Koolhydraten

Bijna iedereen associeert koolhydraten met essentiële voedingsstoffen. Wat voor de mens geldt geldt ook voor een gistcel. Zonder koolhydraten kan een gistcel absoluut niet leven. Koolhydraten worden door de gist omgezet in alcohol en koolzuur. In dit artikel wordt uiteengezet wat koolhydraten zijn, welke koolhydraten voorkomen in het wort en hoe ze door de gist worden opgenomen. Verder wordt stilgestaan bij een belangrijk koolhydraat dat wel voorkomt in de gistcel maar dat niet in het wort te vinden is.

Chemisch gezien hebben alle koolhydraten de formule C_n[H₂O]_n, waarbij de letter n staat voor een willekeurig geheel getal De naam koolhydraten is afgeleid van die formule: kool (koolstof of C) en hydrate (water of H₂O). De meeste suikers die je in de mout, wort en gist kunt vinden bestaan uit deeleenheden met de formule C₆[H₂O]₆. Complexe koolhydraten zijn opgebouwd uit een groot aantal van deze met elkaar verbonden deeleenheden. Aan de naam kun je zien of een stof een koolhydraat is omdat de chemici hebben afgesproken dat koolhydraten het achtervoegsel -ose krijgen. Glucose (ook wel druivensuiker, bloedsuiker of dextrose genoemd), lactose (melksuiker), saccharose of sucrose (gewone kristalsuiker), maltose, cellulose en hemicellulose zijn dus allemaal koolhydraten!

Onder invloed van zonlicht is het bladgroen in planten in staat suikers te vormen uit koolzuurmoleculen (CO₂) en watermoleculen (H₂O). Het nevenproduct dat hierbij vrijkomt is zuurstof.

De door planten gemaakte koolhydraten dienen als voedingstof voor allerlei organismen. Maar daarnaast worden koolhydraten ook gebruikt voor de opbouw van structuurmateriaal zoals hemicellulose, dat onder andere te vinden is in de bliezen van gerst of celwanden van bijvoorbeeld gistcellen.

Het belangrijkste koolhydraat is glucose, dat ook wel b-D-glucose genoemd wordt. Het heeft de volgende structuurformule.

Glucose wordt soms aangeduid met hexose omdat in deze suiker zes (hex) koolstofatomen zijn opgenomen. Het is een monosaccharide, dat wil zeggen dat het uit één suikereenheid bestaat. Als er twee suikereenheden met elkaar verbonden zijn spreken we over een disaccharide en bij drie suikereenheden over een trisaccharide.

Een glucosemolecuul kan op verschillende manieren met andere glucosemoleculen verbonden zijn. De soort verbindingen die in een glucoseketen voorkomen bepalen het karakter van het koolhydraat. Om iets uit te leggen over de verschillen tussen deze verbindingen ontkom ik er niet aan even de biochemische kant op te gaan. Het glucosemolecuul kun je zien als een cirkel met vijf koolstofatomen en een zuurstofatoom. De meest voorkomende verbinding tussen glucosemoleculen is de zogenaamde 1-4 binding. Dit wil zeggen dat het eerste koolstofatoom gerekend vanaf het zuurstofatoom verbonden is met het vierde koolstofatoom van een ander glucosemolecuul. Wanneer twee glucosemoleculen zo met elkaar verbonden zijn heb je de suiker maltose. Een handige verkorte notatie voor maltose is G-G waarbij de letter G staat voor glucose en het horizontale streepje voor de 1-4 binding. Maltose is een disaccharide omdat het in wezen bestaat uit twee suikereenheden (glucose). Een andere belangrijke suiker in het wort is maltotriose, dat uit drie glucose-eenheden bestaat (G-G-G). Lange ketens glucose worden amylose genoemd. Dergelijke moleculen kunnen wel 1000 glucose-eenheden bevatten. Bij amylose is de lange glucoseketen niet geheel recht maar heeft deze de vorm van een spiraal.

Een andere manier waarop de glucosemoleculen met elkaar verbonden kunnen zijn is de 1-6 binding. Zoals je al vermoed is daarbij het eerste koolstofatoom verbonden met het zesde koolstofatoom (het koolstofatoom buiten de ring). De stof waarbij twee glucosemoleculen op die manier met elkaar verbonden zijn wordt isomaltose genoemd. De structuurformule voor isomaltose ziet er als volgt uit:

De verkorte notatie hiervoor is als volgt:

G
­
G

De pijl naar boven stelt hierbij de 1-6 binding voor.

Koolhydraten bestaande uit drie (zoals maltotriose) tot tien monosacchariden worden olgisacchariden genoemd. Wanneer een koolhydraat bestaat uit meer dan tien monosacchariden spreken we over een polysaccharide.

Commercieel verkrijgt men glucose door zetmeel af te breken met zuren en enzymen. In de paragraaf 'Zoet bier' dat wat verder in dit artikel kunt vinden wordt nader ingegaan op de verschillende glucosesiropen.

Suikers die zowel 1-4 en 1-6 bindingen hebben worden traditioneel dextrines genoemd. De laatste jaren wordt in de professionele vakliteratuur de term a-glucanen veel voor deze suikers gebruikt, terwijl in de biochemische literatuur vaak de term amylopectine gehanteerd wordt. Zoals de meesten van jullie wel zullen weten zijn dextrines niet vergistbaar door biergist. Volgens de bekende Amerikaanse professor Meilgaard zijn er een viertal groepen dextrines te onderscheiden:

groep 1 7 glucose-eenheden

groep 2 13 glucose-eenheden

groep 3 19 glucose-eenheden

groep 4 25 glucose-eenheden

De dextrines van de groepen 1, 2 en 3 geven geen verkleuring bij de jodiumtest (het jodium blijft bruin). De dextrinemoleculen uit groep 4 veroorzaken een rode verkleuring. Dextrines met meer dan 25 glucose-eenheden worden zetmeel genoemd. Met jodium geven deze moleculen een diep blauwe kleur.

Het is denk ik goed ons te realiseren dat als de jodiumtest geen verkleuring meer geeft dit niet zonder meer betekent dat alle vergistbare suikers gevormd zijn. Door de werking van a-amylase kunnen de 1-4 bindingen binnen in het koolhydraat verbroken worden waardoor er twee nieuwe aangrijppunten voor b-amylase ontstaan (b-amylase werkt alleen aan de uiteinden van de glucoseketens). De 1-6 bindingen kunnen niet door de amylase-enzymen worden aangetast. Het enzym grensdextrinase is wel in staat deze bindingen af te breken. Dit enzym is optimaal actief tussen de 55 en 60° C bij een maisch-pH van 5,1. Boven de 65° C wordt grensdextrinase zeer snel geïnactiveerd.

Doordat dextrines niet vergist kunnen worden krijg je een zoeter bier naar mate het meer dextrines bevat. Daarnaast dragen dextrines ook bij aan de volmondigheid (body). Overigens wordt de body van een bier vooral bepaald door de hoeveelheid opgeloste middelgrote eiwitten.

Mijn ervaring als bierkeurmeester is dat veel hobbybieren meer dextrines bevatten dan commerciële bieren. Wanneer je jouw manier van maischen aanpast waardoor je meer vergistbare suikers krijgt (zie mijn artikel 'Maischen' in Proost nr 33) hou er dan rekening mee dat je waarschijnlijk ook je hopgift moet aanpassen. Dextrines schermen namelijk de bittere smaak van de iso-alfazuren af afkomstig uit de hop.

Net als dextrines bestaan cellulosen uit aaneengeschakelde glucosemoleculen. Het grote verschil is dat deze grote moleculen niet zijn opgebouwd uit b-D-glucose maar uit a-D-glucose waarbij de positie van de OH-groep en het waterstofatoom aan het eerste koolstofatoom omgedraaid zijn. De structuurformule voor a-D-glucose ziet er dan ook als volgt uit.

Bij cellulosen zijn de glucosemoleculen onderling verbonden via b -bindingen (1-4 en 1-3) terwijl bij zetmeel sprake is van a -bindingen. Het zal jullie niet verbazen dat cellulosen ook b-glucanen genoemd worden. Door het verschil in binding ontstaan er polymeren met wezenlijk andere eigenschappen. Cellulosen zijn smaak- en reukloos, onoplosbaar in water en zowel chemisch als enzymmatig moeilijk afbreekbaar.

Hemicellulosen bestaan uit b-glucanen, pentosanen (suikers met vijf koolstof atomen) en soms uronzuren. Je hebt verschillende soorten hemicellulose waarbij de verhoudingen tussen de volgende componenten anders zijn.

Het type 'kaf' is in water niet oplosbaar en ondergaat gedurende het kiemen van de gerst en het maischen geen grote veranderingen. Dit type is opgebouwd uit veel pentosanen, weinig b -glucanen en een beetje uronzuren.

Het type 'endosperm', dat een laagje vormt rond het meellichaam van de gerst bevat daarentegen veel b -glucanen, weinig pentosanen en geen uronzuren. Wanneer het type 'endosperm' uit de mout in het brouwwater oplost wordt de viscositeit van het beslag sterk verhoogd door het vrijkomen van de b -glucanen.

Het derde type hemicellulose zijn de gomstoffen, die uit b -glucanen en pentosanen bestaan. Deze grote moleculen zijn goed oplosbaar in water. Wanneer de concentratie aan gomstoffen in oplossing hoog is krijg je gelei-achtige massa. Gelukkig voor ons brouwers komt dat in wort niet voor.

In Proost nr. 29 heb ik in het artikel 'Enzymen en bier' uiteengezet welke problemen de professionele brouwers hebben met de b-glucanen. Waar wij als hobbybrouwers rekening mee moeten houden is dat slecht afgebroken b-glucanen kunnen reageren met jodium waardoor je een jodiumverkleuring kunt krijgen ondanks het feit dat het zetmeel voldoende is afgebroken. Je kunt dit probleem voor een stuk ondervangen door de jodiumtest altijd uit te voeren op wort zonder moutdeeltjes.

Een andere monosaccharide in het wort is fructose. Fructose is ook een hexose (zes koolstofatomen) maar bij deze suiker zijn er vier in plaats van vijf koolstofatomen in de ring opgenomen.

Bij sucrose, ook saccharose genoemd, is een fructosemolecule gebonden aan een glucosemolecule. Deze disaccharide komt in het wort in aanzienlijk hogere concentraties voor dan fructose.

Volgens professor Ludwig Narziß in zijn boek Abriß der Bierbrauerei (5e druk, 1986) zijn de concentraties van de verschillende koolhydraten in het wort met een SG van 1048 als volgt:

fructose 1 - 3,5 %
glucose 5 - 8 %
sucrose 3 - 5 %
maltose 43 - 47 %
kleine dextrines (tot 9 G) 6 - 12 %
grote dextrines (>9 G) 19 - 24 %
pentosanen 3 - 4 %
gomstoffen 0,2 %

De opsomming van de hiervoor genoemde koolhydraten in het wort is niet volledig. Door de afbraak van zetmeel, cellulose en hemicellulose komen nog andere koolhydraten in zeer kleine hoeveelheden in het wort voor. Sommige van deze koolhydraten zijn vergistbaar, andere niet. In het totaal van koolhydraten is de bijdrage van deze suikers aan de vorming van ethanol verwaarloosbaar. Voor de liefhebbers geef ik hier een aantal namen van koolhydraten die ook kunnen voorkomen in het wort: ribose; arabinose; xylose; mannose; galactose; isomaltose; maltotetraoas; cellubiose; kojibiose; panose en isopanose.

Omdat in het wort ook zo' n 8 - 10 % andere stoffen zitten dan koolhydraten (voornamelijk eiwitten) zou op grond van deze cijfertjes een vergistingsgraad van meer dan 70% niet haalbaar zijn. Er zijn misschien hobbybrouwers die denken hoe kan dat nou, ik haal tegenwoordig wel eens vergistingsgraden van 80% of meer. Het antwoord is heel simpel: wij bepalen altijd de schijnbare vergistingsgraad, dat wel zeggen zonder rekening te houden met het feit dat de gevormde alcohol een veel lager soortelijk gewicht heeft dan water

Verder merk ik op dat de verhouding tussen de verschillende koolhydraten sterk afhankelijk is van het gevolgd maischschema en de dikte van het beslag.

De hexosen glucose en fructose zijn volledig vergistbaar en worden als eerste opgenomen door de gist. Aan de buitenkant van de gistcel bevindt zich in de celwand het enzym invertase dat sucrose splitst in glucose en fructose. Kleine hoeveelheden invertase ontsnappen uit de celwand waardoor op een iets grotere afstand van de gistcel sucrose gesplitst wordt. Door de werking van het enzym invertase is het inverteren van kristalsuiker door deze een half uur te koken met citroenzuur, zoals in Engelse literatuur voor hobbybrouwers wordt aanbevolen, nergens voor nodig.

Nadat de concentraties aan glucose en fructose sterk zijn afgenomen worden maltose en maltotriose met behulp van de speciale enzymen maltosepermease en maltotriosepermease door de celwand getransporteerd. In de gistcel worden de suikers door het enzym maltase afgebroken tot twee dan wel drie glucosemoleculen. De gist moet bij wijze van spreken even wennen aan het vergisten van maltose en maltotriose. Overigens wordt eerst maltose door de gistcel opgenomen en dan maltotriose. Wanneer de gist tegen het einde van de hoofdgisting verse wort krijgt worden glucose, fructose, maltose en maltotriose allemaal bijna gelijktijdig opgenomen en vergist. Als de gist echter na de hoofdgisting een tijdje onder water bewaard wordt gaat de directe acceptatie van maltose en maltotriose verloren. Wordt deze gist weer gebruikt dan zal de hiervoor beschreven opnamevolgorde weer gevolgd worden. Dit verschijnsel wordt veroorzaakt doordat maltosepermease en maltotriosepermease zeer instabiele enzymen zijn. In 1 à 2 uur is de helft van deze enzymen afgebroken. De gistcel moet dan ook continu nieuwe permeasen aanmaken. Door de aanwezigheid van grote hoeveelheden glucose en fructose wordt deze aanmaak belemmerd. Wanneer we een giststarter maken met als suikerbron glucose of sucrose zullen de permeasen niet worden aangemaakt door de gist waardoor de vergisting kan gaan haperen na het toevoegen van zo'n giststarter. Gebruik daarom altijd wort of een moutextractoplossing voor het aanmaken van een giststarter.

Zoals ik hiervoor al stelde worden er door biergist ook tal van andere koolhydraten vergist die in het wort zitten. Doordat niet elke gist dezelfde suikers vergist kan men in laboratoria op relatief eenvoudige wijze bepalen tot welke soort de gist behoort. Zo is ondergist (Saccharomyces urarum vroeger Saccharomyces carlsbergensis genoemd) in staat de disaccharide melibiose te vergisten terwijl bovengist (Saccharomyces cerevisiae) dit niet kan. Daardoor kan ondergist het koolhydraat raffinose (trisaccharide), dat bestaat uit een aan fructose gebonden molecule melibiose, geheel vergisten en kan bovengist dit slechts gedeeltelijk (alleen de fructose).

Als een bier rijk is aan onvergistbare suikers proeft het zoet en kan het visceus zijn. Het toevoegen van kristalsuiker (sucrose) om het bier zoeter te maken heeft geen enkele zin. De suiker wordt volledig vergist.

In professionele brouwerijen wordt vaak glucosesiroop toegevoegd voor een extra hoeveelheid alcohol. Glucosesiroop wordt commercieel gewonnen door de afbraak van zetmeel met behulp van zuren en enzymen. Naast glucose komen daarbij ook altijd dextrines vrij. Deze dextrines dragen natuurlijk wel bij aan een zoete smaak. Er bestaan siropen met veel vergistbare suikers en siropen die zeer rijk zijn aan dextrines. Door verschillende kwaliteiten glucosesiropen toe te voegen heeft de professionele brouwer een grotere grip op de vergistingsgraad van zijn bier. Daarnaast worden er koolhydraten aan het wort toegevoegd zonder dat er ook eiwitten toegevoegd worden waardoor het bier een grotere stabiliteit krijgt (het bier heeft minder last van eiwittroebels).

Voor ons hobbybrouwers is glucose een vrij duur product. Dit schijnt niet het geval te zijn voor de professionele brouwers. Of je één of 1000 kg per keer koopt maakt een wereld van verschil als het om de prijs gaat.

Om een bier zoeter te maken wordt door sommige hobbybrouwers lactose toegevoegd aan het bier. Lactose een disaccharide bestaande uit een molecule glucose en een molecule galactose. Voor biergist is lactose niet vergistbaar. Toch is lactose naar mijn idee zeker niet de ideale suiker voor het zoeter maken van een bier. Lactose is een suiker dat wortvreemd is. Commercieel wordt lactose bij mijn weten alleen gebruikt bij de productie van milkstouts, een Engels speciaalbier. De melkachtige smaak die het bier geeft gaat snel tegenstaan. De zoetkracht van lactose is laag waardoor je er in verhouding veel van moet toevoegen.

Om aan te geven hoe weinig zoet lactose smaakt is in de volgende tabel een overzicht gegeven van een aantal zoetstoffen met hun relatieve zoetkracht:

Nadat gist toegevoegd is aan het wort duurt het even voordat deze zich heeft aangepast aan zijn nieuwe omgeving. Gedurende deze periode maakt de gist gebruik van zuurstof, vetzuren uit het wort en de reservekoolhydraten trehalose (een disaccharide bestaande uit twee brokstukken van glucose) en glycogeen. Deze reservekoolhydraten leveren de energie benodigd voor de opbouw van de enzymen die specifiek zijn voor de samenstelling van het wort en goed doorlaatbare celmembranen. Van de twee reservekoolhydraten is glycogeen zonder meer het belangrijkste. Qua structuur lijkt glycogeen op amylopectine (de vertakte zetmeelketens). Het is ook opgebouwd uit met 1-4 bindingen aaneengeregen glucose-eenheden. Het aantal vertakkingen is groter terwijl de vertakkingen korter zijn. Glycogeen kan zeer snel worden afgebroken zodra de gistcel behoefte aan energie heeft. De aanmaak van glycogeen vindt alleen plaats gedurende de anaërobe fase van de vergisting, dat is de vergisting waarbij alcohol gevormd wordt. Tegen het einde van de hoofdgisting is de voorraad aan glycogeen het hoogst. De levenskracht van de gist is dan het grootst. Wanneer de gist geen nieuwe koolhydraten aangeleverd krijgt zal deze gaan interen op de voorraad aan glycogeen. Naarmate een gist langer bewaard wordt zal deze steeds minder glycogeen bevatten.

Voor ons hobbybrouwers is dit een belangrijk gegeven om te weten. Als we een giststarter maken moeten we die goed in de gaten houden. Een giststarter moet goed actief zijn als we deze toevoegen aan het wort. Wanneer een door ons gemaakte giststarter al duidelijk minder actief wordt voordat ons brouwsel klaar is voor de vergisting doen we er goed aan de giststarter te vergroten. Gebruik hiervoor wort of moutextract dat je gekookt hebt en daarna intensief belucht hebt. Hierdoor krijgen we meer krachtige gistcellen waardoor de vergisting sneller en beter zal verlopen. De verhouding giststarter en het wort dat aangezet moet worden hoort 1 : 10 te zijn. Als je te veel giststarter hebt is dat niet zo'n probleem tenzij je zeer zuinig aangelegd bent. Giet gewoon het overtollige weg. Beter actieve gistcellen hebben dan een uitgebluste giststarter waardoor de gisting niet op gang komt. Voor het geval je ook zo'n zuinige Nederlander bent kun je de overbodige giststarter onder waterslot bewaren en deze later bij het bier gieten. Laat dan wel het depot in de fles zitten. Door dode gistcellen kan de kwaliteit van het bier sterk achteruit gaan.