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Hefe

Backhefe, auch Bierhefe, (Bäckerhefe, Gest; wiss. Saccharomyces cerevisiae) – verkürzt und ungenau oftmals schlicht als Hefe bezeichnet – ist eine Knospungshefe (engl. budding yeast). Backhefe hat, wie sich aus dem wissenschaftlichen Namen ersehen lässt (lat. cerevisiae; „des Bieres“), ihren Ursprung in obergärigen Bierhefen. Der fremdsprachliche Namensbestandteil Saccharomyces wiederum kommt aus dem Altgriechischen und bedeutet „Zuckerpilz“.
Die Zellen von Saccharomyces cerevisiae sind rund bis oval, haben einen Durchmesser von fünf bis zehn Mikrometer und vermehren sich durch den Prozess der Knospung. S. cerevisiae kann auch in der Hyphenform vorliegen und Ascosporen bilden.

Wissenschaft

Der Eukaryot Saccharomyces cerevisiae ist wie der Prokaryot Escherichia coli ein Modellorganismus in der molekularbiologischen und zellbiologischen Forschung. Aufgrund der einfachen Kulturbedingungen und der Verwandtschaft der internen Zellstruktur zu anderen eukaryoten Zellen in der Pflanzen- und Tierwelt wird er zum Beispiel zur Untersuchung des Zellzyklus oder des Proteinabbaus verwendet. Saccharomyces cerevisiae war der erste eukaryotische Organismus, dessen Nukleinsäure-Basensequenz im Genom vollständig ermittelt wurde. Das Genom besteht aus 13 Millionen Basenpaaren und 6.275 Genen. Zu mehr als 23% der Gene des Hefegenoms lassen sich homologe Gene im humanen Genom finden.
Ein nützliches Verfahren, bei dem Saccharomyces cerevisiae nicht als Modellorganismus fungiert, sondern als Werkzeug zur Erforschung von Wechselwirkungen von Proteinen ist das Hefe-Zwei-Hybrid-System.
Es gibt drei große (englischsprachige) Datenbanken über das Hefegenom:

Stoffwechsel

Backhefe gilt als fakultativ anaerob. Das bedeutet, die Energiegewinnung kann sowohl aerob (mit Sauerstoff) in Form der Zellatmung als auch durch Gärung erfolgen. Backhefe verwendet für ihren Energiestoffwechsel als Ausgangsstoffe fast ausschließlich Kohlenhydrate (Zucker). Ausscheidungsprodukte sind im Wesentlichen Kohlenstoffdioxid aus der Atmung und Ethanol (Alkohol) aus der Gärung. Das Mengenverhältnis der Produkte ist davon abhängig, ob die Umgebung, in der die Hefe wächst, Sauerstoff enthält oder nicht, sowie von der Zuckerkonzentration im Medium. Bei der Produktion von Alkohol und der Verwendung als Triebmittel beim Backen ist der anaerobe Stoffwechsel entscheidend.
Die Bezeichnung der Backhefe als fakultativ anaerob ist nicht ganz korrekt, da für die Biosynthese von Ergosterin geringe Mengen an elementarem Sauerstoff benötigt werden.
Beim Vorhandensein größerer Mengen an gut verwertbaren organischen Stoffen (vor allem Zucker) werden diese auch trotz aerober Kultivierung vergoren. Dieses Phänomen wird als Crabtree-Effekt bezeichnet. Der Crabtree-Effekt mindert das Hefenwachstum und ist deshalb in der Regel bei der Hefeproduktion unerwünscht. Durch entsprechende Substratzuführung kann dieser minimiert werden (Fed-Batch-Prozess).
Wenn der Backhefe kein Zucker mehr zur Verfügung steht, wird unter oxischen Bedingungen als Energiequelle die Oxidation des vorher selbst produzierten Ethanols mit Sauerstoff benutzt. Auf diese Weise kann sich die Hefe weiter vermehren, solange keine Hemmung durch zu große Ethanol-Konzentrationen oder eine Begrenzung durch den Mangel an anderen Nährstoffen (Phosphate, Aminosäuren) vorliegt.
Die beste Temperatur für die Gärung (den „Trieb“) der Hefe liegt bei etwa 32 °C. Zur Vermehrung der Hefe sind ungefähr 28 °C optimal. Bei guter Nährstoff- und Sauerstoffversorgung (aerob) verdoppelt sich die Hefemasse in einer Bierhefekultur in etwa zwei Stunden, der Zuwachs ist also bedeutend langsamer als bei vielen Bakterienarten. Bei anaerober Gärung läuft die Vermehrung erheblich langsamer ab. Bei Temperaturen über 45 °C beginnt Backhefe zu sterben.
Backhefe ist druckempfindlich. Wenn der Druck im Gärbehälter über 8 bar ansteigt, stellt Hefe ihre Gärtätigkeit ein. Dieser Effekt wird auch zur Steuerung des Gärprozesses genutzt.

Verwendung

Hefen der Gattung Saccharomyces werden in vielerlei Bereichen eingesetzt. Neben ihrer Verwendung beim Backen sind diese Hefen auch an der Gärung von Bier, Cider, Wein und Essig beteiligt. Ebenso dienen sie heutzutage bei der Herstellung von Ethanol-Kraftstoff und Cellulose-Ethanol. Außerdem wird Backhefe zur Biosorption von Schwermetallen wie Zink, Kupfer, Cadmium und Uran aus Abwässern verwendet. Die Schwermetalle lagern sich im Inneren und Äußeren der Zellen als Kristalle an und können chemisch von den Hefen abgesondert werden.
In der Medizin wird Saccharomyces cerevisiae ähnlich wie die verwandte Spezies Saccharomyces boulardii als probiotischer Arzneistoff zur Behandlung von Durchfallerkrankungen, zur Kräftigung des Allgemeinbefindens und gegen Haarausfall eingesetzt.

Herstellung

Grundlage für die industrielle Backhefe-Produktion sind zwei Dinge:

  • Ein Hefestamm (Reinzuchthefe), der seit Jahrhunderten durch Auslese und Züchtung aus Sauerteighefen bzw. aus der Bierhefe von obergärigen Bieren gewonnen wurde. Backhefen zeichnen sich durch hohe Triebkraft und ein geringes Maß an Gluten-zerstörenden Enzymen aus. Durch die Weiterzüchtung ist die Bäckerhefe triebstärker als die wilden Hefen im Sauerteig, verträgt aber im Gegensatz zur Sauerteighefe viele andere Stoffe nicht: Säuren, Salze, Fette und anderes mehr.
  • Ein Kulturmedium mit Melasse dient als Hauptbestandteil zur Vermehrung der Hefe.

Während der Hefestamm das Betriebsgeheimnis der jeweiligen Hefeproduzenten ist, ist der technische Ablauf der Hefevermehrung allgemein bekannt.
Um Massen von Mikroorganismen in Reinkultur herzustellen, werden sie in der Biotechnik in der Regel in mehrstufigen Kulturverfahren produziert. Ein einstufiges Verfahren, bei der ein großes Volumen eines Kulturmediums mit einer kleinen Menge der Organismen beimpft wird, ist aus mehreren Gründen sehr nachteilig. Würde so vorgegangen, würde eine großvolumige Anlage relativ lange Zeit für die Vermehrung benötigen. Das hätte folgende Nachteile:

  • Technisch: Je größer eine Anlage ist, desto schwieriger ist es, das Eindringen von fremden, unerwünschten Mikroorganismen zu verhindern. Die Phase der Vermehrung in einer großen Anlage muss deshalb so kurz wie möglich gehalten werden.
  • Ökonomisch: Eine teure, große Anlage würde lange Zeit für die Vermehrung einer kleinen Menge von Mikroorganismen beanspruchen, für deren Produktion auch kleinere, billigere Anlagen ausreichen.
  • Biologisch: Kulturmedien sind nach ihrer Zubereitung meistens nicht optimal für die Vermehrung von Mikroorganismen (unter anderem zu hohes Redoxpotential, zu geringe Kohlenstoffdioxid-Konzentration, zu geringe Konzentration spezifischer Wachstumsstimulatoren). Die Organismen müssen erst durch ihren Stoffwechsel ein günstigeres Milieu schaffen. Das dauert bei einer kleinen Menge von Mikroorganismen in einem großen Kulturmediumvolumen sehr lange, und das Wachstum würde zu Beginn stark verzögert.

Auch bei der Backhefe-Produktion wird deshalb die Vermehrung in mehreren Stufen geführt, zum Beispiel von einer Reagenzglaskultur über flüssige Kulturmedien mit 50 ml, 1 l, 10 l, 40 l, 400 l, 4 m³, 10 m³ und 200 m³. Die Abstufungen können auch anders sein.
Als Kulturmedium wird eine wässrige Lösung von 8–10 % Melasse verwendet. Melasse enthält etwa 50 % Zucker. Die Lösung wird mittels Säuren auf einen pH-Wert von etwa 4,5 gebracht, gekocht (damit fremde Mikroorganismen abgetötet werden) und gefiltert. Dann werden Nährsalze (hauptsächlich Ammoniumsalze und Phosphate) sowie Vitamine der B-Gruppe zugesetzt, da diese für das Hefewachstum benötigt werden und in der Melasse nicht in ausreichenden Mengen vorhanden sind. Die Kulturen werden aerob, das bedeutet unter Belüftung, geführt, um eine möglichst hohe Biomasse-Ausbeute zu erhalten.
Die ersten vier Stufen bis etwa 40 l werden im Laboratorium geführt, wobei die Kultureinrichtungen sterilisiert werden, die Hefe also in Reinkultur vermehrt wird. Dies dauert etwa acht Tage. Die nächsten zwei bis drei Stufen bis etwa 10 m³ werden im Betrieb in einer stationären technischen Anlage geführt, der sogenannten Reinzuchtanlage, die ebenfalls sterilisiert wird (Heißdampf 120 °C unter 1 bar Überdruck), Dauer etwa zwei Tage. Für die letzten zwei Stufen werden wegen ihrer Größe (200 m³) nicht sterilisierte Anlagen verwendet, jedoch werden Fremdmikroorganismen weitgehend ausgeschlossen. Diese Kulturen dauern jeweils nur kurze Zeit (je 10 bis 20 Stunden) und werden mit einer hohen Hefekonzentration gestartet, so dass etwaige Fremdorganismen praktisch nicht zur Entwicklung kommen. Im angeführten Beispiel wird in der 200 m³-Stufe zunächst etwa 18 t „Stellhefe“ erhalten. Manchmal wird Stellhefe auch in zwei Stufen erzeugt. Aus der Stellhefe wird in einer letzten Phase, ebenfalls in einer 200 m³-Anlage, in etwa 10 Stunden die Versandhefe produziert, zum Beispiel in vier Parallelkulturen mit je 200 m³ Medium etwa 65–70 t.
In etwa elf Tagen wird so aus etwa 8 mg Ausgangsmasse mit etwa 33 Verdoppelungen die fast zehnmilliardenfache Hefemasse hergestellt.
Die Hefe wird dann mittels Separatoren konzentriert (ergibt sogenannte „Hefemilch“ oder „Hefesahne“) und je nach gewünschtem Ergebnis weiterverarbeitet:

  • Presshefe
    Über Filterpressen oder Vakuumrotationsfilter wird die Hefemilch auf einen Trockenstoffanteil von etwa 30 % konzentriert. Anschließend wird die Masse durch eine Strangpresse ausgeformt und abgepackt. Ein Gramm Presshefe enthält etwa 1010 (10 Milliarden) Hefezellen.
  • Aktive Trockenhefe
    Im Extruder wird Presshefe zu kleinen Zylindern geformt, die dann im Wirbelschichtverfahren getrocknet werden.
  • Trockenhefe
    Die restliche Hefemilch wird im Walzentrockner oder in einer Sprühgefriertrocknungsanlage getrocknet, wobei die enzymatische Aktivität völlig verlorengeht, so dass diese Hefe hauptsächlich als Futtermittelzusatz oder für diätetische und kulinarische Zwecke (sogenannte Nährhefe) verwendet wird bzw. als 7-g-Beutel verkauft wird.
  • Flüssighefe
    Die Hefemilch wird in flüssiger Form auf die vom Kunden gewünschte Triebkraft eingestellt und dann per Tanklastwagen abgeholt.

Insgesamt fallen bei der Herstellung auf Melassebasis größere Mengen organischer und chemischer Stoffe sowie Mikroorganismen-haltiges Hefewasser an, die nach wie vor ein Entsorgungsproblem darstellen.

Nährwerte

Presshefe
Je 100 Gramm:

  • Brennwert 439 kJ (105 kcal), Eiweiß 8,4 g, Fett 1,9 g, Kohlenhydrate 18,1 g, Ballaststoffe 18,1 g, Wasser 69 g
  • Mineralien: Kalium 601 mg, Phosphor 336 mg, Magnesium 40 mg, Calcium 19 mg, Natrium 30 mg, Zink 9,97 mg, Eisen 3,25 mg, Mangan 0,2 mg, Kupfer 148 µg, Selen 8,1 µg
  • Vitamine: Niacin (B3) 12,3 mg, Pantothensäure (B5) 4,9 mg, Thiamin (B1) 1,88 mg, Pyridoxin (B6) 0,43 mg, Riboflavin (B2) 1,13 mg, Folsäure (B9) 785 µg

Aktive Trockenhefe
Je 100 Gramm:

  • Brennwert 1361 kJ (325 kcal), Eiweiß 40,4 g, Fett 7,61 g, Kohlenhydrate 41,2 g, Ballaststoffe 26,9 g, Wasser 5,1 g
  • Mineralien: Kalium 955 mg, Phosphor 637 mg, Magnesium 54 mg, Calcium 30 mg, Natrium 51 mg, Zink 7,94 mg, Eisen 2,17 mg, Mangan 0,31 mg, Kupfer 436 µg, Selen 7,9 µg
  • Vitamine: Niacin (B3) 40,2 mg, Pantothensäure (B5) 13,5 mg, Thiamin (B1) 10,99 mg, Pyridoxin (B6) 1,5 mg, Riboflavin (B2) 4 mg, Folsäure (B9) 2.340 µg

Bierhefe (Nährhefe, Trockenhefe)
Je 100 Gramm:

  • Brennwert 1131 kJ (267 kcal), Eiweiß 43 g, Fett 3 g, Kohlenhydrate 17 g, Ballaststoffe 24 g
  • Mineralien: Kalium 1.700 mg, Phosphor 1.200 mg, Magnesium 200 mg, Calcium 130 mg, Natrium 35 mg, Zink 9,5 mg, Eisen 7 mg, Mangan 0,5 mg, Kupfer 500 µg
  • Vitamine: Niacin (B3) 45 mg, Pantothensäure (B5) 6 mg, Thiamin (B1) 12 mg, Pyridoxin (B6) 4 mg, Riboflavin (B2) 4 mg, Folsäure (B9) 2500 µg
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