Aroma-actieve esters, de smaakmakers van bier

België is een land waar een grote diversiteit aan biertypes wordt gebrouwen met de meest contrasterende smaken en aroma’s. Belgisch bier wordt geapprecieerd tot ver buiten onze grenzen. De bierproductie is derhalve niet alleen van onschatbaar economisch belang voor België, maar is tevens een belangrijke pijler voor de internationale uitstraling van ons land. De Belgische bieren kenmerken zich wereldwijd door hun uitzonderlijke kwaliteit. Deze kwaliteit moet echter gegarandeerd blijven en mag niet ten koste gaan van een hogere productiviteit. Onder druk van de huidige competitieve markteconomie, is ook het brouwproces immers onderhevig aan een constante technologische wedloop met slechts één doel: een hogere productie.

Het brouwen van bier uitgaande van wort met een hoge densiteit (‘high gravity brewing’) is één van de belangrijkste evoluties van de laatste jaren en wordt tegenwoordig algemeen toegepast in de moderne brouwerijen. De techniek bestaat erin om wort te gebruiken met een hoger suikergehalte dan in de klassieke brouwprocédés, zodat een bier met een veel hoger alcoholpercentage wordt bekomen. Dit bier wordt dan in een laatste stadium verdund met water, zodat men als eindresultaat een bier verkrijgt met het gewenste alcoholpercentage. Deze brouwtechniek is dus een effectieve methode om het productievolume te doen stijgen, zonder dat daar meer mankracht en extra investeringen voor nodig zijn. De hoge-densiteitstechniek biedt dus vele economische voordelen, maar er zijn ook nadelen aan verbonden.

Eén van de grootste problemen bij deze brouwtechniek is de verstoring van het aroma-profiel van het geproduceerde bier en de hiermee gepaard gaande daling van de bierkwaliteit. Het is voornamelijk het ongebalanceerd esterprofiel van het bier dat één van de belangrijkste kwaliteitsproblemen vormt in het hedendaags brouwproces. Esters zijn chemische verbindingen die ontstaan uit de koppeling van een alcohol en een zuur en die een fruitige toets geven aan het bier. Hoewel het belang van esters al lang bekend is in de brouwerswereld, is de kennis over de vorming en beheersing van deze natuurlijke aromacomponenten nog erg beperkt.

Gefermenteerde dranken zoals bier en wijn verkrijgen hun typische aroma's en smaken niet alleen rechtstreeks uit de gebruikte grondstoffen. Tijdens de fermentatie of gisting zetten de aanwezige gistcellen immers heel wat van de aanwezige stoffen om in andere componenten, waarvan sommige zeer belangrijk zijn voor het aroma van de verkregen drank, zoals bijvoorbeeld ethanol. Daarnaast worden echter nog duizenden andere producten gevormd, die zelfs in erg kleine concentraties belangrijk zijn voor de smaak en de geur van bier (zie tabel 1). De belangrijkste categorie van deze aromacomponenten zijn de vluchtige esters. Deze esters kunnen worden onderverdeeld in twee grote groepen: de acetaatesters en de ethylesters.

Component

Smaak-drempel (mg/l)

Gemiddelde concentratie in pilsbieren (mg/l)

Aroma

Ethylacetaat

20-30

18.4

Solventachtig

Isoamylacetaat

0.6-1.2

1.72

Banaan, peer

Ethylcaproaat

0.17-0.21

0.14

Appel, anijs

Ethylcaprylaat

0.3-0.9

0.17

Appel

Fenylethylacetaat

3.8

0.54

Rozen, zoet

Tabel 1. Smaakdrempel, gemiddelde concentratie en karakteristiek aroma van de belangrijkste esters in bier.

De acetaatesters worden gevormd door bepaalde enzymen. Enzymen zijn eiwitten die bepaalde chemische reacties kunnen sturen. De enzymen betrokken bij de synthese van de acetaatesters zorgen voor de omzetting van een alcohol en een zuur in isoamylacetaat (bananengeur) en ethylacetaat (solventgeur). De genen die de informatie bevatten voor deze enzymen zijn ook reeds gekend, ze kregen de namen ATF1 en ATF2. Door middel van genetische modificatie, waardoor de gistcellen meer van de betreffende enzymen aanmaken, is het mogelijk om de fruitigheid van het geproduceerde bier volledig aan te passen aan de wensen van de consument. Aangezien de publieke opinie echter nog steeds negatief staat tegenover het gebruik van genetisch gewijzigde organismen in de voeding, in dit geval gist, werd in deze thesis gekozen voor een alternatieve benadering om de fruitigheid van bier te controleren. Er werd onderzocht wat de invloed is van de samenstelling van het fermentatiemedium op de enzymen die instaan voor de vorming van de acetaatesters in de gistcellen.

Een grondige studie van de genen ATF1 en ATF2, bracht aan het licht dat de activiteit van deze genen de belangrijkste factor is voor de hoeveelheid esters die tijdens de fermentatie worden gevormd. Door gebruik te maken van Northern-analyses, waarbij de activiteit van genen via radioactiviteit kan gevolgd worden, werd aangetoond dat de hoeveelheid suikers, aanwezig in het fermentatiemedium, een sterke invloed hebben op de ATF-genactiviteit. Ook stressfactoren zoals een sterke temperatuursstijging- of daling en het toevoegen van een hoge concentratie aan ethanol, zorgden voor een duidelijk effect op de ATF-genen. De brouwer kan dus door aanpassing van het suikerprofiel van het wort, of door te spelen met de gistingstemperatuur de activiteit van de ATF-genen (en bijgevolg de geproduceerde esters) bijsturen. Deze oplossing biedt dus een mooi alternatief aan de brouwer om de esterproductie doelgericht te sturen zonder het gebruik van genetisch gewijzigde organismen.

De zoektocht naar nieuwe estergenen gaat verder

Met de ontdekking en karakterisatie van de genen die coderen voor de enzymen die instaan voor de acetaatestersynthese, werd een grote stap voorwaarts gezet naar een gecontroleerde sturing van acetaatesters. Het is echter nog niet geweten welke genen en enzymen verantwoordelijk zijn voor de productie van de tweede groep aroma-actieve esters, de ethylesters. In het tweede deel van mijn thesis gingen we dan ook op zoek naar deze onbekende genen. Door middel van DNA-computeranalyses, konden we enkele genen identificeren die mogelijk verantwoordelijk zijn voor de synthese van ethylesters. Na het uitvoeren van fermentaties met gisten waarin deze genen uitgeschakeld werden, bleek dat deze genen en hun overeenkomstige enzymen inderdaad instaan voor de productie van ethylcaproaat. Dit is uiteraard een veelbelovend resultaat, maar moet nog voldoende worden bevestigd vooraleer we met zekerheid kunnen zeggen dat deze genen effectief instaan voor de vorming van ethylcaproaat.

Een al even intrigerende vraag is waarom gistcellen deze aromacomponenten aanmaken. De kans dat de synthese van aromastoffen te wijten is aan een zekere antropofiele voorkeur van gisten tegenover bierdrinkers, is eerder beperkt. In ons laboratorium zijn we daarom ook volop op zoek naar de biochemische processen in de gistcel die tot de vorming van esters leiden. Onze resultaten wijzen erop dat de esters bijproducten zijn van het vetmetabolisme in gistcellen. Deze thesis heeft reeds een stukje van de ingewikkelde esterpuzzel kunnen ontrafelen, maar is zeker geen eindpunt. Integendeel, de weg is nu volledig vrijgemaakt voor verder boeiend esteronderzoek. Het Belgische bier zal er wel bij varen.

Wort is het extract dat wordt bekomen na het oplossen en filtreren van gekiemde gerst (mout).  Wort bevat onder andere suikers, die tijdens de fermentatie door de gist in alcohol en koolstofdioxide worden omgezet.