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Wie entwickeln sich Farbe und Aromen der Spirituosen während der Holzfassreifung? Welche Rolle spielt der Toastinggrad der Hölzer und welche die Holzart selbst? Gaschromatographie und Flüssigchromatographie – womit lassen sich phenolische Holzkomponenten, aber auch die flüchtigen Stoffe des Holzes – höhere Alkohole, Aldehyde, Ester und Lactone – am besten bestimmen? Die Autoren haben Holzfassreifungen im Labor nachgestellt und Verläufe von Extraktion, Farb- und Aromenbildung analysiert.
Holzfässer werden zur Verbesserung des Aromas für die Lagerung verschiedener Spirituosen eingesetzt. Dabei können entweder frische oder bereits mit anderen Getränken wie Süßwein oder Bier vorbelegte Fässer zum Einsatz kommen. Tabelle 1 gibt einen Überblick über klassische Verwendungszwecke von Holzfässern im Bereich der Spirituosenproduktion.
Reaktionen zwischen Holzinhaltsstoffen und Spirituose verändern das Aroma, das Aussehen und den Geschmack der Spirituosen (siehe hierzu Teil 1 der Artikelreihe). Trotz der mannigfaltigen Variationen durch Eichenart, Wachstumsbedingungen und Vorbehandlung des Holzes sowie der Einflussfaktoren während der Lagerung ist es Ziel bei der Getränkeentwicklung und -herstellung, eine hohe Reproduzierbarkeit in der Produktqualität über Jahre hinweg zu erzielen. Dies wird nicht zuletzt durch das Verschneiden verschiedener Fässer erreicht. Neben der sensorischen Beurteilung können dabei verschiedene Analysenmethoden zur Untersuchung und Beurteilung der Spirituosen genutzt werden.
Probenmaterial
Um die Reifung von Spirituosen in Holzfässern analytisch zu verfolgen, wurden verschiedene Methoden im Labor des Lehrstuhls für Brau- und Getränketechnologie an der TU München etabliert:
- Gesamtphenolgehalt und Sauerstoffgehalt
- Gaschromatographie mit Massenspektrometrie-Kopplung (GC-MS)
- Ultra-Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (UHPLC – Ultra High Performance Liquid Chromatography)
Als neutrales Probenmaterial diente auf Fassstärke (65,0 Vol.-%) verdünnter Ethanol. Diesem wurden verschiedene Holzprodukte (Chips) aus französischer Eiche, amerikanischer Eiche sowie Whisky- und Bourbon-Cubes (Wilhelm Eder GmbH, Bad Dürkheim) zugesetzt, um die Holzfassreifung zu simulieren (Abb. 1). Der Einsatz von Holzprodukten in Europa ist allerdings laut Spirituosenverordnung 2019/787 nicht zulässig. Dennoch wäre gerade die Nutzung von Holzprodukten vor dem Hintergrund ökologischer Betrachtungen vorteilhaft. Nach Ansatz der Reifungen erfolgte in regelmäßigen Abständen (0–120 d) eine Probeentnahme zur Untersuchung des Reifegrades.
Extrahierbare Phenole und Sauerstoff
Eine wertvolle Substanzgruppe der holzgereiften Inhaltsstoffe stellen die Phenole dar. Phenole wirken sich dabei nicht nur auf die Farbe der Spirituosen, sondern auch auf deren Geschmack und das Aroma aus. Neben dem Lignin stellen Tannine eine weitere Quelle für extrahierbare Phenole dar. Die Messungen an der TU München erfassten sowohl aus dem Lignin stammende phenolische Komponenten als auch hydrolysierbare Tannine und daraus hervorgegangene Säuren wie Gallus- oder Ellagsäure. Die Kalibrierung erfolgte hier mittels Gallussäure. Nach zunächst raschem Anstieg der Gesamtphenolkonzentrationen streben die Untersuchungsproben auf eine Sättigung zu (s. Abb. 2). Sowohl beim amerikanischen als auch beim französischen Holz wurden aus stark getoastetem Holz durchweg mehr phenolische Komponenten herausgelöst. Cubes, die aus zur Whiskylagerung genutzten Fässern hergestellt wurden, scheinen nach 119 Tagen weiterhin phenolische Substanzen abzugeben. Dem gegenüber steht eine Stagnation der Phenolextraktion aus Holzchips nach etwa 30 bis 40 Tagen.
Aber nicht nur Farbe und Aroma der Spirituosen können durch phenolische Substanzen beeinflusst werden, sondern auch die Verfügbarkeit von Sauerstoff während der Reifephase im Holzfass. Ellagtannine, aber auch phenolische Säuren aus dem Holz können Sauerstoff binden und nehmen damit zwangsläufig Einfluss auf die Chemie der Reifung.
Um den Einfluss der französischen und amerikanischen Eiche in verschiedenen Toastinggraden auf ihr Verhalten gegenüber Sauerstoff zu untersuchen, wurde über die Extraktionsdauer hinweg der Sauerstoffgehalt der ethanolischen Lösungen erfasst. Für die Sauerstoffmessung wurde ein optischer Sauerstoffsensor mit Temperatursensor verwendet. Zur besseren Vergleichbarkeit wurde im Folgenden der Sauerstoffgehalt prozentual bezogen auf den Sauerstoffgehalt der ersten Probenahme angegeben (s. Abb. 3). Generell ist innerhalb der ersten drei Wochen die Sauerstoffzehrung durch die Hölzer stärker, etwa gleich oder schwächer als die Nachlösung aus dem Kopfraum. Durch kurzzeitiges Öffnen der Behälter während der Probenahme konnte ein Gasaustausch im Kopfraum stattfinden. Im Allgemeinen überwiegt mit der Zeit die Nachlösung, und es ist ein einheitlicher Trend stetig steigender Konzentration zu beobachten.
Das stark getoastete Holz bindet in den ersten drei Wochen mehr Sauerstoff, als sich in der Flüssigkeit nachlösen kann. Ein ebenfalls hohes Sauerstoffzehrungspotential weisen die Bourbon-Cubes auf.
Die Untersuchung zeigt, dass Holz ein antioxidatives Potential besitzen kann, was abhängig von dessen Toastinggrad ist. Stark getoastet verfügt das Holz nicht nur über antioxidativ wirkende, sondern auch färbende Substanzen. Gerade der Toasting-Prozess nimmt entscheidenden Einfluss auf die Farbe von Hölzern. Eine Sättigung der Farbe stellte sich in allen Lösungen bereits nach etwa 49 Tagen Extraktion ein, wobei Literaturangaben – mit höherem Toastinggrad werde eine intensivere Farbe ausgebildet – bestätigt werden konnten. Da Spirituosen in der Regel vor der Lagerung im Holzfass klar sind, spielt das Fass und seine Eigenschaften die entscheidende Rolle für die spätere Spirituosenfarbe. Aus diesem Grund werden manche Spirituosen wegen einer höheren Kundenakzeptanz mit Zuckercouleur eingefärbt. Dabei suggeriert eine tiefere Farbe eine längere Lagerzeit oder ein stärkeres Toasting des Fasses.
Während dieser Hitzebehandlung des Holzes werden nicht nur Farb-, sondern auch Aromastoffe gebildet oder freigesetzt. Der flüchtige Teil der Aromastoffe, die in die ethanolischen Lösungen übergegangen sind, lassen sich mit HS-SPME-GC-MS analysieren.
Gaschromatographische Messung
Für die quantitative Analyse mittels Headspace-Solid-Phase-Microextraction gekoppelt mit Gaschromatographie-Massenspektrometrie (HS-SPME-GC-MS) wurden zunächst geeignete interne Standards ausgewählt. Zudem wurde für zehn aromaaktive Substanzen eine 11-Punkte-Kalibrierung erstellt. Dargestellt sind beispielhaft die Aromastoffe Whiskylacton und Furfural an einigen Messtagen während der Reifung (s. Abb. 4). Whiskylacton (grüne Balken) ist vor allem für den charakteristischen Geruch des Eichenholzes verantwortlich und weist ein holziges, kokosartiges Aroma auf. Die Ergebnisse zeigen geringfügige Unterschiede in der Konzentration zwischen den verschiedenen Hölzern und Holzprodukten. Die Messungen zeigten, dass amerikanische sowie französische Eiche des mittleren Toastinggrades eine höhere Konzentration des Whiskylactons im Vergleich zum jeweiligen Extrakt des ungetoasteten Holzes aufwiesen (Daten nicht dargestellt). Weiterhin besaßen die Extrakte des höchsten Toastinggrades höhere Konzentrationen als die des mittleren. Folglich wird vermutet, dass mit höherem Toastinggrad mehr Whiskylacton extrahierbar wird.
Furfural hingegen ist ein Maillardprodukt, das auf unterschiedlichen Wegen in eine Spirituose übergehen kann. Es findet sich im Malz, wobei der Gehalt zunimmt, je dunkler das Malz ist. Zudem ist es ein Hauptbestandteil von Torfrauch und kommt in getorftem Malz in höheren Konzentrationen vor. Da Hitze eine entscheidende Rolle bei der Bildung des Stoffes spielt, nimmt der Toasting-Prozess einen bedeutenden Einfluss auf den Gehalt von Furfural im Holz. Aber auch das Seasoning des Eichenholzes beeinflusst den Furfuralgehalt nicht unerheblich. Furfural weist ein Mandelaroma auf, das in Spirituosen auch als getreideartig beschrieben wird. Abbildung 4 zeigt beispielhaft die Ergebnisse der Furfuralkonzentration (blaue Balken). Wie erwartet, ist in den Extrakten mit Holz des höchsten Toastinggrades die Konzentration des Furfurals am höchsten. Nach einer raschen Lösung innerhalb der ersten sieben Tage scheint der Gehalt über die folgenden Wochen konstant zu bleiben bzw. leicht abnehmend zu sein. In den Proben mit Bourbon- und Whisky-Cubes konnte hingegen nahezu kein Furfural nachgewiesen werden.
Flüssigchromatographische Messung
Die Flüssigchromatographie stellt eine robuste und leistungsstarke Methode dar, um schwerflüchtige Aromastoffe in Spirituosen und ähnlichen Matrizen zu erfassen. Die in diesem Zusammenhang besonders aromaaktiven Substanzen sind Vanillin, Vanillinsäure (Vanillearoma) sowie Eugenol und Isoeugenol (Nelkenaroma) – vergleiche hierzu die Ausführungen in Teil 1 der Beitragsreihe. Das in holzgelagerten Spirituosen enthaltene Vanillin wird vor allem über die Thermodegradation des Lignins gebildet. Abbildung 5 zeigt die Ergebnisse der UHPLC-Messung von Lignin.
Das Vorhandensein von Vanillin im Extrakt des französischen Holzes mittleren Toastinggrades konnte bestätigt werden. Der Gehalt in der Lösung des stark getoasteten französischen Holzes ist dabei signifikant höher (p<0,01) als der Gehalt im Extrakt des medium getoasteten Holzes. Auch im Extrakt der Whisky- und Bourbon-Cubes konnte Vanillin nachgewiesen werden, wobei ihr Gehalt die Nachweisgrenze kaum überschreitet.
Die Ergebnisse bestätigen Vermutungen, dass mittlere bis hohe Toastinggrade optimal für die Extraktion von Vanillin geeignet sind. Nichtsdestotrotz kann laut Literatur der Einfluss der Eichenart überdeckt werden durch die Einflüsse, die Standort, Wald und der einzelne Baum auf den Vanillingehalt nehmen.
Fazit zur analytischen Erfassung von Holzextrakten
Die UHPLC-Analyse erweist sich als leistungsfähige Methode für die schnelle Erfassung phenolischer Holzkomponenten, die bei geringem Eluenten- und Probenvolumen selbst geringe Konzentrationen sicher erfassen kann.
Die Flüssigchromatographie ermöglicht die Erfassung von phenolischen Säuren, Aldehyden und anderen Phenolen.
Im Vergleich dazu können durch HS-SPME-GC-MS die flüchtigen Stoffe des Holzes wie der höhere Alkohol, Aldehyde, Ester sowie Lactone erfasst werden.
Insgesamt erfolgte in der Studie der TU München eine Kalibration von 24 holzbürtigen Stoffen, von denen zwölf in den ethanolischen Holzextrakten nachgewiesen wurden. Generell handelt es sich bei den betrachteten Holzextrakten um dynamische Systeme. Konzentrationen in den Extrakten sind abhängig vom Gehalt leicht extrahierbarer Substanzen, dem Einfluss der Ethanolyse und der Konversion von Stoffen innerhalb der ethanolisch-wässrigen Lösung. Dies wiederum wird jeweils zusätzlich zum Faktor Zeit durch Sauerstoffgehalt, Temperatur und Bewegungsintensität beeinflusst. Der Gehalt extrahierbarer Substanzen selbst wird neben dem Toastinggrad unter anderem durch die Vorbehandlung des Holzes und die Gegebenheiten des Waldes, des Bodens und des Klimas bedingt. Zudem nehmen die geometrischen Eigenschaften der Chips und Cubes Einfluss auf die Extraktion. Auch Cubes aus getoastetem Holz verfügen über Bereiche, deren Holz keine direkte Hitzebehandlung erfahren hat. Die Hitzebehandlung selbst stellt einen inhomogenen, schwer reproduzierbaren Prozess dar. Entsprechend variieren die Toasting-Intensitäten innerhalb eines beispielsweise stark getoasteten Holzes. Nichtsdestotrotz können aus dem hier verwendeten Versuchsaufbau Rückschlüsse über die Einflüsse des Toastinggrades getroffen werden.
Ausblick
Eine weitere wichtige Möglichkeit zur Analytik holzbürtiger Substanzen in Genussmitteln stellt die Sensorik dar. Inwieweit ist ein geschultes Panel als „Analysengerät“ zur Überprüfung der Spirituosenqualität einsetzbar? Um dies zu klären, sollte ein auf Bier und Biermischgetränke geschultes Sensorikpanel auf Spirituosen – mit besonderem Fokus auf holzbürtige Substanzen und Whiskyfehler – geschult werden. Neben der Spirituosenfarbe wurden verschiedene Schlüsselaromastoffe betrachtet und letztlich zur Charakterisierung verschiedener Whiskys herangezogen. Inwieweit eine gezielte Schulung des Sensorikpanels die analytische Erfassung einzelner Stoffe ersetzen oder unterstützen kann, wird in Teil 3 der Reihe dargestellt.
Dieser Beitrag ist die gekürzte Fassung eines ursprünglich in der BRAUWELT veröffentlichten Fachartikels. Das zum Text gehörende Literaturverzeichnis finden Sie online im Beitrag zum Download unter www.brauwelt.com.