Herstellung alkoholischer Getränke einfach erklärt

Hast du schon einmal beobachtet, wie ein Pizzateig an einem warmen Ort plötzlich auf das Doppelte seiner Größe anwächst? Oder hast du mal einen Apfelsaft getrunken, der zu lange in der Sonne stand und plötzlich seltsam prickelte und roch?

In beiden Fällen warst du Zeuge eines faszinierenden chemischen Prozesses: der alkoholischen Gärung. Winzig kleine Lebewesen, die Hefepilze, waren hier am Werk. In dieser Lektion schauen wir uns an, wie diese winzigen Helfer bei der Herstellung alkoholischer Getränke aus süßem Saft Alkohol machen, warum sie das überhaupt tun und wie wir Menschen diesen Prozess im Labor und in der Fabrik steuern.

Vorwissen

• Enzyme: Das sind biologische Werkzeuge (Proteine), die chemische Reaktionen in Lebewesen beschleunigen oder überhaupt erst möglich machen.

  Beispiel: Enzyme in deinem Speichel beginnen schon im Mund, deine Nahrung zu zersetzen.

• Gase und Druck: Gase dehnen sich aus und brauchen viel Platz. Wenn sie eingesperrt sind, bauen sie Druck auf.

  Beispiel: Eine geschüttelte Sprudelflasche steht unter Druck, weil das Gas nicht entweichen kann.

• Destillation: Ein physikalisches Trennverfahren, bei dem Flüssigkeiten durch Erhitzen getrennt werden, weil sie bei unterschiedlichen Temperaturen sieden (kochen).

  Beispiel: Salzwasser wird erhitzt. Das Wasser verdampft, das Salz bleibt zurück.

Aufgabentyp 1: Die Chemie der alkoholischen Gärung

Alkoholische Getränke wie Wein oder Bier entstehen nicht von selbst. Wir brauchen dafür winzige Lebewesen: die Hefepilze (oder kurz: Hefe). Wie jedes Lebewesen braucht auch die Hefe Energie zum Überleben.

Normalerweise nutzen Lebewesen Sauerstoff, um aus ihrer Nahrung Energie zu gewinnen. Aber was passiert, wenn kein Sauerstoff da ist? Die Hefe hat einen Notfallplan: Sie nutzt einen anaeroben Prozess (das bedeutet: ein Vorgang, der komplett ohne Sauerstoff abläuft).

Die Hefe nutzt spezielle biologische Werkzeuge, die Enzyme, um Traubenzucker (Glucose) aus Früchten zu fressen. Dabei wandelt sie den Zucker in Alkohol (Ethanol) und das Gas Kohlenstoffdioxid um. Durch diese chemische Reaktion gewinnt die Hefe die lebenswichtige Energie.

Wir können diesen Vorgang in einer einfachen Wortgleichung zusammenfassen:

$\textcolor{#FFCE51}{\text{Traubenzucker}} \to \textcolor{#08BFFF}{\text{Alkohol}} + \textcolor{#9570FF}{\text{Kohlenstoffdioxid}}$

Aufgabentyp 2: Apparaturen und Anwendungen der Fermentation

Wenn wir Wein herstellen wollen, füllen wir Traubensaft und Hefe in ein großes Gefäß. Da die Gärung nur ohne Sauerstoff funktioniert, müssen wir das Gefäß verschließen. Aber Vorsicht: Bei der Reaktion entsteht ständig das Gas Kohlenstoffdioxid. Würden wir das Gefäß fest zuschrauben, würde der Druck so stark steigen, dass es explodiert!

Die Lösung ist ein Gärspund (oder Gäraufsatz). Das ist ein spezielles Röhrchen, das mit etwas Wasser gefüllt ist und auf das Gefäß gesteckt wird.

Der Gärspund funktioniert wie eine Einbahnstraße:

• Das Gas von innen kann durch das Wasser nach draußen blubbern.

• Die Umgebungsluft (und damit Sauerstoff) kommt aber nicht durch das Wasser nach innen.

Was passiert, wenn wir das Gas absichtlich einsperren? Wenn der Wein fast fertig ist und wir das Gefäß am Ende doch fest verschließen, kann das restliche Gas nicht mehr entweichen. Durch den steigenden Druck wird das Gas in die Flüssigkeit gepresst und löst sich darin. So entstehen die prickelnden Bläschen in Schaumwein, Sekt oder Champagner.

Gärung im Alltag: Dieser Prozess funktioniert nicht nur bei süßen Früchten.

• Bier: Auch stärkehaltige Pflanzen wie Gerste können vergoren werden. Die Pflanzenzellen spalten die Stärke zuerst in Zucker auf, den die Hefe dann fressen kann.

• Hefeteig: Wenn du Pizza oder Brot backst, macht die Hefe genau das Gleiche. Das entstehende Gas lässt den Teig wunderbar fluffig aufgehen. Der Alkohol verdampft später einfach durch die Hitze im Backofen.

Aufgabentyp 3: Destillation und Grenzwerte der Alkoholkonzentration

Vielleicht hast du dich schon einmal gefragt, warum Wein meistens nur etwa 12 bis 15 % Alkohol enthält, während Spirituosen wie Wodka oder Rum 40 % oder mehr haben. Warum macht die Hefe nicht einfach immer weiter?

Die Antwort ist einfach: Alkohol ist eigentlich ein Gift. Die Hefe produziert den Alkohol als Abfallprodukt. Wenn die Konzentration des Alkohols in der Flüssigkeit etwa 15 Volumenprozent (Vol.-%) erreicht, wird die Umgebung für die Hefe zu giftig. Die Hefezellen sterben ab und die natürliche Gärung stoppt automatisch. Das ist die biologische Grenze.

Um hochprozentige Spirituosen herzustellen, müssen wir die Biologie verlassen und die Physik nutzen. Das Zauberwort heißt Destillation (auch „Brennen“ genannt).

Bei der Destillation wird der vergorene Wein erhitzt. Der Trick dabei ist:

• Alkohol siedet (kocht) schon bei etwa 78 °C.

• Wasser siedet erst bei 100 °C.

Wenn wir die Flüssigkeit also auf etwa 78 °C erhitzen, verdampft der Alkohol, während das meiste Wasser flüssig bleibt. Wir fangen den Alkoholdampf auf, kühlen ihn ab, sodass er wieder flüssig wird, und erhalten so ein Getränk mit einer viel höheren Alkoholkonzentration.

Wichtige Erkenntnisse

• Alkoholische Gärung: Ein anaerober Prozess (ohne Sauerstoff), bei dem Hefe Zucker in Alkohol und Kohlenstoffdioxid umwandelt, um Energie zu gewinnen.

• Gärspund: Ein Ventil, das das Gas entweichen lässt, aber keine Luft (Sauerstoff) in das Gefäß hineinlässt.

• Biologische Grenze: Bei ca. 15 % Alkohol sterben die Hefezellen ab und die Gärung stoppt.

• Destillation: Ein physikalisches Verfahren durch Erhitzen, um den Alkoholgehalt über 15 % zu erhöhen, da Alkohol früher verdampft als Wasser.