Neuer Schnelltest für Brauereien

Autor	Institution
Dr. Michael Kupetz	Lehrstuhl für Brau- und Getränketechnologie, TUM
Maximilian Frankerl	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	21. März 2019
Ausgabe	1
Jahrgang	87
Seitenzahl	32-37

Die kolloidale Stabilität von Bier stellt eines der wichtigsten Kriterien der Bierstabilität dar. Hintergrund ist eine auftretende Trübung oder Ausflockung in filtrierten Bieren, die vom Konsumenten nicht akzeptiert wird. Deshalb sind frühzeitige Erkenntnisse über die kolloidale Stabilität nicht nur für Exportbierbrauereien, sondern auch für kleine und mittelständische Betriebe von besonderem Interesse. Da bestehende Analysenmethoden entweder nur einen Teil der an der Trübungsbildung beteiligten Bierinhaltsstoffe berücksichtigen oder lange Analysenzeiten haben, soll im Rahmen dieser Arbeit eine neue Schnellmessmethode zur Überprüfung der kolloidalen Stabilität vorgestellt werden.

Analysenmethoden zur Ermittlung der kolloidalen Stabilität

Aufgrund einer zunehmenden Globalisierung und dem Anstieg des Exports von Lebensmitteln spielt die Haltbarkeit und Stabilität der Produkte eine immer wichtigere Rolle. So auch im Brauwesen, wo die Erhaltung der Bierstabilität über den Zeitraum der Mindesthaltbarkeit eine der größten Herausforderungen darstellt.

Analytisch kann die Bierstabilität in die kolloidale Stabilität, Geschmacksstabilität, mikrobiologische Stabilität sowie Schaumstabilität unterteilt werden. Dabei stellt die kolloidale Stabilität (auch chemisch-physikalische Stabilität) eines der wichtigsten Merkmale dar, da eine Trübungsbildung oder Ausflockung schnell und mit einfachen Mitteln von Konsumenten identifiziert werden kann und oft mit einem mikrobiellen Verderb des Produktes gleichgesetzt wird.

Um die kolloidale Stabilität des Bieres zu erhöhen, stehen dem Technologen verschiedene Maßnahmen zur Verfügung, beginnend bei der Rohstoffauswahl bis hin zum Einsatz von Stabilisierungsmitteln im Filterkeller. Mögliche Maßnahmen, die innerhalb des Brauprozesses realisiert werden können, sind z.B. der Einsatz eiweißarmer Gersten, entsprechend niedrige pH-Werte beim Maischen und Würzekochen, eine kräftige Hauptgärung sowie eine zügige Nachgärung bei niedrigen Temperaturen [1]. Ein gängiges Verfahren ist zudem der Einsatz verschiedener Stabilisierungsmittel im Kaltbereich oder direkt bei der Filtration, wie Kieselsäurepräparate, Bentonit oder PVPP bzw. eine Kombination dieser, um potentielle Trübungsbildner zu reduzieren und so die kolloidale Stabilität zu verbessern [2]. Dies ist nötig, da das Bier während des Transportes teilweise extremen Belastungen durch Temperaturschwankungen oder Bewegung ausgesetzt ist.

Die Anforderungen an die Haltbarkeit (MHD) ergeben sich aus der Zusammensetzung des Bieres und den Erwartungen des Konsumenten sowie der Brauerei an das Produkt. Im deutschsprachigen Raum schwanken die Haltbarkeiten für Bier zwischen sechs Wochen bis hin zu zwölf Monaten. In diesem Zeitraum sollte bei filtrierten Bieren keine Trübung oder Ausflockung auftreten.

Diese Biertrübungen setzen sich aus komplexen Molekülen, meist Proteinen und Polyphenolen, zusammen, die einer natürlichen Bewegung (Brown’sche Molekularbewegung) unterliegen [3]. Durch ein Zusammenstoßen der Teilchen kommt es zu einer allmählichen Vergröberung des Dispersitätsgrades, was die Trübungspartikel sichtbar werden lässt. Neben Verbindungen aus Proteinen und Polyphenolen können Oligosaccharide, hochmolekulare Polysaccharide oder Assoziate aus Polypeptiden und Mineralstoffen an der Trübung beteiligt sein [3]. Trübungsagglomerate bewegen sich in einem Größenbereich zwischen 500 nm – 50 µm. Ihre Ausgangsprodukte besitzen hingegen lediglich eine Größe zwischen 10 – 500 nm [4]. Die Trübungsbildung tritt häufig saisonal auf und ist stark von der Rohstoffqualität abhängig. Vor allem gegen Ende 2018 waren verstärkt Trübungen und Flocken im filtrierten Bier zu beobachten. Gründe hierfür waren sicherlich der Übergang der Ernte 2017 auf 2018 mit den aus der warmen Witterung resultierenden besonderen Verarbeitungskriterien, wie z.B. höheren Verkleisterungstemperaturen und Stickstoffgehalten. Zudem führte der lange heiße Sommer in vielen Brauereien zwar zu Absatzsteigerungen, aber auch zu kürzeren Lagerzeiten.

Um auch bei diesen besonderen Bedingungen die kolloidale Stabilität des Bieres schnell überprüfen zu können, wurden im Laufe der Jahre verschiedene Analysenmethoden entwickelt (s. Tab. 1) [5]. Diese Tests basieren entweder auf der Fällung bzw. Interaktion der Biertrübungsbildner mit chemischen Reagenzien oder der Trübungsbildung durch thermischen Einfluss (Wärme- und Kältewechsel). In Tabelle 1 wurden die wichtigsten Methoden zur Bestimmung der kolloidalen Stabilität dargestellt. Diese lassen sich in direkte Messmethoden, wie den Forciertest oder den Alkohol-Kälte-Test, sowie verschiedene indirekte Messmethoden einteilen.

Der Stabilisierungseffekt der Eiweißfraktionen kann mit Hilfe der Ammoniumsulfatfällungsgrenze (Mebak WMMB 2.14.2.4) sowie mittels Esbachreaktionstest überprüft werden. Ähnlich verhält es sich beim Formaldehydtest (Mebak WBBM 2.14.2.2), der die Stabilisierung der Polyphenole überprüft. Nachteil dieser indirekten Methoden ist die Erfassung nur einer an der Reaktion beteiligten Trübungskomponente. Diese Methoden können zur Überprüfung der Funk­tionalität von Stabilisierungsverfahren eingesetzt werden, erlauben aber selten Information über die gesamte resultierende kolloidale Stabilität.

Direkte Methoden, wie der Forciertest, schließen alle Einflussfaktoren auf die Trübungsbildung ein. Allerdings besitzen diese Methoden eine lange Analysenzeit (bis zu mehreren Wochen), weshalb sie nicht als Schnelltest geeignet sind.

Neben den beteiligten Bierinhaltsstoffen kann die Trübungsbildung auch durch verschiedene äußere Faktoren beschleunigt werden. Diese umfassen, neben den bekannten Förderfaktoren wie Temperatur oder Sauerstoff, auch Bewegung, Licht oder die katalytische Wirkung von Schwermetallionen (s. Abb. 1).

Um eine schnellere Trübungsbildung zu provozieren, sollte eine Kombination aus diesen Förderfaktoren genutzt werden. Trotzdem sollte das benötigte Equipment nicht zu kompliziert sein, damit der Test auch in Brauereien durchgeführt werden kann. Aus diesem Grund wurde neben der Temperatur zunächst der Einfluss der Oxidation auf die Bierprobe getestet. Ziel war ein einfacher, schneller und mit den Ergebnissen des Forciertest vergleichbarer Test, der Informationen über die kolloidale Stabilität des Bieres liefert.

Entwicklung des Schnelltest

Im Vergleich zu den klassischen Forciertests wurden einige Schritte in der Methodik geändert, um ein schnelleres Ergebnis zu erhalten. Trotzdem wurde an der Maximaltemperatur von 60°C festgehalten, da verschiedene Untersuchungen keine Beschleunigung der Trübungsreaktion bzw. deutlich größere Abweichungen in der Messgenauigkeit bei Temperaturen über 70°C feststellen konnten [6, 7].

Im Gegensatz dazu wurde die optimale Länge des Forcierintervalls untersucht, um die größtmögliche Trübungszunahme in kleinstmöglicher Analysenzeit zu erreichen. Tabelle 2 zeigt die getesteten Intervalle, Anzahl der Temperaturwechsel sowie die benötigte Zeit für die Temperaturwechsel (Aufheiz- und Abkühlphasen). Es konnte gezeigt werden, dass eine Intervallzeit von 26 Stunden mit fünf Temperaturwechseln eine optimale Trübungszunahme zuließ. Dieses Temperaturregime resultierte in einer Analysenzeit von 26 Stunden. Es würde also erlauben, dass eine Information über die Stabilität des Bieres am nächsten Arbeitstag vorliegt. Die reine Anwendung dieses Forciertests resultierte allerdings in keiner Trübungszunahme der Bierproben. Daher musste eine weitere Möglichkeit gefunden werden, um die Ausbildung der Trübung zu beschleunigen. Da die Trübungsbildung durch Sauerstoff bzw. Oxidation verstärkt wird, sollte Wasserstoffperoxid als Oxidationsmittel getestet werden. Laut Uchida und Ono [8, 9] bilden sich aus dem Luftsauerstoff, welcher bei der Abfüllung nicht vollständig entfernt werden kann, Sauerstoffradikale. Diese Radikale (O₂, O₂^1-,O₂^2-, H₂O₂, OH-Radikale) sind maßgeblich an der Bieralterung beteiligt, wie verschiedene Versuche, unter anderem auch auf die Geschmacksstabilität, zeigten [8, 10, 11]. Diese natürliche Bildung während der Alterung sollte mit Hilfe von 30%igem Wasserstoffperoxid beschleunigt werden. Aus diesem Grund wurden verschiedene Konzentrationen von H₂O₂ in Bier geimpft und die Proben forciert. Die größte Trübungszunahme über die Analysenzeit konnte bei der Zugabe von 1 ml H₂O₂ auf 500 ml Bier gemessen werden (s. Abb. 2). Dieses Ergebnis wurde anhand weiterer Proben bestätigt.

Zusätzlich wurde die verwendete Gebindegröße optimiert, da aufgrund der kurzen Forcierintervalle eine Verzögerung der Kerntemperatur in der Probe zu einer geringeren Trübungszunahme führen könnte. Hierbei zeigte sich, dass die 0,5-l-Flasche im Schnitt um 8,3°C von der Temperatur des Wasserbads abwich und die Kerntemperatur von 0°C nach der 60°C Inkubation erst 60 min später als das Wasserbad erreichte (s. Abb. 3). Aus diesem Grund wurde auch ein 200-ml-Gebinde für den Test überprüft. Diese Flaschen erreichten innerhalb von 20 Minuten die Kerntemperatur von 0°C. Daher wurde die Probe in diese Flaschen schaumfrei für den Test umgefüllt. Die Versuche wurden im Dreifachansatz durchgeführt, was in einem Probenvolumen von 700ml Bier je zu untersuchender Probe resultierte. Aufgrund der Nutzung der kleinen Flaschen ist es möglich, Proben direkt aus dem Drucktank zu entnehmen und die Stabilität des Bieres zu überprüfen.

Die Ergebnisse des neuen, optimierten Schnelltests wurden mit den Warmtagen der klassischen 0/60°C-Forciermethode verglichen. Als Trübungsmessgerät diente der LabScat 2 (Sigrist, Ennetbürgen, Schweiz) mit 90°- und 25°-Streulichtwinkel, der für beide Messungen genutzt wurde. Als Probenmaterial für die Überprüfung des Tests dienten 39 Biere aus zehn deutschen Brauereien. Diese schlüsselten sich in folgende Bierstile auf: helles Vollbier (10), Pilsener (16), helles Export (5), alkoholfreies helles Vollbier (3), Kristallweizen (2), Festbier (2) und Radler (1).

Methodenvergleich

Um die kolloidale Stabilität des Bieres besser beurteilen zu können, wurde von allen Proben der Stickstoff-, Polyphenol- und der Anthocyanogengehalt bestimmt. Dabei konnten deutlich Unterschiede im löslichen Stickstoff zwischen 560 und 1160 mg/l (Mittel: 810 mg/l, n = 39) ermittelt werden. Diese Schwankungsbreite konnte auch beim Polyphenolgehalt (59–277 mg/l) und beim Anthocyanogengehalt (12–129 mg/l) festgestellt werden. Diese Probenauswahl bot somit eine gute Grundlage, um die kolloidale Stabilität der Biere zu untersuchen.

Um sicherzustellen, dass die ­Biere keine Trübung vor Beginn der Untersuchungen aufwiesen, wurden alle Eingangstrübungen analysiert. Nach EBC 9.29 gelten Biere bis zu einer EBC-Formazineinheit als glänzend bis klar.

Die Eingangstrübung der Proben schwankte zwischen 0,14 und 0,95 EBC im 90°-Streulichtwinkel und zwischen 0,04 und 0,69 EBC im 25°-Streulichtwinkel. Damit waren alle Proben klar bis glänzend und besaßen keine Trübung. Die ermittelten Eingangstrübungen wurden zur Bestimmung der kolloidalen Stabilität mit Hilfe des klassischen 0/60°C-Forciertest genutzt. Bei diesem Test werden die Biere abwechselnd bei 0 und 60°C für 24 Stunden inkubiert und der Trübungsanstieg vor Ende der Kaltphase bestimmt. Überschreitet dieser einen Wert von zwei EBC, so gilt die Probe als opal und der Test kann beendet werden. Mit Hilfe einer Formel kann die voraussichtliche Haltbarkeit unter Praxisverhältnissen bestimmt werden. Allerdings überschreiten einige Biere den Wert von zwei EBC während dieser Prozedur deutlich, was zu einer Überbewertung der kolloidalen Stabilität führt. Aus diesem Grund wurde zusätzlich eine Umrechnung entwickelt, um die Messwerte zu bereinigen. Dies resultierte in einer Reduzierung der mit dem 0/60°C-Forciertest gemessenen Warmtage. Diese Umrechnung kann sowohl für die Vergleiche der Methoden, als auch zur Vorhersage der kolloidalen Stabilität genutzt werden.

Die Warmtage der untersuchten Bierproben lagen in einem Bereich zwischen einem und 22 Tagen. Im Mittel besaßen die 39 Proben eine Stabilität von 6,5 Warmtagen. Die Analyse der kolloidalen Stabilität mittels Forciertest nahm somit im Schnitt 13 Tage in Anspruch. Das Bier mit der höchsten Stabilität benötigte für die Analyse sogar 44 Tage bis ein Endergebnis vorlag. Diese hohen Werte sind aufgrund der resultierenden rechnerischen Stabilität von über zwei Jahren allerdings nicht praxisnah, da zuvor sicherlich die Geschmacksstabilität deutliche Einbußen zeigt. Nichtsdestotrotz sollten Biere mit einem MHD von zwölf Monaten zwischen sechs und acht Warmtage aufweisen, um die gewünschte Stabilität zu gewährleisten [6, 12]. Dies entspricht circa zwei Wochen Analysenzeit.

Die neue Schnellmethode hat hingegen den Vorteil, dass die Ergebnisse bereits nach 26 Stunden vorliegen. Um eine Vergleichbarkeit zwischen den beiden Methoden zu überprüfen, wurden die 39 Bierproben mit dem neuen Schnelltest untersucht. Der Trübungsanstieg der Proben schwankte zwischen null und neun EBC (90°-Streulichtwinkel) nach Zugabe von H₂O₂ und 26 Stunden Inkubation mit fünf Temperaturwechseln. Diese Trübungsanstiege wurden mit den gemessenen Warmtagen des klassischen Forciertest verglichen. Die Ergebnisse des Methodenvergleichs sind in Abbildung 4 dargestellt, wobei eine gute Vergleichbarkeit festgestellt werden konnte (Bestimmtheitsmaß R² = 0,871).

Es zeigte sich, dass mit steigender Trübungsdifferenz des neuen Schnelltests die Anzahl der Warmtage im klassischen Forciertest abnahmen. Zudem konnte keine Trübungszunahme im neuen Test bei Bieren mit ­einer Stabilität über acht Warmtagen im klassischen Forciertest gemessen werden. Außerdem zeigten die Ergebnisse, dass keine Abhängigkeit des neuen Schnelltests von der Braustätte, Biersorte oder Eingangstrübung vorlag. Lediglich nicht stabilisierte Bierproben wiesen eine derart hohe Trübungszunahme auf, dass die Ergebnisse nicht mit stabilisierten Proben vergleichbar waren.

Mit Hilfe der ermittelten Erkenntnisse erfolgte die Einteilung der kolloidalen Stabilität (s. Tab. 3) für den neuen Schnelltest. Diese Einteilung erlaubt ­eine einfache Differenzierung zwischen Bieren mit einer geringen, mittleren oder hohen Stabilität.

Der statistische Vergleich der Trübungszunahmen des neuen Schnelltests und der Ergebnisse der nasschemischen Untersuchung der Bierproben erbrachte lediglich eine signifikante Korrelation mit dem Gesamtpolyphenol (r = 0,779, P<0,05) und Anthocyanogen-Gehalt (r = 0,557, P <0,05). Der lösliche Stickstoff der Proben korrelierte weder mit den Warmtagen des Forciertests, noch mit den Trübungszunahmen des Schnelltests.

Schlussfolgerung und Ausblick

Der neue Schnelltest lässt damit schnell und ohne großen analytischen Aufwand Rückschlüsse über die kolloidale Stabilität ­einer Bierprobe zu. Zusätzlich können die Analysenparameter individuell auf die Anforderungen der Brauerei angepasst werden. So ist beispielsweise eine schonendere Temperatur von nur 40°C ebenso denkbar wie ­eine Adaption der Analysenzeit.

Neben dem Abgleich mit dem Forciertest sollte zusätzlich ein Vergleich mit Rückstellmustern erfolgen, um einen realen Vergleich mit der Stabilität des Bieres zu erzielen. Im Laufe der Methodenentwicklung konnte gezeigt werden, dass Biere mit acht oder mehr Warmtagen mit der neuen Methode keinen Trübungsanstieg erreichen.

In Zukunft wäre es denkbar, für Biere, bei denen eine hohe Stabilität zu erwarten ist, die Versuchszeit zu verdoppeln, um dadurch höhere Trübungszunahmen zu erhalten. Erste Vorversuche zeigten, dass eine Analysenzeit von 52 Stunden anstatt 26 Stunden eine wesentlich höhere Trübungszunahme erlaubte. Eine Probe, die nach 26 Stunden keine Trübungszunahme aufwies, zeigte nach 52 Stunden einen Trübungsanstieg von 10,3 EBC im 90°-Streulichtwinkel.

Da der Export und damit der zurückgelegte Distributionsweg von Bier in die ganze Welt aller Voraussicht nach auch in den kommenden Jahren immer mehr ansteigen wird, ist eine schnelle Vorhersage der Trübungsstabilität von Bier immer wichtiger. Mit der in dieser Arbeit dargestellten Methode kann innerhalb von 26 Stunden eine Aussage über die kolloidale Stabilität getroffen werden und so entschieden, ob das Bier die Voraussetzungen für den Export erfüllt oder nicht.

Danksagung

Die Autoren bedanken sich bei allen Brauereien, die Proben für die Methodenentwicklung zur Verfügung gestellt haben!

Literatur

1. Narziss, L., et al., Abriss der Bierbrauerei, Wiley-VCH, Weinheim, 2017.
2. Annemüller, G.; Manger, H. J., Klärung und Stabilisierung des Bieres, Grundlagen – Technologie – Anlagentechnik – Qualitätsmanagement, Verlag der VLB, Berlin, 2011.
3. Pöschl, M.: „Die kolloidale Stabilität untergäriger Biere – Einflussmöglichkeiten und Vorhersagbarkeit“; Dissertation, TU München, Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung und Umwelt, Lehrstuhl für Technologie der Brauerei II, 2009.
4. Kupetz, M.: „Comparative Identification of Filtration-Inhibitory Substances in Membrane and Diatomaceous Earth Filtration of Beer“, TU München, Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung und Umwelt, Freising, 2017.
5. Jacob, F., Wort, Beer, Beer-based Beverages. 1. ed, ed. Mebak, 2013, Freising: Mitteleuropäische Brautechnische Analysenkommission Mebak e.V.
6. Schild, E.; Weyh, H.; Zürcher, C.: „Die Vorausbestimmung der Eiweißstabilität von Exportbieren“, Monatsschrift für Brauwissenschaft, 17 (8), 1964, S. 289–295.
7. Rice, C.P.; Pawlowsky, K.; Smart, C.: „Evaluating haze formation in flavoured lager beers using a range of forcing methods“, Journal of the Institute of Brewing, 123 (3), 2017, S. 388–395.
8. Uchida, M.; Ono, M.: „Improvement for Oxidative Flavor Stabilit of Beer - Role of OH-Radical in Beer Oxidation“; Journal of the American Society of Brewing Chemists, 54 (4), 1996, S. 198–204.
9. Uchida, M., Ono, M.: „Determination of Hydrogen Peroxide in Beer and its Role in Beer Oxidation“, Journal of the American Society of Brewing Chemists, 57 (4), 1999, S. 145–150.
10. Wurzbacher, M.: „Untersuchung zum Einfluss antioxidativer Substanzen auf die Geschmacksstabilität des Bieres“, TU München, Wissenschaftszentrum Weihenstephan, Freising, 2005.
11. Wannenmacher, J.; Gastl, M.; Becker, T.: „Phenolic Substances in Beer: Structural Diversity, Re­active Potential and Relevance for Brewing Process and Beer Quality“; Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 17 (4), 2018, S. 953–988.
12. Meier, J.: „Die Stabilisierung des Bieres mit PVPP“, Brauereirundschau, Nr. 97, 1986, S. 93–97.

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