Zeitschrift fiir

Lebensmittel-Untersuchung und-Forschung 94. B A N D M ~ I ~ Z 1952 H E F T 3

Zur Extraktion von Hopfenbitterstoffen durch UltraschaH.

Von

W. SPECHT. M i t t e i l u n g aus d e m L a b o r a t o r i u m d e r S e h u l t h e i s - B r a u e r e i , It. S c h u l t h e i s SShne ,

W e i s s e n t h u r m b . K o b l e n z .

Mit 5 Tcxtabbildungen.

(Eingegangen am 2~. Oktober 1951.)

Die fiir den ttopfen spezifischen und seine brautechnische Verwendbarkeit in erster Linie be- dingenden Stoffe sind die ~-Hopfenbitters~ure, das Humulon, und die fl-Hopfenbittersgure, das Lupulon, deren Konstitutionsaufklgrung wir W1ELA~D und MA~TZ 1, W(3LLMEPfl, GOVAE]~T und VS~ZELE 3 sowie RIEDL ¢ verdanken. Letzterem gelang in dicsem Jahre die Synthese des ttumulons in Mlerdings noch nieht befriedigender Ausbeute 5.

Bei frischem ttopfen, dessen Gesamtharzgehalt sich etwa zwischen 12--20% bewegt, soll der Humulongeh~lt mindestens 35 % vom Ges~mth~rz und der Anteil Lupulon + Weichharz 46--48 % betragen.

Neben dem ~therischen 01 des Hopfens, dessen Menge zwisehen 0 ,2 -0 ,5% sehwankt und fiber dessen evtl. Bedeutung fiir die Bierherstellung die Auffassungen noch divergieren, spielt der Hopfengerbstoff (2,2--4,6%) im ] ~ h m e n der Problemstellung eine bedeutsame Rolle. Der Hopfengerbstoff kondensiert sich leicht zu Phlobaphen und ~ndel"~ damit seine Eigensch~ften hinsichtlich LSslichkeit und Eiweii3fi~llung. Er wird sonaeh wahrseheinlich wenigstens zu einem Teil der C~techingruppe der Gerbstoffe 6 ~ngehSren. Auf Grund kolloidchemischcr Feststellungen ~ wird die Ansicht vertreten, d~l~ der Gerbstoff im Hopfen ~us zwei Komponenten besteht, einem kondensierten, stgrker eiweiBfMlenden Phlob~phen und einem dem Zustand molekularer LSslich- keit ngherstehenden Tell, dem eigentlichen Gerbstoff.

Entgegen ~lteren Vermutungen besteht zwischen dem Gehalt des Hopfens an Bitterstoffeu und Gerbstoff keinerlei naehweisbare Beziehung s.

Nach LEBEt~LE 9 sind die eigentliehen ehemischen Prozesse, die bei der (~berffihrung der bitteren Bestandteile des Hopfens in die Wfirze vor sieh gehen, groBenteils noch unbekannt. Man weiB nur, dab die BittersAuren als solehe wenig wasserl6slich sind und sieh erst durch das Kochen und nur teilweise unter dem EinfluB des Lufts~uerstoffes u. a. in die leichter 15sliehen Weiehharze umwandeln. Der EinfluB des Luftsauerstoffes ist wegen der geringen MSgliehkeit der Vermischung mit der Wfirze Mlerdings geringer, als man friiher angenommen hatte. Die Weieh- harze, die Umwgndlungsprodukte der Bittersguren, sind z. T. echt, d. h. molekular, z. T. kolloid- 15slieh. Die Aufl6sung auf Grund der echten L6slichkeit erfolgt teilweise direkt und ist bei den

1 WIELAND, H., u. E. MARTZ: Ber. dtsch, chem. Ges. 25, 59, 2352 (1926). 2 WSLLMER~ W. : Ber. dtsch, chem. Ges. 49, 780 (1916); 5S, 672 (1925). 3 GOVAERT~ ~., U. ~{. VERZELE: Bull. Soe. Chim. Belg. 58, 432 (1949). 4 RIEDL, W.: Brauwiss. 1,%1, 52. 5 I~IEDL, W.: Brauwiss. 19M, 81. 6 FREUDENBERG, K . : Handbueh der Pflanzenanalyse. Bd. III/2, S. 344. Wien: Springer 1932.

REICI~ARDT, A . : Brauwelt 1911, 253. s LUERS, H., u. H. NIEDERMAYEI¢: Wsehr. Brauerei 1940, 125. 9 L~ERLE, H.: ,,Die Br~uerei", II . Tell ,,Die Teehnologie der Bierbereitung". Stut tgart :

Enke 1931. Lebensmittel, ]~and 94, Heft 3. 11

158 W. SP~cnT:

Weiehharzen grSBer Ms bei den Bitters~uren, tails indirekt durch die Bildung yon leichter 15s- lichen Sa]zen. Sind die echten LSsungen ges/£ttigt, so 16st sieh ein [~berschufl an Bitterstoffen kolloid. Sonach warden immer kolloide und echte LSsungen in einer Wiirze nebeneinander bestehen.

Je saurer ferner eine Wiirze ist, desto mehr Bitterstoffe warden kolloid, je weniger sauer, desto mehr werden echt (molekular) gelSst sein. Art und Menge der LSsung yon tIopfenbitterstoffen ist also wesentlieh durch die Acidit/~t, d. h. den pr~-Wert der Wfirze und des Brauwassers, ferner aber aueh dutch das Vorhandensein yon Alkali- und Erdalkalisalzen beding~. Eine lficht zu vernach- l~ssigende Rolle bei der ~berfiihrung der Hopfenbitterstoffe in die Wiirze spielen aber aueh be-

s t immte Eiweigverbindungen, mit denen der besonders in sauren L6sungen st/~rker hervor- tretende kolloid gelSste Anteil der Bitterstoffe wahrscheinlich Adsorptionsverbindungen eingeht.

Von Weiteren Wiirzestoffen erwiesen sich in diesem Zusammenhang weniger die Dextrine und die iibrigen Kohlenhydrate als vielmehr die Gummistoffe und insbesondere die h5hermolekularen EiweiBe oder Eiweigabbauprodukte, nicht zuletzt auf Grund ihres amphoteren Charakters als Sehutzkolloide bzw. Stabilisatoren fiir die Bitterstoffsole als wichtig.

Un te r suchungen zur E x t r a k t i o n von Hopfenb i t t e r s to f fen durch Ul t rascha t l ersehienen erfolgversprechend, da berei ts Hinweise in der L i t e r a t u r vorl iegen, wonach durch die zerkle inernde und dispergierende W i r k u n g yon Ul t rasehal lwel len Stoffe, auch solche labi ler Ar t , aus Pf lanzen- oder Tierzel len ex t rah ie r t warden kSnnen, wobei gelegent l ich auch die mechanischen Wi rkungen des Ul t raschal l s mi t den beschleunigenden Kr i i f ten in einer Zentr i fuge (Ultraschal lzentr i fuge) , m i t Um- w~lzen des Beseha]lungsgutes oder Tempera tu r s t e ige rung kombin i e r t wurden. Die E x t r a k t i o n is t bed ing t durch eine Lockerung oder Zers tSrung von Zellverb/indell und gleiehzeit ige Ste igerung der Diffusionsvorg/inge.

U m den dig ~ b e r s i c h t und die Erkenn tn i s se s tSrenden Einfl i issen der s te ts im Ul t rascha] l fe ld au f t r e t enden lokalen Erw/£rmungen zu begegnen, wurden die Ver- suche, Hopfenbi t t e r sEuren du tch Ul t rascha l l aus Hopfen in einen w/iBrigen Auszug i iberzuffihren, sowohl bei Anlegung des L a b o r a t o r i u m s m a g s t a b e s als auch im groB- technischen Sudver fahren bei kons t an t e r T e m p e r a t u r durchgef i ihr t .

Die yon verschiedenen phys ika l i schen F a k t o r e n abh/~ngige W~rmeen twick lung in Ul t rasehal l fe]dern erschwert sehr h~ufig dig Unte r suchung von Ul t raschal l - wirkungen. Eine Trennung le tz terer yon the rmischen Vorg/~ngen is t fas t nur durch Para l le lversuche ohne Ul t rascha l l mSglich. Den vor l iegenden Ul t raseha l lversuchen sind deshalb derar t ige Kon t ro l l en zur Seite geste l l t worden, so dab die erzie]te Ul t rascha l lwi rkung gesiehert und q u a n t i t a t i v abzuseh/~tzen ist, zumal auch die Besehal tungen je Versuchsreihe in g le iehdimensionier ten Gef/~gen und Gef/~Ben gleiehen Mater ia ls sowie under g le iehble ibenden Beschal lungsbedingungen erfolgt sind.

Die B e s c h a l l u n g e n im g r o B t e e h n i s c h e n M a g s t a b fanden nach dem Eintauehprinzip mit einem Quarzschwinger 1 start, der bei einer Frequenz yon 1000 kHz eine Schalleistung yon 6mal 35 Watt abgab bei einem wirksamen Sehallaustrittsdurchmesser der 6 Quarze yon je 2,5 bis 3 cm. Durch eine entsprechende Ger~tedurehbildung ist der Zusammenhang zwisehen den angezeigten Strom-, Spannungs- oder Leistungswerten und der abgegebenen Ultraschallenergie konstant gehalten. - - S/~mtliehe L a b o r a t o r i u m s v e r s u c h e wurden mit einem Ger~t der Firma Ultrakust 1 mit einer abgebbaren Sehalleistung yon 35 Watt und einem wirksamen Schall- austrittsdurchmesser yon 2,5 cm bei einer Frequenz yon 1000 kttz durchgefiihrt.

Den Untersuehungen lag einheitlicher H o p f e n (1949) zugrunde, dessen Bitterwert 2 nach W6LLM~R ZU 3,84% i. Tr. ermittelt wurde. Der Hopfen wies bei einem Gesamtharzgehalt yon 16,15 % i. Tr. einen Gehalt an ttumulon yon 2,43 % i. Tr., an Lupulon -4- We'ehharzen yon 12,69 % i. Tr. und an Hartharzen yon 1,03% i. Tr. auf. Der Gerbstoffgehalt betrug 4,76% i. Tr. Der Hopfen war gesehwefelt. - - Das zu den Extraktionsversuehen benutzte B r ~ u w a s s e r war im Kalkverfahren auf 2 ~ 3 ° DH enthartet. Das pit der Ansatze lag zwischen 5~6.

1 Ultrasonator T 300a der Firma Ultrakust, Geratebau (Ruhmannsfelden). f }

Bitterwert (naeh WOLL?dIER) = ~ + ~ ; es bedeuten: ~ = c~-tIopfenbitters/iure % i. Tr., 2

~/= ~-Itopfenbitters~ure -~ Weichhurze % i. Tr.

Zur Extraktion yon Hopfenbitterstoffen durch Ultraschall. 159

Es stellte sich heraus, dab die durch Ultraschalleinwirkung auf gopfen erzielbare Ausbeute an Bitterstoffen und Gerbstoff nicht nur yon der Art und den Eigenschaften der Extraktionsfliissigkeit sowie der Temperatur des Ansatzes, sondern auch yon dem Konzentrationsverh~tltnis Hopfen:Fltissigkeitsmenge und der Ultrasehall- einwirkungsdauer bei definierter Schs~lleistung abh~ngig ist.

Bei g l e i c h b l e i b e n d e m VerhgAtn i s de r A n s ~ t z e Hopfen:Extraktions- fl/issigkeit (z. B. 1 : 333, dl h. 60 g Hopfen auf 20 Liter Brauwasser) und konstanter Temperatur (50 ° C) fund mit zunehmender Ultraschalleinwirkungsdauer bis zu

% 80

\

Z/~.7 min.Z/S. Abb. 1. Ultraschallextraktion yon Bitterstoffen und Gerb- stoffaus Hopfen bei konstantem Verh~tltnis der Ans~tze Hopfen: Extraktionsfltissigkeit (1:333) und steigender

]3eschallungsdauer (bei gleicher Schalleistung).

%t

z0

\ Z" 666 7"333 1"150 ~:dz)hnun, csve,.hSgn/s

Abb. 2. Ultraschallextraktion yon Bitterstoffen und Gerbstoff aus Hopfen bei konstanter Schalleistung und Beschallungsdauer (2 Std) und fallender Konzentration

der tIopfenans/~gzc.

2 Std. im Vergleieh zur Auslaugung des Hopfens mit Wasser yon 50°C w/~hrend 2 Std. ohne Ultrasehall eine Steigerung der Bitterstoffausbeute des Hopfens um 52,2% start (Abb. 1; untere Kurve).

In unabh/~ngig von diesen Ergebnissen von ENDERS und I~AIBLE 1 durchgefiihrten Versuchen, bei denen der gemshlene Hopfen in einem Apparat nach dem Ultraschalldurchlaufprinzip bei 300 W und 350 kHz (Ultraschallgenerator derFirma Siemens-Schuckert-Werke A. G., Erlangen) extrahier~ wurde, konnten etwa 40% mehr Bitterstoffe w/£hrend 5 rain abgetrenn~ werden als durch 1/2 stiindiges Kochen eines entsprechenden Ansgtzes ohne Ultraschall.

Der Gerbstoff, der bei einer Auslaugung des Hopfens bei 50 ° C w/~hrend 2 Std. ohne Ultrasehall zu 85 % in LSsung ging, war unter den gegebenen Ultrabeschallungs- bedingungen naeh Ablauf yon 2 Std. zu nur 22% in der Extraktionsfliissigkeit feststellbar (Abb. 1; obere Kurve).

Unter Einhaltung dieser Versuchsbedingungen wurde sonaeh eine sieh verrin- gernde GerbstofflSsungstendenz bei gleichzeitiger Mehrausbeute der Hopfenbitter- stoffe ersichtlich (Abb. 1). Das System strebte offenbar einem yon der Temperatur, der Ultraschalleinwirkungsdauer, der Leistung des Ger/~tes und wom6glich auch von der Frequenz abh/ingigen Gleichgewichtszustand (Schwellenwert) zu, der durch ein

1 E~DERS, C., u. K. RAIB~E: Brauwiss. 1951, 33. 11"

160 W. SPEC~'r :

Tabelle 1. Ex t rak t ion yon Hopfen

Versuchs- ~r . Versuchs-Daten

a) 11,5 kg Hopfen in 20,5 hl ]~rauwasser (Verd. 1 : 178). Ultraschallex~raktion 2 Std. bei 50 ° C. b) 11,5 kg Hopfen in 20,5 hl Extrak~ions16sung a. Ultraschallextraktion 2 Std. bei 50 ° C.

a) 11,5 kg Hopfen in 21,5 hl Brauwasser (Verd. 1 : 187). Ultrasch~llextraktion 2 Std. bei 50 ° C. b) 11,5 kg I{opfen in 21,5 hl Extrak~ionsl6sung a. Ultraschallextraktion 2 Std. bei 50 ° C.

B i t t e r s t o f f imGesamt-

extrakt g

837,8

820

936

753,9

Zusammensetzung

Ausnutmmg der

Bitterstoffe %

48,2

23,6

53,8

21,7

yon der Art der Flfissigkeit und der Extraktionsdauer abh/ingiges Maximum an gelSstem Bitterstoff und ein Minimum an gelSstem Gerbstoff gekennzeichnet ist.

Bei k o n s t a n t e r S e h a l l e i s t u n g u n d B e s e h a l l u n g s d a u e r von 120 min sowie konstanter Temperatur von 50°C nahm m i t f a l l e n d e r K o n z e n t r a t i o n de r A n s ~ t z e an H o p f e n der Bitterstoffgehalt der ExtraktionslSsungen deutlieh zu, w/~hrend sich der gelSste Gerbstoffanteil ins Extrem steigerte (Abb. 2).

Unter konstan*en Beschallungsbedingungen sind sonaeh die Extraktionswerte ffir Bitterstoff und Gerbstoff in saurem Milieu maggeblieh von der Hopfenkonzen- tration abh~ngig, denn die Bitterstoff- und Gerbstoffgehalte der Ultrasehall-Ex- traktionsl6sungen steigen mit der Verdfinnung der Ans/~tze, wobei in Hopfen- Wasseraufschwemmungen 1:150 bis 1:666 der Gerbstoffgehalt der Extraktions- 15sungen zwischen 6 und 90%, der Gehalt an Bitterstoffen zwischen 15 und 30% betr/igt. Die UltraschallextraktionslSsung kann daher im pR-B. ereich 5--6 auf eine Bitterstoff-Gerbstoffbilanz eingestellt Werden, die zu Gunsten der Bitterstoffe verschoben ist.

Ansgtze im Verh~ltnis 1 : 200 bis ]. : 300 liefern unter den angegebenen Beschallungsbedingungen Hopfenausziige, die verh~ltnism/igig reich an Bit*erstoffen und arm an Gerbstoff sind, was in Best/~tigung tier analytischen Befunde allein bereits durch die Sinnespriifung zu best~tigen ist.

Wird die U l t r a s e h a l l b e h a n d l u n g e ines H o p f e n b r a u w a s s e r a n s a t z e s 1 :666 in s c h w a c h a l k a l i s c h e m Mi l ieu (pg 7,5) durchgeffihrt, so erhSht sieh tier Anteil gelSster Bitterstoffe offenbar wegen der leiehteren WasserlSslichkeit der harzsauren Salze bzw. der entstehenden Weiehharze auf 30 % und mehr der in der Hopfenmenge vorgelegten Bitterstoffe. St/irker earbonathaltige W/~sser 15sen ja auch ohne Ultraschallbehandlung ungleich mehr Bitterstoffe, als W/~sser geringerer H/~rtegrade. Dies bezieht sieh insbesondere auf das Humulon, das bei p~ 4,95 zu 65 rag/l, bei p~ 6,25 dagegen zu 740 rag/1 gelSst, wird. - - Zugleieh steigt aber in dem Versuch der Gerbstoffgehalt der ExtraktionslSsung auf fiber 90 % an, so dab man praktiseh mit einer quantitativen Gerbstoffauslaugung zu rechnen hat. In diesen F/~llen verfi~rbt sich die Ultraschall-ExtraktionslSsung r5tlieh bis gelbbraun, und die t{opfentreber sind rStlich bis graubraun gef/~rbt.

In grogtechnischen Versuchen, bei denen ]1,5 kg IIopfen in 20 hl Brauwasser {entspreehend einem Verdfinnungsverh/~ltnis von durchschnittlieh 1 : 180) bei 50 ° C 2 Std. mit Ultraschall extrahiert wurden, nahm die ExtraktionslSsung bei nur 20,7% des Hopfengerbstoffes maximal 53,8% der vorgelegten Bitterstoffe auf, womit die Siittigungsgrenze ffir Bitterstoffe erreicht war.

Zur Extraktion yon Hopfenbitterstoffen durch Ultraschall. 161

un te r U l t r usch~l le inwi rku ng.

der ExtraktionslSsungen

Gerbstof_r Gel6ster Anteil Gesamt-N Protein GelSster Anteil im Gesamt- des Gesamt.- im Gesamt- im Gesamt- des Gesamt- PIt

extrakt Gerbstoffes extrakt extrakt proteins des Gesamt- g % g g % extrakts

161,3

314,2

29,5 173,9 ]086,9

28,7 205,8 1286,1

113,1 20,7

313,3 28,6

154,4 965,0

189 1181,4

38,4

22,8

36,5

21,9

6,29

5,70

6,23

5,80

Versuehe, in diese LSsungen naeh Zugabe weiterer Hopfenmengen und Fort- setzung der Ultraschal lbehandlung weitere Bitterstoffanteile zu dispergieren, schlugen fehl (Tab. 1). Diese Versuche brachten - - offenbar infolge Har tharzbi ldung - - w~thrend weiterer 2 Beschallungsstunden keine weitere Bit terstoffanreicherung, vielmehr Verluste bis zu 19 o~; der vorher gelSsten Anteile.

Demgegenfiber gingen aber unerwiinschterweise Gerbstoffe und N-haltige Sub- s tanzen bis zu 177% bzw. 22,4% vermehr t aus dem t topfen in die LSsungen fiber.

Mit zunehmender Viscosit~tt der Extraktionsflfissigkeiten (in den vorliegenden Untersuchungen der Stammwfirzegehalte) stieg unter analogen Versuchsbedingungen die Ausnutzung der vorgelegten Hopfenbit terstoffe auf fiber 68,1 ~/o in Glattwasser (0,8 Gew.-%) und 87,9% in Wiirze (15,4 Gew.-%) an.

Vergleicht man den l ~ e s t h ~ r z g e h a l t v o n H o p f e n t r e b e r n , die naeh der Ultraschal lextrakt ion des Hopfens bei 50°C einerseits und andererseits naeh dem Auskochen yon Hopfen verblieben, so betrugen im Ultraschallversuch bei einem Gesamtharzgehal t des Hopfens yon 16,15 % i Tr. die nicht ausgenutzten Bitterstoffe 11,33 %, denen im Kochversuch 53,44 20 Restharze gegenfiberstehen. Die Ausnutzung der Hopfenbi t ters toffe erfolgte sonach im Ultraschallversueh zu 88,67 % und im Hopfenkochverfahren nur zu 46,56 %, was einer ultrasehallbedingten Mehrausbeute an Bit terstoffen um 42,11% entsprieht (Tab. 2).

Auf dem Wege der Ultr&sehallextraktion lieG sich bei Versuchen im groBtech- nischen MaGstab der Hopfen bis auf 0 ,9 - -1 ,2% Restharze entbit tern, womit die Ausnutzung der Hopfenbit~erstoffe auf 90 % stieg.

Der den Versuehen zugrundegelegte Hopfen wies 3,78 % i. Tr. Ge s a m r - iN auf, entsprechend einem Protein-Gehal t yon 23,6 %. Da etwa 50 % des Hopfenproteins in heigem Wasser leieht 15slich s i n d - - es h&ndelt sich hierbei um Albumosen, Peptone,

Tabelle2. Die nach E x t r a k t i o n im Hopfen v e r b l e i b e n d e n Harz- und B i t t e r s t o f f a n t e i l e .

Behandhmgsweise [ Gesamtharz%i. Tr.

I

Ultraschallextraktion . . . . . [ 1,83 Kochverfahren . . . . . . . [ 8,63

Im l~iickstand verbliebene Anteile

Humtflon % i. Tr.

0 0, 23

:Lupulon + Wcichharze

% i. Tr.

1,34 6,12

Hartharz % i. Tr.

0,49 2,28

Bitterwert % i. Tr.

0,15 0,91

162 W. SPECHT :

Tabelle 3. Ul t raschal l -Hopfenextrak~ion

Versuchsdaten

Versuch 1:11 kg HOl0fen in 22,5 hl Vorderwiirze, St. W. 15,1% (Verd. = 1:205).

Versuch 2: l l kg Hopfen in 22 hl Vorderwfirze, St. W. 15,!% (Verd. = 1:200).

Versuch 3 : 9 kg Hopfen in 22 hl Vorderwiirze, St. W. 18,8% (Verd. = 1:328).

Versuch 4:8,5 kg Hopfen in 22,5 hl Vorderwfirze, St. W.

PH

5,40

5,48

Gesamt-~

mg-%

5,48

Gesamt=N, auf 12% St.W.

berechnet rag-%

156,6 124,4

189,8 150,8

203,6 129,9

Beschaffenheit der

Formol-N

rag-%

42,4

58,6

66,9

19,3 % (Verd. = 1:265). 5,42 156,7 97,4 53,4

Aminosguren, insbesondere Asparagin - - verwundert es nicht, da6 in den Ultra- schallextraktionsl5sungen nach 2stfindiger Ultraschalleinwirkung bei 50°C etwa 35 % des Hopfenproteins in Erscheinung treten. Insofern scheint sich ein Teil der N-haltigen Verbindungen des Hopfens hinsichtlich der L6slichkeit in w~griger Phase ~hnlich wie der Gerbstoff zu verhalten. Versuche haben indessen erkennen lassen, dab in den wgBrigen Ans~tzen, die nach erfolgter erster Ultraschallextraktion yon 2 Std. nochmals mit der gleichen Hopfengabe versetzt und weitere 2 Std. der Ultraschallwirkung ausgesetzt werden, eine nur unbedeutende Zunahme des Proteins bei einer im Vergleich zum vorgelegten ttopfengerbstoff zugleich nicht sehr erheb- lichen Zunahme gel6sten Gerbstoffes eintritt.

Hieraus ist in Zusammenhang mit den obigen Beobachtungen~ wonach in saurem Milieu mit Zunahme der Extraktionsdauer und Erh6hung der Konzentration der Ans~tze die Menge des in LSsung gehenden Gerbstoffes stark abf~llt 1, zu schliefien, dag Teile des Hopfengerbstoffes bei protrahierter Beschallung fiber hShermolekulare Kondensationsprodukte auf dem Wege der Oxydation schlieglich in unlSsliche

Tabelle 4. Ul t rascha l l -Hopfenex t rak t ion

Vcrsuchs- ~r. Versuchs-Daten

11 kg Hopfen in 22,5 hl Glattwasser, St. W. 11,7% (Verd. ~ 1:200).

l l kg Hopfen in 22hl Glattwasser, St. W. 16,2 % (Verd. ~ 1 : 200).

8,5 kg I-Iopfen in 23,5 hl Glattwasser, St. W. 16,2 % (Verd. = 1:276).

Beschaffenheit des

auf t2% !Form iGesamt.N Gesamt-N'i St. W. [ 1-N

PH berechnet i mg_ °/o [ m g - % m g - % l

5,60

5,63

5,62

[ 126,6

167,3

148,7

129,8 28,9

123,9 40,3

[ 110,2 40,3

1 Li)ERS, H. , u. H. NIEDERMAYER: Zit. S. 157, Anm. 8.

Zur Extraktion yon Hopfenbitterstoffen durch Ul~raschall. 163

in Vorderwi i rze be i 50°C w~hrend 1 Std.

Vorderwiirze Beschaffenhei t tier Ul t raschal l -Extrakt ions lSsung

I F o r m o l - N , Formol -N G e s a m t - / g , F o r m o l - 2 ~ ~ F o r m o l - N , Formol -N

a u f 12% St .W. in % G e s a m t - N a u f 1 2 % St. W. a u f 1 2 % St. W. in % des bercchne t des Gesamt -N berechnet bc rechne t Gesamt -N

rag- % % mg- % mg- % nztg- % rag- % %

33,7 27,1

46,5 30,8

42,7 32,8

156,3

189,8

203,1

33,2 34,1 155,8

124,2

150,8

129,6 i

!

96,8

43,4

57,8

34,4 27,7

45,9

70,4 44,9

52,9 32,9

30,4

34,6

33,9

Phlobaphene iibergefiihrt werden. Neben dieser Oxydation wirkt sich offensichtlich aueh eine im Laufe der langen Extraktionszeit fortsehreitende Bindung des Gerb- stoffes an das HopfeneiweiB nieht nur auf den Riiekgang des 16sliehen Gerbstoff- anteils, sondern aueh auf den der 15sliehen N-Verbindungen aus.

Weitere in technischen GroBversuchen gemachte Beobachtungen (Tab. 3 und 4) zeigten, dag sich in stark viscosen Brauereiflfissigkeiten (Wiirzen mit 15--19 Gew.- %) die Stickstoffverh~ltnisse w~hrend der Ultr&schallextraktion des Hopfens grund- si~tzlich von den bei der Extrakt ion inWasser getroffenen Feststellungen unterseheiden.

Bei normalem pg der Vorderwiirze (Pit 5,40--5,48) war nach einstiindiger Ultra- schallextraktion des Hopfens bei 50°C und einer Konzentration der Ans£tze von 1:200 bis 1:300 weder eine Zunahme des Gesamt-N-Gehaltes noch eine solche der Formol-N-Fraktion bei g]eichbleibendem Prozentgehalt des Formol-N vom Gesamt-N festzustellen.

Wurden Ultrasehallextraktionen anMoger GrSgenordnung demgegeniiber in weniger viscosen Glattw~ssern mit l l - - ]6 Gew.- % bei PH 5,60--5,63 durchgefiihrt,

in G l a t t w a s s e r bei 50 ° C wi ihrend 1 Std *.

29,6

29,8 ]

29,8

Glat twassers

i F o r m o I - ' I _ . ~

L , o ' ~orlnol--'~ + a u f 12 Yo . . . . S t W m 70 aes

berech'l(et i Gesamt"N

m g - % L %

L !

22,8

24,1 i

Beschaffenhei t der Ul t raschal I -Extrakt ions lSsung

G e s a m t - N

r ag -%

126,3

166,9

G e s a l n t - 2 g , a u f 12%

St. W. berechner.

m g - %

129,5

]23,6

F o r m o l - N

mg- %

39,8

55,1

F o r m o l - i N a u f 12% St. W.

berechnet r ag -%

40,8

40,8

Formol-N, in % des

Gesamt -N

%

31,5

33,0

Z u n a h m e d e s

F o r m o l - N dutch die

Bcschal lung

%

38,7

36,9

27,0 145,4 107,7 73,5 54,4 50,5 82,5

* E r l ~ u t e r u n g : Vers. Nr. 1. Formol-N ohne UltraschMl: 29,6 rag-%, Formol-N naeh Ultra.schall: 40,8 mg-%,Zunahme durchUltraschall" l l ,2mg-%. 29,6:11,2 ~ 100:x; x = 38,7%.

164 W. SrECHT:

so fand man nach der Ultraschallbehandlung bei wiederum fibereinstimmen- den Gesamt-N-Bilanzen Zunahmen der Formol-N-Fraktionen, die mit 30--50 %iger ErhShung des Ausgangswertes augerhalb der analytisehen Fehlergrenze lagen. Entspreehend stieg der prozentuale Anteil des Formol-N am Gesamt-N bis auf 50 % an.

Da der Gesamt-N-.Gehalt in diesen beiden Versuehsreihen (Tab. 3 und 4) im Gegensatz zur Extrakt ion in Wasser vor und nach der Ultrasehall-Hopfenextraktion gleieh geblieben ist, sich eine Verschiebung vielmehr nur innerhalb der N-Fraktionen

abzeiehnet - -Verh~l tn isse , die derzeit nur erst einen 1o~[ orientierenden Einbliek gestatten - - , neige ieh eher der % ~ Annahme zu, dag an diesen Ver~nderungen weniger das

Hopfenprotein als das Protein des Glattwassers bzw. der \ Vorderwiirze selbst den entseheidenden Anteil hat und

80- \ dab es zu einer nennenswerten Herausl6sung des Hopfen- _ x proteins nur bei Untersehreitung einer bestimmten Vis-

\\ cosit~tsgrenze kommt, die in Glattw/issern der vor- eo- ~;~v.~ liegenden Zusammensetzung noch nicht erreicht war.

' ~'~o~",~ ~ Aul3erdem dfirften Pufferungsvorg/~nge, die sieh in Vorder- --~g wtirzen in st/~rkerem Mage als in Glattw~ssern und in ,~,~ diesen wieder ausgepr~gter als in Brauwasser w~hrend

~o- /,~,~'~ der Hopfenextraktion abspielen, mit den beobaehteten Eiwefl]ver/~nderungen in Verbindung stehen, die im fibrigen nur positiv zu bewerten sind.

Letztlich kann aber auch nicht unber/icksich%igt bleiben, dab mit Zunahme der Viscosit/~t die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultrasehallwellen gebremst und deren Wirksamkeit eingeengt oder auch abge~indert wird.

Diese am Hopfen gemachten Beobachtungen dfirften im Hinblick auf die M6gliehkeit, Wirkstoffe aus Drogen unter m6gliehster Selektierung von Gerbstoffund Eiweig- stoffen auf dem Wege der Ultraschallextraktion zu ge- winnen, von allgemeinem Interesse sein, zumal neben einer Ausbeuteerh6hung auf dem beschriebenen Wege auch eine yon vornherein weniger komplizierte Rein- darstellung organiseher Wirkstoffe erwartet werden kann.

Erwartungsgem/~B lieB sich best/~tigen, dab die Ultraschallextraktion frischen Hopfens, bei dem die Oxydation der Bitterstoffe zu Weich- oder Har t harzen noch nieht oder nur geringgradig stattfand, zu besonders hochwertigen und ergiebigen Ausziigen fiihrte, in denen auch das /~therische 01 des Hopfens in reichem MaBe vorhanden war. Diese giinstigen Ergebnisse dfirften sich sinngem~B auch auf andere Drogen iibertragen lassen.

Was nun die kavitationsbedingten Oxydationsm6gliehkeiten anbelangt, die bei der Ultraschallextraktion des Hopfens in wggriger Phase unter Berficksichtigung der leiehten Oxydationsneigung der Bitters~uren zu befiirchten waren, so ist unseren Erfahrungen gemEl3 folgendes festzustellen: Die Oxydation der Bitters/~uren verl/iuft neben Kochumwandlungen, die in keinem Zusammenhang mit Oxydationsprozessen stehen 1, bekanntermal3en fiber die noeh wertvollen ~- und/~-Weichharze zum Hart - harz. Wie beim Hopfenk0ehprozeB, in dem die Bildung yon Hartharzen mit zu- nehmender Kochdauer und fallendem p g steigt, ist damit zu rechnen, dab aueh

1 WINDISCH, W . , ~ . KOLBACH U. SCHLEICHEI%: W s e h r . B r a u e r e l 1927 , 453 .

/+

"ohne 30 80 ~0

_~bb. 3. Vergnderungen des Ge- haltes an BittersS~uren und l ta r t - harz im Hopfentreber (auf Rest- harze = 100% berechnet) bei steigender BeschaIlungsdauer und

konstantem Verh/iltnis der Hopfenansiitze (i :333).

Zur Extraktion yon Hopfenbi~terstoffen durch Ultrasch~ll. 165

durch die oxydationsf6rdernden Einfliisse des Ultraschalls mit steigender Beschal- lungsdauer bei erhShter Temperatur eine Zunahme der Hartharzbildung eintritt.

Analysiert man Hopfentreber aus Extraktionsversuchen, bei denen unter Kon- stanthaltung der GrSl~e und der Konzentrat ion der w~grigen Ansiitze, der Temperatur (50 ° C) und der Schalleistung protrahiert beschallt wird, so ergibt sich erwartungs- gem/if$ eine yon der Beschallungsdauer abhgmgige Zunahme der Hartharzbildung, die indessen im Vergleich zur Hartharzbildung beim iiblichen Auskochen des Itopfens wesentlich geringer ist (Abb. 3). Die Verh/iltnisse liegen aber komplizierter als es zun/~chst den Anschein hat. Der Gehalt der Hopfentreber an Humulon und Lupulon

d- Weichharzen f~tllt wghrend der Ultraschall-

72-

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"okne 30 60 1~0 / / 5 . . mln.//~

Abb. 4. Ver~inderungen des Gehaltes an Gesamtharz und seinen Komponenten im Hopfentreber bei steigender l~eschnllungs-

dauer ~md ko~stantem Verh5ltnis tier Hopfenans~tze (1 : 333).

extraktion des Hopfens in w~l~riger Phase nicht gleichfSrmig ab, 1/~ftt vielmehr im Beschallungs- interva]l yon 30--60 rain ein Stagnieren der fallenden Tendenz erkennen, um erst nach dieser

8oo~ sec'f~ 000

0 ~PO ~ §0 00rnin. 8esckal/un,a,~daLlen

Abb. 5. Ver~inderungen des Indicator-Thn~-Tesis (>,].T.T.") im Verlauf der Ultraschallextraktion von tIopfen in Vorderwfirze (1:200) w~thrend 1--11/2 Std (grol3tech]tischeVersuche). Kurven 1--4: Ungfinstige Rcdoxverh~iltnisse (hohe I.T.T.-Ausgangswerte). Kurven 5--6: Giinstige l{edoxverhfiltnisse (niedrige T.T.T.-Aus- gangswerte) bei ]~eginn der Ultraschallextraktion des Hopfens.

Zeit bis zum Ablauf von 2 Std. den Nullj~'ert fiir das Humulon zu erreichen (Abb. 4). Die an sich zu erwartenden Oxydationsrcaktionen wurden indessen dureh natiirliche Antioxydantien gebremst, wenn nicht ffir die Zeitspanne der 1. Extrakt ionsstunde iiberhaupt aufgehalten.

Die Messung der Redoxkapazit/~t w~hrend der U!traschall-Hopfenextraktion, die nach der colorimetrischen Methode yon GRAY und STONE 1 dutch Ermit t lung des sog. , ,Indicator-Time-Tests" (,,I.T.T.") mittels 2,6-Dich]orphenol-indophenol, durchgefiihrt wurde, lieB erkennen, dab die reduzierende Kraf t des Systems w~hrend der einstiindigen Extraktionsdauer zunimmt. Mit der Einbringung des Hopfens in die Extraktionsfltissigkeit f~llt der I.T.T. gemeinsam mit dem p~ in jedem Falle vorwiegend in den ersten l0 min der Extrakt ion steil ab (Abb. 5). Dies dfirfte in erster Linie darauf zuriickzufiihren sein, dab mit dem Hopfen reduzierend wirkende Stoffe, insbesondere Reduktone, in den Ansatz gelangen 2. DaB in diesem Zusammen- hang zus~ttzlich auch die aus der Schwefe]ung des Hopfens stammende schweflige S/~ure als energisches Reduktionsmittel eine Rolle spielt, indem sie die Hartharz- hi!dung solange zuriickh~lt, bis sie se]bst zu Schwefels~ure bzw. Sulfat oxydiert ist, diirfte unzweifelhaft sein.

• GRAY, PI~., u.J. STONE: J. Inst. Brew. 45, 253 (1939); ref, in Wschr. Brauerei 1939, 229. 2 GRAY, P~., J. STONE U. H. ROTt~SC~IL]): Wallerstein Lab. Comm., 1939, Nr. 7; ref. in

Wschr. Brauerei 1940, 69.

166 K. E. SC~ULT~ und A. SCttILLI~GER:

B e gr e ~ t man daher die Ultraschallextraktion des Hopfens auf 1 Std., eine Zeit, die sich im Rahmen der erweiterten Problemstellung als ausreichend herausstellte, so kSnnen 0xydationsver/£nderungen an den Hopfenbitters~turen, aber auch solche am Gerbstoff und allgemein Ver/~nderungen an dem recht empfindtichen System Bitterstoff-Gerbstoff-Eiweil] weitgehend vermieden werden.

Z u s a m m e n f a s s u n g . Durch dosierte Ultraschallbehandlung yon Hopfen in w~i~riger Phase (Brauwasser,

Wfirze, Glattwasser) erreicht man bei geeignet verdfinnten Itopfenansgtzen unter Zuriickdr~ngung unerwfinschter Oxydationsvergnderungen der an sich leicht oxy- dierbaren Hopfenbitters~uren eine weitgehende Trennung der Bitters~uren yore Hol~fengerbstoff. Die Extraktion der Wirkstoffe des Hopfens im Ultraschatlfeld er- folgt bei 50 ° C ungleich schonender und ergiebiger als dutch Auslaugung bei Koch- temperatur ohne Ultraschall.

Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit ffihrten zu der MSglichkeit einer im Ver- gleich mit dem fiblichen Hopfenkochverfahren wesentlich rationelleren Hopfenaus- nutzung bei der Bierherstellung. Durch laufende groBtechnische Versuche getang es, Verfahrensmagnahmen zu schaffen, die es ermSglichen, bei voller Erhaltung der Bier- eigenschaften und -qualitat im Sudprozel~ eine Hopfeneinsparung his zu 40% zu erzielen.

Die UV-Absorptionsspektren der Versuchs- und Vergleichsbiere lassen (]berein- stimmung erkennen. Die chemisch-toxikologische Untersuchung der Biere im Ex- traktionsverfahren nach STAS-OTTO liefert keine Hinweise auf das V0rhandensein gesundheitssch~dlicher Substanzen.

])as ffir die Brauindustrie recht bedeutsame neue Hopfensparverfahren unter- scheidet sich yon allen fibrigen bisher bekannt gewordenen und in der Praxis ange- wandten Verfahren dadurch, dag es eine spiirbare Qualit~ttsverbesserung des Bieres einschliel]t.

Untersuchungen tiber den oxydativen Abbau der l-Ascorbins~iure.

II. Mitteilung.

Beitrag zur Kenntnis der Hemmung der nichtfermentativen 0xydation der 1-Ascorbins~iure.

Von

K. E. SCHULTE und ANNELIES SCItlLLINGER.

Mitteilung aus der Deutschen Forschungsans~al t fiir Lebensmit~elchemie, Mfinchen.

)/[it 4 Textabbildungen. ( Eingegangen am 20. Dezember 1951.)

Wie in der ersten Mitteilung dieser ]~eihe 1 gezeigt werden konnte, verl~uft die kupferkatalysierte Oxydation der d-Isoascorbins~ure bei einem pH-Wert unter 7,5 in gleicher Weise, abet mit grSl]erer Geschwindigkeit als die der l-Ascorbins~ure. Die yon F. J. YOURGA~ W. B. ESSELn~ u. C.A. FELLERS ~ sowie Yon W.B. ESSELEN,

1 SCn~LTE, K. E., u. A. SCmLU~GER: Diese Z. 94, 77 (1952). Yov~GA, F. J., W. B. ESSELEN jr. u. C. A. FELLERS: Food Res. 2, 188 (1944).