Zuckergehalt während der Biergärung

Transkript

1 Zuckergehalt während der Biergärung Anina Linder & Laura Rotach Kantonsschule Kreuzlingen Betreuerin: Anika Jäger

2 Inhaltsverzeichnis 1. Zusammenfassung Deutsch Englisch Vorwort Einleitung Fragestellungen Hypothesen Material & Methoden Material Methoden Resultate Diskussion Hauptteil Methodenkritik Weiterführende Fragen Literaturverzeichnis Nachwort Danksagung... 9

3 1. Zusammenfassung 1.1 Deutsch Im Rahmen einer Naturwissenschaftlichen Woche an der Kantonsschule Kreuzlingen, wurde sowohl der Zuckergehalt, als auch der Alkoholgehalt von Bier während der Gärung gemessen. Für die Bierherstellung wurde ein Bierkit von Muntons verwendet. Das Bier wurde nach Anleitung fertiggestellt und in Kanister gefüllt. Während einer Woche wurden dreimal am Tag jeweils der Zuckergehalt mit Hilfe eines Refraktometers, sowie der Alkoholgehalt mit Hilfe eines Alkoholmeters gemessen. Es zeigte sich, dass der Zuckergehalt im Laufe der Zeit stark abnimmt. Die Messung des Alkoholgehaltes hat leider nicht funktioniert, weil das Messgerät solch tiefe Werte nicht anzeigen konnte. Um die Entwicklung des Alkoholgehalts trotzdem bestimmen zu können, haben wir ihn über den Zuckergehalt berechnet, mit Hilfe der Reaktionsgleichung für die Gärung (C6H12O6 2 C2H5OH+2 CO2). Die berechneten Werte wurden anschliessen überprüft, indem 100ml Bier destilliert wurde. Mit Hilfe des Alkoholmeters wurde das Volumenprozent gemessen und mit diesem Wert dann die Menge von Alkohol ausgerechnet. Der Wert aus beiden Berechnungsarten sollte übereinstimmen, was fast der Fall war. Damit wurde bewiesen, dass der Alkoholgehalt aus der Veränderung des Zuckergehaltes berechnet werden kann. Spannend war, dass gleich viel Alkohol produziert wurde bei der Bierprobe, bei welchem durch wiederholte Messungen Sauerstoff dazu gekommen ist, wie auch beim dauernd verschlossenen Bier ohne Sauerstoffzufuhr. 1.2 Englisch During the scientific week at the Kantonsschule Kreuzlingen, the sugar content and the alcohol level of beer was measured during its fermentation. For the production of the beer Muntons beerkit was used. The beer was made with the help of the instructions. Afterwards, it was bottled into cans and one small plastic. During one week the sugar content and the alcohol level of the beer in the small plastic bottle were measured three times per day. The sugar level was measured by dint of a refractometer and the alcohol level by dint of an alcoholmeter. A decrease of sugar content was observed. The alcohol level could not be measured because of it was too low. Therefore the alcohol value was calculated with help of the sugar content and the reaction equation (C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6H2O). The result of this calculation was checked by a distillation. Hundred milliliters of the beer in the small plastic bottle and hundred milliliters of the beer in the can were distilled. Afterwards the distilled liquids were weakened with water and the percent by volume in these liquids were measured. This made it possible to calculate the alcohol level in the beer. The result of the first calculation and the result of the second have to be the same. This was not exactly the case, because of many different influences. However these different influences are discussed in this project. 1

4 2. Vorwort Als wir beim Grillieren zusammen ein Bier getrunken haben, wurde die Frage, wie eigentlich der Alkohol in das Bier kommt, in die Runde geworfen. Nach einer kurzen Diskussion sind wir darauf gekommen, dass das Bier nach dem Brauen gären muss. Doch wieso ist das der Fall? Hat dies etwas mit Umwandlung zu tun? Und was braucht es überhaupt alles für Zutaten? Diese und weitere Fragen beschäftigten uns während längerer Zeit und deshalb haben wir beschlossen, dies in der NWW zu untersuchen. Schnell haben sich zwei Interessierte gefunden, welche sich diese Umwandlung genauer anschauen wollen. Wir haben angefangen zu recherchieren ob es möglich ist, Bier zu Hause zu brauen, um diesen Prozess zu verfolgen. Nach kurzem recherchieren haben wir die Schlussfolge gezogen, dass dieser Prozess während der Gärung passieren muss. Deshalb haben wir unser eigenes Bier gebraut und den Zuckergehalt und den Alkoholgehalt während der Gärung untersucht. 3. Einleitung Vor 5000 Jahren wurde das erste Bier gebraut. Dies geschah in China. Ausserdem liessen schon die alten Ägypter altes Brot mit Wasser vergären und bekamen so eine Art Bier. Im Mittelalter tranken sogar Kinder Bier, da es durch das Einkochen Keimfrei war, was man vom Trinkwasser nicht immer behaupten konnte. Früher wurde Bier noch aus vielen unterschiedlichen Zutaten gebraut. Diese vielen verschiedenen Zutaten werden heutzutage meist durch Hopfen ersetzt. Neben Hopfen wird noch Malz, Hefe und Wasser benötigt. Ausserdem kann auch Honig oder andere Geschmackssorten wie Himbeere oder Holunder dazugegeben werden. Das Malz wird beim Maischen mit Wasser gekocht. Danach wird der Hopfen zum kochenden Wasser hinzugefügt. Am Ende wird die gezüchtete Hefe unter die Flüssigkeit gemischt. Die Gärung kann beginnen. Dafür wird das Bier für ein bis zwei Wochen stehen gelassen. Während der Gärung von Bier nimmt der Alkoholgehalt zu. Dies liegt am hohen Zuckergehalt, der anfangs im Bier enthalten ist. Dieser Zucker wird mit der Zeit abgebaut, sodass am Ende des Brauens kaum mehr Zucker in der Flüssigkeit, dem Bier, vorhanden ist. Der Zucker wird durch die Hefe in Kohlenstoffdioxid und Ethanol umgewandelt. Das dabei entstandene Kohlenstoffdioxid wird beim Brauen abgesaugt und aufbereitet. Dies wird gemacht, damit es nach dem Brauprozess, das heisst während dem Zapfen, dem Bier wieder zugefügt werden kann. Je nach Hefesorte ergibt sich untergäriges oder obergäriges Bier. Der Unterschied liegt darin, dass beim untergärigen Bier die Hefe nach der Gärung auf dem Boden liegt und beim obergärigen Bier auf der Oberfläche schwimmt. Dieser Unterschied entsteht durch die unterschiedlichen Stämme der Bierhefe. Bei diesem Experiment wird ein untergäriges Bier untersucht. Der Alkoholgehalt wird mit einem Alkoholmeter gemessen. Normalerweise wird der Alkoholgehalt beim Bier mit einer Bierspindel gemessen. In diesem Projekt soll herausgefunden werden, wie sich der Zuckergehalt und der Alkoholgehalt während der Gärung verhalten. Ausserdem wird untersucht, ob am Ende der Gärung der ganze Zucker der Flüssigkeit in Ethanol umgewandelt worden ist. 2

5 3.1 Fragestellungen Wie verhalten sich der Zuckergehalt und der Alkoholgehalt von Bier während der Gärung? Wie viel Zucker bleibt am Ende der Gärung übrig? 3.2 Hypothesen Nullhypothese: Der Zuckergehalt und der Alkoholgehalt verändern sich während der Gärung von Bier kaum. Hypothese 1: Während den ersten Tagen der Gärung nimmt der Alkoholgehalt stark zu bzw. der Zuckergehalt stark ab. Nach einigen Tagen nimmt der Alkoholgehalt nur noch schwach zu bzw. der Zuckergehalt schwach ab. Hypothese 2: Am Ende der Gärung wird im Bier kein Zucker mehr enthalten sein. 4. Material & Methoden 4.1 Material Für ca. 20 Liter Bier 2 Kanister 1 Dose Malzextrakt mit Hefepäckchen Dosenöffner PET-Flasche 1 kg Zucker Thermometer 4 Gärröhrchen 21 l Wasser Alkoholmeter Kochtopf 40 Wiederverschliessbare Flaschen Refraktometer Grosser Eimer Schlauch mit Klemme Pipetten Teelöffel Destillationsapparatur Messzylinder Abbildung 0: Material für die Gärung von Bier mit einem Bierkit 3

6 4.2 Methoden Vorbereitung (Tag 1) Dose mit dem Malzextrakt für 5 Minuten in heisses Wasser geben, sodass der Inhalt flüssig wird. Währenddessen alles Material sauber sterilisieren. 3.5 l Wasser aufkochen und anschliessend mit dem Malzextrakt in einen grossen Eimer leeren. 1 kg Zucker dazugeben und alles gut mischen l kaltes Wasser dazugeben, umrühren und bis auf ca. 18 C abkühlen lassen. Hefe dazugeben und nochmals alles gut umrühren. Flüssigkeit in die Kanister und die PET-Flasche füllen, Gärröhrchen aufsetzen und bei ca C gären lassen. Gärung und Messung (Tag 1-7) Nach ca. 7 Tagen ist die Gärung abgeschlossen. Während der Gärung wird 3 Mal täglich gemessen (07:00 Uhr, 19:00 Uhr, 01:00 Uhr). Der Zuckergehalt wird mit einem Refraktometer und der Alkoholgehalt mit einem Alkoholmeter in der PET-Flasche gemessen. Die Sauerstoffzufuhr während der Messung wird möglichst klein gehalten. Die Kanister bleiben bis Ende der Gärung ungeöffnet. Abfüllen in Flaschen (Tag 8) Das Bier mithilfe des Schlauches und der Klemme durch ansaugen in die wiederverschliessbaren Flaschen füllen. Das Hefesediment darf dabei nicht gestört werden. Jeder Flasche eine halben Teelöffel Zucker beifügen und anschliessend dicht verschliessen. Destillation (Tag 8) Destillationsapparatur aufbauen und je 100ml Bier vom Kanister und von der PET-Flasche destillieren. Daraus mit dem Alkoholmeter das Volumenprozent messen und die enthaltene Menge Alkohol berechnen mit folgender Formel: h h = 2 oder kurz: h h (46 ) = 2 Nachgärung (Tag 8-24) Bier für 2 Tage an einem warmen Ort lagern. Anschliessen das Bier für 14 Tage an einem kühlen Ort lagern, bis die Flüssigkeit klar ist. Danach ist das Bier fertig und kann genossen werden. 4

7 5. Resultate Zuckergehalt und Alkoholgehalt während der Gärung Gehalt [g/100ml] Zeit [h] Datenreihen1 Datenreihen2 Abbildung 1: Der Zuckergehalt vom Testbier wurde 3 Mal täglich für eine Woche mit einem Refraktometer gemessen. Die Kurve des Zuckergehaltes nimmt exponentiell ab. Daraus wurde mit der Formel = 2 der Alkoholgehalt berechnet. Zuckergehalt Kanister Ende der Gärung Zuckergehalt [g/100ml] Endresultate Alkoholgehalt berechneter gemessener Alkoholgehalt Alkoholgehalt Differenz Testbier 2.75g 1.4g 1.35g Bierflasche (1.83g) 1.2g (0.63g) Kanisterbier 2.85g (1.2g) (1.65g) Abbildung 3: In der Tabelle sind die Endresultate des berechneten und gemessenen Alkoholgehaltes und dessen Different dargestellt. Beim Testbier gab es eine regelmässige Sauerstoffzufuhr, beim Kanisterbier nicht und in der Bierflasche gab es zusätzlich einen halben Teelöffel Zucker. 3.4 Abbildung 2: Während des Abfüllens des Bieres wurde aus beiden Kanistern je am Anfang, Ende und in der Mitte der Zuckergehalt gemessen. Der Mittelwert liegt bei 3.8 g/100ml und dessen Standardabweichung ist bei 0.23 g/100ml. 5

8 6. Diskussion 6.1 Hauptteil Die Nullhypothese, dass sich der Zuckergehalt und der Alkoholgehalt während der Gärung kaum verändert, muss verworfen werden, da sich der Zuckergehalt in 180 Stunden von 9.4g/100ml bis auf 4g/100ml verändert hat. Dies macht eine Differenz von 5.4g. Die Veränderung des Alkoholgehaltes konnte während der Gärung nicht gemessen werden, jedoch kann dieser ausgerechnet werden mit Hilfe der Formel: = 2 Die Differenz vom Anfangszuckergehalt und vom Endzuckergehalt sollte in einem Verhältnis von 1:2 dem entstandenen Alkohol entsprechen. Beim Testbier, wo es dreimal täglich zu einer kurzen Sauerstoffzufuhr kam, sollte 2.75g Ethanol pro 100ml entstanden sein. Beim Kanisterbier sollte 2.85g Ethanol pro 100ml entstanden sein. Bei der Bierflasche wurde zusätzlich ein halber Teelöffel Zucker für die Nachgärung hinzugefügt und der berechnete Alkoholgehalt liegt deshalb nur bei 1.83g (Abbildung 3). Dementsprechend hat dieser Wert kaum eine Aussagekraft, weil der Zuckergehalt stark verfälscht wurde und dadurch die abhängende Berechnung auf den Alkoholgehalt auch verfälscht wird. Um dennoch zu überprüfen, ob die Berechnungen annähernd der Wirklichkeit entsprechen, wurden sowohl 100ml vom Testbier, als auch 100ml von der Bierflasche destilliert. Vom erhaltenen Destillat wurde mit einem Alkoholmeter der wirkliche Alkoholgehalt bestimmt, welcher beim Testbier bei 1.4g/100ml und bei der Bierflasche bei 1.2g/100ml liegt. Diese Ergebnisse zeigen, dass Alkohol während der Gärung entstanden ist, jedoch stimmen diese Ergebnisse kaum mit den Berechnungen überein. Insbesondere, wenn mit dem berechneten Alkoholgehalt des Kanisters und dem gemessenem Alkoholgehalt der Bierflasche verglichen werden will. Dieser grosse Unterschied der berechneten und der wirklichen Werte und ebenso der erschwerte Vergleich des Kanisterbieres und der Bierflasche mit dem zusätzlichen halben Teelöffel Zucker wird in der Methodenkritik weiter ausgeführt. Die erste Hypothese, dass während den ersten Tagen der Gärung der Zuckergehalt stark abnimmt bzw. der Alkoholgehalt stark zu und nach einigen Tagen nur noch schwach ab- bzw. zunimmt, kann bestätigt werden. Ersichtlich ist dies an der Abbildung 1 von der Veränderung des Zuckergehaltes und des Alkoholgehaltes während der Gärung. Bis 75 Stunden nach der ersten Messung nimmt der Zuckergehalt sehr stark ab, danach flacht die Kurve immer mehr ab. Der Zuckergehalt nimmt dementsprechend exponentiell ab. Die Datenpunkte des Alkoholgehaltes sind den Datenpunkten des Zuckergehaltes genau entgegengesetzt. Bei einigen Datenpunkten gibt es jedoch einen kleinen Sprung oder Ausreisser. Diese sind mit Messfehlern zu erklären, welche in der Methodenkritik noch weiter erläutert werden. Die Veränderung des Alkoholgehaltes konnte während der Gärung nicht gemessen werden, sondern nur berechnet. Daher muss davon ausgegangen werden, dass die Hefe den ganzen Zucker in Ethanol umgewandelt hat. Beim Kanisterbier war dies womöglich der Fall, doch beim gemessen Testbier gab es einige Einflüsse, welche die Gärung beeinflusst haben könnten. Es gab eine regelmässige Sauerstoffzufuhr während den Messungen. Durch diese Sauerstoffzufuhr konnte die Hefe Zellatmung betreiben, bei welcher der Zucker einfach in Kohlenstoffdioxid, sowie Wasser umgewandelt wurde. Die chemische Reaktionsgleichung ist die Folgende: C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6H2O. 6

9 Zudem wurde bei den Messungen die bereits sedimentierte Hefe aufgewirbelt, was möglicherweise auch einen Einfluss auf die Gärung haben könnte. Auch war die Menge in der PET-Flasche viel kleiner, als die in den grossen Kanistern. Vielleicht kann die Hefe bei einer kleineren Menge Flüssigkeit den Zucker schneller in Ethanol umwandeln. Dies sind jedoch nur Annahmen und Vermutungen, da die Werte vom Testbier, dem Kanisterbier und von der Bierflasche kaum verglichen werden können. Verglichen mit der Veränderung des Zuckergehaltes kann nicht viel über die Datenpunkte des Alkoholgehaltes von Abbildung 1 ausgesagt werden. Jedoch kann trotzdem angenommen werden, dass der Alkoholgehalt während der Gärung zuerst stark steigt und danach eher langsam - entgegengesetzt vom Zucker. Die zweite Hypothese, dass am Ende der Gärung kein Zucker im Bier mehr enthalten ist, muss verworfen werden, da am Ende der Gärung durchschnittlich immer noch 3.8g/100ml im Bier enthalten war. Spannend zu beobachten war jedoch, dass der Zuckergehalt im Kanister nicht gleich verteilt war. Bei beiden Kanistern war der Zuckergehalt in der Mitte und Oben fast gleich. Unten war der Zuckergehalt jedoch stark tiefer. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass sich die Hefe sedimentiert hat und darum unten die Hefekonzentration höher ist, welche dann den Zucker in Ethanol umwandelt. Dementsprechend ist die Standardabweichung eher hoch (Abbildung 2). Selbstverständlich müssen in der Standardabweichung aber auch Messfehler einberechnet werden und nicht nur die Unterschiede der verschiedenen Höhen der Messproben. 6.2 Methodenkritik Wie schon in der Diskussion erwähnt hat es Ungenauigkeiten und kleine Ausreisser der Datenpunkte des Zuckergehaltes gegeben (Abbildung 1). Gemessen wurde der Zuckergehalt mit einem Refraktometer, bei dem von einer ziemlich grossen Genauigkeit ausgegangen werden kann. Jedoch ist das Ablesen des Refraktometers eher ungenau, da es keine digitale Anzeige gibt. Verglichen mit den kleinen Werten verursachen die Ungenauigkeiten beim Ablesen einen vergleichsweisen grossen Unterschied auf die Messergebnisse. Folglich gibt es Sprünge und kleine Ausreisser beim Auswerten und Darstellen der Messungen. Zudem sind die Datenpunkte des Alkoholgehaltes kaum aussagekräftig, da diese berechnet und nicht gemessen wurden. Ebenfalls in der Diskussion erwähnt ist, dass die Endresultate vom Alkoholgehalt nicht wirklich miteinander verglichen werden können, da der Einfluss des zusätzlichen halben Teelöffels Zucker auf den Alkoholgehalt in der Bierflasche unklar ist. Wenn jedoch angenommen wird, dass der zusätzliche Zucker keinen oder nur einen geringen Einfluss hat, stimmen die Werte in der Klammer in Abbildung 3. Mit dieser Annahme würde die Differenz vom entstandenen und berechneten Ethanol bei der Bierflasche bei 0.6g liegen. Diese vergleichsweise kleine Abweichung würde sich dann auf Messfehler zurückführen lassen; während der Destillation, beim Umfüllen der Flüssigkeiten oder beim Ablesen der Werte muss mit einer Abweichung von mindestens 0.5g gerechnet werden. Bei der Bierflasche wäre also der ganze, veränderte Zuckergehalt in Alkohol umgewandelt worden. Beim Testbier hingegen nicht, wobei man beachten muss, dass hier die Werte des berechneten und gemessenen Alkoholgehaltes nicht auf Annahmen beruhen. Die Differenz der 7

10 Berechnung und des wirklich enthaltenen Ethanols liegt bei 1.35g. Selbstverständlich sind auch hier Messfehler entstanden, jedoch ist die Abweichung viel zu gross, um sie nur auf diese Fehler zurückzuführen. Es muss also einen zusätzlichen Grund geben. Dieser Grund liegt wahrscheinlich an der regelmässigen Sauerstoffzufuhr während der Messung. Somit konnte die Hefe normale Zellatmung betreiben. Der Zucker wurde also von der Hefe verbraucht, jedoch nicht umgewandelt in Ethanol. Auch andere Einflüsse, wie das Aufwirbeln des Hefesedimentes während den Messungen oder die Tatsache, dass in der PET-Flasche viel weniger Flüssigkeit ist als in den Kanistern, könnten die Endergebnisse verändert haben. Die grosse Differenz von 1.65g des berechneten und entstandenen Alkohols beim Kanisterbier lässt sich in diesem Experiment nicht erklären. Die Annahme, dass die Werte in der Klammer in Abbildung 3 stimmen, wird in Frage gestellt. Insbesondere die 1.2g des gemessenen Ethanols in der Bierflasche kann wahrscheinlich nicht auf das Kanisterbier übertragen werden, da der Einfluss des halben Teelöffels Zucker weiterhin unklar auf die Gärung ist. Der genaue Einfluss von Zucker und Sauerstoff auf die Gärung kann durch dieses Experiment nicht geklärt werden. 6.3 Weiterführende Fragen Wie gross ist der Einfluss von Sauerstoff auf die Gärung von Bier? Welche Umstände beeinflussen die Hefe beim Umwandeln von Zucker in Ethanol? Würde der Zucker ganz abgebaut werden, wenn die Gärung nicht gestoppt wird? Würde bei mehr Hefe und gleichbleibendem Anfangszucker mehr Alkohol in gleicher Zeit entstehen? Verändert sich der Zuckergehalt während der Gärung von Wein genau gleich wie bei Bier? 7. Literaturverzeichnis Literatur: Hughes, Greg: Bier selbst brauen. 1. Auflage. Dorling Kindersley,, Internetquellen: Bier: Wikipedia. < Bierbrauen: Wikipedia. < Alkoholische Gärung: Wikipedia.<

11 8. Nachwort Rückblickend auf die NWW 2017 können wir sagen, dass wir viel über das Thema Forschen gelernt haben. Schon bei den Vorbereitungen stiessen wir auf erste Probleme, da wir anfangs nicht alle Zutaten auftreiben konnten. Wir haben jedoch mit dem Bierkit eine einfache Lösung gefunden, welche sehr gut funktioniert hat. Die naturwissenschaftliche Woche war sehr lehrreich, da wir während des Schreibens unserer Arbeit sehr viel über die Umwandlung von Zucker zu Alkohol gelernt haben. Auch über die Art, wie man eine wissenschaftliche Arbeit schreibt, haben wir neues Wissen und neue Techniken kennengelernt. Die Herstellung des Biers war auch eine lustige Angelegenheit und wir haben oft gemeinsam gelacht. Wir hoffen nun, dass auch das Bier gut geworden ist und dass wir es in zwei Wochen geniessen können. Die Messarbeiten waren allerdings mühsam, da einer von uns zweien immer um ein Uhr in der Nacht aufstehen musste, um den Zuckergehalt zu messen. Zusammenfassend können wir jedoch sagen, dass wir sehr viel Positives aus dieser Woche auf unserem weiteren Weg mitnehmen können. 9. Danksagung Wir möchten Frau Jäger für die tatkräftige Unterstützung danken. Auch wenn es nicht einfach war mit unseren Messverfahren, hat Frau Jäger mit uns immer einen Lösungsweg gesucht und auch gefunden. Auch ihre Flexibilität haben wir sehr geschätzt, da unser Projekt etwas speziell war, weil die Gärung schon vor der eigentlichen NWW stattfinden musste. Ausserdem möchten wir unseren Eltern danken, welche uns sowohl finanziell, als auch anderweitig unterstützt haben. Ohne die Tipps und Tricks vom Buch Bier selbst brauen hätten wir diese Arbeit nie so durchführen können. Deswegen danken wir auch Thomas Bänninger, der uns dieses Buch zur Verfügung gestellt hat. 9