Het geheim achter alcoholvrij bier

De verkoop van alcoholvrije bieren stijgt in Nederland. Ook het aanbod van verschillende varianten neemt toe. De groei komt mede omdat alcoholvrij bier goed past in de huidige gezondheidstrend, omdat het amper calorieën bevat. Alcoholvrije bieren mogen tot 0,1% alcohol bevatten en alcoholarme bieren niet meer dan 1,2%. Voor het maken van bier met zo'n laag alcohol gehalte kunnen verschillende processen gebruikt worden.

Technieken voor de bereiding van alcoholvrij bier

De groep van processen waarbij de gisting wordt gemanipuleerd om minder alcohol te produceren omvat een vijftal technieken, die ook wel bekent staan als “de Bavaria methode”. In onderstaande tabel staan deze technieken weergegeven.


Bieren waarbij het alcoholpercentage met behulp van een van deze processen wordt verminderd bevatten een aantal voor- en nadelen.

Voordelen zijn:

• Gewijzigde gistprocessen kunnen in dezelfde apparatuur plaatsvinden als normale bieren;
• er hoeven minder grondstoffen gebruikt te worden;
• er hoeft geen alcohol verwijderd te worden;
• de productiekosten, die voor alle technieken ongeveer hetzelfde zijn, zijn gelijk of zelfs lager dan bij normale bieren.

Nadelen zijn:

• Het bier bevat nog steeds een aanzienlijke hoeveelheid niet vergistbare wortsuikers en misschien belangrijke smaakstoffen die als nevenproducten bij de gisting ontstaan, waardoor de bieren een typische wortachtige smaak hebben.
• Als er geen pasteur aanwezig is, moet deze geïnstalleerd worden om microbiologische problemen met de onvergiste wortsuikers te voorkomen.

Verwijdering van vergistbare suikers voorafgaande aan de gisting

Voor de bierbereiding gebruikt men gerst als voedingsbron voor gist. Een gistcel kan echter het zetmeel in gerst niet omzetten in alcohol. Daarom moet de gerst eerst ontkiemen, waarbij het enzym amylase zorgt voor de splitsing van zetmeel in suikers, zoals maltose en glucose. Deze suikers kunnen door de gistcellen wel omgezet worden in alcohol. Na enige tijd wordt door verhitting van de gekiemde gerst de amylase geïnactiveerd en de gewenste mate van karamelvorming bereikt die aan de ontstane mout, en later aan het bier een bruine kleur geeft. De mout wordt aangemaakt tot wort, die suikers voor het vormen van de alcoholpercentage in het bier bevat.

Voor de bereiding van alcoholvrij bier is het noodzakelijk om de alcoholproductie te verminderen. Dit kan volgens een aantal technieken een van deze technieken is de verwijdering van vergistbare suikers voorgaand aan de gisting. Er bestaat een patent om maltose via een membraanproces uit de wort te verwijderen. Industriële toepassing is voor alsnog onbekend.

Nadeel van deze methode is dat er patent op is gevraagd door een bedrijf, dit betekent dat deze methode dus niet zomaar gebruikt mag worden.

Beïnvloeding van het stamwort

Een groot deel van het huidige laag alcoholische bier wordt verkregen met behulp van processen waarbij het stamwortgehalte wordt verlaagd door uit te gaan van een lager gehalte vergistbare suikers. Een lager gehalte aan vergistbare suikers kan verkregen worden op twee manieren.

Aanpassing van het proces

Door minder enzymen te laten ontstaan en er voor te zorgen dat de enzymen de vergistbare suikers niet of nauwelijks kunnen vergisten. Dit kan bijvoorbeeld door aanpassingen in:

• De concentratie aan enzymen die ontstaan tijdens de kieming te verminderen en de concentratie aan enzymen welke van nature in de gerst aanwezig zijn niet te activeren. Dit kan door de rusten over te slaan of hiervoor slechts een korte tijd voor aan te houden. Vooral het aanpassen van de rust bij 65 graden is effectief.
• Het eestproces zo snel mogelijk laten beginnen waardoor de bij het kiemproces verlopende biochemische omzettingen eerder worden gestopt.
• Tijdens het schroten de korrels minder verkleinen, waardoor het contactoppervlak met de enzymen tijdens het maischproces kleiner wordt, en er dus minder zetmeel omgezet wordt in vergistbare suikers.

Nadelen van deze manier zijn:

• Het rendement is laag, doordat de mout slecht is opgelost en het enzymgehalte laag is;
• Er treden problemen op bij het klaren;
• Er kan troebeling in het bier optreden vanwege de slechte afbraak van het eiwit.

Gebruik van nawort

Nawort heeft een laag extractgehalte en geeft dus bij vergisting minder alcohol.

Nadelen van deze manier zijn:

• Extractie van stoffen uit de bostel zal gevolgen hebben voor de smaak en de fysische stabiliteit van het bier.
• Nawort is arm aan noodzakelijke voedingsstoffen voor de gist.

Om de nadelen van deze manieren te beperken kunnen bij de wortproductie aanvullende maatregelen worden genomen. Deze maatregelen kunnen zijn:

• Gebruik maken van donkere moutsoorten.
• Gebruik maken van warmwaterextract van mout.
• Lang koken.
• Verlagen van pH tijdens of na het koken.
• Meer aromatische hop toevoegen.

Beïnvloeding van de vergistingstijd

Een andere veelgebruikte techniek om de hoeveelheid alcohol te verminderen in bier is door het onderbreken van de gisting. Bij deze techniek wordt de wort net zolang vergist, tussen de 24 en de 36 uur, totdat het wenste alcoholpercentage is bereikt. Men onderbreekt de gisting door temperatuur naar 0 graden terug te brengen. De hoeveelheid alcohol die ontstaat is afhankelijk van de gebruikte giststam.
Voordeel van deze methode is dat de smaakstoffen optimaal zijn. Deze zijn al gevormd in het begin van de vergisting, in de aërobe fase.

Beïnvloeding van de gistconcentratie (door immobilisatie)

Bij deze techniek wordt gebruik gemaakt van een verlaagde gistconcentratie om het gistproces en de daarmee gepaard gaande vorming van alcohol te verlagen.
Er zijn ook verscheidende processen in ontwikkeling waarbij geïmmobiliseerde gist wordt toegepast. De gist wordt hierbij gebonden aan inert dragermateriaal (bijvoorbeeld gesinterd glas of cellulose) van specifieke porositeit en deeltjesgrootte. Het gistingsproces vindt op continue wijze plaats in een reactor.
Immobilisatie heeft vergeleken met gebruik van vrij gesuspendeerde cellen een aantal voordelen:

• Biomassa wordt teruggehouden (géén verliezen).
• Een verhoogde productiviteit vanwege continue procesvoering.
• Een gelijkblijvende productkwaliteit doordat de micro-organismenpopulatie zich constant vernieuwd.
• Procesverloop wordt sterk bespoedigd door de hoge biomassaconcentratie.
• Het procesverloop is eenvoudig te beheersen en te automatiseren.
• Het proces kan gedurende langere tijd in bedrijf worden gehouden, maar tevens tijdelijk worden onderbroken en na een korte opstarttijd weer worden voortgezet.

Technieken

Er zijn een aantal technieken voor de immobilisatie van micro-organismen. Voor al deze technieken moeten een aantal factoren en parameters in de gaten worden gehouden. Het dragermateriaal moet makkelijk te verkrijgen en niet te duur zijn. Het systeem moet doelmatig zijn, gemakkelijk te dienen en goede opbrengsten opleveren. Cellen moeten een lange levensvatbaarheid hebben en moeten niet negatief worden beïnvloedt door het dragermateriaal. Ook moet het dragermateriaal een hoge biomassa concentratie aankunnen. Er moet rekening worden gehouden met wijzigingen in metabolisme, samenhangend met de drager. Tenslotte mag
het kinetisch gedrag van de beladen drager, als diffusie limitaties, locale pH veranderingen en ophoping van inhibitoren géén negatieve invloed hebben op de fermentatie.

Er zijn vier basismodellen van celimmobilisatie:

1. Zelf aggregerende cellen (Self-aggregation), cellen die de natuurlijke eigenschappen bezitten tot uitvlokken en aggregeren (verenigen), kunnen als geïmmobiliseerd worden beschouwd, omdat ze zonder verdere bewerking in speciale reactoren kunnen worden gebruikt.
2. Matrixinsluitingen (Entrapment in Matrix).
3. Absorptie aan een drager (Surface Attachment).
4. Membraaninsluitingen (Containment Behind Barrier).

Het fysisch immobiliseren

De meest gebruikte immobilisatietechniek is de insluiting in een matrix. De matrix, gewoonlijk een niet giftig polymeer, wordt ge-geleerd rondom de cel, die daarmee geïmmobiliseerd wordt. Veel gebruikte polymeren zijn onder andere alginaten, kappa-carrageen en agar. Daarnaast is een gebruikte techniek membraaninsluitingen. Het principe van membraaninsluiting berust op het tegenhouden van cellen door membranen. Bij deze methode kan men een hogere cel dichtheid bereiken, die wel tien keer zo hoog is dan bij het gebruik van calciumalginaat.

Bij membraanreactoren zijn er drie typen:

• Scheiding van de reactie-uitloop door middel van een membraan.
• Product winning via externe loop met membraanscheiding.
• Holle vezelunit gebruikt als reactor.

Het immobiliseren door binding

Cellen, die de natuurlijke eigenschappen bezitten tot uitvlokken en aggregeren, kunnen als geïmmobiliseerd worden beschouwd, omdat ze zonder verdere bewerking in speciale reactoren kunnen worden gebruikt. Een alternatief voor matrixinsluiting is adsorptie aan een drager. Hierbij worden micro-organismen vastgebonden door middel van verschillende water onoplosbare dragers. Het voornaamste probleem met fysische en ionische bindingsmethoden is het uitspoelen van micro-organismen en autolyse. Als voordeel hebben deze systemen het direct contact tussen het medium en de biokatalysatoren. De reactoren kunnen op een normale manier geënt worden, en men laat de cellen vermenigvuldigen in het systeem. Een minimale groei is nodig daar tijdens de productie cellen te kunnen uitspoelen. Het stabieler vastzetten van biokatalysatoren is mogelijk door covalente bindingen, als de gebruikte methoden de biokatalytische activiteit niet te veel beïnvloeden.

Voorbeelden van dragermaterialen, die bij de immobilisatie van gist zijn toegepast, zijn poreus of gesinterd glas, glasvezel, zand, diatomeeenaarde, kunststoffen, lavasteen, cokes, poreuze steen, keramiek, DEAE-cellulose, roestvast staal, polyurethaanblokjes en PVC snippers. De meest geschikte drager die wordt toegepast bij de productie van alcohol vrij bier is DEAE- ( DiEthylAminoEthaan)-Cellulose Granulaat, omdat dit materiaal zich als zeer geschikt heeft bewezen voor immobilisatie van gist.

Verschillen van geïmmobiliseerde gistcellen ten opzichte van vrije cellen

Met de inzet van deze immobilisatietechnieken kunnen bij de ladingsgewijze productie van alcoholvrij bier de smaaknegatieve componenten die in de wort aanwezig zijn door een verhoging van het gistgehalte gereduceerd worden. Ook intensief koken van de wort zal een positief effect hebben.

Door de opname van zuurstof door de gist zoveel mogelijk te beperken en de klaring zo goed mogelijk uit te voeren zal de vorming van negatieve smaakcomponenten tijdens het proces voorkomen worden. Het proces moet zo gestuurd worden, dat de vorming van alcohol wordt onderdrukt, maar wel de componenten ontstaan, die belangrijk zijn voor een goede biersmaak.

Vergistingsmethode met gistimmobilisatie kennen in vergelijking met normale vergisting een aantal verschillen:

• Er wordt naast minder alcohol ook minder koolzuur gevormd, waardoor de pH minder daalt en de vloeistof minder wordt gewassen.
• Doordat minder zuren worden gevormd wordt de pH en de smaak beïnvloedt en slaan minder eiwitten neer.
• Doordat de gist minder stoffen omzet verandert de smaak, het eindproduct wordt zoeter en heeft meer een wortsmaak.
• Er kunnen microbiologische problemen optreden aangezien infecties bij hogere pH makkelijker tot ontwikkeling kunnen komen.

Binnen het kader van het Duitse “Reinheitsgebot” is de biologische aanzuring van wort de enige mogelijkheid om de pH van de maische en de wort direct te beïnvloeden. De pH beïnvloeden kan op verschillende manieren, o.a. door: watercorrecties, toevoegen van zuur, biologische aanzuring en het gebruik van zuurmout. De biologische aanzuring heeft als groot voordeel dat het gevormde melkzuur en de aromacomponenten een positieve invloed op de bierkwaliteit hebben. Om deze redenen is er voor de alcoholvrije bierproductie sprake van twee systemen.

De productie van biologisch melkzuur met geïmmobiliseerde melkzuurbacteriën
Hierbij worden melkzuurbacteriën geïmmobiliseerd door de bioreactor en in downflow gepompt naar de navergistingstank. De melkzuurbacteriën zetten suikers uit de hoofdwort om in melkzuur, waardoor er een verlaging van de pH in de bioreactor van 5,5 tot 3,5 plaatsvindt. In de naverzuringstank vindt door de meegevoerde melkzuurbacteriën een aanvullende melkzuurvorming plaats, waarbij de pH van het biozuur tot 3,0 wordt verlaagt. Dit biozuur kan aan de maische en wort worden toegevoegd om zo de gewenste pH te verkrijgen.

De productie van alcohol vrij bier met geïmmobiliseerde gist
Het wezenlijke van dit proces is, dat alcohol in zeer kleine hoeveelheden wordt gevormd, doordat het metabolisme van de gist wordt beheerst. De stofwisseling is namelijk anders dan van vrij cellen. Vrije cellen verbruiken reserve koolhydraten, als geen substraat meer aanwezig is. De glycolyse in geïmmobiliseerde cellen gaat in grotere omvang verder in perioden van glucosegebrek. Door de hogere celdichtheid is de productiviteit per volume eenheid wel ongeveer tot tweeëntwintig maal zo groot. Alcohol en koolzuur worden niet meer geproduceerd in equimolaire eenheden. Het alcoholgehalte van het eindproduct is lager dan 0,05%. Tevens kan het proces zo worden aangepast, dat het eindproduct een alcoholgehalte heeft van 1%.

Reactortypen

Voor systemen met geïmmobiliseerde gisten komen drie reactortypen in aanmerking:

1. Gepakt bed reactor
2. Gepakt bed omloop reactor
3. Gefluïdiseerd bed of wervelbed reactor

De meest geschikte reactor voor de productie van alcoholvrij bier is de gepakt bed omloop reactor, omdat bij deze reactor de aan het oppervlak van de drager gefixeerde cellen weinig worden belast. Dit is belangrijk omdat de drager die gebruikt wordt bij de productie van alcoholvrij bier, CEAE-Cellulose, niet poreus is. Door de geringe oppervlaktebelasting zullen er dus minder snel biomassaverliezen aan het drageroppervlak optreden. Verder is de omloopstroom zo afgesteld, dat de pakking niet meebeweegt. Hierdoor is goede menging in deze reactor mogelijk.

Een gepakt bed reactor is ongeschikt voor de productie van alcoholvrij bier omdat:

• Er geen optimale doormenging van het systeem plaatsvindt, waardoor grote substraatdeeltjes tot verstoppingen kunnen leiden. Dit kan leiden tot substraatconcentratie gradiënten en gasophopingen in de pakking.
• De activiteit van micro-organisme kan bij opwaarts doorstromende reactoren naar boven toe afnemen.

Een Gefluidiseerd bed of wervelbed reactor is minder geschikt voor de productie van alcoholvrij bier omdat:

• Door grote schuifkrachten aan het uitwendige drageroppervlak zullen bij niet poreuze dragers, zoals CEAE-Cellulose, snel biomassaverliezen optreden.
• Het energieverbruik is groot.

In een gepakt bed omloop reactor stroomt de wort continu langs de geïmmobiliseerde gisten en het product wordt continu afgevoerd. De verblijftijd van de wort wordt door middel van de substraattoevoersnelheid geregeld.

Selectie van een bepaalde gist type dat minder alcohol produceert

Bij het klassieke bierproces wordt de alcohol gevormd door speciale giststammen van de gistsoort S.cerevisiae.
Als men alcoholvrij bier wil produceren kan men de hoeveelheid alcoholvorming verminderen door een techniek waarbij men een andere soort giststam gebruikt. Gekozen wordt dan voor een giststam die zomin mogelijk suikers omzet in alcohol. Een geschikte giststam hiervoor is de gist Saccharomycec ludwigii. Deze gist kan enkel glucose, fructose en sacharose maar geen maltose omzetten.
Een nadeel van deze techniek is dat de vergisting zeer langzaam verloopt, waardoor permanent infectie gevaar bestaat. Verder is de gistoogst gering, de reinkweek vol complicaties en het bieraroma niet evenwichtig.