebildet. Diese erlauben jedoch keinen detaillierten Rückschluss auf die Läuterleistung oder die Würzetrübung. Aufgrund von jahrgangs-, standort- und sortenbedingten Schwankungen ist eine genaue Betrachtung der zytolytischen Zusammensetzung ausschlaggebend, um weiteres Optimierungspotential zu identifizieren. Dies wäre zusätzlich wichtig, um Einflussfaktoren des Malzes genauer zu analysieren und im Rahmen künftiger Zuchtprogramme zu beeinflussen. Aus diesem Grund war es Ziel dieser Forschungsarbeit, den Einfluss der zytolytischen Malzzusammensetzung auf den Läuterprozess zu untersuchen.

Material und Methoden

Als Probenmaterial wurden Sommer- und Wintergersten mit unterschiedlicher zytolytischer Modifikation sowie verschiedener Provenienzen – aus Deutschland, der Schweiz, Schweden, Dänemark und Österreich – der Ernte 2019 genutzt. Die Mälzung der Proben fand nach MEBAK Kleinmälzung statt [16]. Die Charakterisierung der Malze in hohe, mittlere und geringe zytolytische Modifikation wurde anhand klassischer Würzemerkmale wie Viskosität und β-Glucan-Gehalt mittels Expertenwissen der Züchter durchgeführt. Als Maischverfahren für die Malzanalyse sowie die Läuterversuche wurde das isotherme 65 °C-Verfahren gewählt [16], um die erzielten Erkenntnisse auf die aktuelle Laboranalytik übertragen zu können.

Die Läuterversuche fanden im Labormaßstab mit einem beheizbaren Edelstahlfiltergehäuse temperiert auf 78 °C (s. Abb. 1) statt. Am Ende des Maischprozesses wurde die Probe in den Filter gefüllt und eine Läuter­ruhe von 10 min eingehalten. Anschließend wurden 50 ml Würze zur Simulation des Trübwürzepumpens abgezogen und zurück auf den Filterkuchen gegeben. Im Anschluss wurde das Ventil am Auslauf des Filters geöffnet und das filtrierte Würzegewicht auf einer Waage aufgezeichnet.

Abb. 1  Aufbau des Läutersystems

Die Läuterleistung wurde anhand der Permeabilität des Filterkuchens sowie des Durchflusses der Würze charakterisiert. Da eine automatisierte Aufzeichnung des Würzegewichts stattfand, konnte die Druckdifferenz (∆p) über den Verlauf des Läuterns nach der Formel ∆p = ρgh berechnet werden [17]. Die Kuchenhöhe wurde nach jedem Versuch bestimmt.

Neben den Läuterversuchen wurden die Malze anhand der klassischen Analytik (Extrakt, Ablauf, Proteingehalt, löslicher Stickstoff, Viskosität, pH-Wert, Mürbigkeit) charakterisiert.

Darüber hinaus wurden die zytolytischen Merkmale β-Glucan und Arabinoxylan detaillierter untersucht. Die Gesamtkonzen­tration der β-Glucane wurde mittels der fluorimetrischen Methode nach EBC-Analytica bestimmt [18].

Zur Ermittlung der Arabinoxy­lan-­Konzentration wurde eine modifizierte Methode nach Douglas gewählt [19]. Zusätzlich wurde eine Fraktionierung der Würzen durchgeführt, um die Verteilung der molaren Masse der Arabinoxylane darzustellen [20].

Neben der nasschemischen Untersuchung wurden die Aktivi­täten zytolytisch relevanter Enzyme gemessen. Es wurden die β-Glucanase-Aktivität, die Xylanase-, Arabinofuranosidase- und Feruloyl-Esterase-Aktivität bestimmt. Die Hochdurchsatz­methoden wurden im Rahmen verschiedener Vorarbeiten am Lehrstuhl für Brau- und Getränketechnologie erarbeitet und sind größtenteils nicht kommerziell in Assays erhältlich [15, 21].

Läutern und Zytolyse

Die untersuchten Malzproben zeigten eine breite Verteilung der Permeabilität (s. Abb. 2). Malzprobe 8 (1,01 mDarcy) und Malzprobe 14 (0,92 mDarcy) besaßen die geringste Permeabilität, Malzprobe 9 mit 2,21 mDarcy den höchsten Wert. Ein Unterschied zwischen Sommer- und Wintergersten bei der Bestimmung der Permeabilität war nicht erkennbar.

Abb. 2 Errechnete Permeabiltät (n = 3) der Läuterversuche im Labormaßstab der untersuchten 20 Malzmuster

Der Vergleich der Würzeinhaltsstoffe β-Glucan und Arabinoxylan wies keine Korrelation zur Permeabilität des Filterkuchens auf (siehe Abb. 3). Die Konzentration dieser beiden Polysaccharide in der Würze kann damit nicht zur Vorhersage und Optimierung des Läuterprozesses ­herangezogen werden. Der β-Glucan-Gehalt der Würze schwankte zwischen 0 und 1200 mg/l, der Arabinoxylan-Gehalt zwischen 700 und 1500 mg/l. Nichtsdestotrotz konnte eine Korrelation des β-Glucan-Gehaltes der Würze und der Mürbigkeit (r = -0,90, P < 0,01) sowie dem Anteil ganzglasiger Körner des Malzes (r = 0,50, P < 0,05) ermittelt werden.

Abb. 3 β-Glucan-Gehalt (n = 3) und Arabinoxylan-Gehalt (n = 3) in der Würze in Abhängigkeit der Permeabilität des Treberkuchens der untersuchten Versuchsmalze

Die Gesamtkonzentration an Arabinoxylan korrelierte mit keinem der Würze- oder Malzmerkmale. Deshalb fand zusätzlich die Fraktionierung des Polysaccharides nach molarer Masse statt. Diese wurden in niedermolekulares (< 10 kDa), mittelmolekulares (10 – 50 kDa) und hochmolekulares (> 50 kDa) Arabinoxylan zusammengefasst. Die Messung ergab einen hohen Anteil an niedermolekularen Molekülen (< 10 kDa) von 25,0 – 60,7 Prozent (Mittelwert: 42,3 %) sowie einem hochmolekularen Anteil (> 50 kDa) zwischen 17,8 und 59,4 Prozent (Mittelwert: 38,6 %). Die statistische Auswertung ergab dabei einen signifikanten Zusammenhang zwischen dem Gehalt an niedermolekularen Arabinoxylan-Molekülen und dem Durchfluss der Würze durch den Filterkuchen (r = 0,55, P < 0,05). Dies deckt sich mit der Literatur, dass Moleküle mit geringeren Massen den Durchfluss bei einer Filtration im Vergleich zu hochmolekularen Molekülen geringer beeinflussen [9].

Der hochmolekulare Anteil des Arabinoxylan korrelierte hingegen mit der Viskosität (r = 0,56, P < 0,05) der Würze. Somit steigt die Viskosität der Würze mit einer erhöhten Konzentration von Arabinoxylan-Molekülen im Bereich > 50 kDa, was sich ebenfalls mit der Literatur deckt [22]. Die Verteilung dieser molaren Masse an Arabinoxylanen wird vor allem während des Maischprozesses und den dabei stattfindenden enzymatischen Abbauprozessen beeinflusst.

Enzymaktivität als Schlüssel

Aus diesem Grund wurde die Aktivität der Enzyme des β-Glucan- und Arabinoxylan-Abbaus bestimmt. Die Xylanase-Aktivität (Abbau des Xylose-Rückgrats in Arabinoxylan) schwankte innerhalb der untersuchten Malze zwischen 22 und 36 U/kg. Diese zeigte eine Korrelation zur Permeabilität des Filterkuchens (r = 0,62, P < 0,01). Das Enzym Arabinofuranosidase (Abspaltung von Arabinose-Seitenketten vom Xylose-Rückgrat) schwankte zwischen 96 und 168 U/kg.

Ein weiteres Enzym, das am Abbau des Arabinoxylans beteiligt ist, wird als Feruloyl-Esterase bezeichnet. Dieses spaltet Ferulasäure-Seitenketten vom Molekül ab. Die Aktivität in den Malzmustern schwankte zwischen 656 – 2390 U/g (s. Abb. 4).

Abb. 4 β-Glucanase- und Feruloyl-Esterase-Aktivität (n = 3) der 20 untersuchten Versuchsmalze

Die statistische Auswertung zeigte, dass die Aktivität dieses Enzyms mit dem Anteil an niedermolekularem Arabinoxylan (< 10 kDa) korrelierte (r = 0,55, P < 0,05). Dieser nimmt durch eine höhere Enzymaktivität zu. Dies deckt sich mit der Literatur, da hochmolekulare Arabinoxylan-Moleküle über endständige Ferulasäure-Reste verknüpft sein können und so die molare Masse der Moleküle ansteigt [23]. Durch die Feruloyl-Esterase werden diese Seitenketten abgespalten und eine Verknüpfung ist nicht mehr möglich, weshalb die Molekülmasse der Arabinoxylane sinkt.

Neben den Arabinoxylan-abbauenden Enzymen wurde auch die Aktivität der β-Glucanase (siehe Abb. 4) bestimmt, die zwischen 260 und 730 U/kg schwankte. Diese Enzymaktivität zeigte eine hohe Korrelation zur Permeabilität des Filterkuchens (r = 0,82, P < 0,01). Je höher die Enzymaktivität beim Abbau der β-Glucane war, desto höher war auch die Permeabilität des Filterkuchens beim Läutern.

Im Gegensatz zu den klassischen Malzmerkmalen resultierten die Enzymaktivitäten in hohen Korrelationen zur Läuterleistung. Die Ergebnisse zeigen, dass nützliche Hinweise über die Verarbeitbarkeit des Malzes im Hinblick auf den Läuterprozess über die Messung der Enzymaktivitäten erreicht werden können.

Da nicht nur eine einzelne Enzymaktivität für eine optimale Vorhersage des Läuterprozesses ausreichte, sollten die ermittelten Erkenntnisse kombiniert werden.
Dies wurde mit Hilfe einer multiplen linearen Regressionsanalyse vorgenommen. Im Unterschied zur einfachen linearen Regression, bei der nur eine unabhängige Variable untersucht wird, modelliert die multiple lineare Regression die Einflüsse mehrerer unabhängiger Variablen auf eine abhängige Variable.

Das Ziel ist es, ein hohes Bestimmtheitsmaß bei der Verwendung möglichst weniger Faktoren zur Vorhersage der Permeabilität des Filterkuchens zu erreichen.
Für das Modell wurden die Enzymaktivitäten (Arabinofuranosidase (A), β-Glucanase (G), Feruloylesterase (F) und Xylanse (X)) genutzt, da weder klassische nasschemische Malzmerkmale noch die Mürbigkeit eine Korrelation zur Permeabilität zuließen. Die genannten Enzyme sind für den Abbau der relevanten Polysaccharide zuständig. Die Konzentration, die molare Masse und die Zusammensetzung der relevanten Polysaccharide, welche die zytolytische Zusammensetzung und die Viskosität der Maische und Würze maßgeblich bestimmen, werden durch die Enzyme beeinflusst. Die statistische Auswertung ist der Tabelle 1 zu entnehmen.

Mit Hilfe der multiplen linearen Regression konnte Gleichung 1 zur Vorhersage der Permeabilität (P) abgeleitet werden:

(Gleichung 1)

Anhand dieser Gleichung können somit Malze in Bezug auf die resultierende Permeabilität des Filterkuchens beim Läutern bewertet werden. Dazu sind lediglich die Enzymaktivitäten des Malzes nötig, welche direkt aus dem Korn gemessen werden können. 

Ausblick

Im Rahmen des Forschungsvorhabens konnte gezeigt werden, dass die zytolytische Zusammensetzung des Malzes einen großen Einfluss auf die Läuterarbeit hat. Hinsichtlich der Polysaccharide Arabinoxylan und β-Glucan konnte festgestellt werden, dass beide Moleküle bei steigender Konzentration die Viskosität beeinflussen und somit einen negativen Effekt auf die Läuterarbeit haben.

Die Ergebnisse der Arabinoxlyan-Fraktionierung zeigten, dass sich ein hoher prozentualer Anteil im Bereich <10 kDa positiv auf den Durchfluss auswirkte.

Bei den enzymatischen Untersuchungen wurde festgestellt, dass die Aktivität der zytolytischen Enzyme den Läuterprozess beeinflussen können. Hierbei wurde ein signifikanter Einfluss der β-Glucanase- und der Xylanase-Aktivität auf die Permeabilität ermittelt. Das aufgestellte Modell der multiplen linearen Regression zeigt, dass mit Hilfe der Messung der Enzymaktivität direkt im Korn eine Vorhersage der Läuterleistung möglich ist.

Die dargestellten Methoden können zur Optimierung des Läuterprozesses, zur Auswahl geeigneter Sorten für eine pro­blemlose Verarbeitung im Sudhaus sowie der züchterischen Optimierung der Gerste zur langfristigen Verbesserung des Läuterprozesses angewandt werden.

LITERATUR

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19. Kupetz, M.; et al.: ­„Investigation of Filtration-inhibitory Substan­es in German Wheat Beer“; Brewing Science, 70 (1/2), 2017, S. 1 – 8.
20. Kupetz, M.; Gastl, M.; Becker, T.: „Arabinoxylan – ein zu wenig beachtetes zytolytisches Merkmal?!“; Brauwelt Nr. 46/47, 2017, S. 1359 – 1363.
21. Gastl, M.; Kupetz, M.; Becker, T.: „Determination of Cytolytic Malt Modification – Part II: Impact on Wort Separation“; Journal of the American Society of Brewing Chemists, 2020.
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23. Narziß, L.; Back, W.: Die Bierbrauerei Band 1: Die Technologie der Malzbereitung, Wiley-VCH, Weinheim, 2012, S. 910.

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