Wenn von Enzymen in der nachhaltigen Produktion die Rede ist, darf ein Organismus nicht fehlen: die Hefe. Als Vertreter der Pilze gehören Hefen zu einer der ältesten und vielseitigsten Gruppen von Mikroorganismen, die seit jeher Stoffwechselprozesse nutzen, um organische Materialien abzubauen und umzuwandeln. Besonders wertvoll ist Hefe für die industrielle Anwendung, da sie durch ihre enzymatische Aktivität zahlreiche Prozesse effizient, ressourcenschonend und vielseitig steuerbar macht – von der Lebensmittelherstellung bis zur biotechnologischen Produktion.
In der Regel sprechen wir dabei von Saccharomyces cerevisiae, auch bekannt als Bäcker- oder Bierhefe. Sie spielt eine zentrale Rolle bei der Gärung von Backwaren und der Fermentierung alkoholischer Getränke. Ihre Zellen produzieren Enzyme, die entweder innerhalb der Hefe wirken oder ausgeschieden werden, um Stoffe aus der Umwelt zu zersetzen und aufzunehmen.
Wo wird Hefe verwendet?
Hefe ist ein Organismus mit aktivem Stoffwechsel, der durch eine Vielzahl von Enzymen gesteuert wird. Diese Enzyme übernehmen zentrale Aufgaben im Abbau von Zucker und in der Energiegewinnung. Zunächst wird der Haushaltszucker (Saccharose) durch Enzyme in Glukose und Fruktose gespalten. In weiteren enzymatischen Schritten entsteht daraus Pyruvat, ein wichtiger Stoffwechselzwischenstoff. Bei ausreichender Sauerstoffzufuhr wird dieses Pyruvat vollständig zu Kohlendioxid (CO₂) und Wasser abgebaut. Fehlt jedoch Sauerstoff, schaltet die Hefe auf einen anaeroben Stoffwechsel um und betreibt alkoholische Gärung. Dabei entstehen CO₂ und Ethanol.
Backwaren
Beim Backen dient Hefe als Triebmittel. Die Enzyme der Hefe spalten Zucker, wobei CO₂ entsteht. Dieses bildet kleine Gasbläschen, die den Teig auflockern. Beim Erhitzen dehnen sich die Bläschen aus und sorgen für das charakteristische Volumen und die lockere Krume.
Alkoholische Getränke
Hier setzt man gezielt Hefen ein, um Zucker enzymatisch in Alkohol und CO₂ umzuwandeln. Je nach Hefestamm variiert die Alkoholtoleranz: Bierhefen arbeiten bis etwa 8 Vol.-%, Weinhefen bis zu 16–18 Vol.-%.
Hefeextrakte
Für Hefeextrakte werden Hefezellen durch Säure, Lösungsmittel oder Ultraschall abgetötet. Dabei setzen die Zellen ihre Enzyme frei, die die enthaltenen Proteine und Nukleinsäuren abbauen (Autolyse). Dieser enzymatische Prozess führt zur Freisetzung von Glutamat und weiteren geschmacksverstärkenden Stoffen, die vielen Lebensmitteln zugesetzt werden.
Damit Hefe ihr volles Potenzial entfalten kann, ist es wichtig zu verstehen, unter welchen Bedingungen sie optimal wächst und Stoffe verstoffwechselt.
Wie wächst Hefe?
An der Zellwand der Hefezelle bildet sich ein kleiner Auswuchs (Sprossung), gleichzeitig beginnt die Kernteilung. Dabei verdoppeln sich alle Chromosomen und ein Chromosomenpaar wandert in den Spross. Der Spross ist nun die Tochterzelle und trennt sich von der Mutterzelle, sobald er eine bestimmte Größe erreicht hat. Dieser Prozess kann je nach Nahrungsangebot und Umgebung mehrere Stunden dauern.
Wie wirkt sich die Temperatur auf das Hefewachstum aus?
Die Temperatur ist ein entscheidender Faktor für das Wachstum und die enzymatische Aktivität der Hefe. Die optimale Wachstumstemperatur liegt zwischen 25 °C und 30 °C, in diesem Bereich arbeiten die Enzyme am effektivsten. Sie spalten Zucker in kleinere Moleküle, setzen Stoffwechselwege in Gang und treiben die Zellteilung voran.
Sinkt die Temperatur, verlangsamt sich die Stoffwechselaktivität und damit auch die Arbeit der Enzyme. Einige Hefestämme, wie sie in Großbrauereien eingesetzt werden, sind allerdings an kühlere Temperaturen angepasst und können ihre Enzyme auch unter diesen Bedingungen noch gezielt einsetzen.
Steigt die Temperatur hingegen über 35 °C, gerät die Hefe unter Hitzestress. Die Enzyme können denaturieren, also ihre Struktur und damit ihre Funktion verlieren. Zudem begünstigen diese Temperaturen das Wachstum unerwünschter Mikroorganismen.
Wie sieht es mit dem Salzgehalt aus?
Bereits geringe Salzkonzentrationen üben osmotischen Druck auf die Hefezellen aus und entziehen ihnen Wasser. Das bedeutet Stress für die Zellen, den sie aber mithilfe ihrer Enzyme bis zu einem gewissen Grad kompensieren können. Die Enzymaktivität sinkt, was zu einem langsameren Zellwachstum und einer gemächlicheren Gärung führt. Gleichzeitig kann diese Verlangsamung jedoch zu einem komplexeren Geschmacksprofil und besserer Teigstruktur beitragen.
Was ist der Zweck von Öl im Teig?
Bei vielen Hefegebäcken wird Öl mit in den Teig gegeben. Öl kann im Teig eine Barriere um die Hefezellen bilden und so die Interaktion zwischen der Hefe und anderen Zutaten wie Wasser, Zucker und Salz beeinflussen. Die Enzyme der Hefe erhalten dadurch einen erschwerten Zugang zu den Nährstoffen, was den Stoffwechsel verlangsamt. Gleichzeitig sinkt die Sauerstoffversorgung, wodurch die Hefezellen auf einen anaeroben Stoffwechsel umstellen. Dabei entstehen vermehrt CO₂ und Ethanol, was den Teig auflockert.
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