Hopfenbitterstoffe

Chemische Eigenschaften

Humulone sind strukturell betrachtet Derivate des Phloroglucins (1,3,5-Trihydroxybenzol), wobei an C2 und C6 generell zwei isoprenoide Seitenketten auftreten, an C6 eine zusätzliche OH-Gruppe und an C4 ein Acylrest vorliegt. Durch die beiden Reste an C6 wird die aromatische Grundstruktur des Phloroglucins aufgehoben und zwei der ursprünglich drei OH-Gruppen des Grundkörpers liegen als Ketofunktionen vor. Zusätzlich entsteht an C6 ein stereogenes Zentrum. Die Humulone unterscheiden sich durch ihre unterschiedlichen Reste an der Seitenkette an C4.

Das Humulon und dessen Derivate haben einen pK_s-Wert von 4,7 bis 5,7 und liegen daher in Wasser schwach dissoziiert vor. Es handelt sich demzufolge um schwache Säuren, die eine geringe Wasserlöslichkeit besitzen. Bei einem pH-Wert von 5,9 lösen sich 480 mg/L der Humulone, bei pH 5,0 nur 40 mg/L bei 25 °C und 60 mg/L bei 100 °C. Da während des Brauprozesses, z. B. bei der Gärung, ein pH-Sturz hervorgerufen wird, würden die Humulone nicht, bzw. nur in sehr geringen Mengen in das Getränk übergehen. Um die Löslichkeit der Humulone zu erhöhen, werden diese daher beim Würzekochen in ihre Isomere, die Isohumulone, umgewandelt.

Bei den Humulonen handelt es sich nämlich um sehr labile Substanzen, die durch Wärme, Luftsauerstoff oder Lagerung leicht in eine Vielzahl von Folgeprodukten überführt werden können. Beispielsweise entstehen dabei durch Ringverengung aus dem Sechsring der Humulone die Isohumulone, die aus einem Fünfring aufgebaut sind. Isohumulone besitzen zudem einen höheren Bitterwert. Diese Veränderungen geschehen leicht, da es sich um unbeständige, empfindliche Körper aufgrund ihrer Konstitution handelt. Das Vorliegen des β-Tetracarbonyl-Systems und deren Tautomere (im Fall der Humulone durch Enolisierung an C5) bewirkt die Empfindlichkeit sowohl in alkalischer als auch in saurer Lösung.

Bakteriostatische Wirkung

Die Humulone besitzen eine bakteriostatische Aktivität gegen grampositive Bakterien, wobei diese auf Wechselwirkungen zwischen den Isoprenylgruppen der Bitterstoffe und der Zellplasmamembran der Bakterien beruht. Je mehr Isoprenylgruppen ein Bitterstoffmolekül besitzt, desto bakteriostatischer ist demnach die Wirkung. Sie wirken z. B. gegen die Erreger der Tuberkulose.

Entzündungshemmende Wirkung

Nachgewiesen wurde eine entzündungshemmende Wirkung des Humulons, bei der es zu einer Unterdrückung der Transkription des der Cyclooxygenase-2 (COX-2) zugehörigen Gens kommt, wodurch die Bildung von Prostaglandinen inhibiert wird.

Biochemische Reaktionen

Der Biosyntheseweg der Humulone und Lupulone ist noch nicht vollständig geklärt. Eine mögliche Theorie besteht darin, dass bei der Biogenese zunächst die Lupulone gebildet werden und aus diesen über das Desoxyhumulon die Humulone entstehen (Weg 1). Einer anderen Theorie zufolge soll der Biosyntheseweg über das Desoxyhumulon als gemeinsame Vorstufe der Humulone und Lupulone verlaufen (Weg 2). Da der Quotient Lupulone zu Humulone während der Reifungsphase abnimmt, ist zu vermuten, dass zuerst die Lupulone und dann erst die Humulone gebildet werden und somit Weg 1 der bedeutendere ist.

Folgeprodukte

Durch Trocknung, Lagerung, Verarbeitung und Würzekochung beim Brauprozess entsteht aus den Humulonen und Lupulonen eine Vielzahl von Folgeprodukten. Diese unterscheiden sich stark in der Intensität des Bittergeschmacks.

Durch Ringverengung des Sechsrings der Humulone bildet sich das Fünfringsystem der Isohumulone.

Der Mechanismus besteht aus einer Oxa-Di-π-Methan-Umlagerung gefolgt von einer Öffnung des dabei entstandenen Cyclopropanol-Rings.

Dabei können aus den jeweiligen Humulonen die entsprechenden cis- und trans-Isohumulone entstehen. Bei den cis-Isohumulonen weisen die OH-Gruppe am C4 und der Isoprenylrest am C5 auf die gleiche Molekülseite. Bei den trans-Isohumulonen stehen diese in entgegengesetzter Richtung.

Auffällige Unterschiede existieren zwischen den Stereoisomeren. Die cis-Isohumulone (Halbwertszeit > 5 Jahre) weisen dabei eine deutlich höhere Stabilität auf als die entsprechenden trans-Isomere (Halbwertszeit ca. 1 Jahr) auf. In welchem Verhältnis die cis-/trans-Isomere gebildet werden, hängt von den Reaktionsbedingungen ab. Im Würzemedium werden normalerweise jedoch doppelt so viele cis- wie trans-Isohumulone gebildet.

Isohumulone sind deutlich bitterer und leichter löslich als ihre Ausgangsstoffe. Während des Brauprozesses ist es daher erwünscht, die Humulone in ihre Isomere zu überführen. Der Geschmacksschwellenwert der Isohumulone beträgt ungefähr 6 mg/L. Sie bilden den quantitativ bedeutendsten Teil im Hinblick auf den Bittergeschmack von Bieren. Biere enthalten oft zwischen 15 mg/L (Amerikanische Lager Biere) und 100 mg/L (Englische Ales) dieser Verbindungen. Der Gehalt in Weizenbieren liegen oft auch unter 10 mg/L.

Bier ist im Handel meist nur in gefärbten Flaschen erhältlich, um den Lichtgeschmack durch die Zersetzung der Hopfenbitterstoffe in 3-Methyl-2-buten-1-thiol zu vermeiden, die auf einer photolytischen Reaktion basiert, wobei Riboflavin als Katalysator dient. Braune Flaschen haben dabei eine messbar bessere Filterwirkung als grüne oder auch weiße.

Aus Isohumulon kann durch eine α-Spaltung an der (R-CO-)Bindung – Norrish-Typ-I-Reaktion – das 3-Methylbutenylradikal abgespalten werden. Dieses setzt aus natürlich vorkommenden Schwefelverbindungen (Proteine) im Bier Thiole wie das 3-Methyl-2-buten-1-thiol (MBT) frei, die dem Bier einen unangenehmen Geschmack und animalischen Geruch verleihen (lightstruck/skunky flavor). Die Freisetzung des unerwünschten MBT kann verhindert werden, indem die Isohumulone in ihre reduzierten Formen überführt werden. Dabei wird die Carbonylgruppe am C6 bzw. die C=C-Doppelbindung am C8 der Isohexenylseitenkette reduziert, wodurch vermutlich die Bildung des 3-Methylbutenylradikals verhindert wird. Die reduzierten Isohumulone sind stabiler und zeichnen sich durch eine z. T. größere Bittere und verbesserte Schaumstabilität aus (siehe Tabelle 1). Sie können auch erst später dem Brauvorgang zugegeben werden und gelten laut einer Studie als nicht gesundheitsschädlich.

Verfahrenstechnische Anwendung in der Industrie

Heutzutage wird der Hopfen zuerst mit überkritischem CO₂ extrahiert. Der Extrakt enthält Humulone, Lupulone, Hopfenöle und einige Fette und Wachse geringer Molekülmasse. Die im Extrakt enthaltenen Humulone können durch Einsatz von Hitze, Alkali und Magnesiumionen, welche die Isomerisierungsreaktionen beschleunigen, in wässriger Suspension in Isohumulone umgewandelt werden. Durch fraktionierte Fällungsschritte, unter Verwendung von Mineralsäuren, werden die Isohumulone vom Reaktionsgemisch abgetrennt und gereinigt. Unter Verwendung derartig zubereiteter Isohumulone kann die Ausbeute der ursprünglichen Humulone auf bis zu 80 % verbessert werden. In den meisten Fällen wird auch eine wesentliche Verringerung der Kosten zum Bittern von Bier festgestellt. Dieses Verfahren entspricht jedoch nicht dem Deutschen Reinheitsgebot.