Bierschädlinge: Wer sind diese Schadkeime, die unsere Qualität gefährden?

Unter dem Aspekt der menschlichen Sicherheit wurde Bier historisch gesehen immer als sicheres Getränk angesehen (im Vergleich zu Wasser), da Krankheitserreger sich im Bier nicht vermehren können. Das liegt zum Teil nicht nur daran, dass die Würze im Kessel abgekocht wird, sondern auch am Alkoholgehalt, den Hopfensäuren und einem niedrigen pH-Wert. Allerdings können sich bestimmte mikrobiologische Kontaminanten, die sogenannten „Bierschädlinge" im Bier vermehren und zu einem Fehlgeschmack, Ansäuern, unerwünschte Aromen sowie trübe Biere führen.

Vom Standpunkt der Gärung aus gesehen, können sie auch mit dem eingeführten „Bierhefestamm“ interferieren und um essentielle Nährstoffe konkurrieren; mit dem Ergebnis eines „in der Gärung steckengebliebenen“ oder „übermäßig vergorenen“ Biers.
Es gibt zwei Hauptgruppen von Mikroorganismen, die für die Kontamination von Würze und Bier verantwortlich gemacht werden können: 
-    Bakterien
-    Fremdhefen  

Aus Sicht der Klassifizierung  sind grampositive Bakterien am häufigsten anzutreffen, einige gramnegative Bakterien können gelegentlich auch für den Bierverderb verantwortlich sein.

Grampositive Bakterien (die Zellwand hält den violetten Farbstoff der Gramfärbung zurück [was unter dem Mikroskop ein blaues Erscheinungsbild ergibt]) überleben im Allgemeinen nicht im Bier (dazu gehören potenzielle Krankheitserreger). Bestimmte Arten der gängigen Gattungen Lactobacillus und Pediococcus, die oft als  Milchsäurebakterien (MSB) bezeichnet werden, können jedoch überleben und sind die bei weitem am häufigsten anzutreffenden Bierkeime. 

Milchsäurebakterien – Freund oder Feind?

Freund: Wie ihr allgemeiner Name schon sagt, produzieren sie Milchsäure, die sanfter und sauberer schmeckt als Essigsäure. Die sauren deutschen Weizenbiere, wie Berliner Weisse und Gose, werden mit diesem Bakterientyp gesäuert, und natürlich kommen sie auch bei Lambic-Gärungen vor. 
Feind: Wird für 60-90 % der Kontaminationen verantwortlich gemacht und ist damit das mit Abstand häufigste Kontaminationsproblem. Diese bierschädlichen Arten weisen eine starke Resistenz gegen Hopfen-Iso-Alphasäuren auf [gekennzeichnet durch das Vorhandensein der Hopfenresistenz-Gene horA und horC] (Suzuki et al 2005).

Warum ist es wichtig, festzustellen, ob die Laktobazillen die Hopfenresistenz-Gene besitzen? 
Die Fähigkeit, zwischen Milchsäurebakterien mit horA- und horC-Genen und solchen ohne zu unterscheiden, ist für den Brauer und den Leiter der Qualitätskontrolle wichtig, da sie damit das Risiko des Verderbs des Endprodukts abschätzen können (z. B. sind Bakterien mit Resistenz-Genen eine echte Bedrohung für die Qualität, während Bakterien ohne die Gene eher ein Entkeimerindikator sind). Derzeit und praktisch ist dies nur mit PCR (Polymerase Chain Reaction)-basierten Tests in einem Brauereilabor möglich.

Wie einfach ist es, bierschädliche MSB in einer Petrischale zu züchten?
Die Leichtigkeit und Geschwindigkeit des MSB-Wachstums wurde oft als variabel auf Qualitätskontroll-Nachweismedien beobachtet, und dies gilt insbesondere für die primäre Isolierung von bierschädlichen MSB-Stämmen, was zum Versagen beim Nachweis von bierschädlichen MSB durch QK-Tests in Brauereien führt (Suzuki 2012). Ein Hauptgrund dafür ist die Anpassung dieser Organismen an die Brauerei-Umgebung, was bedeutet, dass die Kulturmedienumgebung nicht optimal ist (z. B. Nährstoffprofil, pH-Wert).
 

Ein Grampositives, fakultativ anaerobes oder mikroaerophiles, stäbchenförmiges, nicht sporenbildendes Bakterium. Unter den über 100 Vertretern von Milchsäurebakterien gibt es nur wenige, die als Bierschädlinge gelten. Das am häufigsten anzutreffende ist Lactobacillus  brevis, das heterofermentativ ist (d. h. er kann entweder Alkohol oder Milchsäure aus Zuckern produzieren) und optimal bei 30 °C und pH 4-6 wächst.
Lactobacillus  lindneri ist das zweithäufigste Bakterium und ist sehr resistent gegen Hopfenverbindungen (Back, 1981) und wächst optimal bei 19-23 °C (Priest, 1987), überlebt aber höhere Wärmebehandlungen als andere Milchsäurebakterien.

Liste der „bierschädlichen Laktobekterien:

Lactobacillus brevis, lindneri, buchneri, parabuchneri, casei, coryneformis, malefermentans, curvatus …   

                         
Die in der Braubranche beschriebenen Laktobakterien sind auf vielen Labornachweismedien oft schwer zu züchten und verursachen häufig Verderbniserscheinungen, ohne von der mikrobiologischen Qualitätskontrolle (QK) erkannt zu werden. Wenn sie Stress ausgesetzt werden (Alkohol, niedriger pH-Wert, Hopfenharze ...), wird berichtet, dass sie in einen Ruhezustand übergehen, in dem sie lebensfähig, aber nicht kultivierbar sind (VBNC, Viable But Not Cultivable).
Darüber hinaus können diese Bakterien die Hopfenresistenz-Gene (hor A und hor C) besitzen oder nicht, die mit der herkömmlichen Mikrobiologie nicht nachgewiesen werden können, was aber wichtig zu wissen ist, da dies ihre Fähigkeit bestimmt, nicht nur im Bier zu überleben, sondern sich auch zu vermehren und später das Bier zu verderben.
 

Ein grampositives, fakultativ anaerobes Kokkenbakterium mit homofermentativen Eigenschaften (wandelt Glukose zur Bildung von Milchsäure um).

Die Stoffwechsel-Endprodukte variieren jedoch je nach den gegebenen Bedingungen, typischerweise produzieren Bierverderber Pediococcus Diacetyl als ein Hauptnebenprodukt. 

Liste der bierschädlichen Pediokokken

Pediococcus damnosus, acidilactici, pentosaceus, parvulus, inopinatus, halophilus, dextrinicus und urinaeequi.                                          

P. damnosus wächst bei eher niedrigen Temperaturen, sein Temperaturoptimum liegt zwischen 22-25 °C. Aufgrund seiner Fähigkeit, auch bei niedrigen Temperaturen zu wachsen, kann Verderb in der Gär- und Reifungsphase der Bierherstellung sowie in abgefüllten Produkten auftreten.  Die Verunreinigung mit Pediococcus ist auch ein Problem bei Anstellhefe, da man annimmt, dass sich die Bakterien an die Hefezelle binden und schwer zu entfernen sind.
Darüber hinaus können diese Bakterien die Hopfenresistenz-Gene (hor A und hor C) besitzen oder nicht, die mit der herkömmlichen Mikrobiologie nicht nachgewiesen werden können, was aber wichtig zu wissen ist, da dies ihre Fähigkeit bestimmt, nicht nur im Bier zu überleben, sondern sich auch zu vermehren und später das Bier zu verderben.

Nur wenige gramnegative Bakterien sind für den Bierverderb verantwortlich. Diese Bakterien werden in zwei Kategorien unterteilt:
1) Relativ häufig anzutreffen - obligate Anaerobier aus den Gattungen Pectinatus, Megasphaera und Zymophilus 
2) Umfasst gramnegative aerobe und fakultativ anaerobe Bakterien wie Essigsäurebakterien (ESB), Zymomonas und bestimmte Enterobacteriaceae-Arten.

Obligate anaerobe Bakterien: Pectinatus- und Megasphaera-Bakterien: Diese anaeroben gramnegativen Bakterien sind im Vergleich zu den Milchsäurebakterien  viel seltener als bierschädliche Organismen anzutreffen. Im Gegensatz zu Milchsäurebakterien gelten sie jedoch, wenn sie vorhanden sind, als obligate Bierkeime (Sakamoto und Konings, 2003), d. h. wenn sie identifiziert werden, liegt eine Kontaminationssituation vor, die angegangen werden muss. Sie können in Brauereien geeignete Nischen finden, wo sie jahrelang überleben können, ohne offensichtliche Schäden zu verursachen (Hakalehto, 2000). Dann können sie aufgrund einiger technologischer Fehler oder unzureichender Reinigung Verunreinigung und Verderb von Bier verursachen.

Essigsäurebakterien oxidieren typischerweise Ethanol zu Essigsäure (Essig) und werden daher für die kommerzielle Essigproduktion verwendet. Diese Familie gramnegativer Bakterien (Acetobacteriaceae) umfasst etwa 10 Gattungen, von denen die häufigsten Acetobacter, Gluconobacter und Gluconacetobacter sind. 
Essigsäurebakterien sind weit verbreitet und vor allem auf Pflanzen und Früchten sowie in der Luft zu finden. Sie verursachen einen starken Verderb des Biers, wenn sie in Gegenwart von Sauerstoff Zutritt finden. Da sie säure- und ethanol-tolerant sind und nicht durch Hopfenbestandteile gehemmt werden, wachsen sie schnell im Bier, was zu saurem Fehlgeschmack und Trübung führt. Solange das Bier jedoch richtig gelagert wird und der Sauerstoffgehalt gering ist, sind Essigsäurebakterien kein Problem. Aus diesem Grund verursachen sie bei Fassbier am häufigsten Probleme beim Ausschank.

Dies ist eine große Familie gramnegativer, fakultativ anaerober Bakterien. Über mehrere Arten, die zur Enterobacteriaceae-Familie gehören, wie Klebsiella, Citrobacter,  Obesumbacterium und Hafnia, wurde berichtet, dass sie im Zusammenhang mit Verderb von unvergorener und gärender Würze stehen. Sie können Laktose mit Gas- und Säurebildung bei 35 ˚C - 37 ˚C innerhalb von 48 Stunden zu verwerten. Diese Bakterien können in der Regel im fertigen Bier nicht wachsen, werden aber gelegentlich in den Anfangsstadien des Brauprozesses gefunden und verursachen unerwünschten Fehlgeschmack im  Endprodukt. Fäkalcoliforme sind in Brauereien Indikatoren für die hygienischen Bedingungen und das Niveau der Desinfektion.

Eine wilde Hefe ist nach Definition eine Hefe, die „nicht absichtlich und unter voller Kontrolle verwendet wurde“ und oft aus der Umgebung stammt. Mit Ausnahme von Lambic und anderen spontan vergorenen Bieren gelten wilde Hefen beim Brauen als Verderbnisorganismen und werden tunlichst vermieden. Es sollte dennoch darauf hingewiesen werden, dass nicht alle wilden Hefen einem Bier schaden, aber ihr Vorhandensein deutet auf eine Infektion und ein Desinfektionsproblem in der Brauerei hin.
Wenn von „wilden Hefen“ die Rede ist, werden sie in der Regel als „Saccharomyces-Hefen“ und „Nicht-Saccharomyces-Hefen besprochen

Nicht-Saccharomyces-Hefen
- Brettanomyces- /Dekkera-Hefen:
Die Gattung Brettanomyces und Myces [fungus] wurde zum ersten Mal in Großbritannien (1904) [Greek Brettano [Britischer Brauer]] isoliert. Brettanomyces ist die asexuelle (nicht sporenbildende) Variante, während Dekkera der telemorphe (sexuelle) Gegenspieler ist. Derzeit werden 5 Arten von Brettanomyces beschrieben.

Brettanomyces (Brett) kann hohen Alkoholwerten widerstehen und kann auch in sauerstoffarmen Umgebungen sowie in einer Umgebung mit niedrigem pH-Wert wachsen, was bedeutet, dass es in alkoholischen Gärungsumgebungen gedeihen kann. Es kann unter aeroben Bedingungen auch Zucker vergären (bekannt als Crabtree-Effekt) und hat eine zusätzliche Strategie, um andere Mikroorganismen durch die Fähigkeit, Essigsäure unter aeroben Bedingungen zu produzieren, auszustechen. Brett kann unter bestimmten Gärbedingungen auch S. cerevisiae ausbooten. Brett kann eine große Bandbreite an Kohlenstoffquellen verstoffwechseln, z. B. Maltose und Fruktose sowie natürlich Glukose und sogar komplexe Zucker, die von S. cerevisiae nicht ohne weiteres verwertet werden können, wie z. B. Cellobiose und Dextrine, was zu „hochvergorenen“ Bieren mit höheren Alkoholwerten und niedrigeren Zuckerkonzentrationen führt. 

Andere nicht-Saccharomyces-Hefen können in Bier wachsen und werden gelegentlich beobachtet (z. B. Pichia spp, Candida spp, Torulaspora delbrueckii und Zygosaccharomyces …)

Im Allgemeinen ist ihr Schädlichkeitspotenzial unter optimalen Bedingungen durch den Zugang zu begrenztem Sauerstoff, Ethanol-Toxizität und die Konkurrenz um Nährstoffe mit Saccharomyces begrenzt. Die meisten dieser Hefen sind in der gesamten Brauerei zu finden, insbesondere in verschmutzten Probenahmeöffnungen und anderen Oberflächen, die mit dem Bier in Kontakt kommen. Sie erzeugen Fehlgeschmack (insbesondere organische Säuren und POF), Trübungen, Ablagerungen oder Oberflächenfilme. Sie sollten als opportunistische Kontaminanten betrachtet werden, die unter günstigen Bedingungen Verderb verursachen, aber in der Regel in der modernen Braupraxis kein Problem darstellen. Diese Hefen sind eher ein Problem bei fassvergorenen Bieren, wo das Eindringen von Sauerstoff ihr Wachstum fördert, daher die Notwendigkeit, den Totraum während der Fassreifung zu begrenzen. 

Wilde Saccharomyces-Hefe
Eine Kreuzkontamination mit einem anderen als dem vorgesehenen  S. cerevisiae-Stamm kann sowohl zu Geschmacksfehlern als auch zu ungewöhnlichem Gärverhalten führen. Die problematischste und viel diskutierte Saccharomyces-Wildhefe ist Saccharomyces diastaticus, das seit einigen Jahren als Keim auftaucht und weltweit in der Brauereibranche zu finden is

Wilde Saccharomyces-Hefe
Eine Kreuzkontamination mit einem anderen als dem vorgesehenen  S. cerevisiae-Stamm kann sowohl zu Geschmacksfehlern als auch zu ungewöhnlichem Gärverhalten führen. Die problematischste und viel diskutierte Saccharomyces-Wildhefe ist Saccharomyces diastaticus, das seit einigen Jahren als Keim auftaucht und weltweit in der Brauereibranche zu finden ist

Saccharomyces cerevisiae var. Diastaticus ist, wie der Name schon sagt,  eine Variante des S. cerevisiae, das das Gen STA (1, 2 oder 3) aufweist. Diese Gene veranlassen die Hefe, ein Enzym namens Glucoamylase zu produzieren, das die komplexeren Kohlenhydrate, insbesondere Dextrin, zu Einfachzuckern hydrolysieren kann, was zu einer Übervergärung führt. Das führt in der Regel zu:
-    Übervergärung (> 90 %) und/oder Nachgärung 
-    Überkarbonisierung (beobachtet als „sprudelnd“ im Moment des Öffnens der Flasche/Dose/des Fasses)
-    Fehlgeschmack
Mögliche Quellen von diastaticus:
• Schlechte Hygiene:
- Bei der Flaschen-/Dosenanlage (>70 % der gemeldeten Fälle) [Meier-Dörnberg 2017]
- Sudhaus
- Gärungstank
- Lagerbereich
• Rohstoffe:
- Hefe
- Hopfen (z. B. Trockenhopfung)

Anmerkung: Bestimmte diastaticus-Hefen können zur Herstellung komplexer und interessanter Biere verwendet werden, und „Saison-Style“-Biere sind das perfekte Beispiel dafür. Der Umgang mit diesen Hefen in einer Brauerei erfordert Sorgfalt und einen gut durchdachten Qualitätskontrollplan, um Kreuzkontaminationen zu vermeiden.

• Milchsäurebakterien [MSB] (Laktobakterien und Pediokokken) sind für 60-90 % der Probleme mit „Bierkeimen“ verantwortlich.
• Es gibt über 100 Laktobakterien-Arten, aber nur etwa 14 Laktobakterien werden derzeit als „Bierkeime“ anerkannt.
• MSB lassen sich aufgrund ihrer starken Anpassung an die Bierumgebung auf QK-Medien nur schwer und langsam (2-4 Tage) züchten. Daher besteht das Risiko von falsch-negativen Ergebnissen.
• Die Präsenz der Hopfenresistenz-Gene hor A und hor C in MSB wird als zuverlässiger Indikator bezüglich Risikomanagement angesehen und kann nur über PCR-Methoden nachgewiesen werden
• Anaerobe Bakterien (Megasphaera spp. und Pectinatus spp.) werden in der Regel nur in Bieren < mit 5 % Alkohol und unter sauerstoffarmen Bedingungen angetroffen. Wenn sie präsent sind, werden sie aber als obligater Keim betrachtet.
• Saccharomyces var diastaticus ist meistens für „sprudeln“ aufgrund ungewollter „°-Gärung verantwortlich. Die Kontaminationsquelle kann prinzipiell von der Hefe ausgehen oder aus dem Sudhaus selbst stammen, wenn sie einmal eingeführt ist.
• „Wilde Hefe“ (d. h. Brettanomyces/Dekkera) sind problematisch, weil sie hohen Alkoholgehalten widerstehen und sowohl in sauerstoffarmer als auch in einer Umgebung mit niedrigem pH-Wert wachsen, was bedeutet, dass sie im Bier gedeihen können.