Untersuchung der Isomerisierung von Hopfen-Alphasäuren und der auftretenden Verluste von Iso-Alphasäuren während der Würzebereitung im Sudhaus

Hop isomerization in the brewhouse is subject to a variety of influences. For breweries it is important to know these influencing factors in order to avoid using an unnecessary amount of hops and thus to save raw material. The aim of the present dissertation is to clarify these factors in their combinatorial effect with regard to wort composition as well as wort treatment and to identify the substance, which binds hop bitter acids, especially iso-alpha-acids, even after wort boiling. In addition, parameter ranges that occur in a novel brewhouse concept and lie outside the conventional brewhouse range are considered. The test series demonstrated that different pH values are advantageous depending on the original gravity. Lower pH values are favorable for higher original gravities, since at higher pH values, the α-acids are more soluble and the resulting protein trub therefore adsorbs more dissolved α-acids. Consequently, these hop bitter substances are no longer available for isomerization. At lower pH values, the trub adsorbs a smaller amount of α-acids due to its poorer solubility. Furthermore, at higher pH values (pH 7.0) an extension of the boiling time from 60 min to 120 min is not economical, since the improved solubility results in an accelerated isomerization rate. The lower the extract, the greater the influence of the pH value. Accordingly, due to the different techniques of the lauter systems and the associated periphery, the boiling times and application times have to be adjusted in order to achieve improved hop isomerization. In concrete terms, this means that the total boiling time increases with the lautering system: continuous mash filtration system < mash filter < lauter tun. A modeling tool [1] would support the calculation of hop application times, amounts and boiling times. Exact knowledge of the wort composition makes it possible to customize hop boiling times and dosages and thus achieve savings. In the hot section of a brewhouse, in addition to trub formation, unexplained degradation reactions of iso-alpha-acids occur [2]. Experiments in this dissertation clarify that, in addition to the possible degradation reactions, there are also electrostatic interactions or rather hydrophobic interactions between the proteins and iso-alpha-acids still in solution after wort boiling, depending on the degree of oxidation of the hop bitter substances. These include proteins that are not precipitated by heat, such as protein Z, which is less altered by the brewing process than other soluble barley proteins [3]. Proteins that are already precipitated as hot trub during wort boiling and free amino acids do not react with the existing iso-alpha-acids dosed after wort boiling. The results of this dissertation define the combinatorial effects of the influencing factors on hop isomerization. Depending on the mash filtration system (wort composition) boiling times with and without hops have to be chosen to increase the isomerization rate. In addition, the non-heat precipitable proteins, which also contribute to a high quality beer foam, have been identified as the cause for the so far unexplained hop bitter acid losses after wort boiling in the brewhouse. These findings are applicable to traditional and novel brewhouse concepts. If taken into account, energy savings and a reduction in hop dosage quantities are possible. Consequently, the processing method is more economical and gentle on the raw material.Die Hopfenisomerisierung im Sudhaus unterliegt einer Vielzahl von Einflüssen. Für Brauereien ist es wichtig diese Einflussfaktoren zu kennen, um nicht unnötig viel Hopfen einsetzen zu müssen und somit Rohstoff einzusparen. Ziel der vorliegenden Dissertation ist es, diese Faktoren in ihrer kombinatorischen Wirkung im Hinblick auf die Würzezusammensetzung und Würzebehandlung aufzuklären und die Substanz zu identifizieren, die auch nach dem Würzekochen Hopfenbittersäuren, speziell die Iso-alpha-Säuren, bindet. Darüber hinaus werden Parameterbereiche betrachtet, die in einem neuartigen Sudhauskonzept vorkommen und außerhalb des konventionellen Sudhausbereiches liegen. Die Versuchsreihen zeigten, dass je nach Extraktgehalt der Würze unterschiedliche pH-Werte vorteilhaft sind. Niedrigere pH-Werte sind günstig für höhere Extraktgehalte, da bei höheren pH-Werten die α-Säuren besser löslich sind und der entstehende Proteintrub daher mehr gelöste α-Säuren adsorbiert. Folglich stehen diese Hopfenbitterstoffe nicht mehr für die Isomerisierung zur Verfügung. Bei niedrigeren pH-Werten adsorbiert der Trub aufgrund der schlechteren Löslichkeit eine geringere Menge an Alpha-Säuren. Zudem ist bei höheren pH-Werten (pH 7,0) eine Verlängerung der Siedezeit von 60 min auf 120 min nicht wirtschaftlich, da die verbesserte Löslichkeit eine beschleuingte Isomerisierungsrate zur Folge hat. Je niedriger der Extrakt, desto größer ist der Einfluss des pH-Wertes. Dementsprechend sind aufgrund der unterschiedlichen Techniken der Läutersysteme und der damit verbundenen Peripherie die Siedezeiten und Applikationszeiten anzupassen, um eine verbesserte Hopfenisomerisierung zu erreichen. Konkret bedeutet dies, dass die Gesamtkochzeit mit dem Läutersystem zunimmt: kontinuierliches Maischefiltrationssystem < Maischefilter < Läuterbottich. Ein Modellierungstool [1] unterstützt die Berechnung von Hopfen-Dosagezeitpunkten, -Mengen und -Kochzeiten. Die genaue Kenntnis über die Würzezusammensetzung ermöglicht es Hopfenkochzeiten und -Dosagen speziell anzupassen und so Einsparungen zu erreichen. Im Heißbreich des Sudhauses treten neben der Trubbildung bislang unerklärte Abbaureaktionen der Iso-alpha-Säuren auf [2]. Die Experimente dieser Dissertation verdeutlichen, dass es neben den möglichen Abbaureaktionen auch in Abhängigkeit vom Oxidationsgrad der Hopfenbitterstoffe elektrostatische Wechselwirkungen bzw. hydrophobe Wechselwirkungen zwischen den Proteinen und den nach dem Würzekochen noch in Lösung befindlichen iso-α-Säuren gibt. Dazu gehören Proteine, die durch Hitze nicht gefällt werden, wie das Protein Z, das im Vergleich zu anderen löslichen Gerstenproteinen durch den Brauprozess weniger verändert wird [3]. Die Proteine, die bereits als Heißtrub ausgefallen sind sowie freie Aminosäuren, reagieren nicht mit den nach dem Würzekochen dosierten Iso-alpha-Säuren. Die Ergebnisse dieser Dissertation definieren die kombinatorischen Effekte der Einflussfaktoren auf die Hopfenisomerisierung. In Abhängigkeit des Maischefiltrationssystems (Würzezusammensetzung) sind Kochzeiten mit und ohne Hopfen zu wählen, um die Isomerisierungsrate zu steigern. Darüber hinaus wurden die nicht-hitzefällbaren Eiweiße, die auch zu einem guten Bierschaum beitragen, als Ursache für die bislang ungeklärten Hopfenbittersäuren-Verluste nach dem Würzekochen im Sudhaus identifiziert. Die gewonnenen Erkenntnisse lassen sich in traditionellen und neuartigen Sudhauskonzepten anwenden. Bei Beachtung sind Energieeinsparungen und eine Reduktion der eingesetzten Hopfenmengen möglich. Die Verarbeitungsmethode ist dadurch wirtschaftlicher und rohstoffschonender