Wissenschaft + Forschung

Wie Transportproteine Wirkstoffe aus Zellen schleusen | Forscherinnen markierten ein Transportprotein mit zwei nanometergroßen Antikörpersequenzen, den Antibodies. An diesen befestigten sie Gadoliniumatome, sodass sich das Protein mit EPR-Spektroskopie untersuchen ließ. Wie sie nachwiesen, sind sich die beiden Antibodies dann besonders nah, wenn das Protein die Konformation einnimmt, die Wirkstoffe aus Zellen schleust. Bisher ließen sich solche Membranproteine nur isoliert untersuchen, wobei sie nicht unbedingt ihre funktionelle Form haben.<ul><li>
1 Proc. Nat. Acad. Sci. 2020, doi 10.1073/pnas.1913737117</li></ul>
Süßkartoffel warnt durch Terpen vor Schädlingen | Die Süßkartoffelsorte Tainong 57 geht mit einem Duftstoff gegen ihre Fressfeinde vor: Sie sondert aus verletzten Blättern das Terpen (E)-4,8-Dimethyl-1,3,7-nonatrien (DMNT) ab. Dadurch entsteht Sporamin, das die Verdauungsenzyme der angreifenden Insekten hemmt, und zwar nicht nur in intakten Blättern der befallenen Pflanze, sondern auch in benachbarten sortengleichen Süßkartoffeln. Würde konsequent diese Sorte angebaut, so sagen die Forscher, ließen sich Schaden und Ernteausfälle durch Pflanzenfresser auf natürliche Art reduzieren.<ul><li>
2 Sci. Rep. 2019, 9, 17431</li></ul>
Chaperon extrahiert Proteine einzeln | Chaperone entfalten aggregierte und damit funktionsunfähige Proteine. Wie, war unklar – bis jetzt: Das ringförmige bakterielle Chaperon ClpB greift eine Schleife der Proteinkette, die aus einem Proteinaggregat ragt, und zieht sie durch seine zentrale Pore. Da das gesamte Proteinknäuel nicht durch die Pore passt, zieht ClpB einzelne Proteinketten heraus. Diese können sich anschließend wieder zusammenfalten und funktionieren normal. Ob Chaperone aus menschlichen Zellen ebenso wirken, soll jetzt untersucht werden.<ul><li>
3 Nature 2020, doi <ext-link ext-link-type="doi">10.1038/s41586-020-1964-y</ext-link></li></ul>
Darum schmeckt Grünkohl erst nach dem Frost | Grünkohl wandelt bei niedrigen Temperaturen komplexe Kohlenhydrate in Fructose, Melibiose, Maltose und Raffinose um. Grund dafür: Je mehr Teilchen in den Zellen, desto niedriger der Gefrierpunkt. Die Pflanze schützt sich durch die Zucker, deren Süße den Kohl besser munden lässt, also vor dem Erfrierungstod.<ul><li>
4 Food Res. Int. 2020, 127, 108727</li></ul>
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Meldung

Aus den Biowissenschaften

Wie Transportproteine Wirkstoffe aus Zellen schleusen | Forscherinnen markierten ein Transportprotein mit zwei nanometergroßen Antikörpersequenzen, den Antibodies. An diesen befestigten sie Gadoliniumatome, sodass sich das Protein mit EPR-Spektroskopie untersuchen ließ. Wie sie nachwiesen, sind s...

Bier ist ein Frischeprodukt, dessen Aroma sich während seiner Alterung dynamisch ändert. Zwar ist die geschlossene Flasche ein scheinbar stabiles Gebinde, aber die ethanolische Lösung mit pH-Werten von 4,2 bis 4,6 bietet gute Voraussetzungen für chemische Reaktionen, die Geschmack und Geruch des Getränks beeinflussen.
Bier entsteht aus den Rohstoffen Wasser, Malz, Hopfen und Hefe. Wasser dient als Reaktionsmedium und als Lösungsmittel, in dem die Biotransformationen der Inhaltsstoffe ablaufen.Das Malz, also kurz gekeimtes und wieder getrocknetes Getreide, als Körper des Bieres wird zunächst zu Schrot zerkleinert; diesem wird Wasser zugefügt (Einmaischen), und durch Erhitzen auf definierte Temperaturen beim Maischprozess (In-Lösung-Bringen oder Substratherstellung) bauen sich unlösliche Polymere aus dem Malz ab, etwa Stärke oder Proteine. Sie werden enzymatisch zu löslichen niedermolekularen Stoffen abgebaut, wie Zucker und Peptiden oder Aminosäuren.Nach einer Fest-Flüssigtrennung, dem Läutern, wird der flüssige Anteil – die Würze – der Suspension gekocht. Die hohen Temperaturen fördern das Entstehen von Vorläuferverbindungen aus dem Malz, die maßgeblich für die Instabilität des Bieraromas sind. Zudem bilden sich alterungsaktive Aldehydverbindungen, die in Gleichgewichtsreaktionen maskiert und in Bier reversibel wieder freigesetzt werden.Beim Kochprozess wird meist zu Beginn Hopfen zugesetzt. Durch Extraktion und thermische Isomerisierung der darin enthaltenen α-Säuren zu den Iso-alpha-Säuren erhält das Bier seine typische angenehme Bittere. Zudem werden so Aromastoffe eingebracht, die für fruchtige und krautige Eindrücke sorgen. Im weiteren Verlauf der Würzekochung werden Enzyme denaturiert, die Würze sterilisiert und unerwünschte Aromastoffe (Würzecarbonyle) sowie Protein-Gerbstoffkomplexe entfernt.Nach dem Kochprozess steht die Anstellwürze zur Verfügung, das Substrat für den Fermentationsprozess. Dies wird abgekühlt und die Hefe zugefügt. Im Hauptmetabolismus werden in der alkoholischen Gärung Zuckerverbindungen zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid, das maßgeblich für den Frischeeindruck ist. Zudem entstehen fruchtige Aromaverbindungen wie höhere Alkohole und Ester, aber auch schwefelhaltige Verbindungen, die ein frisch-schwefliges Aroma verursachen.Den sensorischen Gesamteindruck „Bier“ erzeugen mehr als 2000 flüchtige und nichtflüchtige Stoffe. Diese interagieren miteinander: Sie verstärken sich gegenseitig, maskieren einander oder kombinieren sich zu neuen Eindrücken. Das Zusammenspiel der Bierinhaltsstoffe verändert sich dynamisch, sodass sich während der Alterung das sensorische Profil wandelt (Abbildung 1).<figure><img src="https://media.graphcms.com/VxygL0GTCJKBcqyViTmw"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Überblick: Stoffe und Reaktionen der Bieralterung.</figcaption></figure>
<h2>Wie sich das Bieraroma ändert</h2>Die Sensorik betrachtet den Geschmack, die gustatorische Wahrnehmung und den Geruch, also die olfaktorische Wahrnehmung. Da Hersteller verpflichtet sind, ein Mindesthaltbarkeitsdatum anzugeben, macht sich der Konsument allerdings wenig Gedanken darum, sein Bier korrekt zu lagern – nämlich so, dass es sich sensorisch nur minimal verändert.Die Alterung hängt stark von Lagerung und Biertyp ab. Daher lassen sich keine definierten Zeitfenster angeben. Qualitativ verläuft die Alterung so: Zuerst nimmt das frisch-schweflige Aroma ab. In der frühen Phase der Alterung entstehen dumpfe, pappkartonartige Eindrücke mit brotigen Aromanoten. Diese beiden Ausprägungen werden jedoch bei mittlerer Alterungsphase von süßlich, karamelligen Aromen dominiert. In der finalen Phase der Alterung entsteht ein sherryartiger Aromaeindruck. In der finalen Phase sinkt auch der Frischeeindruck der Biere, da CO2 aus der Flasche diffundiert. Zudem wird die Bittere konstant abgebaut. Sensoriker beschreiben den dadurch entstehenden Eindruck mit nachhängend, kratzig, breit und später auch als zerfallen.Zwar gibt es für einzelne Aromaeindrücke Leitkomponenten. Grundsätzlich sind die wahrgenommenen Eindrücke jedoch meist auf interagierende Komponenten zurückzuführen, die aus charakteristischen Alterungsreaktionen entstehen.1,2)<h2>Der böse Sauerstoff</h2>Was führt nun chemisch zu den sensorischen Änderungen? Eine wichtige Rolle hat Sauerstoff. Er erzeugt wegen seines Triplettgrundzustands im Bier reaktive Sauerstoffspezies (ROS, Abbildung 2, S. 82).<figure><img src="https://media.graphcms.com/aqzdeDASfKEspbyMKg3s"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Während der Bieralterung bilden sich reaktive Sauerstoffspezies (ROS), die durch Weiterreagieren Geschmack und Geruch des Bieres verändern.</figcaption></figure>
Zunächst entsteht das Superoxidanion, das weiteroxidiert zum Peroxidanion. Dieses liegt aufgrund des mildsauren pH-Werts von Bier als Wasserstoffperoxid vor.Entscheidend für die Bildungsrate an ROS sind Lagertemperatur, Sauerstoffkonzentration im Bier und der Gehalt reduzierter Metallionen (Fe2+, Cu+). Diese wirken dabei katalytisch und führen letztlich zur Disproportionierung von H2O2, aus der das Hydroxylradikal hervorgeht. Da dieses sehr reaktiv ist, reagiert es unspezifisch, aber katalytisch mit vielen Reaktionspartnern. Wegen der Ethanolkonzentration reagiert das Radikal überwiegend mit dem Alkohol und liegt daher zu großen Teilen als Hydroxyethylradikal vor.2) Das Ende der ROS-Reaktionskaskade indiziert den Beginn der Bieralterung.Biere enthalten gelösten Sauerstoff von 0,3 bis 0,5 mg · L–1. In Verbindung mit dem Gehalt in der Luft im Flaschenkopf liegen in Summe 0,5 bis 0,8 mg · L–1 Sauerstoff in einer 0,5-L-Glasflasche vor: Genug, um die Chemie des Biers durcheinanderzuwirbeln.<h2>Abbau von Bitterstoffen</h2>Die ROS oxidieren etwa Hopfenbittersäuren. Nach Abspaltung der gesättigten Acylseitenkette entstehen durch Veresterung dieser methylverzweigten Carbonsäuren mit Ethanol süßlich-fruchtige methylverzweigte Ethylester. Dieser Prozess hängt vor allem von Temperatur und Zeit ab.3) In einem sauerstoffunabhängigen Reaktionsweg entsteht in einer radikalischen, photoinduzierten Reaktion, in der das in den Rohstoffen enthaltene Riboflavin als Katalysator dient, in Anwesenheit einer Schwefelquelle wie Cystein oder Methionin aus der Iso-α-Säure 3-Methyl-2-buten-1-thiol (Abbildung 3, S. 82). Dieses hat ein charakteristisches Aroma nach Stinktier. Grünglas begünstigt diese Reaktion, da es mehr sichtbares Licht durchlässt als Braunglas.4)<figure><img src="https://media.graphcms.com/8HGcHw77TfiHREJB3ohJ"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Maskierungsreaktionen der bei der Alterung entstandenen Aldehyde.</figcaption></figure>
Zu geschmacklichen Veränderungen kommt es, wenn keine der Seitenketten abgespalten wird. Durch intramolekulare Cyclisierung entstehen zu geringen Teilen Produkte wie Tricyclohumen und Iso-Tricyclohumen und zu größeren Teilen Tetracyclohumol und Epitetracyclohumol. Dieser cyclische Abbau ist besonders temperatur- und pH-abhängig und geht mit der Abnahme des Bittereindrucks und der Qualitätsänderung (hart, breit, nachhängend oder zerfallen) einher.5)<h2>Lipidperoxidation</h2>Als weitere Reaktionen des Sauerstoffs ist die Autoxidation von Lipiden beschrieben. Hier werden ungesättigte Fettsäuren radikalinduziert zu Hydroperoxiden. Durch Spaltungsreaktionen entstehen flüchtige Aldehyde wie Hexanal (weinartig) und (E)-2-Nonenal (dumpf, pappkartonartig).Diese Aldehyde entstehen auch während der Mälzung. Die Gerstenlipide werden hier jedoch von den Enzymen der Gruppe der Lipoxygenasen, LOX1 und LOX2, katalysiert zu den Hydroperoxiden oxidiert und dann in die Carbonylverbindungen gespalten. Gerstenzüchter haben daher die Expression dieser Enzyme verringert,2) allerdings haben sich nur wenige dieser Sorten etabliert.<h2>Alterungsrelevante Aldehyde der Maillard- und Streckerreaktion</h2>Als zentraler Bildungsweg für aromaaktive Aldehyde ist die nichtenzymatische Bräunung (Maillard-Reaktion) am wichtigsten. In dieser Reaktion zwischen reduzierenden Zuckern und Aminosäuren entstehen zunächst Amadori-Produkte und dann reaktive Dicarbonyle. Von diesen ist mengenmäßig 3-Desoxyglucoson (3-DG) die bedeutendste Verbindung. Dicarbonylverbindungen sind selbst nicht aromaaktiv, aber reaktive Vorläuferverbindungen. Von 3-DG sind in Bier zwischen 15 und 50 mg · L–1 enthalten. Die Dicarbonylverbindungen entstehen hauptsächlich im Mälzungs- und Würzekochprozess; das 3-DG-Potenzial wird jedoch maßgeblich durch das Malz bestimmt.6,7)3-DG kann direkt zu 5-Hydroxymethylfurfural reagieren. Dessen Gehalt zeigt zusammen mit 2-Furfural aus dem Abbau von Fünffachzuckern die thermische Belastung während der Bierherstellung und der Lagerung an. Eine weitere wichtige Folgereaktion ist die Strecker-Reaktion. Hier entstehen aromaaktive Aldehyde aus Aminosäuren und Dicarbonylverbindungen. Zu den Produkten gehören 2-Methylpropanal (getreideartig) aus Valin, 2-Methylbutanal (grün) aus Isoleucin, 3-Methylbutanal (malzig) aus Isoleucin, Methional (nach gekochter Kartoffel) aus Methionin und Phenylethanal (nach Rose) aus Phenylalanin. Strecker-Aldehyde tragen bei Überschreitung ihrer Geruchsschwellen maßgeblich zum Alterungseindruck von Bier bei.Mögliche Folgeprodukte der Dicarbonyle nach Strecker-Reaktion sind Pyrazine, die unter Wasserfreisetzung in Addition aus α-Aminoketonen entstehen. Pyrazine sind überwiegend für süßliche Aromaeindrücke verantwortlich. Beispiele sind 2-Acetylpyrazin (süßlich, karamellig) und 2-Methoxypyrazin (röstig, getreidig).Außer für Strecker- und Maillard-Reaktion sind die Dicarbonylverbindungen auch die Grundlage für das Entstehen von Melanoidinen. Das sind hochmolekulare Strukturen, die das strohig-goldene Bier bis ins rötlich-braune verfärben.<h2>Neu oder freigesetzt</h2>Die beschriebenen De-novo-Bildungswege erklären das Vorkommen der Alterungskomponenten qualitativ. Die quantitativen Anstiege während der Alterung in der Flasche jedoch lassen sich so nicht erklären. Denn zum einen liefert die Lagertemperatur von 20 bis 25 °C zu wenig thermische Energie für Reaktionen, zum anderen sind die Präkursoren geringer konzentriert als in den vorherigen Prozessstufen. Dagegen bieten die Herstellungsprozesse wie Maischen und Würzekochung mit hohen Temperaturen, höheren pH-Werten und genügend Edukten beste Voraussetzungen für eine Aldehydbildung.Aldehyde liegen in Bier sowohl in freier, als auch in gebundener Form, also maskiert vor. In der Literatur werden α-Hydroxysulfonate (Bisulfitaddukte), Imine (Aminogruppen an Aminosäuren, Peptiden oder Proteinen), Glykoside und seit kurzem auch 2-substituierte-1,3-Thiazolidin-4-Carbonsäuren (Cysteinaddukte) sowie Acetale als Vorstufen diskutiert. In dieser gebundenen Form überstehen die Aldehyde dann zum Beispiel das Ausdampfen während des Würzekochens oder eine Reduktion während der Fermentation und gelangen so ins fertige Bier. Im Lauf der Alterung und bei Veränderungen im chemischen Gleichgewicht gehen die Aldehyde dann sukzessive in ihre freie Form über und tragen so zum Alterungsaroma bei.<h2>Auf dem Weg zum Sherryaroma</h2>Durch das komplexe Zusammenspiel aller Aromastoffe untereinander, aber auch in Wechselwirkung mit der Matrix – also anderen Bierbestandteilen – kann bei Bieren in der finalen Alterungsphase ein Sherryaroma auftreten. Analytisch ist dieses jedoch nicht fassbar, da es im Bier keine korrespondierende Indikatorverbindung gibt. Zudem überschreiten nur wenige alterungsrelevante Stoffe im Lauf der Zeit ihre Geruchsschwelle. Für den sensorischen Eindruck „sherryartig“ sind vor allem additive und synergistische Effekte wichtig. Zusätzlich treten aber auch abschwächende, maskierende Effekte auf und solche, die die Geruchsqualität verändern, die kombinatorischen Effekte.<h2>Wie Bier am längsten frisch bleibt</h2>Wie lassen sich alle genannten Prozesse bestmöglich verlangsamen? Oder anders gefragt: Wie lagere ich mein Bier richtig? Grundsätzlich sind Biere bis zu vier Monate sensorisch stabil. Dann beginnen je nach Rohstoffen, technischen Herstellungsbedingungen und Lagerung leichte Änderungen. Eine kühle und lichtgeschützte Lagerung verzögert die Alterungsprozesse erheblich, sodass dem Genuss nichts mehr im Weg steht.<h2>Die Autoren</h2>Arndt Nobis promoviert seit 2015 am Lehrstuhl für Brau- und Getränketechnologie in Weihenstephan. Er studierte Lebensmittelchemie in Dresden. Sein Forschungsthema sind Maillard-Reaktionsprodukte im Mälzungs- und Brauprozess und deren Einfluss auf die sensorische Stabilität von Bier. Seit 2016 leitet er das chromatographische Labor des Lehrstuhls.<div><img src="https://media.graphcms.com/0Y2nXJzkR7qOL5rZadix">

</div>Florian Lehnhardt promoviert seit 2016 ebenfalls in Weihenstephan; er hat Lebensmittelchemie an der TU München studiert. Er beschäftigt sich mit aromaaktiven Substanzen gealterten Biers, deren Vorläuferverbindungen und alternativen Vorhersagemethoden der Alterungsstabilität heller Vollbiere. Seit 2018 leitet er das Sensoriklabor des Lehrstuhls.<div><img src="https://media.graphcms.com/B87ZtANRRMCPbBBVlK5x">

</div><h2>AUF EINEN BLICK</h2>Den sensorischen Eindruck frischen Biers verursachen mehr als 2000 flüchtige und nichtflüchtige Stoffe, die miteinander interagieren.Das sensorische Profil eines Biers verändert sich konstant und dynamisch durch Abbau von Stoffen sowie das Entstehen und Freisetzen unerwünschter Stoffe. Diese Reaktionen hängen stark von Herstellungs- und Lagerbedingungen ab.Im Gegensatz zu Wein wird Bier durch Lagern nicht besser. Daher sollte es möglichst kalt, dunkel und nicht zu lange aufbewahrt werden.
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1 F. Lehnhardt, M. Gastl, T. Becker, Critical reviews in food science and nutrition 2019, 59, 2642–2653</li><li>
2 Vanderhaegen, H. Neven, H. Verachtert, G. Derdelinckx, Food Chem. 2005, 95, 357–381</li><li>
3 F. Lehnhardt, J. Steiner, M. Gastl, T. Becker, BrewingScience 2018, 71, 39–48</li><li>
4 K. Huvaere, M. L. Andersen, L. H. Skibsted, A. Heyerick, D. De Keukeleire, J. Agric. Food Chem. 2005, 53, 1489–1494</li><li>
5 D. Intelmann, T. Hofmann, J. Agric. Food Chem. 2010, 58, 5059–5067</li><li>
6 A. Nobis, A. Roehrig, M. Hellwig, T. Henle, T. Becker, M. Gastl, Food Chem. 2019, 290, 187–195</li><li>
7 M. Hellwig T. Henle, Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 10316–29</li></ul>

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