Saccharomyces carlsbergensis

Verfasst von Celina Thiel

Eine kurze Geschichte des Bieres

Ihr könnt es euch wahrscheinlich schon denken, heute geht es ums Bier – ein durch die Jahrtausende beliebtes Getränk, dass gerade in warmen Sommern in ihm gewidmeten Gärten gern konsumiert wird. Solltet ihr zu denen gehören, die mit diesem alkoholhaltigen Getränk gar nichts am Hut haben - keine Sorge, ich habe auch für alle etwas vorbereitet, die es lieber alkoholfrei halten. Der Mikroorganismus, um den es heute gehen soll, hört auf den Namen Saccharomyces carlsbergensis und ist eine Hefe. Hefen sind einzellige Mikroorganismen, und gehören meist zur Abteilung der Schlauchpilze. Anders als Bakterien handelt es sich bei Hefen um Eukaryonten, also Lebewesen mit einem Zellkern, wie auch wir Menschen welche sind. Insgesamt gibt es über 1,500 Spezies, die sich als Hefen zusammenfassen lassen und viele von ihnen spielen schon seit Jahrhunderten oder gar Jahrtausenden eine unverzichtbare Rolle in der Lebensmittelverarbeitung – allen voran die Bäcker-, Wein und auch Bierhefen.

Warum widme ich einer Bierhefe eine ganze Folge? Weil sich hinter einem vermeintlich einfachen Organismus, den wir Tag für Tag nutzen und teils einfach im Supermarkt aus dem Regal nehmen können, eine spannende Geschichte verbirgt – von historischer und moderner Braukunst, genetischen Analysen und wahren Geschmackswundern

Saccharomyces carlsbergensis – das klingt nicht nur zufällig wie der Name einer bekannten dänischen Brauerei – aber alles Schritt für Schritt. Saccharo kommt hierbei vom lateinischen oder griechischen Begriff für Zucker, während myces als Bezeichnung für den Pilz gilt. Was das carlsbergensis im Namen angeht, muss ich euch zunächst einmal gestehen, dass ich euch mit der Benennung dieser Folge etwas in die Irre geführt habe. Der eigentliche Name des Mikroorganismus, um den es heute geht ist nämlich Saccharomyces pastorianus. Saccharomyces carlsbergensis, der Name, den ich in der heutigen Folge benutzen werde, ist nicht mehr als das historische Synonym. Wie es dazu kommen kann, dass ein und dieselbe Hefe mehrere Namen hat? Um das zu verstehen, müssen wir einen kurzen Ausflug in die Tiefen der historischen Braukunst unternehmen.

Fermentierte Getränke und Speisen sind bereits seit vielen Jahrhunderten Bestandteil der menschlichen Kulturentwicklung. Bereits im 3. und 2. Jahrhundert vor Christus wurde in Mesopotamien durch die Sumerer ein fermentiertes Getränk aus Getreide konsumiert. Ihre Braukunst übertrugen sie dann an die Babylonier und auch auf der anderen Seite des Mittelmeers, im alten Griechenland und bei den Römern ist die Herstellung und der Konsum bierähnlicher Getränke belegt. Im 7. Jahrhundert gelangte die Braukunst dann in die Klöster Mitteleuropas, wo sie weiterentwickelt wurde, bis schließlich im 12. Jahrhundert das Heilkraut Hopfen dem Bier zugefügt wurde, und ihm einen markanten bitteren Geschmack verlieh. Mit der Entwicklung von Mikroskopen und neuen Ideen zur Rolle von Kleinstlebewesen begann dann im 19. Jahrhundert die ausgiebige mikrobiologische und mycologische Betrachtung der Prozesse in der Lebensmittelherstellung. So war der französische Chemiker Louis Pasteur einer der ersten, der die Hefen als diejenigen Mikroorganismen identifizierte, die für Gärungsprozesse in der Bier- und Brotherstellung verantwortlich waren. Infolgedessen kam es dann auch dazu, dass der Däne Emil Christian Hansen, der im durch den Sohn des Gründers eingerichteten Labor der Carlsberg Brauerei forschte, 1883 die Ergebnisse seiner Arbeit veröffentlichte. Ihm war es gelungen, seine „Unterhefe Nr. 1“ zu isolieren. Statt sich also auf gemischte Hefekulturen verlassen zu müssen, wurde es nun möglich mit Organismen zu vergären, die alle von derselben Zelle abstammten. Der von Hansen isolierte Stamm ging kurz darauf, ihm Jahr 1884 in die Produktion und wurde fortan zur Carlsberg Hefe Nr. 1.  1908 erhielt sie dann den Namen Saccharomyces carlsbergensis. Was Hansen bei seinen Veröffentlichungen und Klassifikationen vergessen hatte zu erwähnen: die von ihm isolierte Hefe entstammte einer Kultur, die bereits 1845 von der Spaten Brauerei in München an Carlsberg gespendet wurde. Dadurch hatte der Hefestamm, den Hansen isoliert hatte bereits vorher einen Namen erhalten. Schon 1870 hatte der badische Botaniker Maximilian Reeß den Mikroorganismus zu Ehren seines Zeitgenossen Louis Pasteur, einem der Gründungsväter der medizinischen Mikrobiologie, Saccharomyces pastorianus getauft. Aufgeklärt wurde die Tatsache, dass es sich bei Saccharomyces carlsbergensis und Saccharomyces pastorianus um denselben Mikroorganismus handelt übrigens erst knapp 100 Jahre später mithilfe der bis dahin entwickelten Methoden der DNA Sequenzierung und Genomanalyse. Ein Vergleich des Erbgutes ergab dabei eine Übereinstimmung beider Stämme, so dass diese zusammengelegt wurden. Heute wird Saccharomyces pastorianus als gültiger Name anerkannt, während Saccharomyces carlsbergensis als historisches Synonym gilt.

Was macht nun aber die Hefe eigentlich genau im Bier und was macht ausgerechnet Saccharomyces carlsbergensis so besonders, dass es mir eine eigene Folge wert ist? Allgemein übernehmen Hefen in allen Lebensmittelherstellungsprozessen eine sehr ähnliche Aufgabe. Wie sich aus dem Saccharo in ihrem Namen schon erraten lässt, nutzen sie den Zucker in Früchten, Getreidesud oder ähnlichem, um Energie zu gewinnen. In Ermangelung von Sauerstoff oder bei sehr hohen Zuckermengen greifen die Mikroorganismen auf den Prozess der alkoholischen Gärung zurück, wobei aus der Glucose Ethanol, also Trinkalkohol und CO2 wird. Die Hefen sorgen also dafür, dass aus dem Zucker im Bieransatz Alkohol wird und erzeugen damit das uns so gut bekannte Getränk. In der Bierherstellung wird zwischen den sogenannten obergärigen und untergärigen Hefen unterschieden. Obergärige Hefen, wie die wohl bekannteste Hefe Saccharomyces cerevisiae, auch Bäckerhefe genannt, schwimmen im Fermentationsansatz oben auf. Untergärige Hefen hingegen sinken nach unten. Dieser Unterschied ist vor allem in den Wachstums- und Teilungseigenschaften der Hefe begründet. Die obergärigen Hefen wachsen in sogenannten Sprossverbänden, das bedeuteten, dass die Zellen sich nach der Teilung nicht trennen, sondern verbunden bleiben und wie ein winzig kleiner Ast aus Zellen herumtreiben. Durch die im Fermentationsbehälter aufsteigende Kohlensäure erhalten diese Sprossverbände Auftrieb, gelangen an die Oberfläche und sind somit obergärig. Untergärige Hefen neigen stärker zur Sedimentation und bilden keine ausgeprägten Sprossverbände wie viele obergärige Stämme. Sie schwimmen im Fermentationsbehälter als einzelne kleine Zellen herum. Dadurch kann die Kohlensäure nicht ausreichend Auftrieb erzeugen und die Zellen sinken an den Boden des Gefäßes.

Was macht das jetzt aber für einen Unterschied, wo die Hefen genau herumschwimmen? Tatsächlich einen relativ großen. Obergärige Hefen fermentieren generell bei höheren Temperaturen, in etwa zwischen 18 und 22 °C. In Ermangelung von Kühlungssystemen wurden mit dieser Art von Hefen die meisten historischen Biere gebraut, unter ihnen Weizenbier, Kölsch oder auch Altbier, Pale Ale und Stout. Durch die höheren Temperaturen erfolgt die Fermentation im Verlauf von 4 Tagen bis zwei Wochen und schmecken durch die Entstehung von Esterverbindung meist fruchtig mit Fokus auf Malz- und Hopfenaromen.

Untergärige Hefen hingegen fermentieren bei Temperaturen um die 5 °C. Durch die langsamer erfolgende Fermentation, die etwa 2 bis 6 Wochen in Anspruch nimmt, entstehen vollere, komplexere und schwerere Aromen. Je nach Zubereitungsart macht untergärige Biere auch ein teils trockenes bis cremiges Mundgefühl aus. Zu den Untergärigen Bieren gehören Helles, Pils, aber auch Schwarzbier, Export oder Märzen. Während früher wegen der Temperaturlimitation vor allem obergärige Biere gebraut wurden, dominieren heute eher die Untergärigen.

Untergärige Hefen sind schon seit dem 14. Jahrhundert bekannt und finden vor allem in der bayrischen und fränkischen Braukultur Anwendung. Zu ihnen gehört auch der Star des heutigen Beitrags, Saccharomyces carlsbergensis. Genetische Analysen haben gezeigt, dass es sich bei diesem Stamm um ein Hybrid aus Saccharomyces cerevisiae, einer obergärigen Hefe, und Saccharomyces eubayanus, einem kälteresistenten Hefestamm handelt. Diese beiden haben also fusioniert, um uns heute den so charakteristischen Geschmack untergärigen Biers zu bescheren. Woher Saccharomyces eubayanus kommt, war lange ein großes Rätsel. Erst 1997 wurde dieser Stamm in der Natur isoliert und 2011 erstmals offiziell beschrieben. Gefunden wurde der Stamm an einem Ort, an dem ihn wohl niemand erwartet hatte – mitten in den Wäldern Patagoniens. Hypothesen, wie genau eine Hefe aus Südamerika ihren Weg in die europäische Braukultur gefunden hat, wo sie mit Saccharomyces cerevisiae fusionieren konnte, werden auch heute noch unter Forschenden diskutiert.

 Während in frühen Brauereien mit wilden Hefen und gemischten Kulturen gearbeitet wurde, gelang es Emil Christian Hansen erstmals, einzelne Hefestämme zu isolieren. Damit ermöglichte er die gezielte Züchtung und Zugabe ganz bestimmter Kulturen, um den Geschmack des Bieres zu beeinflussen. Am selben Ort, an dem Hansen diese Isolation von Saccharomyces carlsbergensis gelang, erfolgte 133 Jahren später ein weiteres, besonderes Experiment. Im Keller der Carlsberg-Brauerei lagerten noch einige Flaschen des Original, mit dem ersten Isolat von Saccharomyces carlsbergensis gebrauten Bieres. 2016 gelang es am Carlsberg Research Laboratory in Kopenhagen dann, lebensfähige Hefen aus diesen Originalflaschen zu isolieren und mit diesen nach dem historischen Rezept ein neues Bier zu brauen. Von diesem Re-Brew, dem „Original 1883“ wurden insgesamt nur etwa 30 Flaschen gebraut. Die erste von ihnen wurde Kronprinz Frederik von Dänemark überreicht. Geschmacklich wurde das Bier als rauchiger, süßer und weniger hopfenbetont als moderne Lager beschrieben. Trotz derselben eingesetzten Hefen haben sich die Bierstile über die Jahre also offensichtlich spürbar verändert.

So, wie ist das jetzt aber bei den alkoholfreien Bieren? Der Absatz alkoholischer Getränke sinkt ja immer weiter, während der Marktanteil an alkoholfreien Alternativen steigt. Wenn bei der Gärung der Hefen Alkohol entsteht, lässt man diese dann einfach weg, um alkoholfreies Bier zu erhalten? Das ist in der Regel nicht der Weg, damit würde ja schließlich auch der charakteristische Biergeschmack wegfallen. Um alkoholfreie Varianten mit ähnlichem Geschmack zu erhalten, gibt es deshalb verschiedene Ansätze, den Alkohol zu entfernen oder seine Entstehung von Anfang an zu unterbinden.

Eine recht einleuchtende Möglichkeit alkoholfreies Bier herzustellen, ist es, zunächst die Hefen ihre Arbeit verrichten zu lassen und somit alkoholhaltiges Bier zu brauen. Diesem entzieht man dann durch Destillation den Alkohol. Damit man das Bier nicht erhitzen muss, um den Alkohol verdampfen zu lassen, wie es bei Standarddestillationsverfahren der Fall wäre, macht man das ganze im Vakuum. Durch den fehlenden Luftdruck senkt sich der Siedepunkt des Alkohols, und er kann schon bei viel niedrigen Temperaturen verdampfen. Das ist ein ähnliches Phänomen wie die Beobachtung, das Wasser auf einem hohen Berggipfel wie beispielsweise dem Mount Everest bei niedrigeren Temperaturen kocht. Alternativ kann der Alkohol auch durch Membranen herausgefiltert werden.

Im Gegensatz dazu gibt es auch Verfahren, die ganz normal auf die Hefe zurückgreifen, den Gärprozess aber früher stoppen. Hier wird also bereits nach kurzer Gärzeit die Hefe gezielt abgetötet. Solche Biere enthalten dadurch noch geringe Anteile von Alkohol, als „alkoholfrei“ dürfen sie trotzdem bezeichnet werden, solang ihr Alkoholgehalt unter 0,5 Volumenprozent liegt. Auch enthalten diese Biere oft noch mehr Zucker, da die Hefe ihre Arbeit ja nicht vollständig verrichten durfte. Aus diesem Grund wird diese Technik vor allem bei Bieren eingesetzt, die eh etwas süßer schmecken, wie beispielsweise bei Weizenbier.

Gerade mit dem wachsenden Markt für alkoholfreie Getränke wird auch noch ein anderes Verfahren immer verbreiteter. Dieses involviert den Einsatz sogenannter crabtree-negativer Hefen. Entgegen dem, was ihr jetzt denken mögt, haben die weder etwas mit Krabben noch mit Bäumen zu tun. Stattdessen geht es um einen Effekt, der nach dem Englischen Chemiker Herbert Grace Crabtree benannt wurde. Er beobachtete nämlich, dass Hefen nicht nur in Ermangelung von Sauerstoff auf die Alkoholgärung zur Energiegewinnung zurückgreifen, sondern auch bei hohen Zuckerkonzentrationen. Wäre das nicht der Fall, könnte man Bier ja einfach alkoholfrei brauen, in dem man dem Ansatz ständig Sauerstoff untermischt. Mit den sonst zum Bierbrauen eingesetzten Hefen funktioniert das also nicht. Es gibt allerdings crabtree-negative Hefestämme, also solche, die, sobald sie Zugang zu ausreichend Sauerstoff haben, immer auf Alternative Wege der Energiegewinnung zurückgreifen und damit nahezu keinen Alkohol produzieren – egal, wie hoch der Zuckergehalt im Ansatz auch ist. Mit diesen crabtree-negativen Hefen können deshalb wirklich „alkoholfreie“ Biere, also solche mit 0,0 % Alkohol hergestellt werden. Wenn ihr diese Bezeichnung also demnächst mal auf einem Etikett seht, wisst ihr jetzt, was es damit auf sich hat.

Neben Saccharomyces carlsbergensis gibt es natürlich eine ganze Vielfalt verschiedener Bierhefen und auch in der Wein- und Schaumweinherstellung finden ganz spezielle Hefestämme ihre Anwendung. Die „Prise de Mousse“ Hefe beispielsweise ist ein Saccharomyces cerevisiae Stamm, der für die Flaschengärung von Champagner selektioniert wurde und verleiht damit Moet und Chandon ihre besonderen Aromen. Analog zu dieser Anpassung und Selektion gibt es heute eine Vielzahl verschiedener Hefestämme, die in Brauereien und Bäckereien überall auf der Welt eingesetzt werden. Obwohl Saccharomyces carlsbergensis die Hefe ist, die heute die Grundlage des Großteils untergäriger Biere bildet, führen Brauereien natürlich ihre eigenen Kulturen. Obwohl diese zur gleichen Spezies gehören, weisen sie viele Unterschiede auf. Nicht umsonst schmecken zwei Biere nur selten genau gleich. Sicher werden auch die heute verfügbaren Möglichkeiten, die Erbinformation von Mikroorganismen und damit auch Hefen zu verändern uns noch so einige interessante Neuerungen bescheren. Wenn ihr also das nächste mal ein Helles oder ein alkoholfreies Lager in der Hand haltet, wisst ihr, dass darin mehr als Hopfen, Gerste und Wasser enthalten sind, und dass Millionen kleiner Hefen dort ganze Arbeit geleistet haben.  Die enorme Vielfalt an Aromen und Geschmäckern, die diese Mikroben uns ermöglichen, bietet uns heute einen winzigen Einblick, in die komplexen Prozesse, die Tag für Tag um uns herum ablaufen – und das seit tausenden von Jahren. Also Prost und lasst es euch schmecken!

Weitere Infos & Links

Historischer Rückblick

  • Barnett, J.A. und Barnett, L. (2011) Yeast research: a historical overview. Washington: ASM press.

Allgemeines zu Brauhefen und Fermentation

  • Boulton, C. und Quain, D. (2013) Brewing Yeast and Fermentation. John Wiley & Sons.

Entwicklung und Genetik von S. carlsbergensis

Historisches Re-Brew-Projekt

Alkoholarme und alkoholfreie Biere

Celina Thiel
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Noctiluca scintillans