Die WISSENSCHAFTSGESCHICHTE der BIERHEFE

1. Kreidezeit, ca. 100 Mio. Jahre

Die Hefen waren schon lange vor den Bierbrauern da. Im warmen Klima der Kreidezeit (vor ca. 100 Mio. Jahre, ab Beginn Oberkreide) entwickelten sich die Blütenpflanzen, aus denen weniger später auch die

Evolution fleischiger, zuckerhaltiger Früchte einsetzte. Mikroorganismen passten sich ebenfalls an diese Entwicklung an, so z.B. die Mikropilze Hefen, die sich auf Oberflächen von reifen Früchten ansiedeln konnten dank ihrer Fähigkeit, rasch und effizient Zucker in Alkohol umzuwandeln.

2. Holozän/Warmzeit, ca. 10'000 Jahre v.Chr.

Ein reichlicheres Nahrungsangebot am Ende der letzten Eiszeit erlaubte den meist als Wildbeuter lebenden Menschen, feste Wohnlager und Kultstätten zu errichten, Wildgetreide zu sammeln und zu kultivieren. Die Natufien-Kultur (12'000- 9'000 v.Chr.) kannte ca. 160 Arten von Pflanzen, darunter bespelzte  Süssgräser wie Roggen, Einkorn, Emmer und Gerste. Überreste fermentierten Getreides aus dem 13. Jahrtausend wurden in einer Höhle in Israel gefunden und stellen damit den ältesten bisher bekannten Nachweis für die Herstellung von Bier dar (Info 1, Info 2).

3. Neolithischen Revolution, ab ca. 9'500-6'000 v.Chr.

Die Menschen im Nahen Osten, Nil (Vorderer Orient), Jangste und Gelben Fluss (China) wurden sesshaft und domestizierten Tiere und Pflanzen. In der Folge passten sich wiederum Mikroorganismen und Viren sowohl als gefährliche Infektionserreger wie auch als nützliche Mikroorganismen bei neuartigen Lebensmitteln wie Getreidebrei oder Milch an durch Verwertung der ehemals seltenen Zuckerarten wie Malzzucker (Maltose) und Milchzucker (Lactose).

 

 

 

 

 

Stand: 08.06.2020

Schon Jäger und Sammler waren in der Lage, rein empirisch durch spontane Wildgärungen Getränke mit höherem Alkoholgehalt als dem reifer Früchte (bis zu 0.9%) herzustellen. Erst ab 7'000 v.Chr. lassen Getränkerückstände aus China mit Sicherheit die Schlussfolgerung zu, dass Biere aus den jeweils vorhandenen Stärkepflanzen wie Reis, Hirse und Sorghum gebraut werden konnten. Je nach Stärkepflanzen entwickelten sich lokale Biertraditionen. Während die stärkespaltenden Enzyme zur Zuckergewinnung aus den Pflanzenkeimlingen oder auch aus menschlichem Speichel gewonnen werden konnten, musste das “Gäragens” - die noch unbekannte Hefe -  aus reifen Früchten oder Fruchtsäften genommen werden (nach heutiger Terminologie die “Starterkulturen”), denn auf der Oberfläche der Stärkepflanzen siedelten  sich keine Hefen an, da sie ja keine stärkespaltenden Enzyme (Amylasen) besitzen.

4. Klassische Kulturen: 6'000 v.Chr. bis 4. Jh. n.Chr.

Sumerer (7'000-2'000 v.Chr.): brauten ab dem 6. Jahrtausend aus Gerste und Emmer Bier.

Ägypter (3'000-500 v.Chr.): Brot und Bier galt ihnen sprachlich gleichviel wie Nahrung. Das Grundrezept "Bier" übernahmen sie von den Babyloniern. Aus Gerste und anderen Getreidearten stellten sie 8 Biersorten her, Normalbiere und Starkbiere, z.T. gewürzt. Der gesamte Brauprozess ist aus Grabwandmalerien dokumentiert.

Griechen (ab 8.-2. Jh. v.Chr.): Übernahmen das Brauwissen von den Ägyptern, betrachteten jedoch Bier als Getränk der armen Leute.

Etrusker + Römer (1'000 v.Chr. - 4. Jh. n.Chr.): Bier war vor dem Traubenanbau sehr populär, verliert dann aber an Beliebtheit. Erst dank Julius Cäsars Legionären, die gallisches Bier "Cervisia"  lieben lernten, erfuhr das Bier bei den Römern wieder eine Renaissance (ab ca. 50 v.Chr.).

          Fazit: Das Brauwissen war rein empirisch, die elementaren Grundstoffe Wasser und

          Gerste u.ä bekannt, nicht aber die Gärer: es waren "kontrollierte" Spontangärungen

          mit Wildhefen.

​​

Lokale Biertraditionen, basierend auf den Stärkepflanzen.

Grün: Klassische Malzlieferanten.      

                                                                           Quelle: Meussdoerffer/Zarnkow (2014)

5. Die lange Zwischenphase: Von den Kelten, Germanen, Klöster 5.Jh. bis 16.Jh.

Kelten/ Gallier (800-300 n.Chr.): Der römische Schriftsteller Plinius der Ältere (23-79 n.Chr.) berichtet von

zahlreichen verschiedenen Biersorten aus Gallien und Hispanien. Der Gerstensaft war aber mindestens

schon seit dem 5. Jh. v.Chr. verbreitet, wie Körner von Gerstenmalz aus keltischen Siedlungen und

Rückstandsanalysen aus Trinkgefässen  bezeugen (Info) (Info) (Video).

Der Kelten galten als ausserordentliche Biertrinker, nicht zuletzt deshalb findet man Braukessel in

zahlreichen Fürstengräbern. Es steht fest, dass die Kelten ihr Bier in Fässern aufbewahrten und es

direkt vom Fass zapften. Die Römer fanden diese Idee so gut, dass sie sie übernahmen und kurz darauf

das Weinfass geboren wurde.

Germanen (800 n.Chr.): Der römische Historiker Publius Cornelius Tacitus (ca. 58 – 120 n. Chr.) beschreibt

die Germanen als Biertrinker, die gern Gelage veranstalten ("Sie konnten Hunger und Kälte ertragen, nicht

aber den Durst. Tag und Nacht durchzechten sie."). In der Nähe des heutigen Kulmbachs haben Archäologen

ein Grab entdeckt. Hier wurde ca. 800 v. Chr. ein vornehmer Germane beigesetzt, dem man auf seine letzte Reise einen Krug voller Bier mitgegeben hatte. Untersuchungen zeigten, dass es aus Brot entwickelt worden war (Info).

Klöster Deutschland/Schweiz (ca. 700 n.Chr.): Mit dem Gedanken der Einnahme eines nährhaften Trunkes

während der Fastenzeit beginnen Klöster in Deutschland Bier zu brauen. Bier beginnt auch eine zusätzliche

Einnahmequelle für die Klöster zu werden. Damit wird das Brauen im eigenen Haushalt mehr und mehr

verdrängt. Der Klosterplan von St.Gallen 814 zeigt 3 Brauereien

für 3 Biersorten (Celia, Cervisa, Conventus).

In St. Gallen wurde erstmals in Europa die Bierproduktion in

grösserem Massstab aufgenommen (über 100 Mönche plus

eine noch grössere Zahl christlicher Schüler) (Info). Leider sind

aus dieser Zeit keine Braurezepte erhalten geblieben, nur der

Versuch einer Rekonstruktion (cf. Horst Dornbusch,

Reconstructing the World's Earliest Abbey Ales.

zymurgy 37 (6), S. 36-46, Nov/Dec (2014)).

Weder Kelten, Germanen noch Mönche wussten etwas

über Hefen, sie mussten unwissentlich der Spontangärung

durch wilde Hefestämme vertrauen.

"Statuta thaberna" (1434) der Stadt Weissensee - spätmittel-

alterliche Wirtshausregeln und Gesetze über das Brauen von

Bier: Artikel 12 Weissenseer Reinheitsgebot "Es soll auch nicht

in das Bier weder Harz noch keinerlei andere Ungefercke. Dazu

soll man nichts anderes geben als Hopfen, Malz und Wasser."

(Info).

Londoner Reinheitsgebot 1484: diese Verfügung hält fest,

dass Bier ausschliesslich aus "licuor, malt and yeste" (Hefe !)

zu bestehen habe (Info).

 

                                                                                                                                                                                    

                                                                                                                                                                                     Bamberger Reinheitsgebot 1489: ein Reinheitsgebot

                                                                                                                                                                                     ist im "Bierbrauer Eid" aus Bamberg enthalten.

                                                                                                                                                                                     Erlaubt werden die Zutaten Malz, Hopfen, Wasser

                                                                                                                                                                                     sowie bei der Gärung Hefen (Info).       

                                                                                                                                                                                                                                   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bayerisches Reinheitsgebot von den Herzögen Wilhelm IV. und Ludwig X. in Bayern, am 23.

April 1516: " .... zu keinem Bier mehr Stücke dann allein Gersten, Hopfen und Wasser genommen

und gebraucht werden sollen."

Hauptzweck dieses bekanntesten aller Reinheitsgebote war, unredliche Bierproduzenten

an der Verwendung minderwertiger Zutaten (z.B. Hafer statt Gersten oder Weizen) oder

unlauterer Beimischungen (Grut - Kräutermischungen, z.B. Schwarzes Bilsenkraut

[halluzinogen, aber toxisch in geringer Konzentration]) zu verhindern, aber auch, um

Braurechte zum eigenen ökonomischen Vorteil einzusetzen (fiskalische und wirtschafts-

politische Aspekte) (Info).

 

Die Hefen werden von weiteren Verfassern solcher "Reinheitsgebote" (cf. z.B. hier) i.d.R.

nicht erwähnt. Doch durch die genau eingehaltenen Brauvorschriften und offenen

Brauverfahren kamen auch die natürlich immer überall vorhandenen Wildhefen in Luft,

Brauereigebäuden, Kessel oder Holzlöffel spontan dazu und führten ihre Hauptarbeit,

die alkoholische Gärung durch.

Es gibt aber weitere klare Hinweise, dass die Notwendigkeit von Hefen (schon 1481

anlässlich eines Streites in München zwischen Bäckern und Brauern die Hefen das

Thema waren (Bäckerstreit, cf. Info).

         Fazit: Das theoretische Brauwissen ist noch kaum vorhanden und rein empirisch

          begründet, die Funktion der Gärorganismen meist noch unbekannt. Das praktische

          Brauwissen wird von Generation zu Generation weiter gegeben. Die Zutaten werden

          erweitert (verschiedenste Pflanzenkräuter, Hopfen).

Bier_Kelten.jpg

Video: Trinkkfreudige Kelten.                  Quelle

Klosterplan SG.jpg

Klöster: St. Galler Klosterplan 814 mit 3 Brauereien.                                     (Quelle)                                                                   

Reinheitsgebot 1516.jpg

Bayerisches Reinheitsgebot 1516.

Die Hefe wird nicht erwähnt, obwohl schon damals bekannt war, dass Hefen zum Brauen dazu gehören. (Quelle, cf. auch hier)  

Celia Abbey Ale.jpg

Rekonstruktionsversuch eines St. Gallischen Bierrezepts anno 814: CELIA-Bräu für die edlen Gäste des Klosters.

     [Quelle: Dornbusch, H., zymurgy 37(6), 39 (2014)]

"Bierbrauer Eid", Bamberg 12. Oktober 1489.

li oben: vollständige Urkunde [Quelle]

li unten: Auszug der oben rötlich markierten Stelle, unten blau markiert.

"in sollichem Biere/ in Breven und im Syden nichts mere dann maltz, hopffen/  und wasser nehmen und brauchen"

6. Wesen der Gärung - Vorstufen: Die Alchemisten
Die Alchemisten der ersten Periode (1350-1556 n.Chr.) brauchten zwar die Begriffe “fermentatio” oder “fermentum” (Gärung), “putrefactio” (Fäulnis) und “digestion” (Auslaugung, Verdauung), erkannten aber weder Wesen noch Ursachen der Gärungsvorgänge (Info). Es wird vermutet, dass der Begriff "fermentatio" bzw. "fermentum" sich aus "fervimentatio", also Erwärmung ableitet, der Begleiterscheinung eines aktiven wallenden und schäumenden Gärprozesses (Info 1, Info 2). Erst 1595 wurde von Andreas Libau ("Libavius", 1555-1616, Info) zwischen einer Gärung (Fermentatio) und einer Fäulnis (Putrefactio) unterschieden (Info).


Der deutsche Alchemist Johann Thölde (1565- ca. 1614, Info)Das wichtigste Werk des Mönches, das Thölde 1604 herausgab, war zweifellos der "Triumphwagen des Antimons". Hier findet sich der Hinweis, dass er offenbar als Erster die  alkoholische Gärung und vor allem die Bedeutung der Hefe als Ferment erkennt und beschreibt: “ ... dass man dann solchem gebrautem Getränk ein wenig Hefen zusetzt, welche dem Bier ein innerliche Entzündung bringt, dass sich’s in sich selbst erhebt und ein Absonderung und Scheidung geschieht des Trüben von dem Klaren und des Unreinen von dem Reinen” (Info 1, Info 2). 

Johan Baptista van Helmont (1580-1644, Info): Er stellte alle Lebensvorgänge als chemische Prozesse dar, die er als „Gärung“ bezeichnete und auf „gasförmige Fermente“ zurückführte („Ortus medicinae vel opera et opuscula omnia des Johann Baptist van Helmont“ (Amsterdam 1648). Um das Jahr 1648 unterscheidet Helmont zum erstenmal das entweichende Gärungsgas von dem in der Lösung zurückbleibenden Alkohol, vinorum genannt. Den Namen "Alkohol" hat Paracelsus (Theophrastus Bombast von Hohenheim, 1493 oder 1494-1541, Info), gebildet aus dem Arabischen al (= der) und cohol, d. h. fein verteilt. Das entweichende Gärungsgas wurde 1664 von Christopher Wren (1632-1723, Info) als Kohlensäure identifiziert (Info1, S.34; Info 2, S.180).

Der deutsche Arzt und Chemiker Johann Joachim Becher (1635-1682, Info) lehrte bereits um 1650 den Unterschied zwischen Fäulnis und Gärung. Er unterschied dabei auch die alkoholische ("geistige") von der (mit Essig- und Milchsäurebildung verbundenen) sauren Gärung. Er stellte fest, dass nur zuckerhaltige Lösungen vergoren werden und dass sich dabei Alkohol bildet (Info, pdf S.20). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Thölde (Herausgeber, bzw. als Pseudonym Basilius Valentinus): Hefe wirkt als Ferment.         Quelle

Thölde Johann.jpg

FAZIT der ersten Gärungs-Erkundungsphase

Das Phänomen "Gärung" erweckt das Interesse der Alchemisten, die erste Elemente der Gärungsprozesse erkennen wie Gärsubstrat (Zucker), Gärprodukte (Alkohol, Essig, Milchsäure, Kohlenstoffdioxid) und deren Auslöser (Hefe).

 

Die Begriffe "Ferment" und "Fermentation" werden in der frühen Phase der Alchemie sehr weitläufig gebraucht und decken sich nicht mit dem heutigen Verständnis. Die elementare Kraft, welche die Basis aller Dinge ist, ist die von "Fermenten" hervorgerufene Fermentation. Fermente waren also eine Art Urkraft.

 

7. Erste Beschreibung von Hefezellen in gärenden Flüssigkeiten: 1680

Antoni van Leeuwenhoek (1632-1723, Info) war Sohn eines Korbmachers, seine Mutter stammte aus einer Familie von Bierbrauern. Als gelernter Tuchändler studierte Van Leeuwenhoek seine Produkte mithilfe geschliffener Glasscheiben, einer Art Linsen.  Im Hinterzimmer seines Ladens entwickelte er auf dieser Weise eine Art  Mikroskop. Mit diesem Mikroskop beobachtete er bald nicht nur Tuch, sondern auch Muskelfasern und Blut in Haargefässen. Weil er für die damaligen Verhältnisse außerordentliche gute Linsen schleifen konnte, war er in der Lage vieles zu beobachten, das Anderen noch verborgen blieb. So stammen von van Leeuwenhoek die ersten

Beschreibungen von Bakterien. Diese "dierkens"

(Tierchen) fand er in dem Plaque, das er seinen

eigenen Zähnen abkratzte, und in Eiter. Auch beschrieb

er 1679 die Samenzellen in Sperma. Seine Feststellung,

dass Leben nicht einfach aus Staub entstehen könne,

sondern sich aus kleinen Zellen entwickle, revolutionierte

die damalige Wissenschaft und war mit den gängigen

religiösen Vorstellungen schwer vereinbar (Quelle).

So untersuchte er auch gärende Flüssigkeiten mit einer

Vergrösserung von ca. 100-250fach und entdeckte kleine

runde kugelige Gebilde, die er 1680 beschrieb und als

den Blutkörperchen ähnlich erklärt. Leeuwenhoek fand

schon Unterschiede in den Grössenverhältnissen dieser

Kügelchen, "Globulen", je nachdem sie aus Bier, Wein 

oder gärenden Sirupen in den Apotheken entstammten.

Die aus dem Bier waren am grössten.Er erkannte aber

noch nicht, dass diese unbeweglichen Gebilde lebende

Hefezellen waren und stellte sie daher auf die gleiche

Stufe wie die ebenfalls im gleichen Präparat

beobachtbaren Stärkekörner (Info). 

Es sollten noch über 200 Jahre vergehen, bis es möglich wurde, Mikroorganismen wie Hefen zu züchten und unter dem Mikroskop zu beobachten.

           Fazit: Die Entdeckung der "Hefegebilde" war ein "kosmischer Glücksfall" und .

           Die Einordnung der Hefen als Lebewesen war noch nicht möglich. Die Entdeckung der Hefen und weiterer Mikroorganismen kam für die damaligen

           Gelehrten schlicht zu früh.

Leeuwenhoek entdeckt mit seinem selbstgeschliffenen Linsen in seinem Mikroskop als erster Mensch Mikroorganismen. In einem Brief vom 17. September 1683 an die Royal Society in London beschreibt und skizziert er seine Beobachtungen. 

Leeuwenhoek-Mikroskop, ca. 1657.

1 Linse, 2 Probenhalter, 3 Gewinde zur Scharfstellung, 4 Gewinde für richtige Höhe der Probe. Leeuwenhoek-Skizzen der "kleinen Tierchen": A Stäbchenbakterium, B Bewegung eines kurzen Stäbchenbakteriums von C nach D; E Kokken (kugelförniges Bakterium), F lange Stäbchen-bakterien im Mund,  G Spirillen,  H Kokken-haufen.                                                                                                               [Bild Mitte: Frischknecht, Leeuwenhoek-Replika]

8. Weitere Schritte zur Klärung der Rolle von Mikroorganismen bei der Gärung: 17. Jh. bis 1860

Georg Ernst Stahl (1659-1734, Info)​ beschrieb 1697 die Bildung neuer stabiler Verbindungen

als Ergebnis der Fermentation. In seinem 1697 publizierten chemischen Werk "Zymotechnia

fundamentalis" (Info) über die Grundlagen der Gärkunst geht hervor, dass Stahl eine Art

Infektionswirkung gärender bzw. faulender Flüssigkeiten erkannte. Ihm war bekannt, dass für

die Gärung "gärungsfähige Substanzen" wie Zucker, Mehl oder Milch notwendig waren und im

Endergebnis dieser Prozesse Alkohol entstand. Aber Stahl's Werk konnte weder das Wesen der

Gärung noch deren Verursacher Hefen erhellen.

Luigi Ferdinando Marsigli (1658-1730, Info) und Giovanni Maria Lancisi (1654-1720, Info): 

Marsigli entfachte durch seine Experimente mit alkoholischer Gärung kontroverse Diskussionen,

da er mit ihnen die Unmöglichkeit der Urzeugung zu beweisen versuchte. Zusammen mit Giovanni

Maria Lancisi veröffentlichte er 1714 die Dissertatio de Generatione Fungorum .... in der beide

entschieden der seit der Antike verbreiteten Ansicht widersprechen, Pilze entstünden aus Fäulnis,

wobei das Myzel ein Zwischenstadium zwischen verfaulenden Pflanzen und den Pilzen sei (Quelle).

Samuel Johnson (1709-1784, Info): 1755 definierte in seinem Werk "A Dictionary of the English

Language" Hefe als "... the ferment put into drink to make it work; and into bread, to lighten and

swell it" (IBarnett, 1998). Die Hefe wurde chemisch definiert und nicht als Lebewesen.

Eine Ausschreibung der Akademie der Wissenschaften Paris im Jahre 1799 (und 1805) stimulierte die Forschungen rund um Gärprozesse: "Welches sind die Kennzeichen, durch welche sich bei den pflanzlichen und tierischen Substanzen diejenigen, welche als Gärmittel (ferment) dienen, sich von denjenigen unterscheiden, auf welche sie die Gärung (fermentation) übertragen?". Das Preisgeld bestand aus einer Medaille im Wert von 1 kg Gold. Grund dieser Ausschreibung waren unerklärbare Phänomene bei der Weinherstellung: z.B. Essigbildung, unerwünschte Aromen).

Erste Vermutungen und Untersuchungen zum Zusammenhang zwischen Hefen und Gärprozessen stellten an:

  • Carl von Linné (1707-1778, Info) 1777: "Die Polen .... sollen von seinen Blättern und Saamen [Bärenklau Porst], mit einem Zusatz von Hefen, einen Trank kochen, der den Armen statt des Bieres dient" (Info).

  • Antoine Laurent de Lavoisier (1743-1794, Info): 1789 publizierte

      der französische Chemiker eine erste Vorläuferstufe einer chemischen

      Gleichung       der alkoholischen Gärung in der Form: Most = Alkohol +

      Kohlendioxid (le moût de raisin = acide carbonique + alkool). Die heftige

      Bewegung bei alkoholischer Gärung sah er als Anzeichen für eine heftige

      chemische Reaktion bei der Umordnung der drei Grundelemente

      (organische Prinzipien) C, H, O. Er publizierte ebenfalls die nebenstehende

      Tabelle (Quelle: Barnett, 1989).

  • Louis Jacques Thénard (1777-1857, Info): 1803  Zum ersten Male erwägte

      der französische Chemiker die Hefe als wahre Ursache der Gärung (Info).

  • Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850, Info) 1810 Aufklärung der chemischen

      Reaktion bei der alkoholischen Gärung, 1815 Ermittlung der Brutto-Reaktions-

      gleichung der alkoholischen Gärung: Abbau von Glucose zu Ethanol und

      Kohlenstoffdioxid. Die eigentliche chemische Reaktionsgleichung konnte

      allerdings erst später formuliert werden, da 1843 erst die Verhältnisformel 

      bzw. empirische Formel (Info) des Traubenzuckers (Glucose, CH2O) von 

      Jean-Baptiste Dumas (1800-1884, Info) etabliert wurde, die Molekül- oder

      Summenformel C6H12O6 sogar erst 1870 bzw. 1871 von Adolf von Baeyer

      (1835-1917, Info) bzw.  Wilhelm Rudolph Fittig (1835-1910, Info).

  • Johann Christian Polycarp Erxleben (1744-1777, Info): 1818 Erxleben war der Erste, welcher den Gärungserreger, die Hefen, als einen vegetierenden Organismus ansprach" (Info).

  • Jean Jacques Colin (1784-1865, Info): 1825 Der Chemiker schrieb "....die Hefen werden so bei der Gärung gebildet". Er erkannte auch, dass Hefen die Gärung fördern in Abwesenheit von Sauerstoff  (Info). Bis zu diesem Zeitpunkt, genauer bis 1827 wurde die gesamte Hefeforschung von Chemikern betrieben! (Info).

Zahlreiche weitere Naturwissenschafter waren an der Aufklärung verschiedenster Aspekte der Hefegärung beteiligt, neben Chemikern neu ab 1827 auch erstmals Biologen:

  •  John Baptiste Henri Joseph Desmazières (1786-1862, Info). 1827 Mikroskopische Untersuchungen der Biergärorganismen, Publikation von Zeichnungen, Nomenklatur der Gärorganismen [z.B. Mycoderma cervisiae, Info]. Der Mykologe erkannte die beteiligten Strukturen als einfache lebende Organismen, aber bezeichnete sie nicht als Verursacher der Gärung.

  • Louis Jacques Thénard (1777-1857, Info): 1833  Der französische Chemiker untersuchte die Essiggärung mit Hefen (Info).

  • Friedrich Traugott Kützing (1807-1893, Info) 1834/1837: Der deutsche Lehrer der Naturwissenschaften und Algologe

       wurde durch seine Studien über die Natur der Hefen und Essigsäurebakterien bekannt.  Im gelang wohl als erster

       Naturwissenschafter der Nachweis der "vegetabilischen Natur der Hefe" (pflanzlich, von Pflanzen stammend). Seine im

       Dezember 1834 eingereichte Arbeit wurde achtlos beiseite gelegt oder verschwinden lassen. Am 26.07.1837 referierte

       er erneut über seine "Mikroskopischen Untersuchungen über die Hefe und Essigmutter, nebst mehreren anderen dazu

      gehörigen vegetabilischen Gebilden". Diese Erkenntnisse wurden im gleichen Jahr noch publiziert (Info). Er schätzte den

      Durchmesser der "Kügelchen" auf etwa 6-9 μm. Er vermutete auch, dass die verschiedenen Gärungstypen auf

      verschiedene Organismen zurückzuführen seinen, was erst 1860 dann durch Pasteur bestätigt wurde..

  • Jöns Jakob Berzelius (1779-1848, Info): 1837  "Eine Auflösung dieses Zuckers in Wasser verändert sich nicht für sich, aber 

      mit Hefe versetzt, geht sie in eine lang anhaltende Weingährung über" (Info).

  • Charles Cagniard de la Latour (1777-1859, Info) Physiker und Ingenieur sah im Mikroskop, wie die von blossem Auge

       ganz unorganisiert erscheinende Hefemasse sich aus kleinen Kügelchen zusammensetzte. "... die Maische, eine Stunde

       nach dem Zusatze der Hefe einzelne Kügelchen zeige, welche denen ähnlich waren, die in der Hefe enthalten sind; eine Stunde

       später hatten sich einige jener Kügelchen verdoppelt, wobei es schien, als wäre das zweite Kügelchen aus dem ersterten

       hervorgetrieben.  ...  je zuletzt sah man stets 3, 4 und mehr solcher Kügelchen aneinander hängen." (Meyen, 1837 Info).

       Diese vermehrten sich, sprossten aus, so dass bald "Gebilde" zusammen hingen, bald sich wiederum Teilchen voneinander lösten. Es musste sich also 

       um lebende Wesen, nicht um tote Substanz, um Abfall des Bieres handeln, wie die vorherigen gängigen chemische Lehren behaupteten. Cagniard

       bezifferte die Grösse der Kügelchen auf 6 bis 7 Tausendstel Millimeter, und  - nach seinen Schätzungen  - passten eine Milliarde Zellen in einen

       Kubikzentimeter. Er stellte auch Gärungsexperimente an und bemerkte, dass die lebenden Hefezellen Zucker verbrauchten, Kohlenstoffdioxid freisetzten

       und Alkohol produzierten. Diese Befunde legte er am 12. Juni 1837 der Pariser Akademie in einer kurzen Zuschrift vor. Bereits 1836 beschrieb er seine

       mikroskopischen Beobachtungen über Bierhefezellen als auch mit Bierhefe angestellte Maische (18. Juni 1836 in der Pariser Société Philomatique. 1838

       publizierte er in "Abhandlungen über die weinige Gärung": "Die Gärung ist eine Folge pflanzlicher Tätigkeit" (Info).

  • Der deutsche Biologe Theodor Schwann

       (1810-1882, Info) arbeitete zusammen mit

       Matthias Jacob Schleiden (1804-1881, Info)

       die Theorie aus, dass die Zelle das

       Grundelement jedes Organismus  darstellt

       (Info). Er war ein Pionier in vielerlei Hinsicht.

       Er widerlegte mithilfe von Bierhefen das

       vorherrschende Konzept der Spontanzeugung,

       (auch: Urzeugung, Generation spontaneae)

       also die Vorstellung, dass Lebewesen aus

       zuvor unbelebter Materie entstehen können.

       Er tötete in der Luft enthaltene Mikro-

       organismen (Bakterien, Hefen) dadurch ab,

       dass er die Luft durch erhitzte Glaskapillaren

       leitete. In den Behältern mit einer Lösung aus

       Rohrzucker und Bierhefen, die er erhitzte, fand

       nur in denjenigen eine Fermentation statt, die

       mit nicht erhitzter Luft in Kontakt kam - mit

       erhitzter Luft passierte nichts. Mikroskopische

       Untersuchungen liessen ihn "Körnchen" entdecken,

       die rund oder oval waren, die zum Teil vereinzelt,

       aber auch in Ketten bis zu acht oder mehr Einheiten vorlagen. Er schlussfolgerte aus vielen Untersuchungen, dass die Körnchen "Hefezellen" sind, die

       durch Knospung wachsen, Zucker deren Nahrung ist, Ethanol ausgeschieden wird und zum Wachstum stickstoffhaltige Substanzen notwendig sind. 

       Bezüglich Gärung ordnete er die Hefen den Pflanzen zu und er benannte den neuen Organismus, dem aber das typische pfanzliche grüne Pigment

       (Chlorophyll) fehlte, als "Zuckerpilz Saccharomyces", ein Begriff, der sich als Gattungsname bis heute hat halten können. 

       1837 publizierte er unabhängig von den Untersuchungen von Gagniard-Latour und Kützing seine Erkenntnisse: "In ausgepresstem Traubensaft tritt die

       sichtbare Gasentwicklung als Zeichen der Gärung ein, bald nachdem die ersten Exemplare eines eigentümlichen Fadenpilzes, den man Zuckerpilz nennen könnte,

       sichtbar geworden sind. Während der Dauer der Gärung wachsen diese Pflanzen und vermehren sich der Zahl nach" (Info).

  • Pierre Jean François Turpin (1775-1840, Info):       1838 Der französische Botaniker und geübte Mikroskopiker beschreibt die Hefezellenvermehrung in frisch beimpfter Bierwürze und bestätigt damit die Organismentheorie der alkoholischen Gärung ("Memoire sur la cause et les effets de la fermentation")  (Info).

 

 

  • Justus Freiherr von Liebig (1803-1873, Info): Drei führende Chemiker, Liebig, Wöhler und Berzelius denunzierten und behinderten das Konzept von lebenden Organismen (Hefen) als Gärursache (= sog. vitalistische oder vitale Gärtheorie) und blockierten so die Weiterentwicklung der Mikrobiologie um etwa 20 Jahre. Liebig 1839 "Mit Was­ser zer­teil­te Bier– und Wein­he­fe unter einem guten Ver­grö­sse­rungs­glas betrach­tet stellt durchscheinende platt­ge­drück­te Kügel­chen dar.… Die Natur­for­scher wur­den durch die­se Form ver­lei­tet, das Fer­ment für beleb­te orga­ni­sche Wesen, für Pflan­zen oder Thie­re zu erklä­ren." Liebig war gar nicht dieser Ansicht, er vertrat die eine Zersetzungsthese dass Hefe ein unbelebter Katalysator sei, der den Zerfall von Zucker zu Alkohol und Kohlensäure beschleunigt. Zusammen mit seinem Chemikerkollegen Friedrich Wöhler (1800-1882, Info) verfasste er ebenfalls 1839 eine Streitschrift "Das enträthselte Geheimnis der geistigen Gährung", um sich über die Naturforscherkollegen der organismischen "vitalistischen" Gärlehrmeinung lustig zu machen: .... Mit Wasser zerteilte Bier- und Weinhefe löst sich in unendlich kleine Kügelchen auf. Bringt man diese Kügelchen in Zuckerwasser, so entwickeln sich daraus kleine Tiere. Sie besitzen eine Art Saugrüssel, mit dem sie den Zucker aus der Auflösung verschlucken. Die Verdauung ist sogleich und auf das Bestimmteste an der erfolgenden Ausleerung von Exkrementen zu erkennen. Sie entleeren aus dem Darmkanal Weingeist und aus den Harnorganen Kohlensäure. So sieht man also aus dem Anus dieser Tiere unaufhörlich eine spezifisch leichtere Flüssigkeit in die Höhe steigen und aus ihren enorm grossen Genitalien spritzt in sehr kurzen Zwischenräumen ein Strom von Kohlensäure." Mit einer „mechanistischen Gärungstheorie“ schrieben sie bestimmten Stoffen eine katalysierende Wirkung zu. Liebig postulierte zudem eine zellfreie Gärung, was immerhin korrekt war, aber erst später erklärbar.

 

       Fazit: Cagniard de la Tour, Kützing und Schwann erzielten unabhängig voneinander mit ähnlichen Untersuchungen die gleichen Ergebnisse: Die Hefen

       sind lebende Substanz, die aus einzelnen vermehrungsfähigen Zellen bestehend die Ursache für die Gärung sind.  Gärung ist kein physikalisch-

       chemisches Phänomen. 

  • Andrew Ure (1778-1857, Info): 1840 bestätigt der Londoner Chemiker und Mediziner Ure ".... bestätigt die Beobachtungen von Schulze und Cagniard -Latour über die Construction des Fermentes, welches unter dem Mikroskope aus sphärischen Kügelchen zu bestehen schien ...." (Info). 

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Turpin 1838: Hefezellen vermehren sich durch Knospenbildung.

                                                                                                              [Quelle: New York Review, Vol. IV (1839), mod. (hier)]

Stahl: Aus gärungsfähigen Substanzen entsteht Alkohol.                                                                 Quelle

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Kützing 1834: pflanzliche Natur der Hefen     Quelle

Lavoisier: Zusammensetzung der chemischen Komponenten vor

und nach der alkoholischen Gärung. Hefe wurde nicht als eigentliche Ursache der Gärung erkannt, sondern als reagierendes Edukt [Ausgangsstoff einer chem. Reaktion].  

                                                 [Übersetzung 1790 in Englisch, Quelle Barnett, 1998]

Turpin 1840: Skizzen von Hefen aus Bier.

[Quelle: Barnett, 1998]

Schwanns Versuchsanordnung 1837: keine Fermentation mit stark erhitzter Luft in einer abgekochten Zucker-Bierhefenlösung.                  [Quelle]

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Theodor Schwann: vielseitiger Naturwissenschafter.                           [Quelle]

 

Trotz der massiven negativen Beeinflussung durch die drei Starchemiker der 1840er und 1850er Jahre wurde die These

der organismischen Gärung immer stärker, auch durch Chemiker akzeptiert, so z.B. durch Eilhard Mitscherlich (1794-1863,

Info). Mitscherlich entwickelte die Idee, dass die "Substanz Hefe" aus Mikroorganismen besteht. Als Beweis führte er 1841

ein Experiment mit Hefe und einer Zuckerlösung aus: Hefen in einem Glasrohr getrennt von einer Zuckerlösung konnten

nur in ihrem Glasrohr eine Gärung durchführen, da sie zu gross waren, um durch den "Filter Pergamentpapier" hindurch

zu passieren, ganz im Gegensatz offenbar zu der Chemikalie Zucker, die problemlos hindurch diffundieren konnte

(Info, ab S.224). Zudem beobachtete 1843 er als erster die Vermehrung der Bierhefe aus einer einzigen Zelle unter dem

Mikroskop (Info > Artikel A. Klöcker "Allgemeine Entwicklung und Morphologie, S.4).

 

Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821-1894, Info): Physiologische Untersuchungen über Gärung, Fäulnis und

die Wärmeproduktion der Lebewesen zur Ausformulierung des Energieerhaltungssatzes. Mit einer ähnlichen

Versuchsanordnung wie E. Mitscherlich, aber anstelle einer Papiermembran nahm er eine tierische Membran (Blase)

bestätigte er 1843 dessen Ergebnisse (Info, S. 459).

Karl Josef Napoleon Balling (1805-1868, Info), einer der Begründer der wissenschaftlichen Gärungschemie, führte 1843 die

sog. Attenuationlehre oder Saccharometrische Bierprobe ein (Info) und akzeptierte Hefen als lebende Organismen (1845, Info).

Julius Eugen Schlossberger (1819-1860, Info): 1844 akzeptierte er als Chemiker die Natur der Hefen als Organismen

aufgrund der chemischen Zusammensetzung aus Stickstoffverbindungen, Zellulose, Fette und Mineralstoffen (Info).

Apollinaire Bouchardat (1806-1886, Info). Der französische

Arzt, Apotheker und Chemiker  befasst sich mit alkoholischen

Gärvorgängen (Info 1, S. 1120 ff.) und beschreibt 1844

mehrere "alkoholische Fermente", so z.B.  ein "ferment de

la bière" (Info 2, S.458).

Charles-Félix Blondeau, ein französischer Physiker und

Mineraloge brachte 1846 den Beweis, dass alle Arten von

Gärungen durch eine besondere Art von "mikroskopischen

Organismen" bewirkt werden (Info 1, Info 2).

Friedrich Wilhelm Lüdersdorff (1881-1886, Info) hatte bereits 1846 versucht, herauszufinden,

ob die Hefe lebendig sein muss, um die Gärung zu erzeugen. Nachdem er Hefe auf einer

Schliffplatte zerrieben hatte, bis die mikroskopische Untersuchung keine intakten Zellen zeigte,

stellte er fest, dass eine unzerriebene Probe derselben Hefe, aber nicht die gemahlene Hefe,

eine Zuckerlösung vergärte. Also schloss er auf die Richtigkeit der vitalistischen Theorie.

John Thomas Quekett (1815-1861, Info). Der britische Histologe und Mikroskopiker beschrieb

1852 die Hefe Torula cerevisiae als "Hefepflanze" (Info, ab S.18).

Robert Dundas Thomson (1810-1865, Info) war Mediziner und Chemiker. Er publizierte

1852 "Nach meinen Beobachtungen möchte ich die Essigmutter für eine Modification oder ein

Derivat der Hefenpflanze halten; in ihren chemischen Wirkungen verhalten sich die beiden

Pflanzenformen ähnlich" (Info). Zudem analysierte er ebenfalls 1852 die "Zusammensetzung

der Hefe aus Hrn. Thomson's Bäckerei aus Glasgow" und beobachtete "Unter dem Microscope

betrachtet bestand diese Hefe aus Kügelchen, welche mit einigen wenigen Stärkemehlkörnchen

gemengt waren" (Info, S.372).

Rudolf von Wagner (1822-1880, Info). Der deutsche chemische Technologe befasste sich

mit der "geistigen Gährung oder Alkoholgährung". 1847/1848 beschreibt er verschiedene

Hefearten: "Schon beim ersten Anblicke lässt sich unter dem Mikroskope Oberhefe von Unterhefe

leicht unterscheiden.  ... Oberhefe ... schwimmen theils einzeln, theils mit andern Zellen von

gleicher Grösse zusammenhängend.  .... Die Unterhefe ... sind aber nicht zusammenhängend ...

(Info, S.241 ff.). 

Noch in seinem 1871 erschienen "Handbuch der chemischen Technologie" wird der alte Disput

zwischen der Gärung als rein physikalisch-chemischem Phänomen und der organismischen

These der mikrobiellen Ursache  sichtbar: "Derjenige Körper, welcher die Gährung hervorzurufen

im Stande ist, heisst das F e r m e n t oder der Gährungserreger, bei der geistigen Gährung die

H e f e. Das Ferment ist entweder ein organisirtes Wesen, ein Gährungspilz wie die Hefe, oder eine

in Zersetzung begriffene Proteinsubstanz." .... "Ueber die Rolle der Hefe bei der geistigen Gährung

sind (ungeachtet der neueren Untersuchungen von v. Liebig, Pasteur, Lemaire u. A.) die Ansichten

der Chemiker noch ziemlich getheilt. Soviel lässt sich jedoch annehmen, dass die chemische Action

bei der geistigen Gährung mit den Lebensvorgängen der Hefe in unmittelbarster Beziehung steht

und die geistige Gährung wesentlich auf der Bildung von Hefenzellen, auf der Entwickelung

organisirter Substanz beruhe" (Info, S.468, S.470).  

 

Mitscherlich 1841: Diffusionsapparatur.

Hefen im Glasrohr (grün) können nicht durch den Papierfilter in die Zucker-lösung (rot) eintreten, wohl aber Zucker zu den Hefen --> Gärung.

[Quelle: Barnett, 1998, S. 1448; Abb. farblich mod.]

Quekett_Torula cerevisiae.jpg

Quekett 1852: Torula cerevisiae = yeast plant            [Quelle]                                    

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Bouchardat 1844: alkoholisches Ferment.                                 [Quelle]

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Wagner 1847: Oberhefen, Unterhefen.

                                                            [Quelle]

 

Diese bisherigen Entdeckungen wurden in Fachzeitschriften publiziert, die offenbar von den Praktikern kaum beachtet wurden. So schrieb noch 1859  Heinrich Marquard in seinem Brauereifachbüchlein "Die neuesten und bewährtesten Bereitungsweisen, Aufbewahrungsmethoden und Tauglichkeitsproben der so genannten Pfund- oder Presshefen": "Die gewöhnliche Hefe ist bekanntlich die von gährendem Biere abgesonderte breiartige gelb-bräunliche, meist auf der Oberfläche sich sammelnde, zum Theil aber auch zu Boden fallende aus Kleber, Wasser, Kohlen-, Essig- und Aepfelsäure, Extractivstoff, Schleim und Zucker bestehende Substanz, welche vornehmlich dazu benutzt wird, um in anderen dazu fähigen Flüssigkeiten eine neue Gährung einzuleiten".

Es gibt aber seltene Ausnahmen, so z.B. K.H. Kaiser, Chemieprofessor in München, der bereits 1838 seinen Brauerstudenten die Arbeiten Kützing's und 1850 ebenfalls die Erkenntnisse von R. Wagner in seinen Vorlesungen vermittelte (Info).

FAZIT der ersten eigentlichen Hefe-Forschungsperiode  17. Jh. - 1860

1. Braukunst: Lebende Mikroorganismen, die Hefepilze, sind die Verursacher der alkoholischen

    Gärung. Es ist kein rein physikalisch-chemisches Phänomen.

2. Wissenschaft/Forschung: Hefen waren die ersten Mikroorganismen, die wissenschaftlich

     untersucht wurden, wegen ihrer grossen Zellen und ihrer ökonomischen Bedeutung.

     Die Erforschung der alkoholischen Gärung legte die ersten wissenschaftlichen Grundlagen für die Entschlüsselung des zellulären

     Stoffwechsels, insbesondere der Funktion der Enzyme. Schwann's experimentelle Arbeiten waren ein Modell für die spätere Erforschung

     der mikrobiellen Physiologie.

 

9. Louis Pasteur und seine Zeitgenossen 1850-1880: Die Gründerjahre der Mikrobiologie

Die Erforschung der Fermentation wurde immer stärker von Biologen übernommen. Die mikrobielle Ursache der Gärung wurde aber immer noch nicht von allen akzeptiert. Die Aufklärung der eigentlichen Lebensvorgänge in den Zellen stand nun aber Im Zentrum der Forschung in der 2. Hälfte des 19. Jahrhunderts.

Heinrich Georg Friedrich Schröder (1810-1885, deutscher Naturforscher/Physiker, Info) und Theodor von Dusch (1824-1890, deutscher Mediziner, Info). 1854:  Mechanische Luftfiltration mittels Baumwolle verhindert jede Art von Gärung, Fäulnis oder Schimmelbildung. Eine Spontanentstehung von Lebewesen, die dann zur Gärung führen kann, ist ausgeschlossen  (Info)1, Info 2, S.239).

Pierre Jaques Antoine Béchamp (1816-1908, Info) erforschte zwischen 1854-1857 die Gärung. Die Hydrolyse von Rohrzucker beschrieb er als Ergebnis der Aktivität von Lebewesen, die Gärung als im Wesentlichen um einen Vorgang der Ernährung (Zucker) und Exkretion (Alkohol). 1858 erschien eine Arbeit von ihm,  wo er von "organisierten (auch: löslichen [ferments solubles] Fermenten" (Enzymen) spricht, die sich in Kulturmedien in Abwesenheit von proteinhaltigem Material entwickeln können. Er geriet in heftige Kontroversen mit Pasteur, den er für einen Plagiator seiner eigenen Arbeiten hielt. Wahrscheinlich waren beide unabhängig voneinander zu ähnlichen Ergebnissen gekommen (Info).

Louis Pasteur (1822-1895,  Info) war französischer Chemiker, Physiker, Biochemiker und insbesondere

Mitbegründer der medizinischen Mikrobiologie. Er begann ab 1854 sich intensiv mit dem Phänomen

der Gärung zu befassen aufgrund der Bitte von Brennereien, in denen es infolge von Gärstörungen zu

massiven Ausbeuteverlusten gekommen war. In "gesunden" Gärfässern mit normaler Gärung beobachtete

er mikroskopisch runde Kügelchen, also Hefen, während sich in Fässern mit "kranker" Gärung ohne

Alkoholbildung Bakterien tummelten. So wandte sich der Chemiker Pasteur der Welt der Mikroorganismen

zu. Auch er musste sich noch gegen die Ansicht der abiotisch verursachten Gärung durchsetzen, d.h. gegen

die gestandenen Chemiker wie  Berzelius oder Liebig. 1857 fasste er seine  an der Milchsäuregärung

gewonnenen Erkenntnisse zusammen (Quelle):

  1. Gärung ist das Resultat der Aktivität lebender Mikroorganismen.

  2. Jede Form der Gärung kann auf einen spezifischen Mikroorganismus zurückgeführt werden.

  3. Das gärende Medium liefert dem Mikroorganismus Nährstoffe.

  4. Das gärende Medium kann die Entwicklung eines Mikroorganismus fördern oder behindern.

  5. Verschiedene Mikroorganismen konkurrieren um die Nährstoffe in einem Medium.

  6. Normale Luft ist die Quelle der Mikroorganismen, die eine Gärung auslösen.

  7. Durch „Aussäen“ können Mikroorganismen isoliert und gereinigt werden.

                                                                                Dieses Grundcredo leitet seine Arbeiten zu Bier, Wein und Essig, alles ebenfalls Fermentationsvorgänge.

                                                                                Obwohl Pasteur nicht als Entdecker der alkoholischen Gärung bezeichnet werden darf (sondern ja bereits 1837

                                                                                unabhängig voneinander von Charles Cagniard-Latour, Theodor Schwann und Friedrich Kützing publiziert

                                                                                wurde, von Pasteur allerdings erst 1878 anerkannt),  erweiterte er das Wissen über die Gärung: nicht nur Ethanol

                                                                                und Kohlenstoffdioxid, sondern zahlreiche Nebenprodukte  wie Glycerin, BernsteinsäureZellulose und Fette

                                                                                können entstehen.

​                                                                                1857: "dass die Hefe infolge ihrer Lebenstätigkeit den Zucker in Alkohol und verschiedene Säuren spaltet, sowie einen

                                                                                Teil zu ihrer Organisation an sich ziehe".

                                                                                1860: Umfassende Publikation mit unwiederlegbaren Beweisen zur Funktion der Hefe bei der alkoholischen

                                                                                Gärung ("Mémoire sur la fermentation alcoolique" [Info]).

                                                                                1861: Pasteur veröffentlicht sein berühmtestes Werk über Hefe, in dem er die gegensätzlichen Auswirkungen von

                                                                                aeroben und anaeroben Bedingungen auf die Gärung von Zucker beschreibt. In der aeroben Phase wachsen und

                                                                                vermehren sich die Hefezellen, in der sauerstofflosen anaeroben Phase produziert sie Alkohol.

​                                                                                1876: In "Ètudes sur la bière" unterscheidet er als erster zwischen aerobem und anaerobem Leben: "... die Gärung

                                                                                ist immer mit dem Leben der Hefezelle verbunden, allerdings ohne Sauerstoff".

​                                                                                Pasteurs Fazit: "Keine Gärung ohne Organismen" und "Jede Gärung durch eine spezifische Art von Organismen".

                                                                                Pasteur erkannte auch die Gefahr von säurebildenden Bakterien für die Brauindustrie, nicht aber den Einfluss

                                                                                von Fremdhefen, die er ebenfalls beobachtete.

                                                                                   

Louis Pasteur in seinem Laboratorium.

                                                             [Quelle]

Pasteur 1876: Grundlegende Studien

über die Biergärung (englische Übersetzung 1879).

Die abgebildete Apparatur erlaubte eine direkte mikroskopische Untersuchung der

Hefen im Gäransatz.                     [Quelle].

Pasteurs Versuchsansatz zur Sterilisation und Entfernung von Sauerstoff aus dem Glucosemedium.

[Quelle: "Studies on Fermentation", S. 240, Fig. 60, mod.]

"Saccharomyces Pastorianus, in course of regular growth".

[Abb. aus Pasteur "Studies on Fermentation", S. 169].

Unabhängig von Pasteur hatte auch der holländische Chemiker Johannes Hubertus van den Broek (1815-1896) das Gärungsproblem bearbeitet und war zu gleichen Resultaten gekommen (1860, Info, S.53). Er arbeitete mit frischem Traubensaft und konnte zeigen, dass derselbe jahrelang bei einer Temperatur von 26—28°C keine Veränderung zeigte, wenn er nicht durch Luftkeime beimpft wurde (Haehn, 1952, S.29; Info S. 2504 ff.).

Fremd- oder Infektionshefen hatte zwar Pasteur bei Studien zur Weingärung 1860

entdeckt, mindestens morphologisch (sehr langestreckte Zellformen), nicht aber

deren Bedeutung.

Max Reess (1845-1901, Info), deutscher Botaniker beobachtete ebenfalls solche

Hefezellformen und gab in seinem beachteten Werk "Botanische Untersuchungen

über die Alkoholgährungspilze" 1870 dieser Organismengruppe den Namen

Saccharomyces pastorianus (Info).

Ist Gärung (Fermentation) ein physiologisches Phänomen, also den Gesamtaktivitäten eines ganzen Organismus zu verdanken bzw. für seine Funktion an den Organismus gebunden, oder ist es eher eine rein enzymatische Aktivität und kann auf ausgeschiedene Substanzen (Ferment bzw. Enzyme) zurückgeführt werden? Dieses Problem war eine Knacknuss für die Forschung dieser Periode.

Pasteur: "Sollen wir sagen, dass Hefe sich von Zucker ernährt und Alkohol und Kohlensäure ausscheidet? Oder soll man im Gegenteil sagen, dass Hefe ... einen Stoff wie Pepsin produziert, der auf den Zucker wirkt und bald erschöpft ist, denn in vergorenen Flüssigkeiten findet sich kein solcher Stoff?"

 

Moritz Traube (1826-1894, Info), ein deutscher Chemiker  (physiologische Chemie) beschrieb 1858  in seinem Werk "Theorie der Fermentwirkungen" Fermente als bestimmte chemische Verbindungen mit Eiweisscharakter (Eiweisskörper), die von lebenden Organismen produziert werden und formulierte die Notwendigkeit des direkten molekularen Kontakts von Ferment und Substrat für Enzymwirkungen (Info). Damit war der Grundstein einer  Enzymtheorie der Lebensvorgänge geboren (Info). Fermente oder eben Enzyme können nach Abtrennung oder sogar Abtötung der Mikroorganismen aktiv sein.

Pierre Eugène Marcellin Bertholet (1827-1907, Info) war ein französischer Chemiker, experimentierte mit zellfreien Hefeextrakten und publizierte 1860 folgende Erkenntnisse: "Der Hefeextrakt enthält somit ein besonderes, wasserlösliches Ferment, das in der Lage ist, Rohrzucker in Invertzucker umzuwandeln" (Info, S.984). Dieses in seiner Funktion nicht an den Organismus gebundene Ferment (im damaligen Sinne ein Gärungsmittel) ist in heutiger Terminologie die Invertase, welche die irreversible Spaltung des optisch rechtsdrehenden Rohrzuckers (Saccharose) in den linksdrehenden Invertzucker (Gemisch aus Glucose und Fructose) katalysiert. Die Hefe kann also eine Substanz (= Enzym) auscheiden, das völlig frei von der lebenden Hefe auch in einem wässrigen Milieu seine Funktion erfüllt.

Wilhelm Friedrich Kühne (1837-1900, Info), ein deutscher Physiologe und Enzymforscher schlug 1878 den Begriff "Enzym" für lösliche nichtbakterielle Fermente bzw. Wirkstoffe  vor, um der verwirrenden Doppelbedeutung des Begriffs "Ferment" ein  Ende zu setzen. 

Carl Wilhelm von Nägeli (1817-1891, Info). Der Schweizer Botaniker stellte 1879 eine für sämtliche Fermentwirkungen geltende „Theorie der Gährung“ auf, die er in molekularen Mechanismen zu begründen suchte. Er versuchte 1878, zusammen mit Oscar Loew (1844-1941, deutscher Pflanzenphysiologe,  Info) das eiweisshaltige Gäragens "Ferment", die von Pasteur vermutete "Alkoholase"  mit Hilfe von Glycerin aus den Hefezellen zu extrahieren, was allerdings misslang (Info > pdf, S. 131).

 

Bis zu diesem Zeitpunkt erschwerte die Feststellung einer unabhängigen, von der Aktivität lebender Zellen getrennten enzymatischen Aktivität das Verständnis der Rolle der Enzyme bei den zellulären Aktivitäten. Erst allmählich, im neunzehnten und bis ins zwanzigste Jahrhundert hinein, wurde diese Rolle offensichtlich. 

Reess 1870: sehr schöne Hefeillustrationen des

"gesunden" Hefetyps Saccharomyces cerevisiae.  

Alkoholgährungspilze, Arthur Felix. Leipzig (1870)]

 
 

 

FAZIT der mikrobiologischen Gründerjahre (1850-1880 - Pasteur'sche Periode)

1. Braukunst: Nur vereinzelt dringen neuere wissenschaftliche Erkenntnisse in die Braupraxis vor. Probleme der Weingärung in Frankreich

    spornen die Gärwissenschaft an.

2. Wissenschaft/Forschung: Die biologische Natur der Gärung wird definitiv nachgewiesen und setzt sich gegen die bisherige

     Lehrmeinung der mechanistischen Gärungstheorie durch.

     Die Erforschung der Hefe war zentral für die frühe Entwicklung der Mikrobiologie und der physiologischen Chemie, dem Vorläufer der Biochemie.

10. Hefeforschung von 1880-1900: Hefereinkulturen und zellfreie Gärungen

In dieser Periode wurden grundlegende mikrobielle Kulturtechniken entwickelt, die Mikroorganismenvielfalt entdeckt und die Enzymologie begründet.

1. Der Weg zu Hefe-Reinkulturen

Ein neues Verfahren zur Erforschung naturwissenschaftlicher Prozesse und deren praktische Umsetzung wird selten von einer Forscherpersönlichkeit allein entwickelt, sondern beruht auf vielen vorhergehenden einzelnen Erkenntnisstufen.

Julius Oscar Brefeld (1839-1925, Info), deutscher Botaniker und Mykologe,  entwickelte ein Einzell-Kulturverfahren durch Isolierung von in Nährmedien ausgekeimten Sporen und legte die Bedingungen für die Gewinnung von Reinkulturen fest (1875): 1. Beimpfung (Inokulation) eines Nährmediums mit einer einzigen durch Verdünnung gewonnenen Zelle, 2. Sicherung einer eventuellen Kontamination (mikrobiellen Verunreinigung) durch mikroskopische Kontrolle, 3. optimale Zusammensetzung des Nährmediums für mikrobielles Wachstum, 4. die Organismenkultur muss vollständig geschützt werden vor äusserlicher Kontamination und Austrocknung (Info, ab S. 47). Er sterilisierte sogar seine Nährmedien! Seine Methode entwickelt er an Pilzsporen und war zunächst nicht direkt anwendbar zur Isolation kleiner Mikroorganismen wie Hefen oder Bakterien.

Joseph Lister (1827-1912, Info), ein britischer Mediziner und vor allem bekannt für seine Pionierarbeit in antisepetischer Medizin (Info, cf. auch Listerismus), entwickelte 1878 eine mechanische Spritze mit einem minimalen Aufnahmevolumen von 0.5 μL (= eine Art Mikropipette). Zusammen mit einem Mikroskop und geeigneter Verdünnung entwickelt er eine Auszähltechnik mit einer hohen Wahrscheinlichkeit, nur gerade ein Bakterium isolieren zu können (Abb.).

Der Durchbruch zur Kultivation einzelner Mikroorganismen und damit die Erzielung von Reinkolonien war der deutsche Mediziner und Mikrobiologe/ Hygieniker Robert Koch (1843-1910, Info) mit seiner Kulturplatten-Technik mit festen, transparenten Nährböden.

Bis dahin waren Bakterien entweder in Fleischbrühe gezüchtet worden oder auf Kartoffelscheiben, die sich im Mikroskop nicht im Durchlicht betrachten liessen und auf denen viele Bakterien gar nicht wuchsen. Koch verfestigte die Fleischbrühe mit Gelatine und überimpfte aus sterilen gelatinierten Nährglasplatten einzelne gewachsene Bakterienkolonien auf Schrägnährgelatine-Proberöhrchen (1881 offiziell vorgestellt, Info). Später führte sein Mitarbeiter Walther Hesse (1846-1911, Info) anstelle der ungünstigen Gelatine-Verfestigung die Agar-Agar-Methode gemäss der Erfindung seiner Frau Fanny Angelina Hesse (1850-1934, Info 1, Info 2) ein. Die Nährböden wurden in rechteckigen "Plattenschalen“ ausgegossen. Die Innovation der festen, transparenten Nährböden revolutionierte die Bakteriologie. Robert Koch publizierte 1883 das bereits ab 1876 eingeführte sog. "Plattengussverfahren" (eine Mikroorganismen-haltige Probensuspension wird mit ca. 45 °C flüssig gehaltenen Agarnährboden vermischt und nach der Verfestigung bebrütet [Info1,Info 2]).

Ein weiterer Mitarbeiter Kochs, Richard Julius Petri (1852- 1921, Info), deutscher Bakteriologe, ist mit der Entwicklung der "Petri-Schale“, ein flaches, mit einem Deckel verschliessbares rundes Behältnis zur Aufnahme von Nährmedien für Bakterienkulturen weltweit dem Namen nach bekannt (1887). Seit den 1960er Jahren überwiegend aus Kunststoff hergestellt, gehört die Petrischale heute zur Standard-ausstattung eines jeden bakteriologischen Labors (Info).

Robert Koch, ein unermüdlicher Forscher, hat durch seine bakterio-logischen Kultivationstechniken auch

die Hefeforschung indirekt beeinflusst.

Erkenntnisfortschritte sind immer an Techniken gebunden.

re Kochs Schräggährgelatineröhrchen mit Wattepfropfen,  li Petrischalen (PS) aus Glas (oben) und Kunststoff sowie mit Hefe-kolonien bewachsene PS.

Hansen Christian.jpg

Emil Christian Hansen - der erste professionelle Hefemikrobiologe.

 

Emil Christian Hansen (1842-1909, Info1, Info 2), dänischer Botaniker, untersuchte seit 1878 als Mitarbeiter des Carlsberg Laboratorium die Ursachen der ständig variablen Bierqualität  ("Bierkrankheit"). Er isolierte Wildhefen und dank seinen Studien und  Analysen fand er heraus, dass sich nur wenige reine Hefetypen für das Brauen eignen. Die Bierschädlinge  isolierte er bereits 1882 mittels seiner 1883 veröffentlichten effektiven Technik zur Erzielung reiner Hefekulturen (Saccharomyces pastorianus I, Sacch. past. II (intermedus), Sacch. past. III (validus), [Hansensches Einzell-Verfahren, Info 1, Verfeinerung Info 2]). Er isolierte zudem 4 Stämme aus den eingesetzten Carlsberg-Saccharomyces-Brauhefen, von denen aber nur einer, Carlsberg Unterhefe Nr. 1 regelmässig gutes Bier ergab. Ab 1883 eingesetzt wurde mit diesem Hefeklon bereits 1884 der gesamte Carlsberg Bierausstoss erzielt. Der Einsatz von untergärigen Bierhefeklonen trat damit seinen weltweiten Siegeszug an (Bsp. USA: 1892 Pabst, Schlitz und Anheuser-Busch 2.3 Mio. hL, ebenso 50 weitere nordamerikanische Brauereien). Hansens Methode zur Erzielung von reinen Hefekolonien wurde auch bei der Bäckerhefe  angewandt (Max Delbrück [1850- 1919, (Info)], Friedrich Hayduck [1880-1961, Info)], C. Nagel [ ], alle am "Institut für Gärungsgewerbe und Stärkefabrikation (IfG)" in Berlin (Info).  Das IfG entwickelte sich zu einem Pionier der Biotechnologie: ab 1896 wurden dort Milchsäurebakterien und Hefen im industriellen Massstab produziert.

1883: Hansensche Feuchte Kammer nach Böttcher zur Erzielung von Einzell-Reinkulturen                                                 [Quelle, mod.]

a Deckglas, b 1 Tropfen Hefesuspension, c Glaswand (ringförmig),

d Wasserschicht als Austrocknungsschutz (Evaporation).

Verfahrensbeispiel: pro 1 Tropfen 20 Hefezellen, mikroskopisch genau ausgezählt --> in 40 mL Wasser verdünnen --> 1 mL dieser Verdünnung in 40 Fläschchen mit steriler Bierwürze --> theoretisch nur in jeder 2. Fläschchen Hefewachstum --> aufgrund Wachstum von Hefekolonien ("separate yeast speck") Rückschluss auf Fläschchen mir nur 1 einzigen Hefezelle als Ausgangspunkt für Vermehrung = Reinkultur.

2. Zunahme neuentdeckter gärfähiger Hefestämme

Dier Einsatz neuer Techniken zur Isolierung reiner Hefekulturen führte zwischen 1880 und 1900 zur Beschreibung von ca. 130 verschiedenen Hefestämmen. E. C. Hansen beschrieb 4 neue Hefearten [Kluyveromyces marxianus wird durch ihre Fähigkeit, Laktose zu fermentieren, in der milchverarbeitenden Industrie genutzt, um Hefeproteine und produzieren, aber auch Ethanol aus Molke (Info),  Pichia membranifaciens (Info), Saccharomycodes ludwigii für die Herstellung alkoholarmer bzw. alkoholfreier Biere (max. 0,5Vol.%) (Info), Pichia anomala in normaler Traubenflora, aktiv in der ersten Weingärungsphase (Info)].

Paul  Lindner (1861-1945, Mikrobiologe, Info) publizierte die Beschreibung von 6 neuen Hefearten (Gärungserreger, Info), u.a. Schizosaccharomyces pombe (Info), Torulaspora delbrueckii (Info), Zygosaccharomyces bailii als Schadhefe (Info).

Auch Topwissenschafter dieser Periode wie Martinus Willem Beijerinck (1851-1931, holländischer Mikrobiologe und Pioniervirologe, Info) befassten sich mit der Alkoholproduktion und der Rolle von Milchsäurebakterien. Beijerinck beschrieb Hefearten wie die "Alkoholhefe Schizosaccharomyces octosporus" 1894 (Info1, cf. auch moderne Diskussionen Info 2), während Ilja Iljitsch Metschnikow (1854-1916, russischer Bakteriologe und Immunologe, Info) 1884 die Gattung Metschnikowia beschrieb (Info 1, vgl. moderner Einsatz in der Önologie [Bioprotektion] Info 2, Info 3 > "Hefe mehr als nur Alkoholproduzent").

Hefen sind aber nicht nur für die Bierherstellung essenziell, sondern sind auch in traditionell fermentierten Getränken aktiv, z.B.

  • Ginger Beer:  eine Mischung aus Zucker, Zitronensaft, Ingwerwurzelnund Weinstein (Kaliumhydrogentartrat, KC4H5O6), fermentiert durch den Hefepilz Saccharomyces florentinus und das Bakterium Lactobacillus hilgardii oder der Kombination von Saccharomyces pyriformis und Bacterium (Brevibacterium) vermiforme (Info).

  • Saké: in Japan nihonshu ist ein fermentiertes Reisgetränk, bei dem der Schimmelpilz Aspergillus flavus var. oryzae (Info) die gekochte Reisstärke hydrolysiert und die Zuckereinheiten durch die Hefen Saccharomyces cerevisiae (in Japan kobo) (Info).

  • Kefir: Beijerinck publizierte 1889 über dieses fermentierte Milchgetränk (Info), das primär im Kaukasusgebiet, dem Balkan und Mittleren Osten aus Kuh-, Ziegen- oder Buffalomilch hergestellt wird. Kefir entsteht durch einen komplexen Gärungsprozess, an dem neben Milchsäurebakterien wie Lactococcus lactis und Lactobacillus acidophilus auch Hefen wie Candida utilis, Saccharomyces fragilis, Kluyveromyces marxianus (alias Candida kefyr), Kluyveromyces lactis und Torulaspora (Saccharomyces) delbrueckii beteiligt sind (Info 1, Info 2). Siehe auch Tibi (Wasserkefir).

Beijerinck 1889: Kefirkörner.                   [Quelle]

B: Saccharomyces kefyr [= Kluyveromyces marxianus (Info)]. C: Bacillus caucasicus.

3. Ernährung/Nährmedien/Kultivation von Hefen

3.1. Verfahren/Methoden

Technische und chemische Innovationen verliehen auch der Hefeforschung in dieser Periode einen gewaltigen Aufschwung. Dazu gehört die Entwicklung neuer Methoden zur Erfassung der Nährstoff-erfordernisse durch Hefen und andere Mikroorganismen. Besonders entscheidend waren die Entwicklung des Gärungssacharometer nach Einhorn, Durham-Röhrchen und das Auxanogramm.

Gärröhrchen nach Einhorn 1885 (Max Einhorn, 1862-1953 [Info]): Dieses einfache System erlaubt qualitative Messungen (Hefe y vergärt Zuckersorte x) und quantitative Messungen (Gärintensität in [mL CO2/Zeit]).

Durham-Röhrchen 1898 (Herbert E. Durham, 1866-1945 [Info]): Diese einfache Methode erlaubt den Nachweis der mikrobiellen Gasbildung. In einem Kulturröhrchen (z. B. Reagenzglas) mit zuckerhaltiger Nährlösung befindet sich noch ein kurzes enges Röhrchen mit der Öffnung nach unten (oben geschlossen) und mit Nährlösung vollgefüllt. Wird während der Gärung ein Gas gebildet, verdrängt es die Flüssigkeit aus dem kleinen Röhrchen und wird somit "sichtbar" (Info).

Auxanographie 1889 (Martinus W. Beijerinck): Verfahren

zur Untersuchung der wachstumsfördernden oder

-hemmenden Wirkung chemischer Substanzen auf 

Mikroorganismen (z.B. Assimilationsfähigkeit von

Hefestämmen für verschiedene Kohlenstoff- und

Stickstoffverbindungen). cf. auch Agardiffusionstest.

Auxanogramm: Wachstumsreaktion der Hefe Rhodotorula sp. auf verschiedene Konzentrationen des Vitamins Thiamin (0.001-10 μg/mL)           [Quelle]

Einhorn, 1885: Glasgefäss für Zucker-fermentation.

Zunächst im Urin von Diabetikern, später als Gärröhrchen für alkoholische Gärversuche eingesetzt (Gärsaccharimeter: entstehendes CO2 verdrängt substrat-, zeit- und temperatur-abhängig ein bestimmtes Volumen der Hefe-Zuckersuspension [mL] .

Durham, 1898: Einfaches Nachweissystem der mikrobiellen Gasbildung.

li: Originalskizze Durham [Quelle]

re: Kulturröhrchen mit Durhamröhrchen.

 

 

3.2. Zuckerstoffwechsel bei Hefen

Der Zuckerstoffwechsel ist grundlegend für das Verständnis des gesamten Hefestoffwechsels. Einer der führenden Chemiker gegen das Ende des 19. Jahrhunderts im Bereich der organischen Chemie und Begründer der Kohlenhydratchemie war Emil Fischer (1852-1915, deutscher Chemiker,  Info). Er untersuchte z.B. die Fähigkeit der Hefen, verschiedene Zuckerarten zu vergären (Mannose [Info], Isomaltose [Info], D,L-Fruktose, u.a.). Zusammen mit Hans Thierfelder (1858-1930 deutscher Physiologe und Biochemiker, Info) untersuchte er den Stoffwechsel der Hefen gegenüber verschiedenen natürlichen und synthetischen Einfachzuckern (Monosaccharide) mit geringsten Substratmengen in einer Mikroapparatur (1894 Info). Er extrahierte 1894 aus Bierhefe ein Enzym Invertin, die heutige Invertase, die Haushaltszucker (Saccharose) in Fruchtzucker (Fructose) und Traubenzucker (Glucose) hydrolytisch aufspaltet. Er postulierte 1895 ebenfalls, dass der Vergärung von Polysacchariden durch Hefen jeweils eine Hydrolyse derselben vorangehe (also eine Spaltung in kleinere Zuckereinheiten).

Émile Bourquelot (1851-1921, Info): der französischer Chemiker demonstrierte 1886, dass Hefe D-Glucose schneller fermentiert als D-Fructose.

 

Der französische Biologe Frédéric Vincent Dienert (1874–1948) erarbeitete als erster Forscher an Hefen klare Hinweise zu einer Enzyminduktion (1899/ 1900):  ein Wirkstoff (z.B. Zuckermolekül) regt die Bildung eines spezifischen Enzyms zur Biotransformation an. Hefen fermentieren Glucose ohne Zeitverzögerung, während D-Galactose erst nach einigen Stunden Adaptation vergärt wurde (Info).

 

Fischer, 1900: Emil Fischer in seinem Laboratorium an der Universität Berlin.

                                                                             [Quelle]

Fischer, 1894: Apparatur für kleinste Zucker-Fermentations-ansätze mit Hefen.

a: Gärkölbchen; b: S-förmige Falle für gebildetes CO2; c: Ba(OH)2 als CO2-Nachweisreagenz:

CO2 + Ba(OH)2 --> BaCO3 + H2O.

[Quelle, Abb. 12, mod.]

4. Zellfreie Fermentation

Die führenden Forscherpersönlichkeiten ihrer Zeit, Louis Pasteur und Justus von Liebig debattierten heftig um die Streitfrage, ob überhaupt lebende Hefezellen für eine Gärung notwendig sind.

Schon Friedrich Lüdersdorff hatte 1846 versucht, mit zerriebenen Hefezellen eine Gärung nachzuweisen, was misslang.

Moritz Traube und Marcellin Bertholet kamen ja bereits 1858 bzw. 1860 auf einen Vorschlag bzw. Hypothese, die eine Art Kompromiss zwischen der "mechanistischen Gärung"  (Mechanisten) und der "organismischen Gärung" (Vitalisten) darstellte. Diese Forscher postulierten, dass die Gärung von Fermenten verursacht wird, die von Mikroorganismen produziert werden, die aber auch nach Abtrennung oder Abtötung der Mikroorganismen aktiv sein können.

Marija Michailowna Manasseina (1841-1903, russische Ärztin,  Info) soll dann schon 1872 als Erste festgestellt haben,

dass Hefezellen keine Voraussetzung für die Alkoholische Gärung sind.  In den Jahren 1870-71 verbrachte Manasseina

mehrere Monate am Polytechnischen Institut in Wien und arbeitete mit Julius Wiesner zusammen, wo sie den Prozess

der alkoholischen Gärung studierte. Während dieser Zeit machte sie die bahnbrechende Entdeckung, dass der

Gärungsprozess auf spezifische Komponenten zurückzuführen ist, die aus Hefezellen isoliert werden können (sie nannte

sie "unorganisierte Enzyme"), und nicht auf die lebende Hefe an sich (Info 1, Info 2 (Info 3 > Anmerkung 11; cf.

Dokumentsauszug Ukrow). Allerdings liess ihre Methodik offenbar noch keinen stichfesten Beweis zu (cf. auch Info).

Die definitive Abklärung dieser Streitfrage gelang 1897 durch Eduard Buchner (1860-1917, Info), einem deutschen

Chemiker. Er stellte den ersten einwandfrei zellfreien Hefeextrakt her, der Zucker in Ethanol und Kohlenstoffdioxid

umwandeln konnte (Info 1, Info 2). Durch mechanisches Zerreiben von wasserbefreiter Hefe mit Kieselgur und reinem

Quarzsand sowie Auspressen unter hohem

Druck konnten mit diesem zellfreien Extrakt

Glucose, Fructose, Maltose und Saccharose

vergärt werden. Buchner: "... dass es zur

Einleitung des Gährungsvorganges keines so

complicirten Apparates bedarf, wie ihn die

Hefezelle vorstellt. Als Träger der Gährwirkung

des Presssaftes ist vielmehr eine gelöste

Substanz, zweifelsohne ein Eiweisskörper

zu betrachten; derselbe soll als Zymase

bezeichnet werden".

Zymase ist aus heutigem Wissensstand

natürlich nicht als einzelner Eiweisskörper,

sondern die Summe aller an der

alkoholischen Gärung beteiligten

Enzyme zu betrachten (Info Zymase,

Info Gärungsenzyme).

Durch die Beobachtungen Buchners, dass auch ein zellfreier Hefeextrakt die alkoholische Gärung bewirkt, dass "Ferment" also auch unabhängig von der Lebenstätigkeit der Hefezellen durch einen rein chemischen Prozess wirksam wird, war die Theorie von Pasteur widerlegt und die Differenzierung zwischen "Ferment" und "Enzym" hinfällig geworden. Enzyme sind sowohl innerhalb von Organismen wie auch ausserhalb von ihnen wirksame Biokatalysatoren, also Raektionsbeschleuniger, aber fast immer aus Eiweisskörpern, also Proteine. Buchner erhielt 1907 den Nobelpreis "für seine biochemischen Untersuchungen und die Entdeckung der zellfreien Gärung" (Info).

Die Entdeckung der zellfreien alkoholischen Gärung – der Umwandlung von Zucker in Ethanol in Gegenwart der aus Hefe gewonnenen Zymase – durch Eduard Buchner 1897 legte den Grundstein für die moderne In‐vitro‐Enzymologie.

Frédéric Dienert (1874-1948), ein französischer Mikrobiologe,  veröffentlichte 1899 und 1900 erste Studien zur Adaption der Hefe an verschiedene Zucker als Kohlenstoffquellen (Info). Diese Arbeiten gelten als Klassiker zum Thema Enzymadaptation.

An der weiteren Aufklärung der "Enzymkette" der an der alkoholischen Gärung beteiligten Biokatalysatoren waren eine Vielzahl von Forschern und Forscherinnen beteiligt, insbesondere zu Beginn des 20.Jahrhunderts.

 

 

1872: M. Manasseina.

Ihre Ergebnisse konnten als Bestätigung der  "chemischen" Hypothese der Gärung (J. Liebig) interpretiert werden.         [Quelle]

Buchner hydraulic press.jpg

1897: E. Buchners hydraulische Presse zur Gewinnung eines zellfreien Hefeextrakts mit den

funktionsfähigen Gärungsenzymen ("Zymase").

[Quelle 1, Quelle 2, mod.]

 

FAZIT der Periode 1880-1900: Schaffung methodischer und biochemischer Grundlagen zum Gärverständnis

1. Braukunst: Spontane Gärungen mit variablem Erfolg werden durch mit Hefe-Reinkulturen beimpften Gärungen abgelöst und führen zu

    gleichbleibender Bierqualität.

2. Wissenschaft/Forschung: Neue Methoden und Verfahren führen zur Gewinnung von Reinhefen und damit genauerer Charakterisierung

    der Hefeeigenschaften. Anstelle der physiologischen ganzorganismischen Erforschung treibt immer stärker die biochemische Analyse der

    Stoffwechselwege die Hefeforschung an. Die Studien zum Zuckerstoffwechsel, bereits von Bertholet, aber besonders von Fischer und

    Dienert legten die Grundlagen zur Erforschung der Enzyme und deren Substratspezifität.

11. Hefeforschung ab 1900: Entschlüsselung der Gärungs-Reaktionskette (Fermentationsstoffwechsel)

​​An der relativ raschen weiteren Aufklärung der "Enzymkette" der an der alkoholischen Gärung beteiligten Biokatalysatoren waren eine Vielzahl von Forschern und Forscherinnen beteiligt, z.B.

Arthur Harden (1865-1940, Info) verfeinerte zunächst die Gasstoffwechselmessungen an Hefen (cf. Abb.).

Zusammen mit William John Young (1878-1942, Info) gelangen ihm bahnbrechende Erkenntnisse.

1. 1904/05: Entdeckung der sog. Cozymase eines "Co-Ferments", dem späteren "Ko-Enzym (1908,

Buchner) und noch später die als Teilkomponente definitiv bezeichnete NAD (NAD+, NADH, NADH+ H+),

Nicotinsäureamid-adenin-dinucleotid, Info). Viele Enzyme brauchen zum Wirksamwerden "Koenzyme",

dialysierbare, niedrigmolekulare Stoffe.  2. 1905/1908: Erstmalige Entdeckung eines chemischen Zwischen-

produktes der alkoholischen Gärung, nämlich der phosphorylierten Verbindung Fructose-1,6-bisphosphat.

(Info). Dies war ein wichtiger Schritt zur Entschlüsselung der Glykolyse, dem schrittweisen Abbau von 

Monosacchariden (Einfachzuckern) wie der D-Glucose (Traubenzucker), von der sich auch die

Bezeichnung Glykolyse  (= Zucker-Spaltung) ableitet (Info). Harden und Young fassten die Fermentation

mit zwei chemischen Gleichungen zusammen:

(1)  2 Hexosen ( Einfachzucker mit 6 C-Atomen, z.B. Glucose C6H12O6) + 2Pi (anorganisches Phosphat)  =

      2CO2  + 2 Ethanol  + 2 H2O  + Hexose-diphosphat

(2)  Hexose-diphosphat + 2 H2O   =  Hexose  +  2 Pi

(3)  (1) + (2): C6H12O6 -->  2 C2H5OH  +  2 CO2.

In den folgenden 30 Jahren ab 1908 bis 1938 werden sukzessive alle Teilreaktionen der Glykolyse

und der anaeroben alkoholischen Gärung aufgeklärt durch eine Vielzahl von Forschern, wie z.B.

  • Carl Neuberg (1877-1956, deutscher Biochemiker, Info): Entdeckung der Carboxylase

  • 1929 Nobelpreis für Arthur Harden und Hans von Euler-Chelpin (1873-1964, deutscher Chemiker,

       Info) für ihre "Forschung über die Zuckervergärung und deren Anteil der Enzyme an diesem Vorgang"

  • Gustav Embden (1874-1933, deutscher Mediziner, Physiologe, Biochemiker, Info): Aufklärung

       der Glykolyse 1929,  zusammen mit Otto Fritz Meyerhof (1884-1951, deutscher Biochemiker,

       Info) und Jakub Karol Parnas (1884-1949, polnisch-sowjetischer Biochemiker, Info)  --> syn.

       Embden-Meyerhof-Parnas-Weg

  • Hans Karl Heinrich Adolf Lohmann  (1898-1978, deutscher Biochemiker, Info 1, Info 2):

      1929 bahnbrechende Entdeckung des ATP  (Adenosintriphosphat, biologischer Energieträger,

      Bedeutung in der Glykolyse)

  • Gerty Cori (1896-1957, österreichisch-US-amerikanische Biochemikerin, Info) und Carl Ferdinand

       Cori (1896-1984,  österreichisch-US-amerikanischer Pharmakologe und Biochemiker, Info): 1929

       Entschlüsselung des Cori-Zyklus (Milchsäure-Stoffwechselwege)

  • Karl Lohmann, zusammen mit Otto Meyerhof: 1931 wird die zweite wichtige Teilkomponente

      des Koenzyms als ATP identifiziert

  • Otto Warburg (1883-1970, deutscher Biochemiker, Info 1, Info 2): 1933 Identifizierung des

       Cofaktors NADH (Nicotinsäureamid-adenin-dinucleotid, reduziert mit H) als essenzieller

       Bestandteil des Gärprozesses  (Info)

  • Erwin Negelein (1897-1979, deutscher Biochemiker und Zellbiologe, Info): 1929 Entdeckung der auch als „Negelein-Ester“ bezeichneten Verbindung 1,3-Diphosphoglycerat, einem Zwischenprodukt der Glykolyse und der Gluconeogenese sowie 1937 erstmalige Kristallisation des Enzyms  Alkoholdehydrogenase ( = letzter Schritt der Alkoholischen Gärung durch Hefe, bei der Acetaldehyd zu Ethanol umgewandelt wird).

Einen Überblick zur Entschlüsselung der einzelnen

Zwischenstufen des Gärungsstoffwechsels findet

sich in der nebenstehenden Tabelle.

 

 

Harden's apparatus.jpg

1910: Gerät zur Messung des Gärgasstoff-wechsels in 4-min-Abständen (Schiff's Azotometer).

A: Fermentationsgefäss;  B: Gasbürette;  C: Reser-voirbehälter;  D: Zylinder oder kleiner Becher; 

E: Quecksilber-Auffanggefäss;  F,G: Gummiverbin-dungen;  H: Einlassstutzen;  I: Thermostat.

[Quelle Abb., Quelle Funktionsbeschreibung].

Nach der Veröffentlichung des Prototyps eines Stoffwechselwegs, der evolutionär ursprünglichen Glykolyse ("Zuckerspaltung"), die über zehn enzymatisch katalysierte Stationen (Info) vom C6-Einfachzucker Glucose C6H12O6 zum  wichtigen Zwischenprodukt im aeroben und anaeroben Stoffwechsel, dem C3H3O3 Pyruvat (Brenztraubensäure,  CH3-CO-COO -) abläuft, stand die Charakterisierung der daran beteiligten Enzyme im Zentrum der Forschung Bei O2-Anwesenheit (aerob) wird Pyruvat weiter im Citratzyklus unter Gewinnung von biologischen Energieträgern (ATP, NADH, FADH2) abgebaut (Info). Bei O2-Abwesenheit (anerob) läuft die alkoholische Gärung unter Vermittlung zweier weiterer Enzyme ab (Info) (cf. diese Website hier).

Ab etwa 1925 wird erkannt, dass die Glykolyse ein universelles Stoffwechselprinzip in verschiedensten Organismen (Hefe, Tiere, Pflanzen) und auch in  verschiedenen Zelltypen ist und  mit der Milchsäuregärung in Muskelzellen analog ist ("... die Analogien, welche zwischen der Gärungsspaltung in der Hefe und der anaeroben Kohlenhydratspaltung in dem Muskel bestehen, herauszuarbeiten" [H. Euler et al. 1925]).

Die in der Glykolyse und Schlussphase der alkoholischen Gärung beteiligten Enzyme wurden isoliert und biochemisch charakterisiert, so z.B. pH-Optimum, Temperaturoptimum, Reaktionsgeschwindigkeit, Umsatzrate u.a. Eine fast unüberschaubare Anzahl an Forscher und Forscherinnen waren beteiligt, so z.B.

  • Hexokinase: O.F. Meyerhof 1927 Teilreinigung; O. Warburg & W. Christian 1931 "Zwischenferment"; E. Euler & E. Adler 1935 Übertragung von Pi auf Glucose und Fructose (--> Hexosemonophosphat) durch Zwischenferment; S.P. Colowick & H.M. Kalckar 1943  ATP + Hexose --> ADP + Hexose-monophosphat

  • Glucose-6-Phosphat-Isomerase: A.Lohmann 1933, O. Meyerhof & A. Lohmann 1934, O. Meyerhof et al. 1935, 1936, 1951

  • Fructose-biphosphat-Aldolase und Triosephosphatisomerase: O. Meyerhof & W. Kiessling et al. 1935, 1936; O. Meyerhof & L.V. Beck 1944

  • Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase und Phosphoglyceratkinase: O. Meyerhof et al. 1938, O. Warburg & W. Christian 1939, E. Negelein & H. Brömel 1939 Rolle von NAD/ NADH als Wasserstoffakzeptor und ATP (cf. hier), T. Bücher 1947

  • Phosphoglyceratmutase: O. Meyerhof & W. Kiessling 1933, G. Embden et al. 1933, O. Meyerhof & W. Kiessling 1935

  • Phosphopyruvathydratase (Enolase): G. Embden et al. 1933, O. Meyerhof & A. Lohmann 1934, O. Warburg & W. Christian 1941

  • Pyruvatkinase: J.K. Parnas et al. 1934, K. Lohmann & O. Meyerhof 1934, H. Lehmann 1935

  • Pyruvat-Decarboxylase: C. Neuberg & L. Karczag 1911

  • Alkoholdehydrogenase: C. Scheele 1782, Dabit 1800, F. Battelli & L. Stern 1909, E. Negelein & H.-J. Wulff 1937 Isolierung und Kristallisierung der Alkoholdehydrogenase (Info).

In der ersten Hälfte des 20. Jahrhundert wurde enorm viel Forschungsarbeit zur Entschlüsselung der Glykolyse geleistet und das trotz der politisch ungünstigen Vorkriegszeit. Detailinformationen dazu sind in Barnett (2011) zu finden.

Glykolyse_enzymes.jpg

Glykolyse: Ein ganz entscheidender Stoffwechselpfad:

Die Gärung beginnt mit der "Zuckerzerlegung", der Glykolyse. 

Der Glukoseabbau verläuft über 9 Zwischenprodukte, die alle  durch insgesamt 10 Enzyme (Nr. 1-10) ermöglicht und beschleunigt werden.

Die Glykolyse hört mit einer C3-Substanz, dem Pyruvat (Brenztraubensäure) auf. Diese Substanz wird sowohl in der anschliessenden aeroben Atmung als auch in der anaeroben Gärung (Fermentation) weiter verstoffwechselt.   

 

Die anschliessende alkoholische Gärung wie auch die Milchsäuregärung benötigen weitere Enzyme (Nr. 11 bzw. Nr. 12-13)   

[Quelle: Brock Mikrobiologie kompakt, 13. Aufl. (2015), S. 96]

Lohmann K.jpg

1929:  ATP-Entdecker Karl Lohmann

 

FAZIT der Hefeforschung ab 1900: Explosion physiologisch-biochemischen Grundlagenwissens

1. Braukunst: Die Kenntnis des Gärungsstoffwechsels erlaubt eine genauere Steuerung des Brauablaufs (z.B. pH-Wert, Temperatur --> Enzymbeeinflussung). Das Hefemanagement wird entscheidend verbessert.

2. Wissenschaft/Forschung: angeführt von der Erforschung des Gärstoffwechsels auf molekularer Ebene entwickelt sich aus den Forschungsrichtungen der Physiologie und der Organischen Chemie eine eigentliche Biochemie, die weit in andere Gebiete ausstrahlt (Mikrobiologie, Medizin, Biotechnologie). Die Hefe erwies sich somit als wahrer Katalysator für die Entwicklung der modernen Biowissenschaften.

1. Hälfte des 20. Jahrhunderts: Aufklärung der Glykolyse                     [Quelle: Barnett, 2003, S. 522, mod.]

Koryphäen der Glykolyse-Aufklärung: "Embden- Meyerhof-Parnas-Weg".                                  [Quelle]

Sämtliche an der Gärung beteiligten Enzyme aus verschiedensten Spezies sind mittlerweile isoliert und biochemisch charakterisiert (z.B. pH- und Temperaturoptimum, Reaktionsgeschwindigkeit, Umsatzrate). Die Kristallstrukturanalyse gewährt einen ersten Einblick in ihre molekulare Raumstruktur, die NMR-Spektroskopie und andere Verfahren erlauben einen detaillierten Einblick in Proteinstrukturen und daraus abgeleitet auch auf Reaktionsmechanismen. Die entschlüsselten Gene, welche die Baupläne für die Enzyme enthalten, geben Aufschluss über die evolutionäre Herkunft.

12.   Abriss: Weitere Meilensteine der Hefeforschung

12.1. Hefezellstruktur

Die Aufklärung der Hefestruktur hing ab vom Fortschritt der Mikroskopiertechnik und der Färbeverfahren. In den 1870er und 1880er Jahren intensivieren sich die Forschungen rund um die Cytologie. Es werden allerdings zahlreiche unausgegorene Publikationen veröffentlicht.  Ausführlich berichtet J.A. Barnett über die Hefecytologie in den Jahren 1890-1990 (Barnett, 2002). Die Zellbiologie ist erst ab ca. 1950 mit der Einführung des Phasenkontrastmikroskops und des Elektronenmikroskops zusammen mit der Biochemie und Molekularbiologie erfolgreich. Im Folgenden werden nur einige wenige Höhepunkte erwähnt. Die Cytologie spielt ja im Gegensatz zum Stoffwechsel keine entscheidende Rolle für den Brauprozess.

​Friedrich Schmitz (1850-1895, deutscher Botaniker, Info): 1879 "Aus der Gattung Saccharomyces habe ich genauer untersucht den Pilz der Bierhefe, Saccharomyces cerevisiae .... Mit Hülfe der  Hämatoxylinfärbung ist es mir gelungen, in jeder Zelle einen einzelnen kugeligen Zellkern nachzuweisen. Ert findet sich etwa in der Mitte der Zelle neben den grossen Vakuolen ..." (Hinweis: wahrscheinlich sah er mit diesem Farbstoff nur den Nucleolus [Kernkörperchen]).

Eduard Adolf Strasburger (1844-1912, deutscher Botaniker, Info): 1884 Zentralkern fixiert mit Pikrinsäure und angefärbt mit Hämatoxylin.

J. Raum1891 Vakuole und granuläre Strukturen.

Frans Alfons Janssens (1863-1924, belgischer Zytologe und Priester, Info): 1893/1898 Beschreibung der Kernteilung inkl. Spindelbildung bei Sporenbildung und Knospung.

D.B. Roncali: 1896 Zellknospung und Zellketten.

M. Bouin: 1897 Zeichnungen von Zellknospung, Zellkern und Ascosporen.

H. Wagner: 1898 Beschreibung von Zelle, Vakuolen und Ascosporen.

H. Fuhrmann: 1906 mitotische Chromosomen.

A. Guilliermond: 1917 Meiose skizziert.

J.M. Kater: 1927 Chromosomen im Cytoplasma.

Van Dorsten: 1947 Sprossnarben in den Zellwänden elektronenmikroskopisch sichtbar

D.H. Nortcote,  R.W. Horne: 1952 Elektronenmikroskopie der Zellwand und chemische Analyse.

H.D. Agar, H.C. Douglas: 1952 Kernmembranporen.

D.H. Northcote, R.W. Horne: 1952 Bestandteile der Zellwand.

E.A. Duell et al.: 1964 Mitochondrien.

H. Hagedorn: 1964 Plasmalemma.

C.J. Avers, M. Federmann: 1968 Peroxisomen.

E. Cabib, B. Bowers: 1971 Chitin als Bestandteil der Zellwand.

L. Hartwell: 1974 Zellzyklus.

B.J. Stevens: 1977 Morphologie der Mitochondrien.

R.K. Mortimer, D. Schild & L. Goetsch, B. Byers: 1980/1982 Chromosomenzahl (genetisch

und zytologisch bestimmt).

 

 

12.2. Zusatzaspekte zum Hefestoffwechsel

Aerober Atmungsstoffwechsel, Regulation, Enzymadaptationen und Regulationen, Transportphänomene und Hefegenetik

Zahlreiche weitere Aspekte des Hefestoffwechsels inkl. der Genetik wurden im 20. Jahrhundert untersucht und geklärt, besonders intensiv nach dem 2. Weltkrieg. In vielen Bereichen waren die Hefen Modellorganismen zur Erforschung wichtiger Stoffwechselgrundlagen. Die akribische Aufarbeitung der Forschungsgeschichte zu den Hefen und die daraus resultierenden Publikationen von Barnett (2004 - 2008) geben darüber einen detailreichen Einblick. In "Yeast Sugar Metabolism" hat es ausführliche Zeittabellen mit den grundlegenden Erkenntnissen, die zum heutigen Wissensstand geführt haben (cf. Literatur hier).

Nur ein Aspekt soll hier noch hervor gehoben werden: der Aufwand, der in der heutigen Forschung

betrieben wird, ist wohl den meisten Nichtfachpersonen nicht bewusst, z.B. in der Genetik. Mit 16

Chromosomen, 5800 Genen und mehr als 12 Millionen Basenpaaren ist das Hefegenom der Prototyp

für den Aufbau des Erbguts höherer Organismen, das bis zu mehreren Milliarden Basenpaare enthält

(zum Vergleich: das Bakterium Escherichia coli: 4,2 Millionen Basenpaare). Die Sequenzierung des

Hefegenoms war ein grosses molekularbiologisches Gemeinschaftsprojekt mit mehr als 600

Wissenschaftlern aus Europa, Kanada, den USA und Japan (1996, Info). Die Hefe hat sich zu einem

Modellorganismus, auch für die Molekularbiologie entwickelt. Die Wissenschaftsgeschichte der Hefe

geht damit unvermindert weiter: "Yeast: An Experimental Organism for 21st Century Biology" (Info).

Mehr als 200 Forscher des Synthetic Yeast Project  arbeiten seit Jahren an dem Ziel, alle 16 Chromosomen

einer Hefezelle zu synthetisieren und so lebensfähige Kunstorganismen zu erzeugen. 2014 gelang der

erste Zwischenerfolg, Hefe mit einem ersten künstlichen Chromosom herzustellen (Info). 2017  sind

bereits sechs Chromosomen der Bäcker- oder Bierhefe konstruiert und erfolgreich in lebende Hefezellen

eingebaut. Als Grund für solche "Planspiele mit Lebewesen" wird angeführt, dass gerade die Hefe ein

wichtiger Helfer bei der Produktion von medizinischen und biotechnischen Wirkstoffen sei – und dank

des künstlichen Genoms lasse sie sich dies künftig noch besser optimieren (Info). Ziel ist die Designerhefe,

die jeweils ein gewünschtes Produkt massgeschneidert produziert, z.B. Resveratrol oder neuartige Antibiotika (Info1, Info 2; zu Resveratrol siehe auch hier).

 

Bau einer Hefezelle

(Schema, nach elektronenmikroskopischen Bildern; cf. auch hier)

synthetisches Hefegenom.jpg

Kommt die Designerhefe - auch mit dem einprogrammierten Bierstil?

 

12.3. Hefetaxonomie

Die wichtigsten Beiträge von Taxonomen zur Hefebiologie waren: (a) die Entdeckung neuer Arten von Hefen; (b) die Beschreibung der Eigenschaften der Hefen; (c) die Entwicklung wirksamer Mittel zur Identifizierung von Hefen; und (d) die Bereitstellung geeigneter Gruppierungen von Stämmen in Arten und Gattungen.

Grundsätzlich können Mikroorganismen in die Gruppen der Prokaryoten ("Kernlose") und Eukaryoten ("Kernhaltige") eingeteilt werden. Zu der letztgenannten Gruppe gehören neben den Algen und Protozoen auch Pilze, einschliesslich der Hefen. Zur Klassifizierung von Mikroorganismen ist es wichtig eine einheitliche und systematische Taxonomie zu beschreiben. Die Hierarchie mit den lateinischen Begriffen und die internationale Nomenklaturregel für das Reich der Pilze ist : Reich (lat. Regnum) (Fungi) --> Abteilung (lat. Divisio)-mycota --> Klasse (lat. Classis)-mycetes --> Ordnung (lat. Ordo)-ales -->  Familie (lat. Familia)-aceae --> Gattung (lat. Genus) --> Art (lat. Species).

Gegenwärtig sind circa 750 Hefearten bekannt. Die richtige Einteilung der Hefen auf Gattungs- und Artebene wird seit Jahren diskutiert.

Grundsätzlich gehören Brauhefen zur Gattung Saccharomyces und zur Art cerevisiae. Die Zellen der Saccharomyces cerevisiae werden als kugelig, ovoid, ellipsoid oder zylindrisch gestreckt, einzeln oder als Paar vorliegend, als Ketten oder Cluster beschrieben. Die Grösse der Zellen kann in drei Gruppen eingeteilt werden: grosse Zellen 4,5–10,5 x 7,0-21,0 µm, kleine Zellen 2,5-7,0 x 4,5-11,0 µm und Zwischengrössen mit 3,5-8,0 x 5,0-11,0 µm (Boulton, Quain, 2006).

Geschichte der Hefentaxonomie

Die taxonomische Bezeichnung der Bierhefen hat sich im Laufe der Zeit immer wieder

verändert. 1970 wurden noch 41 Arten der Gattung Saccharomyces zugeordnet, 1998

nur noch 14 Arten (cf. Tabelle).

Die Geschichte der Taxonomie ist schwierig und diffus nachzuvollziehen. Es wird daher auf

die umfassende Publikation von Barnett (2004) verwiesen. Wichtige Forscherpersönlichkeiten

seien hier nur namentlich erwähnt, auffallend viele Frauen befassten sich mit der Taxonomie

von Hefen.

- Emil Christian Hansen (1842-1909, Info): erstmals 1883 beschriebene Hefe Saccharomyces

  carlsbergensis, stellt erste Hefetaxonomie auf

- Paul Lindner (1861-1945, Info): beschrieb als erster die Spalthefe Schizosaccharomyces pombe

  sowie das alkoholproduzierende Bakterium Zymomonas mobilis

- Alexandre Guilliermond (1876-1945, Info): 1928 dichotomer Bestimmungsschlüssel

- Albert Klöcker (1862-1923, Info): Beschrieb von Saccharomycopsis (Info1, Info 2)

Nach der systematischen Arbeit von Hansen, Lindner, Guilliermond und Klöcker wurde

eine Reihe von Monographien zwischen 1931 und 1984 an der Holländischen

Schule für Hefetaxonomie (Centraalbureau voor Schimmelcultures CBS) veröffentlicht:

- Nellie Margaretha Stelling-Dekker (Info): 1931 Monographie

- Jacomina Lodder (1905-1987, Info): 1934, 1942, 1952, 1970 Monographie

- Harmanna Antonia Diddens (Info): 1942 Monographie

- Nelly Jeanne Wilhelmina Kreger-van Rij (1920-2002): 1952, 1984 Monographien

sowie später vom USA-Forscher  C.P. Kurtzman (1938-2017, Info): 1998 Monographie fortgeführt (Info).

Taxonomische Einteilung der Mikroorganismen und Nomenklatur der Pilze.

Arten der Gattung Saccharomyces: Veränderung der taxonomischen Bezeichnungen.                                      [Quelle]

Taxonomische Einteilungen sind leider nicht "stabil". Dies zeigt die Abbildung, welche die vielen Änderungen in der Nomenklatur alleine von Saccharomyces cerevisiae, gemäss der vierten Ausgabe 2011 von "The Yeasts: a Taxonomic Study" (Info 1, Info 2) zeigt.

"Zusätzlich werden die Saccharomyces-Hefen noch in die Gruppen Saccharomyces sensu stricto und Saccharomyces sensu lato eingeteilt. Zu der erst genannten Gruppe Saccharomyces sensu stricto gehören die folgenden vier Arten: Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces paradoxus, Saccharomyces pastorianus und Saccharomyces bayanus, die sich aufgrund ihrer rDNA-SpacerSequenzen (rDNA engl. ribosomal Deoxyribonucleic acid) in zwei Cluster unterteilen lassen" (Zitat aus J.H. Becke, 2018, S. 11).

Vergleich der vier Saccharomyces-Arten.                                                        [Quelle: Becke, S. 11/ Back]

Info: spacer-DNA-Sequenz; aktiver Transport; erleichterte Diffusion; cerevisiae-cluster; bayanus-cluster

Hefetaxonomie: Beispiel Saccharomyces            [Quelle: Barnett, 2004, mod.].

Brauhefen werden in die sogenannten obergärigen und untergärigen Hefen eingeteilt. Taxonomisch werden sie als Saccharomyces cerevisiae (obergärig) und Saccharomyces carlsbergensis (untergärig) bezeichnet. Jedoch ist diese Klassifizierung der Saccharomyces carlsbergensis so nicht richtig, da sie keine eigenständige Art bildet . Aufgrund von Untersuchungen innerhalb der Saccharomyces sensu stricto Gruppe wird aktuell davon ausgegangen, dass S. pastorianus (ssp. S. carlsbergensis) eine hohe genetische Verwandtschaft mit S. cerevisiae (53 %) und S. bayanus (72 %) haben.

Differenzierung zwischen ober- und untergärigen Hefen.

                                                                                                [Quelle: Becke, S. 12]

 

FAZIT der Hefeforschung im Bereich Zellbau, Stoffwechsel, Taxonomie

1. Braukunst: Der Zuwachs an Wissen in diesen drei Teilbereichen hat nur wenig und meist indirekten Einfluss auf Hefezüchtung und Brauprozess. Allerdings wird sich der Eingriff in das Hefegenom insbes. die Synthese künstlicher Hefechromosomen auf die Biervielfalt und stoffliche Zusammensetzung der Bierinhaltsstoffe auswirken.

 

 

 

2. Wissenschaft/Forschung: Die fast vollständige Kenntnis der Stoffwechselwege bei Hefen und die Entschlüsselung und Manipulation des Genoms wird neue Einsatzmöglichkeiten der Hefen auch ausserhalb der Gärtechnologie ermöglichen (z.B. Pharmaka, sekundäre Pflanzenstoffe, Aromastoffe). Die Hefe dient als Modellorganismus (S. 63ff.).

 

13. Bierheferassen und Hefereinzucht

Man geht von der Annahme aus, dass die heutigen Bierheferassen (syn. Stamm, Unterart, Rasse, Subspezies) aus Weinhefen (Info 1, Info 2) hervorgegangen sind. Die Hefereste im Gärgefäss z.B. Tonkrug der vorangehenden Gärung lösten die nächste Gärung aus, wobei auch die Umgebung (Kellergewölbe, Luft) und Gerätschaften (Kontamination) die Gärmikroflora beeinflussten. Bei gleichbleibendem Handling, Gefässen und Örtlichkeiten reicherte sich wohl eine Art "reine bzw. definierte Mischpopulation" an Gärorganismen an (wie z.B. bei der Gueuze Brasserie Cantillon (Info 1, Info 2).

Aber nicht nur die Mikroflora des verwendeten Getreides, sondern auch die Zutaten wie Früchte und Gewürze mit den Mikroben der Hefen, Bakterien und Schimmelpilze übten einen Einfluss auf die Gärung und die Qualität des Bieres aus.

Emil Christian Hansen  (1842-1909, dänischer Botaniker, Info) war der erste Hefemikrobiologe, der mit der Reinzüchtung der Hefe mittels seinem Hansenschen Einzell-Verfahren 1883 die Grundlage für eine "reine Gärung" schaffte (siehe intern hier).

Seine Methode verfeinerte er nach der Robert Koch'schen Plattenkultur durch Vermischung seiner Hefen mit verdünnter Würzegelatine auf einem Mikroskop-Deckglas. Nach der Erstarrung des Kulturmediums mit den darin eingeschlossenen Hefezellen isolierte er nach mikroskopischer Prüfung Einzelzellen nach 3-4tägigem Wachstum (--> dann bereits eine Art "Minikolonie") mit einer sterilen Platinnadel und führte sie in ein steriles Würzeflüssigmedium, worin dann die Minikolonien jeweilszu Flüssigreinkulturen wuchsen. Zur Bereitstellung ausreichender Reinzuchthefen entwickelte er

zusammen mit dem Braudirektor Kühle den ersten "Hefereinzuchtapparat Hansen-Kühle" (Info: ab S. 151, Abb. 55).

Paul Lindner (1861-1945, deutscher Mikrobiologe an der Versuchs- und Lehranstalt für Brauerei in Berlin, Info) erforschte

systematisch diese Mikroflora in Bierbraubetrieb, züchtete sie mit Hilfe seiner weiter entwickelten Verfahren 1893 der

Tröpfchen-, Federstrich- und Pinselstrichkultur als Reinkultur und charakterisierte sie. Lindner erkannte schon bald, dass

eine Vielzahl von Mikroorganismen an Gärungsvorgängen in der Natur beteiligt sein kann und daher im Brauereibetrieb

nur mit Reinkulturen (Reinzuchthefen) und aseptischer Betriebsweise gearbeitet werden sollte, um eine gleichbleibende

Qualität der Gärungsprodukte zu gewährleisten (P. Lindner. Atlas der mikroskopischen Grundlagen der Gärungskunde,

1903 (Info), 1927/1928). Auch Lindner entwickelte einen "Grossen Lindnerschen Hefereinzuchtapparat".

Max Delbrück (1850-1919, deutscher Bakteriologe, Gärungschemiker und Brauwissenschaftler, Info) entwickelte zunächste

seine "natürliche Reinkultur-Technik", bei denen der Säuregehalt sowie Umweltfaktoren kontrolliert werden konnten, um nur

dem gewünschten Organismus ideales Wachstum im Betriebsmassstab zu ermöglichen. Allerdings kann mit diesem Verfahren

eine Kontamination durch Bakterien nicht ausgeschlossen werden, insbesondere in der Reifungsphase. So wurde Delbrück

später ein grosser Promotor der Hansen'schen Reinzuchtmethode für das Brauereiwesen und als Vater der natürlichen

Reinzucht in der Backhefe- und Spiritusindustrie.

Grundlegend bleiben Hansens Erkenntnisse, dass eine Reinzuchthefe nicht alles machen kann,dass Rohstoffqualität und Sorgfalt bei Malz-und Bierbereitung wichtig sind, dass eine Reinzuchthefe nicht immer rein bleibt, dass viele Kontaminationsgefahren drohen, dass Geschmack und Geruch von lokalen Heferassen abhängen (besonders bei den im Verlauf der Jahrhunderte herausgebildeten untergärigen Heferassen)

 

Für eine weiter gehende Betrachtung der Bierheferassen und der Zuchtverfahren sei auf das Buch von Annemüller et al. (2020) hingewiesen.

14. Schlussbetrachtung

Die Hefe hat eine lange Zeit als "Arbeitstier" für den Menschen hinter sich, verlieh

der angewandten und Grundlagenforschung immer wieder genügend Rätsel, war

Hauptursache für die Entstehung der physiologischen Chemie, dann der Biochemie,

der Biotechnologie und Molekularbiologie und neuerdings der Genetik/Gentechnologie.

Jährlich werden Tausende von wissenschaftlichen Hefe-Publikationen veröffentlicht,

die zukünftige Geschichtsschreibung zur Hefeforschung dürfte  vor fast unüberwindbaren

Problemen stehen bei der Auswahl der relevanten Forschungsarbeiten bzw. Forscherinnen

und Forscher!

 

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Paul Lindner, 1861- 1945, führt Reinzuchthefen ein                                        [Quelle]

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Hefeforschung ist aktueller denn je:                         siehe auch hier

Als kernhaltige Einzellzelle ist sie ein ideales Objekt für Grundlagen- und angewandte Forschung wie Genetik oder Biotechnologie [Quelle]

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Hefeforschung heute:

Keine dominierende Einzelperson mehr wie zu Pasteur's

Zeiten, sondern ganze Teams bringen die Hefeforschung weiter. Hier ein stellvertretendes Beispiel für die fast unüberblickbare Hefe-Forschungsliteratur.               [Quelle]

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Alles Fachzeitschriften, in denen ausschliesslich oder grossenteils Ergebnisse der Hefeforschung oder Anwendung mit der Hefe publiziert werden.

Weitere Quellenangaben

 

INTERNET

Viele der erwähnten Dokumente sind heute in eingescannter Form in Internetbibliotheken verfügbar. Dies ist besonders für Publikationen bis und mit dem 19. und teilweise der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts zutreffend. Neuere wissenschaftliche Publikationen sind meistens nur gegen Bezahlung verfügbar.  Diese und andere Dokumente sind entweder unter [Info] oder [Quelle] einsehbar.

BÜCHER

  1. Annemüller, G., Manger H.-J., Lietz, P. Die Hefe in der Brauerei. Hefemanagement. Kulturhefe - Hefereinzucht. Hefepropagation im Bierherstellungsprozess. VLB, Berlin, 476 S., 4. Aufl. (2020) [Info]

  2. Barnett, J.A., Barnett, L. Yeast Research: A Historical Approach. ASM (American Society for Microbiology) Press, Washington D.C., USA. 400 S., 1. Aufl. (2011) [Info]

  3. Becke, J.H. Gierds. Entwicklung und Anwendung einer neuartigen Methode zur Identifizierung von Back- und Brauhefen mittels MALDI-TOF-MS und der multivariaten Datenanalyse. Dissertation, Technische Universität Berlin, 171 S. (2018)

  4. Boulton, C., Quain, D. Brewing Yeast & Fermentation. Blackwell Science, Oxford, UK. 660 S., 1. Aufl. (2006) [Info]

  5. Haehn, H. Biochemie der Gärungen. Unter besonderer Berücksichtigung der Hefe. Für Studierende der Naturwissenschaften und des Gärungsgewerbe, Techniker, Gärungsbiologen und Chemiker. De Gruyter, Berlin, 501 S., 1. Aufl.  (1952) [Info > pdf]

  6. Hornsey, I.S. A History of Beer and Brewing. RSC (The Royal Society of Chemistry, Cambridge U.K., 742 S., 1. Aufl. (2003) [Info]

  7. Meussdoerffer, F., Zarnkow, M. Das Bier. Eine Geschichte von Hopfen und Malz. Verlag C.H. Beck, München, 128 S., 1. Aufl. (2014)  [Info]

  8. Meyen, F.J.F. Jahresbericht über die Resultate der Arbeiten im Felde der physiologischen Botanik von dem Jahre 1837. Nicolai`sche Buchhandlung, Berlin, 186 S. (1837) [Info]

  9. Money, N.P. The Rise of Yeast: How the sugar fungus shaped civilisation. Oxford University Press, Oxford U.K., 224 S., 1. Aufl. (2018) [Info]
  10. Pasteur, L. (Faulkner, F., translation). Studies on Fermentation. The Diseases of Beer, their Causes, and the Means of preventing them. MacMillan & Co., London, 420 S. (1879). Das Original "Etudes sur la bière" wurde bereits 1876 publiziert.

  11. Rehm, H.-J. Industrielle Mikrobiologie. Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg, 646 S., 1. Aufl. (1967)

  12. Zimmermann, F.K., Entian, K.-D. (Hrsg.). Yeast Sugar Metabolism. Biochemistry, Genetics, Biotechnology, and Applications. Technomic Publ. Comp., Lancaster, PA USA, 567 S. (1997).

 

PAPERS/ARTIKEL

  1. Barnett, J.A.  A history of research on yeasts 1: Work by Chemists and Biologists 1789–1850. Yeast 14 (16), 1439-1451 (1998)

  2. Barnett, J.A.  A history of research on yeasts 2: Louis Pasteur and his contemporaries, 1850-1880. Yeast 16 (8), 755-771 (2000)

  3. Barnett, J.A.  A history of research on yeasts 3: Emil Fischer, Eduard Buchner and their contemporaries, 1880-1900.                                                                                        Yeast 18 (4), 363-388 (2001)

  4. Barnett, J.A.  A history of research on yeasts 4: Cytology part I, 1890-1950. Yeast  19 (2), 151-182 (2002)

  5. Barnett, J.A.  A history of research on yeasts 4: Cytology part II, 1950-1990. Yeast  19 (9), 745-772 (2002)

  6. Barnett, J.A.  A history of research on yeasts 5: The fermentation pathway. Yeast  20 (6), 509-543 (2003)

  7. Barnett, J.A.  A history of research on yeasts 6: The main respiratory pathway. Yeast  20 (12), 1015-1044 (2003)

  8. Barnett, J.A.  A History of research on yeasts 7: Enzymic Adaptation and Regulation. Yeast 21 (9), 703-746 (2004)

  9. Barnett, J.A.  A history of research on yeasts 8: Taxonomy. Yeast 21 (14), 1141-1193 (2004)

  10. Barnett, J.A.  A history of research on yeasts 9: Regulation of sugar metabolism. Yeast 22 (11), 835-894 (2005) 

  11. Barnett, J.A.  A history of research on yeasts 10: Foundations of Yeast Genetics. Yeast 24 (10), 799-845 (2007)

  12. Barnett, J.A.  A history of research on yeasts 11: The Study of Solute Transport: The First 90 Years, Simple and Facilitated diffusion (1).                                                        Yeast 24 (12), 1023-1059 (2007)

  13. Barnett, J.A.  A history of research on yeasts 13: Active Transport and the Uptake of Various Metabolites. Yeast 25 (10), 689-731 (2008).

WEITERE QUELLEN

- Wikiwand: Alkoholische Gärung - Forschungsgeschichte. Info.

- Wilhelm Kiby. Handbuch der Presshefenfabrikation. Kap. "E. Die Gärung. 1. Geschichtliches".  Springer Fachmedien, Wiesbaden, S. 228-235 (1912). Info.

- Michael Zepf. Die Hefe - das lange unbekannte Wesen. Brau!magazin, Sommer (2015). Info.

- Thomas Redders. Bierhefe - Geschichte, Stämme und Besonderheiten. Hopfenhelden - Das Biermagazin. Info.

- Hugo Haehn. Biochemie der Gärungen. Unter besonderer Berücksichtigung der Hefe. Kap. "Allgemeines und Historisches der Gärung". Walter de Gruyter,

   Berlin, S. 3-40 (1952). Info > pdf: Einleitendes Kapitel.

-  D. Frishman, K. Heumann, H. W. Mewes. Das Hefegenom - von der Sequenz zur Funktion. Spektrum der Wissenschaft 8, S. 22 ff. (1997).  Info.

-  Sven Schönenberg. Der physiologische Zustand und der Sauerstoffbedarf von Bierhefen unter brautechnologischen Bedingungen. Dissertation Technische

   Universität München (2010). Info.

 

 

VIDEOS/TONDOKUMENTE/LINKS

Mehr als 5000 Jahre Geschichte: Bayern 2, 14.04.2016

Bier: Jäger der verlorenen Hefe: ARD Mediathek 17.09.2016

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Linkcheck: 06.03.2020

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