Chemie des Brotbackens: Kleine Helferlein – Hefe

Backhefe unter dem Raster-Elektronenmikroskop in 12500facher Vergrößerung
Quelle: Eyeofscience.de

Willkommen beim ersten Teil der Chemie des Brotbackens. Hefen dienen in einem Teig als Triebmittel. Sie lassen den Teig aufgehen. Man kann sie gezielt zugeben, als Frisch- oder Trockenhefe. In einem Sauerteig werden neben anderen Mikroorganismen auch Hefen kultiviert, die sich sowieso auf dem Mehl befinden. Aber was sind Hefen, wie wirken sie und was sollte man ihnen besser nicht antun? Darauf will dieser Beitag Antworten geben.

Hefen gehören zu den Schlauchpilzen, sie fallen damit in die Klasse der Eukaryoten, wie auch Pflanzen und Tiere. Sie haben einen Zellkern und Organellen (das sind die „Organe“ einer Zelle) und sind einzellig. Backhefe, ich bezeichne sie der Einfachheit halber demnächst nur als Hefe, heißt mit lateinischem Namen Saccharomyces cerevisiae. Saccharose ist der Trivialname für stinknormalen Haushaltszucker und ist im Namen enthalten, weil diese Pilzarten Zucker abbauen, cerevisiae kommt von cerevisia = Bier, weil diese Hefearten ursprünglich bei der Bierherstellung verwendet wurden. Wer wissen möchte wie Hefen biotechnologisch hergestellt werden, kann sich bei Bedarf hier schlaulesen.

Bei der Sauerteigherstellung werden natürlich vorkommende Wildhefen gezüchtet, die sich sowieso auf dem Mehl befinden. Sie sind nicht ganz so effektiv, haben z.T. andere optimale Temperaturen, aber ihr Stoffwechsel funktioniert im Prinzip genauso wie der von Backhefe.

Hefen können sowohl in Umgebungen mit und ohne Sauerstoff leben. Der Biochemiker bezeichnet diese durchaus bewundernswerte Eigenschaft als fakultativ anaerob. Ist Sauerstoff vorhanden (und die Temperatur nicht zu hoch), findet die Hefeatmung statt, bei Abwesenheit von Sauerstoff die Hefegärung (Abb. 1). Letztere ist wohl eher bekannt und kann bei Unachtsamkeit gelegentlich sogar im eigenen Kühlschrank beobachtet werden. Hierbei wird aus Zucker Ethanol und das gasförmige Kohlendioxid, die als Bläschen aufsteigen. Dieser Prozess ist aber nicht sehr energieliefernd für die Hefen. Und so verwenden sie in der Regel, wenn vorhanden, lieber den anwesenden Sauerstoff, um ihr Dasein zu fristen und sich an die Vorgabe „seid fruchtbar und mehret euch“ zu halten.

Abb. 1: ATP ist quasi eine biologische Maßeinheit für die den Zellen zur Verfügung stehende Energie und bedeutet Adenosintriphosphat. Alle Lebenwesen benutzen ATP für Prozesse in den Zellen. Bei der Atmung entstehen pro Glucosemolekül 6 Teile ATP, bei der Gärung nur 2 Teile ATP.

Der Zucker kommt beim Fruchtsaft natürlich aus den Früchten und Hefen führen bei hohem Zuckerangebot auch bei aeroben Bedingungen Gärprozesse durch. Bei einem Brotteig entsteht Zucker aus der im Mehl enthaltenen Stärke und ist nicht so zahlreich vorhanden. Stärke besteht aus langen Ketten aneinandergereihter Zuckermoleküle. Diese Ketten werden durch ebenfalls im Korn befindliche Amylasen (so werden stärkespaltende Enzyme bezeichnet) zerstückelt und stehen so den Hefen als Nahrung zur Verfügung. Man nennt diesen Prozess der enzymatischen Stärkespaltung auch Glycolyse (Abb. 2).

Abb. 2: Bei der Glycolyse wird Stärke in ihre Einzelbestandteile zerlegt. Bei der Gärung werden diese anschließend von Hefen zu Alkohol und Kohlendioxid verdaut.

Wie und warum dieser Prozess beim Backen ebenfalls wichtig ist, erläutere ich später einmal. Jetzt geht es erst mal um die Hefe und dass sie Zucker als Nahrung verwendet.

Bei der aeroben Atmung der Hefe entsteht aus Zucker und Sauerstoff ebenfalls Kohlendioxid. Aber aus dem Pyruvat (ein Abbauprodukt der Glycolyse = enzymatische Zuckerzerlegung) entsteht diesmal kein Ethanol sondern es wird weiter abgebaut zu Kohlendioxid und Wasser. Und weil dieser Prozess drei mal mehr Energie liefert als die Gärung, vermehrt sich die Hefe damit natürlich auch besser. Der Prozeß der Atmung spielt bei der Brotherstellung jedoch kaum eine Rolle. Es kann sein, dass an der Oberfläche und wenn anfangs Luft im Teig eingeschlossen ist, die Hefe lieber diesen Weg wählt. Auch wird gelegentlich genau dieser Effekt gewünscht, denn bei einer langen Teigführung und wiederholtem Kneten des Teigs kommt vermehrt Sauerstoff in den Teig. Aber der weitaus größere Teil der Hefen wird eher die Bedingungen für eine Gärung vorfinden.

Aber es wäre ja einfach, wenn es einfach wäre. Allzuviel Sauerstoff ist in einem recht flüssigen und schweren Brotteig also nicht zu erwarten. Maßgeblich ist daher der Gärungsprozeß. Einerseits vermehren sich die Hefen dann nicht mehr so schnell (weil sie weniger Energie zur Verfügung haben) und produzieren damit auch weniger Kohlendioxid, dafür verdunstet beim Backen aber der entstandene Alkohol und lockert ebenfalls den Teig. Ausserdem entstehen bei der Gärung weitere wichtige Aromastoffe, die dem Gebäck Geschmack verleihen. Dumm ist hier nur, dass der entstehende Alkohol der Hefe gar nicht gut tut. Ab einer gewissen Konzentration an Ethanol stibt die Hefe ab. Diesen Effekt nennt man Selbtsvergiftung oder auch Endprodukthemmung. Das ist dann der Punkt, an dem der Teig nicht weiter aufgeht. Im Gegenteil: In diesem Fall entweicht das Gas langsam aus dem Teig und er sackt zusammen. Über diesen Punkt sollte man bei der Sauerteig- und Vorteigherstellung maximal gering, bei der Stückgare am Ende des Herstellungsprozesses besser nicht kommen.

Auf was in Rezepten immer wieder hingewiesen wird ist die Temperatur. Hefen sind da nicht sonderlich zimperlich. Sie haben zwar eine Lieblingstemperatur, kommen aber auch mit geringfügig anderen Temperaturen mehr oder weniger gut zurecht. Nur wachsen sie dann eben  langsamer bzw. sterben ab. Optimale Wachstumsbedingungen bei anaerober Gärung liegen für Backhefe bei etwa 30°C.Oberhalb von 45°C fangen die Hefen an abzusterben, unterhalb von -7°C stellen sie ihre Aktivität ganz ein und zwischen -6°C und 10°C ist ihre Aktivität stark verlangsamt (Siehe Abbildung „Temperaturabhängigkeit der Hefe). Man kann Hefe daher im Kühlschrank einige Tage aufbewahren. Sobald die Hefe aber trocken und brüchig wird, sollte man sie lieber nicht mehr verwenden. Die lediglich verringerte Aktivität ist auch dern Grund, warum die Kalt-Geh-Methode noch Ergebnisse bringt, wobei man hierbei die Hefemenge reduzieren sollte, damit die kleinen Helferlein auch am Ende der Gehzeit noch was zu beißen haben.

Wie viel Hefe in welchen Teig kommt ist eine gar nicht einfach zu beantwortende Frage. Manche mögen den Hefegeschmack im Brot, andere empfinden ihn als störend. Es bleibt daher jedem selbst überlassen, wie viel Hefe man einem Brotteig zusetzen will. Als Faustregel gilt: Nicht mehr als 2-3% der reinen Mehl-Wasser-Menge.

Do’s und Dont’s

Hefen sind zwar gut untersucht, allerdings sind die ganzen Abläufe in einem Sauerteig sehr komplex, da nicht nur Hefen sondern auch andere Mikroorganismen wie Milch- und Essigsäurebakterien mitsamt ihrer Abbauprodukte vorhanden sind. Das Zusammenspiel all dieser Faktoren ist so kompliziert, dass hier zunächst nur speziell auf Hefen eingegangen wird.

Temperaturabhängigkeit der Hefe   Quelle: Wissensforum-Backwaren.de

Hefen haben wie alle Lebewesen optimale „Betriebstemperaturen“. Darüber und darunter arbeiten sie zwar auch, aber nicht so gut. Bei Hefen liegen diese optimalen Temperaturbereiche wie für alle biochemischen Prozesse von Lebewesen zwischen 30 und 40°C. Auch deshalb liegt unsere Körpertemperatur in diesem Bereich. Die Hefeatmung findet nur bei Temperaturen unter 28°C statt. Deshalb ist es wichtig, die Temperatur möglichst in einem optimalen Bereich zu halten. Am besten gelingt dies mit der Temperatur des zugegebenen Wassers. Da der Teig selbst auch warm sein muss, damit auch im Inneren des Klumpens die Hefen arbeiten können, sollten die Zutaten mindestens Zimmertemperatur (>20°C) haben. Durch Zugabe von etwas wärmerem Wasser (aber nicht wärmer als 45°C) kann die Temperatur des Teigs gesteuert werden. Ist die Temperatur zu kalt, brauchen die Hefen länger. Man sieht an dem Schaubild gut, dass die Vermehrung und Gärung getrennt betrachtet werden. Bevor man aber nun auf die Idee kommt seine Bude auf 35°C hochzuheizen: Bedenkt, es gibt auch andere Organismen in einem Sauerteig, die andere Temperaturen benötigen. Meist werden Brote erst bei der Stückgare soweit hochgeheizt, dass die Hefen ihre optimale Betriebstemperatur haben.

Die Temperaturführung eines Brotteigs ist aber ein eigenes Kapitel. Ich werde darauf erst eingehen können, wenn ich die übrigen Mikoroorganismen erklärt (und verstanden!) habe.

Nun könnte man ja auch auf die Idee kommen, die Frischhefe einzufrieren, bevor sie verdirbt. Prinzipiell ist das möglich, denn die Triebkraft, also die Produktion von Gasen aus Zuckern liegt nur an der Zymase, dem Hefeenzym. Und dafür benötigt dieses Enzym keine funktionsüchtige Zelle. Ein Großteil der Zellen geht nämlich beim Einfrieren kaputt. Vergleichbar ist das mit einer mit Wasser gefüllten Flasche im Gefrierschrank. Die platzt auch irgendwann. Zur Vermehrung benötigt die Hefe aber intakte Zellen und deshalb wird nach dem Auftauen zwar weiter CO₂ und Ethanol gebildet aber deutlich weniger neue Hefezellen. Daher kann man fertig geformte Backwaren problemlos einfrieren und aufbacken und sogar auch noch gehen lassen. Aus eingefrorenen Hefewürfeln aber einen schönen Teig hinzubekommen wird kaum möglich sein.

Welche Stoffe beeinflussen Hefen?

Neben Wasser sind es hauptsächlich Verbindungen, die im Wasser gelöst den Stoffwechsel der Hefen stören. Dabei spielt die Konzentration dieser Stoffe eine entscheidende Rolle. Ebenso wirken die verschiedenen Stoffwechselprodukte der Mikroorganismen in einem Sauerteig hemmend auf die Hefeaktivität.

1. Hefen benötigen für ihren Stoffwechsel Wasser. Je weniger davon vorhanden ist, desto schwieriger haben es die Hefezellen mit der Vermehrung und Verdauung. Denn je weniger Wasser der Zelle für Transportreaktionen zur Verfgüung steht, desto länger brauchen die Stoffe um in der Zelle von A nach B zu kommen.
2. Zucker behindert in einem Sauerteig ab einem Anteil von mehr als 12%, bezogen auf den Mehlanteil, die Hefegärung. Bei süßen Teigen wird dieser Effekt ab 20% problematisch. Zucker macht den Teig weicher, was zu geringerer Wassermenge führt und deshalb die Hefeaktivität verringert (siehe Punkt 1.)
3. Salz hat einen ähnlichen Effekt wie Zucker und führt bei zu hoher Konzentration sogar zum Absterben der Zellen. In manchen Teigen wird genau dieser Effekt genutzt und eine Hefe-Salz-Führung sorgt dafür, dass sich die Hefen nicht vermehren, sondern durch die davon nicht betroffenen Enzyme nur Gärgase produzieren.
4. Alkohol ist ein Endprodukt der Hefegärung. Wieviel davon eine Hefe verträgt, ist individuell je nach Stamm verschieden. Spezielle Züchtungen für die Getränke produzierende Industrie sind extra auf hohen Alkoholgehalt ausgerichtet. Die Hefe in unserem Sauerteigansatz vertragen davon deutlich weniger.
5. Weiterhin sei der Säuregehalt bzw. pH-Wert genannt. Die Säure produzierenden Bakterien bzw. deren Stoffwechselprodukte Milchsäure und Essigsäure hemmen die Hefe in ihrem Gärprozess. WIldhefen vertragen geringere pH-Werte (= höhere Säuregehalte). Unter anderem deshalb ist das Ansetzen eines (eigenen) Sauerteigs sinnvoll.
6. Dass das eigene Stoffwechselprodukt Kohlendioxid das Hefewachstum bremst habe ich jetzt nicht gefunden.
7. Fett hemmt nicht direkt, auch wenn dieses gern so behauptet wird. Allerdings beeinflusst im Teig enthaltenes Fett die Wassermenge und wenn diese reduziert wird, hat es wiederrum Auswirkungen auf die Hefegärung (siehe Punkt 1.)

Welchen Einfluss haben Gehzeiten und Menge für Hefen?

Die Zeit ist ebenfalls ein Faktor. Da hierbei aber ebenfalls das Zusammenspiel aller Mikroorganismen entscheidend ist, gehe ich darauf später ein. Nur soviel in Bezug auf Hefen: Zu kurze Gehzeiten führen zu geringer Lockerung, weil wenig CO₂ und Ethanol gebildet wird, eine zu lange Gehzeit führt zu großen unregelmäßigen Poren. Auch ein zu viel an Hefe führt zu unregelmäßiger Porung, die in einem Brot meist unerwünscht und ein Qualitätsmaßstab ist. Obwohl es in manchen Broten wie Baguette oder Ciabatta durchaus gewünscht ist.

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