Kongenere (lateinisch für „zusammen geboren“) machen ihrem Namen alle Ehre. Sie sind die unvermeidlichen, aber oft vernachlässigten Geschwister einer alkoholischen Gärung. Da Hefen den Zucker aus Most oder einer anderen Quelle zu Ethanol und Kohlendioxid fermentieren, liefern sie auch eine Reihe anderer Verbindungen, die in geeigneter Weise als Kongenere bezeichnet werden. Sie sind die Ergänzung der Hefe zur Geschmackskomplexität des Weins, die die Beiträge der Trauben selbst ergänzt.
Kongenere üben ihre größte Wirkung auf einige Spirituosen aus, weil sie sich durch Destillation in ihnen konzentrieren. Aber auch Biere und Weine sind betroffen, wenn auch in geringerem Maße. Ein Kongenerer, der aktive Amylalkohol (siehe unten) und die davon abgeleiteten Ester, werden jedoch als wichtige, wünschenswerte Geschmackskomponenten von Bier angesehen.
Was sind Kongenere?
Die Liste der Kongenere, die Acetaldehyd und eine Vielzahl von Estern (insbesondere die Ethylester von C8- bis C12-Fettsäuren) umfasst, ist umfangreich. Aber die Gruppe, die zusammen Fuselöl genannt wird, ist am häufigsten und könnte am faszinierendsten sein. Sicherlich ist es der Kongener mit dem zweideutigsten Ruf. Fuselöl, lange für Kater verantwortlich gemacht, ist für das Hinzufügen von Geschmackskomplexität bekannt. Feine traditionelle Brände zum Beispiel wären ohne Fuselöl eintönig.
Fuselöle sind eine Mischung aus höheren Alkoholen (höheres Molekulargewicht als Ethanol). Der seltsame Name Fusel stammt von einem alten deutschen Wort, das grob als „schlechte Geister“ übersetzt wird, zweifellos wegen des etwas unangenehmen Geruchs einer konzentrierten Mischung von ihnen.
Fuselöl wird „Öl“ genannt, weil sich das Gemisch beim Destillieren alkoholischer Getränke als obere ölige Schicht auf den Platten einer kontinuierlichen Destille mit 100 ° bis 135 ° Proof abscheidet. Fuselöl hat vier Hauptkomponenten: einen C3-Alkohol (normaler Propylalkohol), einen C4-Alkohol (Isobutylalkohol) und zwei C5-Alkohole (Isoamyl- und aktive Amylalkohole).
Fermentierende Hefen bilden immer diese vier Hauptkomponenten des Fuselöls zusammen mit kleineren Mengen anderer höherer Alkohole. Die nicht vollständig beantwortete Frage lautet: Warum? Ihre Bildung ist nicht Teil der alkoholischen Gärung, durch die Hefe metabolische Energie ableiten. Hefe profitiert weder energetisch von der Herstellung von Fuselöl noch größtenteils auf andere Weise.
Wie wird Fuselöl hergestellt?
Vor mehr als 100 Jahren (1907) schien der Ursprung und der Grund für Fuselöl völlig klar zu sein. In diesem Jahr veröffentlichte F. Ehrlich ein Papier (später von anderen bestätigt), das zeigt, dass Fuselölkomponenten metabolischer Detritus sind. Sie sind die leicht veränderte Form der Kohlenstoffskelette bestimmter Aminosäuren, die verworfen werden, nachdem Hefe die Stickstoffatome abgestreift hat, die sie für das Wachstum benötigen. Geringe Mengen dieser Aminosäurerohstoffe sind im Traubensaft enthalten.
Mit Ausnahme von normalem Propylalkohol enthalten alle Hauptkomponenten von Fuselöl — Isobutyl—, Isoamyl- und aktive Amylalkohole – die Kohlenstoffgerüste einer biosynthetisch verwandten Gruppe von Aminosäuren (manchmal auch verzweigtkettige Aminosäuren genannt): Valin, Leucin und Isoleucin. Diese Erklärung, warum Hefe Fuselöl herstellt, ist immer noch weit verbreitet. Seltsamerweise sind nur Hefen — eine Vielzahl von ihnen — dafür bekannt, Fuselöl herzustellen.
Aber Ehrlichs Erklärung war unvollständig, und grundlegende Fragen blieben: Warum werden diese wenigen Aminosäuren bevorzugt angegriffen? Und das größere Rätsel ist: Wie und warum stellt Hefe Fuselöl her, auch wenn Aminosäuren nicht als Stickstoffquelle zur Verfügung stehen?
Dieses Dilemma wurde durch ein detailliertes Experiment in den Fokus gerückt, das John Castor und Jim Guymon vor mehr als 50 Jahren an der University of California, Davis, Abteilung für Weinbau und Önologie, durchführten. Sie verfolgten das Verschwinden verzweigtkettiger Aminosäuren und die Bildung von Fuselöl (damals schwierige und zeitaufwändige Messungen) während der Fermentation eines französischen Colombard-Mostes durch den Montrachet-Hefestamm.
Die Ergebnisse von Castor und Guymon erschütterten Ehrlichs implizite Eins-zu-Eins-Verbindung zwischen Aminosäureverwertung und Fuselölbildung. Sie fanden heraus, dass sich die Bildung von Fuselöl fortsetzte — tatsächlich beschleunigte sie sich —, nachdem alle verzweigtkettigen Aminosäuren im Most aufgebraucht waren. Und die Bildung von Fuselöl (zusammen mit der Fermentation) setzte sich auch nach dem Wachstum der Hefe (und ihrem Bedarf an Aminosäuren) fort. Später wurde gezeigt, dass Hefezellen, die in einer Lösung von Glucose allein in völliger Abwesenheit von Aminosäuren suspendiert sind, Fuselöl bilden, während sie fermentieren.
Wie Hefe das macht, wurde von Jim Guymon, Ed Crowell und mir, ebenfalls an der UC Davis, in den frühen 1960er Jahren beantwortet. In einer Reihe von Arbeiten haben wir gezeigt, dass die wichtigsten Fuselölkomponenten auf demselben Stoffwechselweg synthetisiert werden wie ihre entsprechenden Aminosäuren. Aber anstatt den ganzen Weg zu Aminosäuren zu gehen, zweigt der Weg ab, um Fuselöl herzustellen. Wir zeigten dies anhand von Hefestämmen, die infolge einer Mutation die Fähigkeit verloren hatten, eine bestimmte Aminosäure zu synthetisieren. Solche Belastungen machen die entsprechende Fuselölkomponente nicht aus. Zum Beispiel machen mutierte Stämme, die Leucin nicht synthetisieren können, keinen Isoamylalkohol, und Stämme, die Isoleucin nicht synthetisieren können, machen keinen aktiven Amylalkohol.
(Jim Guymon, Professor für Önologie, Brandy-Spezialist und Kenner, hatte eine bemerkenswerte Nase für Fuselöl. Ich sah ihn – durch Verkostung – drei Zinfandel-Weine richtig nach ihrem Gehalt an Fuselöl einstufen.)
In denselben Studien entdeckten wir den metabolischen Weg der Bildung von normalem Propylalkohol, der Fuselölkomponente, die keiner Aminosäure direkt entspricht. Auch sein Syntheseweg ist integraler Bestandteil der verzweigtkettigen Aminosäuren, jedoch auf merkwürdige und unerwartete Weise. Ein Zwischenprodukt (Alpha-Oxoglutarat) in der Reihe von Stoffwechselreaktionen, die zur Synthese von Isoleucin führen, wird auf demselben Weg zu normalem Propylalkohol hergestellt, auf dem die Skelette verzweigter Ketten verworfen werden. Warum? Welchen möglichen Nutzen bietet seine Bildung oder Anwesenheit der Hefe? Das ist ein Rätsel, aber normaler Propylalkohol scheint immer ein Bestandteil von Fuselöl zu sein.
Kontrolle der Bildung von Fuselöl
Diese Ergebnisse deuteten darauf hin, dass es möglich sein könnte, einen Hefestamm zu konstruieren, der wenig oder gar kein Fuselöl produzieren würde: Einfach genügend genetische Blöcke in den Stamm einführen, um ihn unfähig zu machen, verzweigtkettige Aminosäuren herzustellen. Wir haben das gemacht und die Ergebnisse waren ziemlich überraschend. Der Stamm machte, wie erwartet, keine der üblichen Komponenten von Fuselöl, aber unerwartet einen neuen höheren Alkohol, der normalerweise nicht in Fuselöl vorhanden ist: normaler Butylalkohol.
Wir fanden heraus, dass der Stamm verbleibende Teile der Reaktionsreihe, die normalerweise verzweigtkettige Aminosäuren und ihre entsprechenden Fuselölkomponenten bilden, zusammengeschustert hatte, um diesen neuen fuselölartigen höheren Alkohol, normalen Butylalkohol, herzustellen. Es machte Alpha-Oxobutyrat durch ein verbleibendes Fragment des Isoleucinweges und wandelte dieses durch Fragmente des Leucin- und Ehrlich-Weges in normalen Butylalkohol um. Es scheint, als hätte Hefe den Zwang, etwas Fuselöl herzustellen. Sogar mutierte Stämme schaffen es auf die eine oder andere Weise durch ihre verbleibenden Stoffwechselwerkzeuge.
Später passten Richard Snow und Ralph Kunkee diesen Ansatz unter Verwendung der Montrachet-Varietät von Saccharomyces cereviseae an, um einen kommerziell nützlichen Stamm zu erhalten, der nur minimale Mengen an Isoamylalkohol herstellt, der Fuselölkomponente, die einige für den Weingeschmack am unerwünschtesten halten. Und wir hatten einen anderen Weg gefunden, Fuselöl zu begrenzen. Belüftung stimuliert die Bildung aller Fuselölkomponenten; strikter Ausschluss von Luft aus einer Fermentation reduziert die Menge von ihnen.
Beyond wine
Es ist eine faszinierende Tatsache, wie Louis Pasteur, der Begründer der modernen Mikrobiologie, in Études Sur le Vin erstmals so dramatisch gezeigt hat, dass die Konsequenzen der Weinforschung manchmal über den Wein selbst hinausgehen. Die Forschung zur Bildung von Fuselöl in Wein ist ein aussagekräftiges Beispiel.
Die Biotechnologieindustrie, die Mikroorganismen verwendet, um therapeutisch nützliche Proteine wie Insulin und menschliches Wachstumshormon herzustellen, war beunruhigt zu entdecken, dass diese Proteine manchmal eine abnormale Aminosäure, Norvalin, enthielten (es ist nicht in unserem genetischen Code noch normalerweise in Protein vorhanden), und sie wollten es eliminieren. Sie fanden heraus, dass Norvalin über den Weg synthetisiert wurde, auf dem wir feststellten, dass mutierte Hefestämme die abnormale Fuselölkomponente, normalen Butylalkohol, herstellen. Diese Informationen führten zu Mitteln zur Eliminierung von Norvaline aus ihren Produkten.
Das Wissen über die Herstellung von Fuselöl wird nun auf die Herstellung synthetischer Kraftstoffe übertragen. Fuselölgene aus Hefe wurden von Shota Atsumi auf andere Mikroben (insbesondere Escherichia coli) übertragen, um normalen Butylalkohol herzustellen, der ein ausgezeichneter Kraftstoff für Verbrennungsmotoren ist.
Was tun?
Wir wissen jetzt, wie Fuselöl, das wichtigste Kongenere, hergestellt wird. Wir haben immer noch keine Ahnung, warum Hefen, fast alle von ihnen, es schaffen. Wir wissen, dass es den Geschmack von Wein beeinflusst, und wir haben einige Kenntnisse darüber, wie man seine Bildung verwaltet. Aber wir sind uns nicht sicher, ob wir das wollen.
Nach seiner Pensionierung von der University of California, Davis, als Professor für Mikrobiologie, John L. Ingraham nahm Beratung in der Biotechnologie und Schreiben. Sein neuestes Buch, March of the Microbes, Sighting the Unseen, das den Ansatz eines Vogelbeobachters zur Mikrobiologie verfolgt, wurde im Februar 2010 von der Harvard University Press veröffentlicht. Um diesen Artikel zu kommentieren, E-Mail [email protected] .