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Kurzantwort: Alkohol, genauer Ethanol, entsteht durch alkoholische Gärung: Hefepilze wie Saccharomyces cerevisiae bauen Zucker ohne Sauerstoff ab. Aus einem Molekül Glucose werden zwei Moleküle Ethanol und zwei Moleküle Kohlendioxid, die Hefe gewinnt dabei zwei ATP als Energie. Zwei Enzyme machen den letzten Schritt: Pyruvatdecarboxylase spaltet CO2 ab, Alkoholdehydrogenase erzeugt das Ethanol. Hefen erreichen laut Wikipedia je nach Stamm 5 bis 23 Volumenprozent, dann vergiften sie sich an ihrem eigenen Produkt. Höhere Gehalte entstehen nur durch Destillation.
Wein, Bier, Cidre, Met, Sake: Alle alkoholischen Getränke der Welt beruhen auf demselben Vorgang, und der ist älter als jede Küche. Überall, wo Zucker, Wasser und Hefe zusammenkommen, beginnt es zu gären, in der aufgeplatzten Traube am Stock genauso wie im Gärtank der Brauerei. Der Mensch hat den Prozess nur eingefangen und gesteuert.
Hier liest du, welche Chemie hinter der Gärung steckt, wer die Arbeit macht, warum Bier, Wein und Brot Verwandte sind, wo die natürliche Grenze des Alkoholgehalts liegt, wie Schnaps darüber hinauskommt, welche Nebenprodukte entstehen und wer die Gärung entschlüsselt hat. Grundlage ist der Wikipedia-Artikel zur alkoholischen Gärung.
Die Chemie: Zucker rein, Alkohol und CO2 raus
Die Summengleichung lautet laut Wikipedia: C₆H₁₂O₆ + 2 ADP + 2 Pi → 2 C₂H₅OH + 2 CO₂ + 2 ATP. Übersetzt: Ein Molekül Traubenzucker wird zu zwei Molekülen Ethanol und zwei Molekülen Kohlendioxid, und die Zelle gewinnt dabei zwei Moleküle ATP, ihre Energiewährung. Zum Vergleich: Mit Sauerstoff holt dieselbe Zelle aus einem Glucosemolekül 32 ATP. Die Gärung ist also ein Notprogramm für Zeiten ohne Sauerstoff, ineffizient, aber lebensrettend.
Der Weg läuft über die Glykolyse, die Glucose in zwei Moleküle Pyruvat zerlegt. Dann greifen zwei Enzyme: Die Pyruvatdecarboxylase spaltet vom Pyruvat Kohlendioxid ab, übrig bleibt Acetaldehyd. Die Alkoholdehydrogenase reduziert den Acetaldehyd zu Ethanol. Das CO2 steigt als Bläschen auf, bei Sekt und Bier bleibt es als Kohlensäure im Getränk.
Wer die Arbeit macht
Die wichtigste Art ist Saccharomyces cerevisiae, die Back- und Bierhefe, ein einzelliger Pilz von wenigen Mikrometern Größe. Sie kann beides: mit Sauerstoff atmen und ohne Sauerstoff gären. Sobald der Sauerstoff im Gärgefäß verbraucht ist, schaltet sie um. Winzer nutzen daneben Wildhefen, die auf den Traubenschalen sitzen, Brauer setzen für untergäriges Bier die Art Saccharomyces pastorianus ein, die bei kühlen Temperaturen arbeitet. Auch Bakterien können Alkohol bilden, für Getränke spielen aber fast ausschließlich Hefen die Rolle.
Bier, Wein und Brot sind Geschwister
- Wein: Traubensaft enthält bereits Glucose und Fructose. Die Hefe kann sofort loslegen, nach ein bis drei Wochen ist der Zucker verbraucht.
- Bier: Getreide speichert Stärke, keine freien Zucker. Beim Mälzen und Maischen zerlegen körpereigene Enzyme des Korns die Stärke in Malzzucker, erst dann kann die Hefe gären.
- Brot: Dieselbe Hefe, derselbe Vorgang. Das CO2 treibt den Teig, der entstehende Alkohol verdampft beim Backen fast vollständig. Ein aufgegangener Hefeteig riecht deshalb leicht nach Alkohol.
- Cidre, Met, Sake: Apfelsaft, Honigwasser und verzuckerter Reis funktionieren nach demselben Prinzip.
Die natürliche Grenze und der Weg darüber hinaus
Warum Hefe bei rund 15 Prozent aufgibt
Ethanol ist für Hefezellen Gift. Mit steigender Konzentration schädigt es ihre Zellmembran, die Gärung wird langsamer und stoppt schließlich. Wikipedia nennt eine Spanne von 5 bis 23 Prozent, je nach Stamm und Bedingungen. Gewöhnliche Weinhefen schaffen etwa 15 Volumenprozent, speziell gezüchtete Stämme mehr. Deshalb liegen Wein und Sake naturgemäß bei 12 bis 16 Prozent, Bier meist bei 4 bis 6, weil die Würze weniger Zucker enthält und die Brauer früher stoppen. Bleibt Zucker übrig, wenn die Hefe aufgibt, schmeckt das Getränk süß, daher stammen Dessertweine.
Destillation: Alkohol konzentrieren
Ethanol siedet bei 78 Grad, Wasser bei 100. Erhitzt man eine vergorene Flüssigkeit, verdampft der Alkohol zuerst und lässt sich getrennt auffangen und kondensieren. So entstehen aus Wein Weinbrand, aus Bierwürze Whisky, aus vergorener Melasse Rum. Die Destillation erzeugt keinen neuen Alkohol, sie trennt nur den vorhandenen vom Wasser. Deshalb gilt jeder Schnaps als Folgeprodukt einer Gärung.
Nebenprodukte und ihre Folgen
Hefen produzieren neben Ethanol und CO2 laut Wikipedia auch Glycerin, höhere Alkohole, sogenannte Fuselöle, Ester, Schwefelverbindungen und kleine Mengen Methanol. Ester und höhere Alkohole prägen das Aroma, Glycerin macht Wein weicher. Methanol entsteht vor allem aus dem Pektin von Obst, weshalb Obstbrände mehr davon enthalten als Getreidebrände. Beim Brennen achtet man darauf, den methanolreichen Vorlauf abzutrennen. Fuselöle gelten als Mitverursacher des Katers, der Hauptschuldige ist aber der Abbau des Ethanols selbst zu Acetaldehyd in der Leber, mit demselben Enzym, das die Hefe in umgekehrter Richtung nutzt.
Wer die Gärung entschlüsselt hat
Menschen gären seit Jahrtausenden, verstanden haben sie es erst spät. Louis Pasteur zeigte 1857, dass lebende Hefezellen die Gärung verursachen, und formulierte die „vitalistische Gärungstheorie“. Eduard Buchner bewies 1897, dass auch zellfreier Hefepresssaft gärt, also Enzyme die Arbeit machen und keine Lebenskraft. Dafür bekam er 1907 den Nobelpreis für Chemie. Seitdem gilt die alkoholische Gärung als Musterbeispiel dafür, wie Biochemie funktioniert.
Häufige Fragen
Was ist die Formel der alkoholischen Gärung?
C₆H₁₂O₆ → 2 C₂H₅OH + 2 CO₂. Ein Glucosemolekül ergibt zwei Ethanol und zwei Kohlendioxid.
Braucht die Gärung Sauerstoff?
Nein. Sie läuft gerade ohne Sauerstoff ab. Mit Sauerstoff atmet die Hefe und bildet kaum Alkohol.
Wie viel Alkohol kann Hefe maximal bilden?
Je nach Stamm 5 bis 23 Volumenprozent, übliche Weinhefen etwa 15. Darüber stirbt die Hefe an ihrem eigenen Produkt.
Entsteht in Brot Alkohol?
Ja, im Teig. Beim Backen verdampft er fast vollständig, im fertigen Brot bleiben nur Spuren.
Warum enthält Obstbrand Methanol?
Weil Pektin aus Obst beim Gären Methanol freisetzt. Brenner trennen den Vorlauf ab, in dem es sich konzentriert.
Wer hat die Gärung erklärt?
Louis Pasteur 1857 mit lebenden Hefen, Eduard Buchner 1897 mit zellfreien Enzymen, dafür Nobelpreis 1907.
Quellen
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Geschrieben von Clara, Redaktion wissens-bote.de — sie erklärt hier Alltagsfragen mit belegten Antworten.
