Gist - Het onderschatte organisme

De mens brouwt al zo'n 10.000 jaar bier. In de tijd dat de moderne mens ontstond, zich vestigde in nederzettingen en zich toelegde op landbouw, werden granen verbouwd en vergist. Bier maakt sinds de dageraad van de beschaving deel uit van de mensheid. Ongeveer sinds die tijd heeft het gist de mens vergezeld als een van zijn oudste huisdieren.

Plinius de Oudere beschreef het gebruik van fermentum reeds in zijn Naturalis Historia in 77 AD. In middeleeuwse brouwerijen was de Hefner een erkend gistmaker beroep, en daarom is het bijna verbazingwekkend dat er in de Beierse reinheidswet (Reinheitsgebot) van 1516 geen melding wordt gemaakt van gist. Hoewel het gist bekend was, werd het duidelijk onderschat.

Tegenwoordig beschouwen wij brouwers het gist niet als een willekeurig ingrediënt, maar als het organisme dat het bier produceert uit het wort dat door de brouwer is bereid. Net zoals de boer zijn koeien goed moet voeren en verzorgen om goede melk te krijgen, doet de brouwer hetzelfde met het gist. Hij voorziet het van de geschikte voeding en een optimale omgeving om het beste bier te kunnen maken.

Je kunt niet anders dan onder de indruk zijn van een wonderlijk organisme zoals gist.

De bak- en brouwgist heet in het Latijn Saccharomyces cerevisiae. Letterlijk een suikerschimmel voor bier. In de Middeleeuwen heette het gewoon Zeug, wat spul betekent in het Duits. En vandaag de dag heet gist in Beieren nog steeds Germ (denk aan de smakelijke Germknödel) en in Noord-Duitse dialecten Gest, wat doet denken aan Engels (Yeast), Zweeds (Jäst), of Nederlands (Gist).

Als je denkt dat gist maar een klein organisme is dat suiker omzet in alcohol en koolzuurgas, onderschat je de complexiteit van het favoriete hulpje van de brouwer.

Laat me je een beetje aansteken met mijn enthousiasme voor gist.

Als een zogenaamde eukaryoot, d.w.z. een levend wezen met een celkern, is gist vergelijkbaar met dieren en mensen. Het enige verschil is dat gist zo hoog ontwikkeld is dat het niet alleen kan ademen om energie op te doen, maar ook zonder zuurstof kan overleven. Met respect: dat kunnen wij nog geen tien minuten. Deze anaerobe energieproductie is ook ons onderwerp, fermentatie. Een verbazingwekkend vermogen dat getuigt van het grote aanpassingsvermogen van gist. Misschien was het de fascinatie voor dit talent van gist die de mens ertoe bracht om haar in 1996 als eerste organisme genetisch volledig te decoderen en in 2014 voor het eerst haar 16 chromosomenreeksen volledig te samen te stellen.

Hoe zit gist in elkaar?

Laten we nog eens een uitstapje maken naar de schoolbiologie en de cel van naderbij bekijken.

De celkern is het "commandocentrum" en bevat het DNA met 13 miljoen basenparen, het equivalent van 26 megabytes aan gegevens. Het is als een USB-stick, onzichtbaar voor het menselijk oog op minder dan 10 micrometer. Miljarden generaties hebben hier het ingewikkelde leven van de cel opgeslagen.

De mitochondriën zijn de energiecentrales van de cel en waren, volgens de wetenschap, onafhankelijke organismen die met andere cellen samensmolten en complexe levensvormen in de eerste plaats mogelijk maakten door de taakverdeling van energieproductie en -gebruik.

In het endoplasmatisch reticulum worden eiwitten (ruw ER, met behulp van ribosomen) en vetten (glad ER) geproduceerd. Deze stofwisselingsprocessen houden de cel in leven en maken proliferatie mogelijk. De producten van deze processen beïnvloeden de latere smaak van ons bier, maar daarover later meer. Kleine blaasjes gevuld met grondstoffen worden ontvangen en verzonden via het Golgi-apparaat. De lysosomen recyclen celbestanddelen die niet meer nodig zijn voor de aanmaak van nieuwe grondstoffen. De cel is omsloten door een membraan waarin de eerder genoemde organellen in het cytoplasma zweven.

Veel mechanismen lijken sterk op elkaar in de duizenden bekende giststammen, maar net als bij andere levende organismen zijn er verschillende specialisaties. Om de processen beheersbaar te maken, worden tegenwoordig zuivere cultuurgiststammen specifiek geselecteerd op basis van gewenste eigenschappen (temperatuur, troebelheidsstabiliteit, bezinkgedrag, stresstolerantie, aroma, enz.

Het grootste verschil tussen deze stammen is ongetwijfeld hun aanpassing aan warme of eerder koele omgevingen. Als brouwers maken we hier hoofdzakelijk een onderscheid tussen de bovengist (S. cerevisiae), die bij voorkeur actief is bij kamertemperatuur, en de ondergistende variant (S. pastorianus), die optimaal werkt in koude kelders.

Het naambepalende kenmerk was echter het familiegedrag van de gist. Gist plant zich voort door kieming, d.w.z. celdeling in moeder- en dochtercellen. Dit gebeurt maximaal 20 keer, waarna de cel zoveel kieming-littekens heeft dat hij zich niet verder kan voortplanten. De familiegeoriënteerde bovengist leeft graag in gezelschap en vormt scheutassociaties. Het CO2 dat uit elke cel wordt afgescheiden, kan niet naar de top stijgen zonder de hele associatie mee naar boven te nemen. Deze schuimdeken, Kräusen genaamd, kan gemakkelijk worden waargenomen tijdens de gisting en is sterk uitgesproken bij bovengistende soorten. De ondergistende soortgenoot zal zich eerder van zijn soortgenoten afscheiden en sneller naar de bodem zinken. Dit is een gewenste eigenschap voor brouwers, omdat het de scheiding van de gist van het jongbier vergemakkelijkt en dus meer uitgesproken is in alle moderne gisten. Eeuwenlang zijn we dus bezig geweest met het selecteren van gisten die voorkeurskenmerken voor aroma en technische verwerking meebrengen. Waarschijnlijk het oudste ingrijpen in evolutie en genetica in de geschiedenis van de mens.

Zonder technologie of selectieve opslag in kelders, werkte ondergist waarschijnlijk meer in de winter, waar het meer tijd kostte om een verfijnd bier te produceren, wat aanleiding gaf tot de naam pilsbieren. De langzamere stofwisseling bij lagere temperaturen gaf de gist de tijd om veel stofwisselingsproducten verder te verwerken en zijn fijne bouquet te ontwikkelen na lange opslag. Hierover later meer. De specifieke selectie van gist op grond van zijn taken heeft vorm gegeven aan verschillende bierstijlen, zoals Märzen, dat voor het laatst in maart in ijskelders werd gebrouwen en zo tot in de zomer kon rijpen.

Dus, wat gebeurt er tijdens de gisting?

Zeker, er wordt alcohol gevormd en CO2 opgelost in de vorm van koolzuur. Bovendien daalt de pH-waarde van ongeveer 5,5 naar 4,5, waardoor bier behoorlijk zuur wordt. Alleen door de ongegiste restsuikers lijkt dat voor ons niet zo. Door de gisting verandert de samenstelling van het wort, er worden gistingsnevenproducten gevormd, met name eiwitten omgezet, bitterstoffen en tannines nemen af, en het wordt lichter, helderder en "frisser", d.w.z. dat het redoxpotentiaal toeneemt.

Wat doet de gist precies tijdens de gisting?

Na het brouwen voegen we onze gist toe aan de afgekoelde wort. Daar moet de gist eerst vertrouwd raken met de omgeving en zijn metabolische processen aanpassen. Deze tijd wordt de aanpassings- of achterblijffase genoemd. De wort verandert nauwelijks, maar de brouwer hoeft zich geen zorgen te maken; in de gist werken de processen op volle toeren.

Nu is het de bedoeling dat onze suikerzwam het zetmeel, in wezen maltose, vergist dat in de mouterij en de brouwerij is afgebroken. In het wort van ons standaard pilsbier hebben we ongeveer 91% koolhydraten, waarvan 64-67% normaal vergistbaar is. Het gaat om enkelvoudige suikers, zoals glucose (5-7%) en fructose (1-2%), en in het bierwort is het merendeel met ongeveer 40-45% maltose, een duale suiker van glucose. Daarnaast sucrose (huishoudsuiker met 3-6%), dat een disacharide is van glucose en fructose. Drie glucosemoleculen vormen de zogenaamde maltotriose (11-13%). Langere suikerketens zijn niet gemakkelijk fermenteerbaar en worden oligosacchariden of gewoon dextrinen genoemd.

Onze maltose, die in de brouwerij wordt geproduceerd door het enzym β-amylase, wordt naar de gistcel gebracht voor gebruik door transporters (permeases), waar het wordt gesplitst in twee glucosemoleculen. Met de glucose begint nu het energiemetabolisme van de gist, de zogenaamde glycolyse. Hier worden 38 ATP (adenosinetrifosfaat, de batterijen van de cel) geproduceerd tijdens de ademhaling en 2 ATP tijdens de fermentatie. Hieruit kun je al zien dat ademhaling 19x effectiever is in het winnen van energie, zelfs voor gist, en dat gisting eigenlijk alleen maar een soort noodmetabolisme is. Dit is de reden waarom we het afgekoelde wort beluchten voordat we de gist pitchen. We willen het metabolisme stimuleren, zodat er veel nieuwe gistcellen worden gevormd. Deze fase van logaritmische vermeerdering van de gist wordt de log-fase genoemd. Veel jonge gistcellen verbeteren het aroma van ons bier omdat ze de aromatisch onaangename uitscheidingsproducten van de dode generatie weer opnemen. Als er meer dode dan levende cellen zijn, treedt autolyse op, en blijven deze onaangename aroma's in het bier. Het enige wat kan helpen is nieuwe gist om het proces "op gang te brengen". Jonge gistcellen produceren hogere alcoholen, esterprecursoren en zwavelverbindingen, die niet allemaal door opslag kunnen worden afgebroken en die we dus willen beperken.

Als de zuurstof na een paar uur op is, begint de eigenlijke gisting. Daarvóór gist het slechts een klein beetje, we noemen dit het Crabtree-effect. Nu is de vermeerdering van de gist op zijn hoogtepunt en begint de stationaire fase, de eigenlijke tijdsduur van de hoofdgisting. Er worden twee delen van het extract gevormd, één deel alcohol (ethanol) en iets minder dan één deel CO2. Deze opgeloste CO2 stijgt op als koolzuur en zorgt voor het schuim tijdens de gisting en op het afgewerkte bier. De toename zorgt ook voor meer gistbezinksel. Met deze zogenaamde Balling-formule (2,0665g extract = 1,0g alc. + 0,9565g CO2 + 0,11g gist) kan men ook vrij gemakkelijk de te verwachten hoeveelheid alcohol en koolzuur uit het oorspronkelijk stamwortgehalte berekenen.

Nadat ongeveer een derde van het extract is afgebroken en er geen zuurstof meer aanwezig is, worden er nauwelijks nog nieuwe gistcellen gevormd en beginnen de eerste gistcellen af te sterven. In deze dodelijke fase is de gisting aanvankelijk nog intens en worden de nogal boterachtige vicinale diketonen (diacetyl, pentandion), organische zuren en nogal prikkelende naar groene appel ruikende aldehyden gevormd. In de loop van deze fase vermindert de toevoer van voedingsstoffen en moet het metabolisme van de cellen veranderen. Tijdens dit proces worden de zojuist genoemde aroma's gereduceerd. Dit is een van de redenen waarom de geur in de loop van de hoofd- en nagisting steeds beter wordt.

Door de steeds geringere toevoer van voedingsstoffen vallen de stofwisselingsprocessen stil, verloopt de gisting langzamer en komt de gist steeds meer tot rust. Nu is het moment gekomen om het jongbier te bottelen, d.w.z. druk op te bouwen om het koolzuurgas te binden. Vroeger gebeurde dit door het bier over te hevelen van de open gistkuipen naar de drukvaten. Vandaag gebeurt dit alles in dezelfde vaten. De druk vermindert, net als de toenemende cellulaire toxinen alcohol en CO2, de activiteit van de gist.

Wanneer het brouwsel uiteindelijk is uitgegist en het extract is gereduceerd tot restsuiker (de eerder genoemde dextrinen), begint de gist de reserves in de cellen op te gebruiken. Uiterlijk op dit punt, en beter aan het eind van de logfase, moet de gist worden geoogst.

Aan het einde van de hoofdgisting scheidt de gist nu "overbodige" stoffen uit aan het substraat. Deze uitgescheiden aminozuren, peptiden, vitaminen, fosfaten, glycoproteïnen, enzymen, enz. hebben een belangrijke invloed op de body van het bier en ronden de smaak af. Dit is een belangrijke bijdrage aan de rijping van het bier.

Dus hoe maak je goed bier met gist?

Als je goede drinkbare bier wilt maken voor een groot publiek, moet het gistboeket subtiel zijn en harmonieus geïntegreerd. Een gestresste gist zorgt graag voor aroma's van hogere alcoholen en kenmerkende esters. Te weinig gistactiviteit verhoogt ook het risico op bijsmaken, zoals boter of groene appel. Gebrek aan hygiëne, net als gist met een overwicht aan dode cellen, kan uiterst onaangename aroma's van boterzuur, rioolgeur, rotte groenten, of zweetgeur met zich meebrengen. Brouwers ondervinden dus de noodzaak van bijna steriele werkomstandigheden in de gistingskelder, en met een goed gistmanagement worden deze laatste aroma's uitgesloten. Nu komt het er dus op aan goed werk in de kelder toe te voegen aan het reeds goede recept van mout, hop en het maischen.

Dit begint met de juiste hoeveelheid gist

In de brouwerij werkt men nogal terughoudend met specificaties als liters of kilo's vloeibare of droge gist. We willen het celgetal per milliliter bepalen en dat moet minstens 90% (optimaal >97%) levend zijn. Dit kan worden gedaan met celstroomanalyse of met de microscoop. De gist wordt gekleurd met b.v. methyleenblauw en geteld op een telkamer, een objectglaasje met een inhoud van 1 ml, en een gegraveerd rooster. De levende cellen verwerken de kleurstof en worden doorzichtig, zodat het aandeel actieve cellen kan worden bepaald en de vereiste verdunning als batchhoeveelheid voor het brouwsel kan worden berekend. Voor bieren van lage gisting worden één miljoen cellen per milliliter per procent oorspronkelijk wort toegevoegd, en tot tweemaal zoveel voor bieren met een hoog oorspronkelijk wort. Voor hoge gistingsbieren gebruiken we de helft van die hoeveelheid. De hoeveelheid gist heeft echter een aanzienlijke invloed op de concentratie en samenstelling van de gistingsnevenproducten en op de kwaliteit van de geoogste gist. Daarom mag de hoeveelheid gist niet worden gebruikt om de vergistingssnelheid te sturen. Want met de hoeveelheid beïnvloedt men ook de vermeerderingssnelheid van de gist. Men kan zien dat de hoeveelheid nieuw gevormde gistcellen weliswaar vergelijkbaar is, maar dat de verhouding tussen oude en nieuwe gistcellen sterk verschilt. Als de hoeveelheid gist lager is, is de vermeerderingssnelheid hoger en zijn er meer jonge gistcellen aanwezig. Deze vormen dan hogere alcoholen, esters en zwavelverbindingen. Een grotere hoeveelheid gist zal resulteren in een meer gematigde gisting met meer neutrale bieren en een lagere hoeveelheid gist zal normaal of zelfs sneller gisten en zal meer uitgesproken smaken produceren.

Bij droge gist moet je afgaan op de instructies van de fabrikant en mag het gistpakket niet te lang aan hitte of zuurstof zijn blootgesteld, anders daalt het aantal actieve cellen en moet je meer gist toevoegen. Verzending is in dit opzicht vooral kritisch tijdens de zomer. In een bestelwagen kan het warmer worden dan 50°C in direct zonlicht, en dat is het moment waarop zelfs de gedroogde gist denatureert. In hete zomers zijn zelfs de 500g-verpakkingen dood bij mij aangekomen na een nachtelijke verzending.

Hoe krijgen we de gist nu goed aan de gang?

Natuurlijk is de temperatuur belangrijk. Onze gist moet op dezelfde temperatuur zijn als onze wort. In geval van twijfel mag de gist kouder, maar niet warmer. Als de gist een koude schok krijgt, kan dat snel vergistingsproblemen veroorzaken. Droge gist kan rechtstreeks op het wort worden gestrooid, maar een feel-good omgeving om de gist "wakker te schudden" is eerder een steriele, d.w.z. gekookte, lichte wort van 5-7°Plato. De stress als gevolg van het "verrassend" hoge extract van het entwort is lager en, in tegenstelling tot water, bevat een licht wort belangrijke voedingsstoffen. Water is goed geschikt en moet uiterlijk 30 minuten na het pitchen aan de wort worden toegevoegd, zodat de gist weer voedingsstoffen krijgt. De celkamers zijn vol als de gist droogt, maar als te lang wordt gewacht met pitchen, zakt de gist in, zoals in de dodelijke fase.

Hoe moet je gist op een juiste manier laten vermeerderen?

We willen het aantal actieve cellen in een bepaalde tijd verhogen. Dit kan natuurlijk ook tijdens de gisting gebeuren, b.v. door een brouwsel na een dag gisten op een halfvolle tank te laten staan. Bij "echte" vermeerdering willen we de gisting afremmen door opzettelijk te beluchten. Bij een vergistingsgraad van minder dan 25% bereiken we optimaal meer dan 100 miljoen cellen per milliliter, die bijna allemaal levend zijn (<1% blauw gekleurde cellen bij celtelling).

Gewoonlijk vermeerderen we bij kamertemperatuur en binnen 24 uur bereiken we een 8-10-voudige vermenigvuldiging van ondergistende cellen en een 15-20-voudige vermenigvuldiging van bovengistende gistcellen.

Onder gistingsomstandigheden is de vermenigvuldiging 6-8 keer in 72 uur bij ondergisting en kamertemperatuur bij ongeveer 10 miljoen cellen per milliliter en 4-6 keer in 72 uur als het kouder wordt (11-13°C). Bovengisting 10-15 keer in 24 uur.

100% kweekgist brengt typische frisse gistaroma's die mij persoonlijk doen denken aan brioche of gistvlaai. Evenzo brengt 100% droge gist af en toe een licht autolyse aroma met zich mee. Het is dus zinvol om de oogstgist te mengen met de vermeerderingsgist en na elke derde run te verversen met 20% vermeerderingsgist.

Hoe kan ik dan het bieraroma onder controle houden tijdens het managen van het gist?

Hogere alcoholen maken in matige hoeveelheden deel uit van het bierboeket en kunnen verzwakt worden door koude gisting, druk en verhoogde gisttoevoeging. Ze nemen vooral toe bij hoge gistingstemperatuur, lage gisttoevoeging, of ondervoeding van de gist met aminozuren uit de mout (18-20mg/l/°P, zie FAN-waarde in de moutanalyse). Te intensief beluchten of "laten staan" verhoogt ook deze aromastoffen.

De esters uit carbonzuren (bv. azijnzuur) en de gevormde alcoholen, vooral tijdens de intensieve hoofdgisting, kunnen toenemen tijdens lange of warme opslag. Warme gisting (>24°C), hoge basiswort (>13,5°P), en dus ook veel alcohol, alsook intensieve wortbeluchting verhogen de vorming van esters, die, vooral bij bovengistende gisten, eerder tropische fruittonen achterlaten, en die goed kunnen harmoniëren met de hop in fruitige ales.

Boterachtige of zwavelachtige smaken breken de gist meestal af, tenzij de gist ondervoed is en al aan het afsterven is, in welk geval de onaangename verbindingen sterk toenemen en geuren van gekookte of rotte groenten en riool toenemen.

Het aroma van jong bier, zoals groene appel, is acetaldehyde, dat afkomstig is van de decarboxylering van pyruvaat, dat verkregen wordt door glycolyse. Het wordt na verloop van tijd gereduceerd tot ethanol door het enzym alcoholdehydrogenase, tenzij er een tekort is aan zink. Ook alcohol wordt door dit enzym in onze lever afgebroken. Daar komt een aanzienlijk deel van onze kater vandaan, naast de hogere alcoholen, en daarom moeten we het bier ook de tijd geven, zodat de gist dit aldehyde vermindert, en niet alleen vanwege de geur.

Overigens kan de gist, net als onze lever, de alcohol zelf ook recycleren voor energie als er zuurstof wordt toegevoerd. Ook hier weer een evolutionair voordeel, eerst de concurrentie met alcohol uitschakelen en dan deze alcohol zelf weer als energiebron gebruiken. Gelukkig laten we het in de brouwerij niet zover komen; het zuurstofgehalte wordt in grotere brouwerijen gecontroleerd omdat lage gehaltes essentieel zijn voor de houdbaarheid van de smaak.

Bovendien heeft de eiwitsynthese met de resulterende organische zuren merkbare sensorische effecten. Het evenwicht van zuurtegraad met resterende zoetheid en bitterheid is een elementaire component van de uiteindelijke drinkbaarheid.

Langdurige opslag, gisting onder druk of de eerder genoemde autolyse kunnen dan geuren van vetzuursynthese van geitenkaas en zweet veroorzaken, die men ten koste van alles moet vermijden.

Uiteraard kunnen alle voornoemde aroma's ook ontstaan door besmetting met andere microbiologische culturen. Sommige brengen echter extra capaciteiten mee, zoals melkzuur- en azijnzuurgisting met hun gelijknamige aroma's, of extra enzymatische capaciteiten, zoals de afbraak van dextrinen en de vorming van meer alcohol en koolzuur, wat kan leiden tot schuimfonteinen bij het openen van de flessen.

Daarom is de eerste prioriteit van de brouwer nog steeds reinheid bij het hanteren van de gist.

Dan smaakt het bier ook goed.

Skol!

Tekst: Brian Schlede voor Craftbeer Magazine nr. 15