Inhaltsverzeichnis

Braulabor Übersicht 

PDF-Anleitungen

MIKROBIOLOGISCHE GRUNDLAGEN

zur HEFEZÜCHTUNG          Teil II

Anzucht Anstellhefen, physiologische Hefecharakterisierung,

mikrobiologische Zusatzaspekte

  

Stand: 23.09.2019

Impressionen aus dem MUG-Gärlabor mit 

mikrobiologischem

Hefearbeitsplatz.

 

ÜBERBLICK: im Heimbraulabor einsetzbare mikrobiologische VERFAHREN rund um HEFEN und BAKTERIEN            PDF

1 Lichtmikroskopisch basierte Methoden der Hefecharakterisierung                                           --> Mikrobiologisches Braulabor I 

Braulabor 1:     Lichtmikroskop - eine allgemeine Einführung in die Mikroskopie (7 Grundlagen)  - Anleitungen  Info
Braulabor 2:     Lichtmikroskop - Kurzfassung korrektes Mikroskopieren  Anleitung
Braulabor 3:     Mikroskopische Untersuchung der Hefepilze (Frischpräparat, Kontamination, Färbemethoden, Bestimmung Zellgrössen) -
                             Anleitungen
Braulabor 4:     Hefequalität I: Viabilitätstest ("Lebensfähigkeit") - Anleitung
Braulabor 5:     Gesamtzellzahlen bestimmen - Anleitung
2 Wachstum basierte Methoden der Hefekultivation                                                                           --> Mikrobiologisches Braulabor I 
Braulabor 6:     9 Minimaltechniken zu"Steriles bzw. keimarmes Arbeiten" - Vorgehen siehe unten. Liste Desinfektions-/Reinigungsmittel hier
Braulabor 7:     Nährmedienrezepte für Hefen und Bakterien - Vorgehen siehe hier.
Braulabor 8:     Herstellung flüssiger und fester Nährmedien - Vorgehen siehe hier.
Braulabor 9:     Kultivierung von Hefen in flüssigen Nährmedien - Anleitung
Braulabor 10:   Kultivierung von Hefen auf festen Malzagarmedien - Anleitung
Braulabor 11:   Bestimmung der Lebendzellzahl (Verdünnungsreihe) - Anleitung
Braulabor 12:   Bestimmung der optischen Dichte einer Hefeflüssigkultur - Anleitung  (in Bearbeitung)
Braulabor 13:   Erzielung einer Einzelkolonie im Ausstrichverfahren  - Anleitung
Braulabor 14:   Hefe-Stammkulturen auf Schrägagar - Variante 1 aus Hefe-Flüssigkultur hier, Variante 2 aus Hefe-Stammkultur  hier.
Braulabor 15:   Hefe-Stammkulturen in Hefe-Kryoröhrchen - Anleitung   Info Kryoröhrchen
Braulabor 16:   Kontrolle der Stammreinheit - Anleitung
Braulabor 17:   Isolation und Anreicherung wilder Hefen - Anleitung
Braulabor 18:   Isolation obergäriger Brauhefen aus kommerziellen Bierflaschen - Anleitung
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MIKROBIOLOGISCHE ANLEITUNGEN BRAULABOR  TEIL II:
Die Anleitungen 3 - 6 (Braulabor 19-32 sowie die 14 Handlingtipps) umfassen das wichtige Thema der Beimpfung der sterilen Bierwürze  mit vitalen Hefezellen und der optimalen Konzentration, ergänzende Untersuchungen zur Gärleistung und Gesundheit der Hefen sowie ein Spektrum von interessanten Zusatzversuchen und Tipps zur Mikrobiologie der allgegenwärtigen Hefen und anderer Mikroorganismen.
3 Anzucht der Anstellhefen
Braulabor 19:    Bestimmung der optimalen Anstellzellzahl (Hefegabe) - Vorgehen
Braulabor 20:    Hefestarter: Anzucht der Anstellhefen - Anleitung
Braulabor 21   Beimpfung der Anstell-Bierwürze - Anleitung
4 Physiologische Leistungen der Hefe
Braulabor 22:     Hefequalität II: Bestimmung der Hefevitalität  - Anleitung
Braulabor 23:     Bestimmung der Gäraktivität (GF)  - Anleitung  
5 Weitere Aspekte zur Mikrobiologie der Hefe inkl. Brauprozesse
Braulabor 24:     Wie überwacht und regelt man den Gärprozess?  -   Anleitung
Braulabor 25:     Haltbarkeit/Aufbewahrung von Hefen - Hinweise
Braulabor 26:     Wie keimreich ist die Luft im Braukeller? - Anleitung
Braulabor 27:     Kolonienmorphologie: Wie kann man das Aussehen von
                               Kolonien (Hefen, Bakterien, Mikropilze) beschreiben? - Anleitung
Braulabor 28:     Rasche Hefezellzählung und Viabilitätsbestimmung mit Oculyze-
                              Smartphone-Mikroskop   -   Anleitung
Braulabor 29:     Bestimmung der Dichte (Extraktgehalt) von Stamm- und Gärwürzen mit verschiedensten Verfahren - Anleitung
Braulabor 30:     Bestimmung der "Gesamtkeimzahl" (KBE - Kolonie bildende Einheiten der aeroben mesophilen Keime) - Anleitung
Braulabor 31:     Nachweis mikrobieller Bierschädlinge  - Anleitung
Braulabor 32:     Nachweis des zweiten Gärproduktes: Ethanol als energiereiches Endprodukt  (GF)  - Anleitung
GF   Grundlagenversuch zur Wissenserweiterung

6    14 Handlingtipps  (Kurzanleitungen)

Nr. 1  Grundausstattung mikrobiologisches Braulabor  PDF 

Nr. 2  Einrichten eines mikrobiologischen Arbeitsplatzes  PDF 

Nr. 3  Überimpfen mit nur 2 Händen   PDF

Nr. 4  Inkubation von Hefen   PDF

Nr. 5  Wahl der Brauhefen   PDF

Nr. 6  Keimreduktion ohne Schnellkochtopf   PDF

Nr. 7  Kühlverfahren während Gärungsprozess   PDF

Nr. 8  Rehydrierung von Trockenhefen   PDF

Nr. 9  Gefässe verschliessen - wie, wozu?   PDF

Nr. 10  Sterile Impföse durch Ausglühen   PDF

Nr. 11  Links zu wichtigen bierischen Berechnungen   PDF

Nr. 12  Karbonisierung ohne Probleme   PDF

Nr. 13  Extraktwerte: Begriffe und Dimensionen   PDF

Nr. 14  Bieranalytik: Überblick Bierkenngrössen   PDF

 
 

Abb. 1. Anzucht von Hefen unter verschiedenen Bedingungen.

A: Gefäss: Erlenmeyerkolben (EMK) mit Schikanen. Rührer: Magnetrührer. Bedingungen: Umgebungs-

     temperatur.    O2-Eintrag durch Rührer.

B: Gefäss: Dreihals-Kulturflasche mit höhenverstellbarem Rühreinsatz, Mediumstemperaturfühler

     und Seitenhälsen (z.B. für Probeentnahmen, Zugabe von Hefenahrung. Rührer: heizbarer Magnet-

     rührer (20-280°C), gekoppelt mit Temperatursensor. Bedingungen: geregelte Temperatur im EMK.

     O2-Eintrag durch Rührer.

C: Gefäss: Erlenmeyerkolben mit Schikanen. Rührer: Magnetrührer. Bedingungen: Temperatur im

     Minibrutschrank regelbar. O2-Eintrag durch Rührer.

 

Hefen im Lichtmikroskop.  [Quelle: Mikrobiologischer Garten]

ANZUCHT  DER  ANSTELLHEFEN

Begriffsklärungen: Anstellhefen  sind Bierhefe, die zum Anstellen (= Beimpfung) der Hauptgärung in die Anstellwürze gegeben wird; damit wird der Gärprozess ausgelöst. Die Anstellwürze ist die vom Grobtrub und mehr oder weniger vom Feintrub befreite, auf Anstelltemperatur abgekühlte und mit Sauerstoff angereicherte Bierwürze.
Das Ziel der Anzucht von Hefezellen als "Anstellhefen" ist es, genügend vitale Hefezellen bereit zu stellen, sodass eine rasche Angärung der Würze stattfindet. 
Ein zu geringe Anstellmenge verursacht eine schleppende Angärung und verstärkt die Gefahr, dass im Konkurrenzkampf der Wunschbierhefe Kontaminanten wie Bakterien und wilde Hefen eine Chance bekommen, was letztlich zu Fehlgärungen führen kann. Es wurde festgestellt, dass eine geringe Hefegabe unerwünschte Aromen wie Acetaldehyd  ("grüne Äpfel", grasartige Aromen), aber auch Esterprofile (fruchtige, bananenartige Gerüche) verstärkt. In Folge einer zu kleinen Abbaurate der zu geringen Hefezahl  wird auch der Diacetylgehalt (butterartig) höher ausfallen; dies könnte auch die Folge einer Pediokokkeninfektion sein. Bei einem höheren pH-Wert wird unerwünschtes Bakterienwachstum zusätzlich den Anstieg des Dimethylsulfid (DMS, gemüseartig, getreideartig) zur Folge haben. 
Eine zu hohe Anstellmenge erzeugt mehr Wärme und beeinflusst die Geschwindigkeit der Gärung. Auch zuviel Wärme kann zu ungünstiger Geschmacks- und Aromenbildung führen. Zu viele Anstellhefen senken den pH-Wert und helfen dadurch das Bakterienwachstum zu unterdrücken; ebenso wird die Diacetylbildung reduziert.
Fazit: eine gleichmässige und hochstehende Bierqualität verlangt neben anderen Faktoren  - Mineralgehalt Brauwasser + Zusammensetzung Malzschüttung + Art und Menge des Hopfens + Maischprozess/Läuterung/Hopfung + Gärbedingungen insbes. Temperaturführung -  eine genaue Berechnung und Einhaltung der Anstellkonzentration der Bierhefezellen. 
Braulabor 19: Bestimmung der optimalen Anstellzellzahl (Hefegabe, Hefedosage)

Der wichtigste Faktor einer guten optimalen Gärung ist neben der Temperatursteuerung die Beimpfung der sterilen Anstell-

würze mit einer gesunden Hefepopulation in der richtigen Dosierung (Anzahl Hefezellen pro Volumeneinheit, z.B. Mio./mL

Bierwürze). Die Auswirkungen einer 

  • zu tiefen Anstellzahl  bzw. tiefen Hefegabe können sein:

       -  Fehlaroma (zuviel Diacetyl)

       -  vermehrte Bildung von Fuselalkoholen (auch Begleitalkohole geannt: entstehen neben Ethanol als Teilfraktion der

          Fuselöle bei Gärungsprozessen)

          Typische Begleitalkohole sind Methanol, n-Propanol und Isobutanol, die Butanole, die Amylalkohole sowie Hexanol)

       -  Zunahme der Esterbildung (= wichtigste Bukettstoffe --> Aroma des Bieres)

       -  Zunahme flüchtiger Schwefelverbindungen

       -  blockierte Gärungen

       -  Zunahme des Risikos einer Infektion durch schädliche Bierkeime

  •  zu hohen Anstellzahl können sein:

       -  zu geringe Esterproduktion​

       -  sehr rascher Gärungsverlauf (hohe Gärintensität)

       -  Verringerung des Hefezuwachses

       -  Beschleunigung der Reifung (= schnellere Entfernung der Jungbukettstoffe)

       -  dünne oder fehlende Mundigkeit (Verringerung der Bukettstoffbildung)

       -  erhöhte Gefahr einer Hefeautolyse (Hefegeschmack durch Auflösung der Hefezellen bedingt)

 

 

Als Richtwert der Hefedosage gelten 6 Mio. Hefezellen pro 1 mL Anstellwürze bei OG < 1.060. Dieser Wert ist allerdings abhängig vom Stammwürzegehalt: je höher der OG- (original gravity) bzw. Plato-Wert °P ist, desto höher muss die Hefegabe sein. So gibt George Fix (Principles of brewing science, Info) einen Wert von 0.75 x 10^6 Zellen/mL/°P für Ale-Biere, sowie den doppelten Wert 1.5 Mio. Zellen/mL/°P für Lager-Biere an.

Die empfohlenen Anstellwerte schwanken in gewissen Bereichen, wie folgende Zusammenstellung in  Hefezellen x Mio. [10^6]/mL Bierwürze/°P  zeigt:

 -  Wyeast Smack Pack: 0.35 Mio. für Ales* (obergärige* Biere)

 -  Pro Brewer: 0.75 Mio.    für Ales < OG 1.060   (ProBrewer Info)

 -  Pro Brewer: 1.00 Mio.    für Ales > OG 1.060

 -  Pro Brewer: 1.50 Mio.    Minimalwert für Lager

 -  Pro Brewer: 2.00 Mio.    Maximalwert für Lager > OG 1.060

Der Hefespezialist und CEO von White Labs (Info), Chris White  gibt folgende Empfehlungen ab (Info): Ales 0.75 Mio., Lager 1.5 Mio. , Hefeweizen 0.5-0.75 Mio.; bei ganz frisch gezogenen, belüfteten und gut ernährten vitalen Hefekulturen genügen 50% der Richtwertdosierungen. 

 

Die meisten Heimbrauer arbeiten mit einem Gärvolumen von rund um 19-20 L, d.h. zu 19'000 - 20'000 mL Bierwürze sollten 114-120 Milliarden (114-120 x 10^9 bzw. ca. 1.2 x 10^11) vitale Hefezellen zugeführt werden. Es stellt sich somit die Frage: Wieviele Hefezellen sind in den kommerziell erhältlichen Hefeformen (Flüssighefen, Trockenhefen) der bekannten Hefeproduzenten vorhanden?

Zum Vergleich:

  • in einem Wyeast- und White Labs-Flüssighefebeutel sind durchschnittlich 100  (75 - 150) x 10^9 Zellen (7.5-15^10) bzw. 100 Milliarden insgesamt enthalten. Wichtig: die Hefe-Viabilität sinkt um ca. 21% pro Monat, oder um 0.7% pro Tag ab Herstellerabfülldatum - muss rechnerisch berücksichtigt werden!

        [White Labs gibt allerdings für seine PurePitch-Packung ​andere Viabilitätswerte an: 1 Monat 99.21%, 2 Mt. 98.05%, 3 Mt. 90.26%, 4 Mt. 84.28%, 5 Mt. 79.35%, 6 Mt. 71.59% -

        diese Werte müssten bei den Tools 2-4 (siehe unten) durch Änderung des Datums "simuliert" werden]

  • In Fermentis-Trockenhefenbeutel sind in 11.5 g Trockenhefen  = 80 x 10^9 Zellen (80E09 bzw. 80 x 10 hoch 9 Zellen)  = 80 Milliarden enthalten.

  • Lallemand gibt die Zahl von 5^9 Zellen/1 g Trockenhefe (5E09 bzw.  5 x 10 hoch 9 Zellen = 5 Milliarden Zellen), das ergibt pro Beutel mit 11.0 g = 11 x 5^9 Zellen = 55^9 = 55 Milliarden Zellen an.

 

Wie bestimmt man die korrekte Anstellzahl ?   engl. pitch/pitching rate

Die Bestimmung der optimalen Anstellzahl kann auf 3 Wegen erfolgen:

1. Richtwerte/°P: Man hält sich an die empfohlenen Richtwerte pro Grad Plato und berechnet selbst den Anstellzellwert (cf. Vorgehen 1).

2. Richtwerte/°P-Bereich: Man hält sich an die Empfehlungen der beiden Hefeproduzenten Wyeast (Flüssighefen), Fermentis (Trockenhefen) (cf. Vorgehen 2)

3. Internet-Tool: Man bedient sich einer der auf dem Internet befindlichen "Pitch/pitching Rate"-Rechner und erhält bequem den optimalen Richtwert

    (Vorgehen 3). 

Vorgehen 1: eigene Berechnung der Anstell-Hefezellzahl gemäss Anstell-Richtwerten pro mL und Grad Plato

Man wählt je nach Bierart Ales oder Lager den entsprechenden Richtwert aus (1. gemäss obiger Zusammenstellung, 2. gemäss weiterer empfohlener Richtwerte [aus Literatur, Fachartikel, Hefehersteller, Bierforen]) und berechnet den Wert nach dem folgenden Beispiel.

 

Beispiel einer Berechnung der Hefedosage (Anstellhefezellzahl)

Bierart: Ale-Bier

Stammwürze: 12 °P  oder OG 1.048  (°P <--> OG-Umrechner: siehe hier)

Richtwert: gemäss ProBrewer, Chris White 0.75 Mio.

Volumen Anstellwürze: 20 Liter (20'000 mL = 2 x 10^4 mL)

Berechnung:

Hefedosage (= benötigte Hefezellen) = (x mL Bierwürze)  x  (Grade Plato [°P] der Bierwürze)  x  (Anstell-Richtwert) =

                                                                      (20'000)  x  (12)  x  (0.75 x 1000'000  =  750'000)  =  180'000'000'000 Hefezellen = 180 Milliarden = 180 x 10^9 Hefezellen

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Vorgehen 2: vereinfachte Berechnung der Anstell-Hefezellzahl gemäss Anstell-Richtwerten führender Hefeproduzenten

Die Vorgehensweise ist vergleichbar mit dem Verfahren 1, aber mit dem Unterschied, dass mit Flüssighefen der Plato-/OG-Wert nur pauschal (°P/OG < 15/1.060, 15-19/1.061-1.076, > 19/1.076) berücksichtigt wird, mit Trockenhefen gar nur ein Plato-unabhängiger Richtwert genommen wird.

2.1: Hefedosage (Hefegabe, engl. Piching Rates) nach WYEAST-Flüssighefen   

Abb. 3. Hefekonzentration beim Beimpfen (Anstellen) der sterilen Bierwürze in Mio. Hefezellen/mL.

[Quelle: Wyeast, 16.04.2017]. Gravity / Extraktgehalt der Bierwürze in OG Original Gravity / Stammwürzegehalt Grad Plato [°P].

Temperatur Fahrenheit --> Celsius: Umwandler. (60 F = 15.6°C, 65 F = 18.3 °C). Pitch Rate = Anstellkonzentration

Beispiel einer Berechnung der Hefedosage (Anstellhefezellzahl) von Flüssighefen

Bierart: Ale-Bier

Stammwürze: 12 °P  oder OG 1.048  (°P <--> OG-Umrechner: siehe hier)

Richtwert: gemäss WYEAST   6.00 Mio. Zellen/mL.

Volumen Anstellwürze: 20 Liter (20'000 mL = 2 x 10^4 mL)

Berechnung:

Hefedosage (= benötigte Hefezellen) = (x mL Bierwürze)  x  (Anstell-Richtwert) =  (20'000)  x  (6.00 x 1'000'000  =  6'000'000)  =  120'000'000'000 Hefezellen = 120 Milliarden = 120 x 10^9 Hefezellen

Wichtiger Hinweis: die Viabilität von Hefezellen in Flüssigmedien muss bei der Berechnung berücksichtigt werden!

in einem frischen Wyeast-Smack-Pack-Beutel sind anfänglich 100  (75 - 150) x 10^9 Zellen (7.5-15^10) bzw. 100 Milliarden insgesamt enthalten:

   -  frischer WSM-Beutel: 1.2 WSM-Beutel = 120 Milliarden Hefezellen

   -  je nach Alter der Hefen nimmt deren Viabilität ab (cf. Abb. 3: Viabilität von Flüssighefen)

   -  2-Monate alter WSM-Beutel: 2 x 21%-Vitalitätsabzug = 58%-Restzellen = 0.58 x 100 Milliarden

      = 58 Milliarden: 2.06 WSM-Beutel x 58 = 120 Mill.  --> d.h. man müsste 2 WSM-Beutel für die optimale Hefegabe einsetzen.

2.2: Hefedosage (Hefegabe, engl. Piching Rates) nach WHITE LABS-Flüssighefen   
White Labs empfiehlt folgendes einfaches Vorgehen für einen 20-Liter-Ansatz: je nach Grad Plato [°P] bzw. SG (Specific Gravity, der OG Original Gravity hier gleichzusetzen) einfach die entsprechende Anzahl Pure-Pitch-Beutel (PP) einzusetzen. Ein PP-Beutel enthält 100 Milliarden Hefezellen (100 x 10^9). Bei einem
                                                                                                                                                                                                               höheren Stammwürzegehalt (> 12 °P/OG
                                                                                                                                                                                                               1.050) können auch Hefestarter  von
                                                                                                                                                                                                               1 Liter- bzw. 2 Liter-Volumen eingesetzt  
                                                                                                                                                                                                                werden (siehe "Braulabor 20  Hefe-
                                                                                                                                                                                                                starter hier, oder  White Labs).  
                                                                                                                                                                                                                Nicht berücksichtigt wird bei diesem
                                                                                                                                                                                                                Ansatz das Alter der Hefezellen, was sich
                                                                                                                                                                                                                unter Umständen als ungünstig                                                                                                                                                                                                                                auswirken könnte.                                                                                                                                                                                       
 
2.3: Hefedosage (Hefegabe, engl. Pitching Rates) nach FERMENTIS-Trockenhefen
Fermentis erklärt, dass bei ihren Trockenhefen die Zellzahl genau aus dem Gewicht der Trockenhefen berechnet werden kann:                                                                                                                                                                                                                                           d.h. bei 4-6 Mio. Zellen/mL --> 10-16 g ALE-Trocken- 
                                                                                                                                                                                    hefen pro 20 L Anstellwürze (= ca. 0.9 -  1.4 Fermentis-
                                                                                                                                                                                    Hefepackungen à 11.5 g
                                                                                                                                                                                    bei 8-12 Mio. Zellen/mL --> 16-24 g LAGER-Trockenhefen
                                                                                                                                                                                    pro 20 L Würze = 1.4-2 Fermentis-Hefepackungen 11.5 g
 
 
   
                                                                                                                                                  

Beispiel einer Berechnung der Hefedosage (Anstellhefezellzahl) von Trockenhefen

Bierart: Lager-Bier

Stammwürze: 11.5 °P  oder OG 1.046  (°P <--> OG-Umrechner: siehe hier)

Richtwert: gemäss FERMENTIS   8.0 - 12.0  Mio. Zellen/mL.

Volumen Anstellwürze: 20 Liter (20'000 mL = 2 x 10^4 mL)

Berechnung:

Hefedosage (= benötigte Hefezellen) = (x mL Bierwürze)  x  (Anstell-Richtwert) =  (20'000)  x  (8.00 - 12.0 x 1'000'000  =  8'000'000 - 12'000'000)  = 160'000'000'000 - 240'000'000'000 Hefezellen = 160 - 240 Milliarden = 160 - 240  x 10^9 Zellen.

In 1 Trockenhefebeutel mit 11.5 g Trockenhefen  sind 80 Milliarden  (= 80 x 10^9 Zellen (80E09 bzw. 80 x 10 hoch 9 Zellen) enthalten

--> Anzahl benötigter Hefebeutel: 160 - 240 Milliarden/80 Milliarden = 2 - 3 Hefebeutel bzw. 23 - 35 g Trockenhefen  <--> diese berechnete Menge ist grösser als die aufgrund der "Dosage der Fermentis Hefen"-Angaben pro hl angegebene Menge in Abb. 5 ermittelten Mengen; sie stimmt aber mit dem tieferen Wert von 8 Mio. Zellen/mL überein.

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Vorgehen 3: Einsatz der Internet-Tools Brewers friend "Pitch Rate Calculator"

Am einfachsten geht die Berechnung der Hefegabe (Anstellhefezahl) mit Hilfe der insbesondere im
amerikanischen Raume auf dem Internet publizierten interaktiven Werkzeuge ("tools"). Hier werden
2 der wichtigsten Tools vorgestellt und dann die Ergebnisse der verschiedenen Vorgegehensweisen
miteinander verglichen.
                Tool 1: Brewer's Friend "Yeast Pitch Rate and Starter Calculator"
                Sehr einfach zu nutzendes Berechnungstool der Hefedosage. Notwendige Grundinformationen:
     - wählbare Masseinheiten [Volumen: L, Stammwürzegehalt: Grad Plato  °P oder spezifisches Gewicht OG]
     - Volumen Anstellwürze [L]
     - Stammwürzegehalt [°P oder OG]
     - theoretische Anstellkonzentration (je nach Bierart und Autorenquelle wählbar)
     - zur Beimpfung eingesetzte Hefequelle (Flüssig-, Trocken-, Erntehefe)
     - Produktionsdatum der Hefe
 Daraus werden folgende Angaben berechnet:
     - 1: Viabilität [%]
     - 2: verfügbare lebende Zellen (in  US-"billions" = Milliarden [1'000'000'000 = 10^9 (Zehn hoch 9)] Zellen)
     - 3: Anstellkonzentration in x Millionen Zellen pro mL und pro  °P [ 10^6 Zellen/mL/ °P]
     - 4: optimale Gesamthefezahl in 10^9 Zellen
     - 5: Defizit zur Gesamthefezahl in 10^9 Zellen

Beispiel einer Berechnung der Hefedosage (Anstellhefezellzahl) von Flüssighefen

Bierart: Ale-Bier

Stammwürze: 12 °P  oder OG 1.048  (°P <--> OG-Umrechner: siehe hier)

Richtwert: Pro Brewer 0.75 (Ale)

Volumen Anstellwürze: 20 Liter (20'000 mL = 2 x 10^4 mL)

Berechnung der Hefegabe:

- verfügbare gärfähige Hefezellen:     57 x 10^9

- Anstellkonzentration:                         0.24 x 10^6/mL/°P

- anvisierte Gesamthefezahl:              179 x 10^9 = 179 Milliarden Hefezellen

- Defizit:                                                  122 x 10^9     --> Schlussfolgerung: entweder Hefe-Starterkultur ansetzen/ oder mehr (frischere) Flüssighefen kaufen und

                                                                                                zusammen mit der älteren Flüssigkultur einsetzen

 
 
                  Tool 2: Captain Brew "Yeast Starter & Pitrch Rate Calculator"
                  Auch dieses Tool ist sehr einfach zu bedienen.
                  Zudem sind gerade auch, falls notwendig,
die Berechnungen zu Hefestarterkulturen integriert.
Notwendige Grundinformationen:
1: unter "Wort Properties" (Anstellbierwürze):
     - Richtwert Anstellkonzentration (wählbar)
     - Volumen Anstellwürze [L]
     - wählbare Masseinheiten [Volumen: L]
     - Stammwürzegehalt [OG]
     - "Go"-Button  --> löst Berechnung der optimalen
        Gesamthefezahl aus
2: unter "Liquid Yeast Properties" (Viabilitätsberechnung):
      - anfängliche Zellkonzentration
      - Produktionsdatum der Hefe
      - "Go"-Button  --> löst Berechnung der Viabilität und
          Gesamtzahl Hefezellen am Ende der Anzucht aus
3: unter "Step 1" (Propagationsstufe 1):
      - Belüftungsverfahren (wählbar)
      - Volumen des Hefestarters [L]
      - wählbare Masseinheiten [L]
      - Starterwürzekonzentration [SG - Specific Gravity]
      - "Go"-Button  --> löst Berechnung der Impfkonzen-
        tration/L (Gesamtzellzahl in 10^9), Wachstums-
        faktor und Gesamtzellzahl in Milliarden (10^9) aus
4: unter "Step 2" und "Step 3":
      weitere Propagationsschritte falls notwendig

                  Tool 3: YeastCalc von D.J. Sullivan "YeastCalc"
                  Dieses Tool liefert genau die gleichen Informationen wie Tool 2,
                  ist aber etwas übersichtlicher gestaltet und sprachlich bei den
Hefestarterschritten verständlicher verfasst.
Unter "Options" kann das metrische System aktiviert werden [L], [g]. 

                  Tool 4: BrewUnited "Yeast Starter Calculator"
                  Dieses Tool liefert genau die gleichen Informationen wie Tool 2
                  und 3, ist aber noch einfacher und übersichtlicher gestaltet, 
umfasst mehr Parameter und gibt zu jeder erfassten bzw. berechneten
Information unter dem ?-Symbol eine umfassende Erklärung.
Unter "Settings" können Einstellungen (metrisches System, Erklärungs-
infos) aktiviert werden.

                                                                                                                                     Vergleich der Resultate der verschiedenen Verfahren bei gleichem Biertyp

                                                                                                                                     - 1: eigene Berechnung:             180'000'000'000 Hefezellen = 180 Milliarden

                                                                                                                                                                                                                                            = 180 x10^9 Hefezellen 

                                                                                                                                     - 2: vereinfachte Berechnung:   120'000'000'000 Hefezellen = 120 Milliarden

                                                                                                                                                                                                                                             = 120 x10^9 Hefezellen

                                                                                                                                     - 3: Brewer's friend Tool 1:         179'000'000'000 Hefezellen = 179 Milliarden

                                                                                                                                                                                                                                             = 179 x10^9 Hefezellen  

                                                                                                                                     - 4: Captain Brew Tool 2:            179'000'000'000 Hefezellen = 179 Milliarden

                                                                                                                                                                                                                                              = 179 x10^9 Hefezellen  

                                                                                                                                     - 5: YeastCalc Tool 3:                   179'000'000'000 Hefezellen = 179 Milliarden

                                                                                                                                                                                                                                              = 179 x10^9 Hefezellen  

                                                                                                                                     - 6: BrewUnited Tool 4:               179'000'000'000 Hefezellen = 179 Milliarden      

                                                                                                                                                                                                                                               = 179 x10^9 Hefezellen                                                                                                                                                                                                         

                                                                                                                                     Die Grössenordnung der erhaltenen Gesamthefezahl ist allen Verfahrensweisen

                                                                                                                                     1 bis 6 in etwa identisch, Verfahren 2 weicht um 1/3 ab. Entscheidend ist aber

                                                                                                                                     die Zahl der noch lebenden Hefezellen, die beim  Tool 1 - 4 automatisch zur 

                                                                                                                                     Berechnung mitberücksichtigt wird. 

                                                                                                                                     Hinweis: White Labs gibt für seine PurePitch-Packung günstigere Viabilitätswerte an (cf. hier;                                                                                                                                                      durch Änderung des Produktionsdatums können in den Tools diese Werte simuliert werden).                                                                                                                                        

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EMPFEHLUNG:    im Prinzip liefern alle Verfahren brauchbare Ergebnisse, aber   Verfahren 3/ Tool 4   ist das umfassendste und eleganteste und sehr einfach zu bedienende Werkzeug.

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Weitere Infos:   Allg. Inf0 1    Brew Your Own: Info 2     Wyeast Labs:  Info 3    Mr. Malty 
 

Abb. 4. Die Viabilität von Hefen in Flüssigkultu-ren nimmt mit der Zeit ab. Richtwerte: 21%/Monat, 0.7%/Tag.    

[Quelle:    Brad Smith, 2012, Info]

Abb. 5. White Labs Empfehlungen für die Hefegaben mit ihren Flüssighefen.                                         [Quelle, 19.09.2017]                                                               

Abb. 6. Fermentis Empfehlungen für die Hefegaben mit ihren Trockenhefen.

* Lager-Hefe: Konzentrationsangaben für eine Gärung bei 12-15°C; bei Temp. unter 12°C sollte man die Hefemenge

bis auf  40-60 g erhöhen (bei 9°C) erhöhen.                                                                 [Quelle: Fermentis-Broschüre]                                                                   

Abb. 7. Eingabemaske "Brewer's Friend" zur Berechnung der Hefeanstellmenge

                                                                     [nach Brewers Friend]

Abb. 8. Eingabemaske "Captain Brew" zu verschiedenen Berechnungen rund um die Hefegaben: 1. "Wort Properties" - Hefegabe zur Anstellwürze, 2. "Liquid Yeast Properties" - Hefe-Viabilität der Impfkultur, 3. "DME-Calculator" - OG-TME-Rechner zum Hefestarter (DME engl. = TME Trocken Malz Extrakt), 4. Step 1 bis Step 3: Rechner zum mehrstufigen Propagationsverfahren (beim gewählten Beispiel ist nur 1 Propagationsschritt notwendig, um die optimale Anstellhefezahl zu erreichen).

Abb. 9. Eingabemaske "YeastCalc" zu verschiedenen Berechnungen rund um die Hefegaben.

Neben der Hauptinformation (Gesamthefezahl) lassen sich die Hefe-Viabilität (Liquid Yeast Properties), die erforderliche Hefestarter-Malzkonzentrationen (DME Calculator) sowie bis zu 3 Propagationsschritte (1st - 3rd Step) berechnen.

Abb. 10. Eingabemaske zum BrewUnited "Yeast Starter Calculator".

Neben der Hauptinformation ("Your Wort Details" --> Gesamthefezahl) lassen sich die Hefedaten ("Your Yeast Details" --> Viabilität,  die metabolisch aktive Gesamt-hefezahl für die Anstellwürze) sowie die Hefestarterinformationen über 4 Propa-gationsstufen errechnen.

 

Abb. 2. Anzucht von Anstell-hefen über mehrere Stufen.

 
Braulabor 20: Hefestarter: Anzucht der Anstellhefen ("Stellhefe")
Eine optimale Fermentation der Anstellwürze hängt von vielen Faktoren ab, z.B. dem anfänglichen
Sauerstoffgehalt in der Würze beim Anstellen, der richtigen Temperatur in den  verschiedenen
Phasen der Gärung, vor allem aber von gesunden und aktiven Hefezellen und einer adäquaten
Zellkonzentration. Dies wird mit dem sog. Hefestarter versucht, mit dem die Anstellwürze beimpft
wird.
Ein Hefestarter ist letztlich ein sehr kleiner Gäransatz von Bierwürze mit Hefen, in der Regel 1 bis
2 Liter pro 20 Liter Endvolumen. Dieser kleine Gäransatz bzw. Nährlösung dient als Vermehrungs-
grundlage entweder von selbstgezüchteter Hefe (= Hefepropagation mit nur einer Stufe) ab einer
Stammkultur oder von einer gekauften kommerziellen Hefekultur. Damit soll eine optimale Zell-
konzentration (Anstellzellzahl) , ein voll aktiver Zuckerstoffwechsel und an die jeweiligen Um-
gebungsbedingungen (Zuckergehalt, Temperatur) metabolisch angepasste Hefezellen zur Ver-
fügung stehen, damit die Gärung nach kurzer Anlaufphase voll anlaufen kann.  
Die Starterkultur lässt man so lange wachsen, bis die erforderliche Zellzahl (cf. Braulabor 18)             
erreicht  wird.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        
Genaues Vorgehen: PDF-Dokument "Hefestarter/Hefepropagation - Herführung der Anstellhefe"         
                                                                                                                                                                                
Info zu Hefestarter.                                                                                                                                                                                        
 

Abb. 11. Von der 1. Stufe, einer Stammkultur (oder auch Trockenhefebeutel, Flüssigkultur, Bierflaschenhefesedi-ment) geht es in eine  2. Stufe, eine Flaschenkultur und evtl. auch noch in eine 3. Stufe, der Animpfkultur (Anstellkultur, Stellhefen).

 
Braulabor 21: Beimpfung der Anstell-Bierwürze

Das Anstellen der Bierwürze, der sog. Anstellwürze ist nichts anderes als die Zugabe der Hefe zur sterilisierten Würze,

die den Vermehrungsprozess der Hefen und den daran anschliessenden Gärund Reifungsprozess der Bierherstellung

einleitet. Das Anstellverfahren entscheidet die Dauer der Gär- und Reifungsphase sowie die Qualität des Bieres. Dazu

gehören die bereits besprochene 1. Höhe der Hefegabe (cf. "​Braulabor 19: Bestimmung der optimalen Anstellzellzahl

(Hefegabe, Hefedosage)", 2. das Verfahren der Anzucht des Hefestarters (cf. "Braulabor 20: Hefestarter: Anzucht der

Anstellhefen"), 3. der Zeitpunkt und die Form der Hefegabe, 4. das Einmischungsverfahren sowie 5. die Anstelltempe-

ratur und 6. die Zeitdauer der anfänglichen Würzebelüftung.

Im Braulabor 21 werden nur noch die Punkte 3-6 besprochen.

Genaues Vorgehen: PDF-Dokument "Beimpfung der Anstell-Bierwürze" 

Abb. 12. Beimpfung (oder Anstellen) der Anstellwürze mit Hefen.

 
Braulabor 22: Bestimmung der Hefevitalität   ("Gesundheitszustand", potenzielle Gärleistung)

Im Braulabor 4 wird die Hefeviabilität oder Lebensfähigkeit der Hefe behandelt: Darunter versteht man die Anzahl

und der Anteil an lebenden Hefezellen in einer Hefepopulation. Diese Kenngrösse ist einer der wichtigsten Faktoren,

welche sowohl den Geschmack als auch die Qualität des Bieres beeinflusst. 

Unter Hefevitalität werden verschiedenste physiologische Kenngrössen verstanden, welche eine Aussagen über die 

potenzielle Gärleistung oder Gärleistungsvermögen der Hefen im voraus ermöglichen sollen, populär wie "gesund"

im Sinne von gärfreudig ein momentaner Hefestamm ist. Dazu gehören für den Heimbrauer wenige machbare Tests

wie das Säurebildungsvermögen  (der sog. APT, Acidification Power Test), ein CO2-Drucktest  und ein Test zur Gärgeschwin-

digkeit.  

Genaues Vorgehen: PDF-Dokument "Bestimmung der Hefevitalität" 

Abb. 13. Wie misst man die Vitalität von Bierhefen - 3 mögliche Ansätze.

 
Braulabor 23: Bestimmung der Gäraktivität  (Grundversuch) 

Hefen brauchen wie alle Lebewesen Nahrung als Energiestoff- und Baustoffspender. Hefen

haben einen ganz besonderen Stoffwechsel dazu: sie können bei Anwesenheit von Sauerstoff

aerob leben (und sich dann vor allem vermehren --> Anstellhefen nach Belüftung!)  und bei

Fehlen von Luftsauerstoff anaerob weiter leben dank dem Stoffwechselprozess der alkoho-

lischen Gärung (Abb. 14). Sie werden deshalb als fakultativ anaerobe Organismen bezeichnet.

Ihr Grundnahrungsmittel sind Kohlenhydrate, primär Einfachzucker und Doppelzucker wie z.B.

Traubenzucker (Glukose) und Fruchtzucker (Fruktose) und Malzzucker (Maltose) und Haushalts-

zucker (Saccharose). Gärende Hefen vermehren sich kaum, da sie wesentlich weniger biologische

Energieträger gewinnen können im Vergleich zur O2-abhängigen Atmung (2 ATP vs. 32 ATP-Mole-

küle). Hefen sind aber verschieden angepasst an die ihnen angebotenen Zuckerarten. Dies hängt

von den "Schrittmachern des Stoffwechsels" ab, den Enzymen. Je nach Zuckermischangebot und

dem Anzuchtmedium der Hefen läuft dann die Gärung, zumindest anfänglich, aufgrund des

Zuckerangebots und der "stimulierten" Enzyme verschieden rasch ab. Je nach Zuckerart ziehen

sie die eine der anderen Zuckerart vor, was z.B. bei der Weingärung mit den Zuckern Glukose

und Fruktose zu einer Restsüsse führen kann. Im direkten Vergleich der Abbaugeschwindigkeit

mit unterschiedlichen Zuckerarten zeigen sich Unterschiede in der Gärintensität. 

                                                                                        Die hier vorgestellten Grundversuche haben 

                                                                                        für das Brauhandwerk keine direkte Anwendung

                                                                                        ausser der Stimulation des Interesses am

                                                                                        Hefestoffwechsel und dem Grundlagenver-

                                                                                        ständnis der alkoholischen Gärung. Siehe dazu auch die Ausführungen auf der Website "Biologie der

                                                                                        Gärung" hier.  Mit diesen Versuchsansätzen können die qualitativen und quantitativen Fragen "Welche

                                                                                        Zuckerarten können vergärt werden?" und "Wie rasch läuft eigentlich die Gärung ab"? beantwortet werden.

                                                                                        Genaues Vorgehen: PDF-Dokument "Bestimmung der Gäraktivität" 

Abb. 14. Die beiden Hauptstoffwechselwege in der Hefe: aerobe Atmung und anaerobe Gärung. 

[Quelle: Keweloh, 2016, mod.]

Versuch_Zuckergärung_logo.jpg

Abb. 15. Einfache aber eindrückliche Gärversuche mit unterschiedlichem "Hefefutter" (verschiedene Zuckerarten).

 
Braulabor 24: Wie überwacht und regelt man den Gärprozess?

In vielen Büchern zur Brautechnik des Heimbrauers wird über die Gärung nach der Hefezugabe kaum noch gesprochen.

Welche Parameter sind wichtig zu messen und sogar zu regeln? Was beeinflusst die Qualität des entstehenden Bieres?

Wie lange dauert die Gärung und woran erkenne ich, dass sie abgeschlossen ist? 

Letztlich sind es neben der korrekten Hefeanstellkonzentration (--> Braulabor 19), der für den Bierstil richtigen Stamm-

würze, der genügenden Sauerstoffkonzentration in der Startphase der Gärung (--> Braulabor 21) vor allem die Regelung

der optimalen Temperatur, Messung der Extraktgehalte (spezifisches Gewicht) während der Gärung und die Verfolgung

eines der Gärprodukte, der Kohlenstoffdioxidabgabe. Die Messung und/oder Regelung dieser Parameter einzeln konti-

nuierlich im Gärfass während der

Hauptgärung sowie alle zusammen kombiniert wird im Braulabor 28 besprochen.

 

Genaues Vorgehen: PDF-Dokument "Der Gärprozess: Überwachung und Regelung" 

Abb. 16. Der Gärprozess kann auf  

einfache Weise, aber auch aufwändiger überwacht und gesteuert werden.

Braulabor 25: Haltbarkeit/ Aufbewahrung von Hefen

Bierhefen kann man heute bequem im Braushop beschaffen, sei es in Form von Trockenhefen oder als sog.

Flüssighefen. Das Angebot ist sehr gross, allerdings müssen diese Hefen natürlich jedesmal neu gekauft werden,

was insbesondere bei einer höheren Anstellzahl bei den bezüglich vielfältigen Bierstämmen der Flüssighefen finan-

ziell spürbar werden kann. Zudem muss es einen ambitionierten Bierbrauer reizen, "seine" Hefen doch weiter zu

kultivieren und die Reinstammkulturen korrekt zu halten. Daher ist das Wissen um Haltbarkeit und Aufbewahrung

von Hefen, insbesondere auch von selbst isolierten Hefen (Wildhefen, Bierflaschenhefen) erforderlich. Auch ist die

ständige Verfügbarkeit der Hefen bei sich zuhause ein Grund dafür, seine "eigenen" Hefen aufzubewahren.

Genaues Vorgehen: PDF-Dokument "Aufbewahrung von Hefen" 

 
 

Abb. 17. Reinstammkulturen auf Schrägagar - eine einfache Möglich-keit zur Aufbewahrung von Bierhefen.

 
Braulabor 26: Wie keimreich ist die Luft im Braukeller?

Die Luft enthält mikroskopisch kleine, lebende und tote Partikel; unter den Lebenden findet man beispielsweise Viren, Bakterien, Archäen, Pilze, Algen. Konsequenz: Mikroorganismen sind überall, vor allem Bakterien und Pilze (Pilzsporen als Vermehrungs- und Überdauerungsorgane) machen dem Brauer als Kontaminanten zu schaffen. Allerdings hat der Laie kaum eine Vorstellung, wie viele Keime sich in der Luft z.B. eben auch im Braukeller befinden. Der Mensch atmet zwischen 10'000 und 20'000 Liter Luft täglich, und jeder Atemzug (ca.  0.5 L Luft) enthält zwischen 1 und 10 Pilzsporen (Viviane Després, Universität Mainz, 2009). Keimarm oder im Idealfall möglichst keimfrei zu arbeiten ist die beste Voraussetzung, um keine Fehlgärungen oder Überraschungen z.B. bei der Haltung von Hefereinkulturen als Stammkulturen zu erleben.

Von diesen Überlegungen her ist es interessant, einmal selbst zu erkleben, wieviele Keime sich da in der eigenen Umgebung aufhalten.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Genaues Vorgehen: PDF-Dokument "Luftkeime: Fangplattenversuch. Wie keimreich ist die Luft im Braukeller?" 

Abb. 18.1. Partikelanzahl und Partikelgrösse in 1 Liter Luft (Standort: Unigebäude Zürich-Irchel).

Partikel < 1 µm sind dominierend mit einer  Zahl von ca. 75'000/1 L. Die Zahl möglicher lebensfähiger Partikel in der Grössenordnung von > 1 µm ist viel geringer: die Abb. 18.2 Keimfähige Partikel* zeigt einen Maximalwert der Bakterien von ca. 180 pro m3, während die Zahl der Pilze bei ca. 60/m3 liegt. Im Freien ist das Verhältnis Bakterien zu Pilze meist umgekehrt, d.h. draussen dominieren die Pilze.

*: Man nimmt an, dass nur ca. 1% der gesammelten Luftkeime auf den Nährmedien wachsen können, die absolute Keimzahl ist also wesentlich grösser! Aber die relativen Vergleiche sind trotzdem aussagekräftig.

Abb. 19. Richtlinien zur Keimkonzentrationen [Keime/m3] in Innenräumen. cf. weitere Richtlinien: Schimmelpilze

[Quelle Abb. 16/17: Uni Zürich, H. Brandl, 2004].

Aus den Abb. 18.1/18.2 geht hervor, dass von den vielen Luftpartikeln lange nicht alle mit Mikroorganismen beladen sind;

aber trotzdem dürfen diese Luftkeime keineswegs vernachlässigt werden. Die Abb. 11 im "Braulabor 6  Minimaltechniken

steriles Arbeiten" zeigen deutlich die hohe Keimbelastung über die Zeit hinweg gesehen (Abb. hier).

Abb. 20. Luftfangplatte mit Aspergillus (Giesskannen-schimmel) u.a. Kolonien.

 
Braulabor 27: Kolonienmorphologie: Wie kann man das Aussehen von  Kolonien (Hefen, Bakterien, Mikro-
                           pilze) beschreiben?

Bakterienkolonien bzw. Mikroorganismenkolonien sind auf oder in einem festen Nährboden mit dem Auge sichtbare

Mikroorganismenansammlungen, die normalerweise durch Wachstum und Vermehrung aus einer (auch z.T. aus

mehreren "zusammengeklebten") Ursprungszelle  entstehen. Grösse, Durchmesser, Beschaffenheit der Oberfläche,

Form des Kolonierandes, Farbe der Kolonie und andere Eigenschaften sind taxonomische Merkmale und können zur

Unterscheidung von Mikroorganismenarten dienen. Die Beschreibung von Kolonieformen, also das äussere Aussehen

kann verschiedenen Zwecken dienen, einerseits einfach dem Interessen, wie Mikroorganismenkolonien, insbesondere

natürlich Hefekolonien aussehen, wie sich die verschiedenen Hefestämme optisch - wenn überhaupt - unterscheiden

und vor allem ob es sich um Reinkulturen handelt. Eine Kontamination kann meistens anhand der Kolonienmorphologie

festgestellt werden!

Die Kolonien eines Ausstrichs einer Reinstamm-Hefekultur, den man als rein betrachtet, müssen alle vom selben Typ 

sein, d.h. sie müssen in ihrem Aussehen (Form, Farbe usw.) untereinander (und mit der Ausgangskolonie) überein-

stimmen.                      

Genaues Vorgehen: PDF-Dokument "Kolonienmorphologie - das Aussehen von Kolonien" 

Abb. 21. Die Morphologie (Aus-sehen) einer Hefekolonie lässt Rück-schlüsse auf die Stammreinheit zu.

Braulabor 28: Rasche Hefezellzählung und Viabilitätsbestimmung mit Smartphone-Mikroskop (System
                          "Oculyze")

Zu einer umfassenden Analyse der Brauhefen gehört die Bestimmung der Zellkonzentration als Zellzahl/mL und

eine Viabilitätsbestimmung. Die üblichen Verfahren der Gesamtzellzahlbestimmung mittels einer Zählkammer und

die Viabilitätsbestimmung mit dem Methylenblautest sind im Braulabor 5 ("Gesamtzellzahlen bestimmen") und im

Braulabor 4 ("Hefequalität 1: Viabilitätstest ("Lebensfähigkeit")) ausführlich beschrieben.

Das Oculyze-Mikroskopsystem bestehend aus Smartphone und Mikroskopaufsatz, einer Web-App und einer Cloud-Bild-

erkennungssoftware (Bildauswertung, Metaanalyse, Datenverwaltung) führt unmittelbar nach der Messung eine

automatische Zellkonzentrations- und Viabilitätsanalyse durch und ermöglicht Rückschlüsse über den Zustand der

Probe in sehr kurzer Zeit.

Neben der Bestimmung der optimalen Hefekonzentration (cf. Braulabor 19 "Bestimmung der optimalen Anstellzellzahl

(Hefegabe)") kann auch für Hobbybrauer in der Weiterkultivierung der Hefe (Wiederanstellen) eine Herausforderung

liegen. Denn bei einem gelungenen Sud möchte man das Ergebnis mit dem eingesetzten Hefestamm reproduzieren

können, ja sogar eine Geschmacksverbesserung kann sich mit diesen Hefen nach dem ersten Braudurchgang ergeben.

Für Kleinbrauereien kommen dann noch die Kosten ins Spiel, wenn aufgrund der Hefeanalysen diese mehrfach

wieder verwendet werden können. 

Für Heimbrauer ist das System nicht billig, aber es ist für ambitionierte Brauer ein System, das den Forschergeist

und die Lust auf Experimente mit seinen Hefen weckt (und verglichen mit automotiven Hobbys geradezu günstig ....)

Info Oculyze.  Funktionsweise.    Vertiefte Info.

Genaues Vorgehen: PDF-Dokument "Hefezellzahl-/Zellgrössen- und Viabilitätsbestimmung mit dem Smartphone-Mikroskop Oculyze bestimmen" 

Abb. 22. Das Oculyze-Analyse-verfahren mit Spezialmikroskop und Cloud-Auswertung ergibt sehr rasch Einblick in die Hefezellzahlen und die Hefeviabilität.

 
Braulabor 29: Bestimmung der Dichte (Extraktgehalt) von Stamm- und Gärwürzen mit verschiedensten
                           Verfahren

Die Bestimmung des Extraktgehaltes während ganz bestimmter Phasen im Brauprozess ist eine der wichtigsten

Kenngrössen beim Brauen. Der Extrakt enthält neben den gelösten vergärbaren und nicht vergärbaren Zucker- 

arten auch alle anderen gelösten Stoffe aus Malz, Hopfen und evtl. weiteren Zutaten. Etwa 60% der gesamten

Extraktmenge ist vergärbar (vgl. Abb. 1 hier). Aber auch die unvergärbaren Zucker, Hopfenprodukte, Mineralstoffe,

Eiweisse, Vitamine u.a. sind für den Charakter eines Bieres wesentlich. Der Extraktgehalt der Stammwürze ändert

sich während der Gärung, da die vergärbaren Zucker in Alkohol C2H5OH und Kohlenstoffdioxid CO2 umgewandelt 

werden. 

Der Extraktgehalt wird im deutschen Sprachraum in Gewichtsprozenten angegeben [Gew.-/Gew.%, GG%, %gew)

oder auch direkt in Massenprozent Masse-%, %mas]. Die Angabe in "% Extraktgehalt" wird auch als "Grad Plato" [°P]

bezeichnet (SKALA meist 0 BIS 20 °P). 1 °P entspricht 1 Gew.-% Saccharose.

Bsp.: in einer Würze mit 10% Extraktgehalt sind 100g Extrakt in 1000 g Würze gelöst, oder anders formuliert 100 g Extrakt

+ 900 g Wasser ergeben eine 10%ige Würzelösung.

Im angelsächsischen Raum dominieren die Angaben als volumenbezogene Gemischtprozente (Gemischt-%, %vol,

SG specific gravity (Werte zwischen 0000 (auch 0.000) - 1083 (auch 1.083) [Info], OG original gravity (Stammwürze),

FG  final gravity bzw. TG  terminal gravity). 

Umrechnung:  Extraktgehalt (%)  =  (SG - 1000)/4

                        SG  =  Extraktgehalt (%)  x  4  +  1000      [Umrechner SG --> Plato].

Der Extraktgehalt wird meist klassisch über die Dichte bestimmt: dazu werden Aräometer (Saccharimeter: "Bierspindeln") verwendet (Info 1, Info 2).

Die Lichtbrechung durch zuckerhaltige Lösungen in Refraktometern (Handrefraktometer, digitale Refraktometer) wird in der Masseinheit der relativen Dichte von Flüssigkeiten als Grad Brix (auch °Brix, °Bx, Brix, %Brix) angegeben. Umrechnung in °P:   1 °P  =  1.04 °Bx.    °P = °Bx/1.04.   Bsp.: 11.2 °Bx/1.04  =  10.8 °P.  

[Umrechner °Bx --> °P --> SG]. Weitere innovative Messsysteme beruhen der dichteabhängigen Veränderung des Neigungswinkels eines Schwimmkörpers, aus der die SG errechnet werden kann (Tilt-Hydrometer) und auf der in der Brauindustrie bewährten Dichtemessung nach dem Biegeschwingerprinzip (oscillating U-tube), bei dem in einer Flüssigkeit je nach Dichte eine definierte Schwingungsfrequenz entsteht  (Info 1, Info 2). 

Info Messsysteme:   Aräometer      Bierspindeln      Refraktometer      Digital-Refraktometer     Refraktometer für Stammwürze     eDrometer     

TILT-Hydrometer     EasyDens     Extrakte und Endvergärungsgrad.

Genaues Vorgehen: PDF-Dokument "Bestimmung der Dichte (Extraktgehalt) von Stamm- und Gärwürzen mit verschiedensten Verfahren" 

 

Abb. 23. Hydrometer klassisch und digital - 2 von 6 verschiedenen Extrakt-messsystemen, behandelt im Braulabor 29.

Braulabor 30: Bestimmung der "Gesamtkeimzahl" (KBE - Kolonie bildende Einheiten der aeroben mesophilen Keime)

Grundlegende Informationen zu Mikroorganismen im Trinkwasser bzw. Brauwasser, schwerpunktmässig Bakterien, sind unter "MUG-MIKROBRAUEREI > "Brauwasser" >  2.12. Kenngrösse 11: Die MIKROBIOLOGISCHEN Kenngrössen  (siehe hier) zu finden.   

Ergänzende Informationen mit Schwerpunkt auf der quantitativen Erfassung von "Keimzahlen" als

KBE - Kolonie bildende Einheiten - sind unter "MUG - BRAUPROZESSE & BIERE" > "Physikalisch-chemisches

Braulabor" > 3.11. Die Bestimmung der "mikrobiellen Belastung" durch Erfassen der "Kolonie bildenden

Einheiten (KBE)" (siehe hier) zu finden.

Das genaue Vorgehen ist im  PDF-Dokument "Gesamtkeimzahl - KBE aerober mesophiler Keime" beschrieben.

Zusatzinfo: Info 1   Info 2    Info 3 neues Verfahren (Durchflusszytometrie)

 
Nähragar_Bakterien.jpg
Keime im Trinkwasser.jpg

Abb.  24.  KBE-Keimzahlbestimmung.

Die klassische Keimzahlbestimmung als KBE (= Kolonie bildende Einheiten) beruht auf dem Wachstum von Bakterien auf einem Standard-Nähragar.

Abb. 25. Keime im Trinkwasser.

Auch in gutem oder aufbereiteten Trink-wasser hat es immer mikrobielle Keime. 

CH-Toleranzwert 300 KBE/mL nach klassischer Wachtumsmethode auf Nähragar. 

Nach der neuesten physikalischen Methode der  Durchflusszytometrie: Hygienisch sauberes Hahnenwasser und Mineralwässer enthalten in der Regel 10´000 bis ca. 200´000 Bakterien pro Milliliter (Info, Beispiel).

 

 

Braulabor 31: Nachweis mikrobieller Bierschädlinge   mehr INFO zu Fremdkeimen hier

                                                                                                                                             Bierschädlinge.

                                                                                                                                             Das unerwünschte Wachstum von bierschädlichen Bakterien kann zu

                                                                                                                                             Geruchs-, Geschmacks- oder Farbveränderungen führen und somit die

                                                                                                                                             Qualität des Bieres beeinträchtigen. So werden Brauprodukte bei

                                                                                                                                             Kontaminationen mit Lactobacillus brevis zum Beispiel trüb und sauer, bei

                                                                                                                                             Kontaminationen mit Pediococcus damnosus erhalten sie einen buttrigen

                                                                                                                                             unangenehmen Geschmack. (allg. Info)

                                                                                                                                             

                                                                                                                                             Einteilung.

                                                                                                                                   Man unterscheidet zwischen drei Gruppen von Bierschädlingen:

                                                                                                                                             1. Obligat bierschädliche Mikroorganismen: Bakterien sind die heikelsten 

                                                                                                                                                  Bierkontaminanten. Sie verursachen immer verdorbenes Bier.

                                                                                                                                                  Bsp.: Lactobacillus brevis (Info), Pediococcus damnosus (Info),  Megasphaera                                                                                                                                                      spp. (Info), Pectinatus spp. (Info)

                                                                                                                                             2. Potenziell bierschädliche Mikroorganismen:  Bakterien dieser Gruppe

                                                                                                                                                  wachsen nur unter ganz bestimmten Milieubedingungen wie erhöhter pH-

                                                                                                                                                  Wert, niedrigem Hopfengehalt, niedriger Alkoholgehalt. Bsp.: verschiedene

                                                                                                                                                  Milchsäurebakterien (Lactobazillen), Fremdhefen wie Saccharomyces                                                                                                                                                                  diastaticus (Info).

                                                                                                                                             3. Indirekt bierschädliche Mikroorganismen: Diese Organismengruppe kann                                                                                                                                                      nicht im Bier wachsen, aber in den Rohstoffen und Vorprodukten                                                                                                                                                                    vorhanden sein und Geschmacksfehler verursachen.

 

 

Daneben werden noch Indikatorkeime und harmlose Begleitflora (Latenzkeime) unterschieden. Indikatorkeime zeigen unzureichende Hygiene und fehlerhafte Reinigung an; typische Indikatorkeime: Essigsäurebakterien Acetobacter pasteurianus und Gluconobacter; Klebsielle pneumoniae. Indikatorkeime wachsen nicht im Bier.

Die harmlose Begleitflora sind weit verbreitete ubiquitäre Keime, die auch im Bier vorkommt, aber während der Gärung abstirbt, kann durch Stoffwechsel-produkte das Endprodukt verändern und sind ebenfalls Indikatoren für mangelnde Hygiene. Beispiele: Mikrokokkus, Clostridien, Bacillus, Entereobacteriaceen, Escherichia, Rhodotorula, Brettanomyces (Info).

Unerwünscht sind auch Fremdhefen, also nicht angeimpfte Kulturstammhefen, die Alkohol als C-Quelle verwerten und unerwünschte Aromastoffe bilden.

 

Kontaminationswege. 

Prinzipiell kann eine mikrobielle Verunreinigung (Kontamination) auf zwei Wegen erfolgen:

  • Primärkontamination: mikrobielle Infektion im Produktionsbereich, d.h. durch verunreinigte Rohstoffe wie

       Malz, Würze, Hefe, Hopfen, Wasser oder Produktionshilfsmittel  und Zusatzstoffe. Durch eine solche Einschleppung

       von Fremdmikroorganismen können sich die Keime überall verbreiten

  • Sekundärkontamination: mikrobielle Infektion beim Abfüllen, verursacht z.B. durch schwer durch Reinigungs-/Desinfektions-

       mittel zugängliche Stellen, häufig durch Biofilme (Info, Info) verursacht.  In Biofilmen herrscht ein anaerobes Milieu, in dem 

       sich neben Lactobazillen  Pectinatus und Megasphaera  entwickeln können.       

  Für den Heimbrauer sind folgende Kontaminationsmöglichkeiten von Bedeutung: 

  1. Rohstoffe/Ausgangsstoffe:   Hefekultur (Stammkulturen, Flüssigkulturen) wenn selbst gezüchtet, Anstellhefen (Hefestarter),

       Milchsäurebakterien für Sauerbiere. Malz/Malzmischungen bei schlechter feuchter Lagerung, besonders wenn bereits

       geschrotet.

  1. Bierwürze/Anstellwürze: nach dem Sud beim Abkühlen (z.B. nicht sterile/bzw. desinfizierte Kühlspirale; Abkühlung im

       offenen Sudgefäss; Überführung der Anstellwürze aus dem Sudbehälter in den Gärbehälter; Belüftung ohne sterilen

       Luftfilter 0.2 µm, oder selbstgebasteltem Wattefilter; Anstellvorgang (Beimpfung) mit Hefen (z.B. nicht-desinfizierte

       Trockenhefebeutel oder Flüssighefebeutel vor dem Öffnen).

  1. Primärgärung/Sekundärgärung: Probeentnahmen während Primär- und/oder Sekundärgärung (Nachgärung); direkte

       Messungen im Gärbehälter (z.B. mit unsauber desinfizierter Bierspindel, TILT-Hydrometer-Kontamination, nicht

       genügend gereinigt oder desinfiziert [Info])

  1. Abfüllung ("Schlauchen"): ungenügend gereinigte und entkeimte Bierflaschen*; Abtrennung der Schaumdecke mit

       Verunreinigungen nach der Primär-gärung mit desinfiziertem Schaumlöffel*; Abtrennung des Jungbiers vom Hefe-

       sediment (Geläger) mit Abziehrohr* bzw. automatischem Heber*; ungenügend gereinigtes und entkeimtes Abfüll-

       röhrchen*; zuwenig entkeimte Kronkorken* oder Bügel* zu Bügelflaschen.

  1. Weitere Kontaminationsmöglichkeiten: allgemein Oberflächen (Hygiene-Monitoring); interessant ist ein Vergleich mit

       einer professionellen Liste möglicher Kontaminationsquellen : cf. hier --> daraus können u.U.Rückschlüsse auf die

       eigene Situation gezogen werden!

       *: potenzielle Keimherde​/Keimüberträger von Sekundärkontaminanten

 

Nachweisverfahren für den Heimbrauer. 

Grosse Brauereien verfügen über moderne und rasche Nachweisverfahren (z.B. DNA-nachweisende PCR-Analysen -->

Resultate nach wenigen Stunden, Nachweis spezifischer Mikroorganismen und mehrerer Bierschädlingen in einer

einzigen Analyse, Info, Info). Für den Heimbrauer bleiben natürlich nur klassische mikrobielle Nachweisverfahren übrig:

Wachstumsnachweis auf speziellen Kulturmedien (Selektivmedien) , Keimzahlbestimmungen und Gewinnung von Einzel-

kolonien. Die Grundlagen zu diesen Verfahren sind im Mikrobiologischen Braulabor I und Braulabor II beschrieben (z.B.

Braulabor 8 - Nährmedien, Braulabor 13 - Einzelkolonien, Braulabor 30 - Gesamtkeimzahl). Nachteil der traditionellen

Verfahren ist die benötigte Inkubationszeit von mehreren, meist 3-7 Tagen.

Auch auf diesen klassischen mikrobiologischen Nachweisverfahren gibt es professionelle mikrobiologische Qualitäts-

kontrollen, die z.B. in einem Drei-Stufen-System die bierschädigenden Mikroorganismen aufspüren, so z.B. der "Brewers 

QCheck Kit" von Döhler - Wachstum in flüssigen Nährmedien mit Farbumschlag (Info): 1. Analyse des Brauwassers auf

E. coli und Coliforme Bakterien, 2. Analyse von Hefe und klares sowie hefetrübes Bier auf bierschädigende Bakterien,

3. Hygieneuntersuchung der Produktions-, Abfüll- und Schankanlage durch Abstriche von evtl. Biofilmen. Der ambitionierte

und experimentierfreudige Heimbrauer kann solche Verfahren leicht nachvollziehen, vorausgesetzt die entsprechenden

$Nährmedien sind vorhanden (z.B. NBB-P, Pulver -  zur Herstellung der NBB-Spezialmedien, Info > S. 4 ).

Weitere traditionelle Methoden basieren im Verbundsystem, d.h. man kombiniert mehrere Verfahren, um mittels einer Kombination mehrer Merkmale zu einer sichereren Identifikation zu gelangen. So können Merkmale der Morphologie (Bakterienform: Stäbchen, Kokken), Färbeverfahren und Enzymreaktionen (Stoffwechselmerkmal) sowie Selektiv- und Differentialmedien kombiniert werden (cf. Abb. 28).

                                                                                                      

                                                                                                                               

 

 

 

 

 
gutes_schlechtes Bier_l.jpg

Abb. 26. Bier ist grundsätzlich ein schlechtes Nährmedium für Bierschädlin-ge: wenig verwertbare Nährstoffe, konservierende (bakteriostatische) Bit-terstoffe, niedriger pH-Wert (4.5-5) , Alkohol (hemmt Wachstum) und hoher CO2-Gehalt. Humanpathogene Keime können nicht im Bier wachsen!

In einem "guten" Bier sind fast nur Hefezellen zu sehen, in einem mikrobiell verdorbenen Bier sind manche unerwünschte Mikroben nachzuweisen.

Bierschädlinge.jpg

 

mehr Info zu Bierschädlingen:

cf. Mikrobiologisches Braulabor I

Abb. 28. Klassisches Nachweisverfahren von Mikroorganismen, hier von Bierschädlingen.

Untersuchungsmerkmale: 1. Morphologie: lichtmikroskopische Gestalt, 2. Gramfärbung (Differentialfärbung: gramnegative vs. grampositive Bakterien [Info] und 3. Katalase-Test (Spaltung von Wasserstoffperoxid H2O2 [Info]. Weitere Differentialmerkmale könnten 4. die Bildung von Gas, 5. die alkoholische Gärung und 6. die Milch-säurekonfiguration (D- und L-Milchsäure, Info) sein.                                                                                                                                                      [Quelle Abb.: SIGMA-ALDRICH

Abb. 30. Ein typischer und gefürchteter Bier-schädling, was der Name schon andeutet: Pediococcus damnosus.

Ein spannender Artikel dazu hier: Pediococcus - Friend and Foe                                    [Quelle Bild]

Abb. 27. Bierschädlinge exemplarisch.

Von oben nach unten:

1 Lactobacillus und Pediococcus  

2 Megasphaera cerevisiae

3 Leuconostoc/Pantoea agglomerans

4 wie 1 / Pantoea agglomerans

Abb. 2. Ein typischer und gefürchteter Bier-schädling, was der Name schon andeutet: Pediococcus damnosus.

Ein spannender Artikel dazu hier: Pediococcus - Friend and Foe                                    [Quelle Bild]

Pediococcus gehört zur Familie der Milchsäurebakterien. 

Sie können mit oder ohne Sauerstoff leben und verwerten Glukose. Sie bilden Milchsäure wie auch das für den Geschmack unerwünschte Diacetyl, und das bei tiefen Tempe-raturen und geringer Populations-dichte.

Bei den sauren Lambic-Bieren ist Pediococcus ein erwünschter Bestand-teil der üblichen Mischpopulation.

Braulabor 32: Nachweis des zweiten Gärproduktes: Ethanol als energiereiches Endprodukt  (Grundversuch) 

Alle Lebewesen müssen zur Vermehrung und zum Leben/Überleben überhaupt einen Stoffwechsel betreiben, der ihnen 1. die zum Wachtum und zum Erhalt der Strukturen (Zellen) die notwendigen Baustoffe liefert (= Baustoffwechsel). Quantitativ aber noch viel bedeutender ist die Energiebereitstellung im Rahmen des Energiestoffwechsels, der den Hauptanteil an den aufgenommen Nährstoffen wie Kohlehydraten beansprucht.

Hefen sind fakultativ anaerob, d.h. sie betreiben bei Sauerstoffanwesenheit einen (aeroben) Atmungsstoffwechsel, der sehr viele Moleküle des "biologisch universellen Treibstoffs ATP liefert (38 Moleküle ATP pro 1 verstoffwechselten Traubenzuckermolekül). Atmungsstoffwechsel betrieben die Hefen primär zur Vermehrung ihrer Zellen (z.B. nach dem Belüften der Anstellwürze). Fehlt es aber an Sauerstoff, so können die Hefen weiterhin existieren dank dem anaeroben Stoffwechsel der alkoholischen Gärung, der neben dem "Abfallprodukt" Kohlenstoffdioxid CO2  und

den dringend benötigten Energiemolekülen ATP auch noch für die Hefen ein zweites Abfallprodukt liefert, den

immer noch energiereichen Alkohol C2H5OH, das für den Menschen trinkfähige Ethanol. Dabei gewinnt die Hefe-

zelle pro 1 Glukosemolekül aber nur noch 2 ATP-Moleküle. Um trotz dieser geringen Energieausbeute überleben

zu können, müssen sie einfach viel mehr verwertbare Zuckermoleküle umsetzen, d.h. sie produzieren den für 

sie "wertlosen" Alkohol mit einer hohen Stoffwechselumsatzrate (und die Menschen sind dankbar dafür ....). 

Die hier vorgestellten Grundversuche haben für das Brauhandwerk keine direkte Anwendung

                                                                                        ausser der Stimulation des Interesses am

                                                                                        Hefestoffwechsel und dem Grundlagenver-

                                                                                        ständnis für die alkoholische Gärung. Siehe 

                                                                                        dazu auch die Ausführungen auf der Website

                                                                                        "Biologie der Gärung" hier

 

 

 

 

Das genaue Vorgehen ist im  PDF-Dokument "Alkohol als Endproduktbeschrieben.

Abb. 31. Der anaerobe Stoffwechsel der Hefe bei O2-Abwesenheit.

Die Hefe braucht dazu energiereiche Substrate (Kohlenhydrate) in Form von Zuckermolekülen wie den Einfachzucker Glukose oder den Doppelzucker Maltose (= Glukose-Glukose).

Ethanolnachweis_Brennbarkeit.jpg

Abb. 32. Ein einfacher Nachweis von Alkohol.

Wenn die Hefe Alkohol bildet, muss dies durch Brennbarkeit nachweisbar sein! 

 

Empfohlene LITERATUR als Einstieg in die allgemeine Mikrobiologie/ mikrobiologische Methoden sowie Schwerpunkt Hefen:

- Cypionka, H. Grundlagen der Mikrobiologie. Springer Berlin/Heidelberg, 339 S., 4. Aufl. (2010).  Info

- Fritsche, O. Mikrobiologie. Kompaktwissen Biologie. Springer Spektrum, Berlin/Heidelberg. 355 S., 1. Aufl. (2016).  Info

- Madigan, M.T., Martinko, J.M., Stahl, D.A., Clark, D.P. Brock Mikrobiologie kompakt. Pearson Deutschland, Hallbergmoss. 698 S., 13. Aufl. (2015).  Info

- Rajotte, P. First steps in Yeast culture.  Alliage Editeur, Montreal. 175 S. 2nd printing (2000).  Info

Fachliteratur:

- Annemüller, G., Manger, H.-J., Lietz, P. Die Hefe in der Brauerei. Hefemanagement, Kulturhefe - Hefereinzucht; Hefepropagation im Bierherstellungsprozess.   

  476 S., 3.   Aufl. (2013).  Info

- Back, W. Colour Atlas and Handbook of Beverage Biology. Fachverlag  Hans Carl, Nürnberg. 317 S., 1. Aufl. (2005).  Info

- Bast, E. Mikrobiologische Methoden. Eine Einführung in grundlegende Arbeitstechniken. Springer Akademischer Verlag, Heidelberg. 471 S., 3. Aufl. (2014).  Info

Hill, A. E. (ed.). Brewing Microbiology. Managing Microbes, Ensuring Quality and Valorising Waste (Woodhead Publishing Series in Food Science, Technology and

  Nutrition), Elsevier, Cambridge. 484 S., 1. Aufl. Kindle Edition (2015). Info.

- Kirsop, B.E., Doyle, A. Maintenance of microorganisms and cultured cells. A Manual of laboratory methods. Academic Press, London. 307 S., 1. Aufl. (1991).

- Steinbüchel, A., Oppermann-Sanio, F.B., Ewering, C., Pötter, M. Mikrobiologisches Praktikum. Versuche und Theorie. 390 S. Springer -Verlag, Berlin, 2. Aufl. (2013).  Info

- White, C., Zainasheff, J. Yeast. The practical guide to beer fermentation. brewers publications, Boulder CO. 304 S. 1. Aufl. (2010).  Info

weitere Literatur: siehe hier

Websites:    microbeonline      Microbiology of malting and brewing      The Microbiology of beer    Beer microbiology    Microbiological techniques in a brewery    Brewers' laboratory handbook .

                                        Teil I                  Mikrobiologische Grundlagen zur Hefezüchtung

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