Ethanol ("Alkohol") entsteht in einer als "alkoholische Gärung" bezeichneten Umsetzung zuckerhaltiger Materialien in Gegenwart von Hefe (Saccharomyces), entweder als Spontangärung durch die ubiquitär vorhandenen Hefesporen oder durch Zusatz speziell gezüchteter Hefestämme. Die Gärung ist die Grundlage zur Herstellung alkoholischer Getränke als auch zur Gewinnung von Bioethanol, wobei jedoch nur Alkoholkonzentrationen bis maximal 18 Vol% erreichbar sind. Hochprozentige Spirituosen werden daraus durch das Brennen bzw. Bioethanol als Kraftstoffzusatz durch das Destillationsverfahren erhalten.
Chemische Grundlagen der Gärung
Die summarische Gärungsgleichung C6H12O6 -> 2 C2H5OH + 2 CO2, die bereits 1815 von Lavoisier aufgestellt wurde, stellt nur eine grobe Zusammenfassung einer komplexen Reaktionsfolge dar. In einer als Glykolyse bezeichneten Reaktionsfolge wird zunächst Glucose durch Phosphorylierung mit ATP (Adenosintriphosphat)in Gegenwart des Enzyms Hexokinase zum Glucose-6-phospat phosphoryliert, das mit dem Enzym Phosphofructokinase zum Fructose-6-phosphat reagiert, welches mit weiterem ATP zum Fructose-1,6-diphosphat führt. Durch Einwirkung des Enzyms Aldolase entstehen daraus zwei C3-Bruchstücke: Glycerinaldehyd-3-phosphat und Dihydroxy-aceton-phosphat. Der weitere Gärungsverlauf besteht zunächst in einer Hydridübertragung mittels NAD+ (Nicotinamid-adenin-dinucleotid) unter Oxidation zu 3- bzw. 2-Phosphoglycerinsäure, die unter Wasserabspaltung Phosphoenolpyruvat liefern. Nach Dephosphorylierung mit ADP (Adenosindiphosphat) entsteht Brenztraubensäure, die unter Entwicklung von CO2 (Kohlendioxid) Acetaldehyd bildet, der mit NADH (reduzierte Form des NAD+) letztlich zum Ethanol führt.
Die Gesamtbilanz kann durch die "Idealisierte Gärungsgleichung" beschrieben werden:
C6H12O6 + 2 ADP + 2 H3PO4 -> 2 C2H5OH + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H2O Formelschema
Praxis der alkoholischen Gärung
In der Praxis werden zur Spirituosenherstellung stärkehaltige Ausgangsmaterialien (Polysaccaride: Getreidearten, Kartoffeln etc.) mittels Amylase zu Oligosaccariden gespalten, die mittels Maltase zu den Monosaccariden, insbesondere Glucose, fermentiert ("verzuckert") werden. Alternativ kann auch eine thermische Spaltung durch gestaffeltes Auskochen mit 65 bis 95 0C heissem Wasser erfolgen oder auch direkt von zuckerhaltigen Ausgangsmaterialien, wie der Wein-Maische, ausgegangen werden.
Die eigentliche Gärung erfolgt bei ca. 20 0C mittels der in Hefen enthaltenen Enyme unter Luftausschluß, also anaeroben Bedingungen, zur Vermeidung der Essigsäuregärung. Die unter Schaumbildung freiwerdende Gärungskohlensäure verhindert den Luftzutritt, da sie spezifisch schwerer ist als der Sauerstoff der Luft. Kleinere Ansätze können mit einem speziellen Gär-Röhrchen verschlossen werden. Nach 2-4 Tagen und ca. 6-10 % Alkoholgehalt (Spezialhefen bis zu 18 %) ist die Gärung beendet. Um höhere Alkoholgehalte zu erzielen, ist eine anschliessende Destillation (Brennen) notwendig.
Als Nebenprodukt der alkoholischen Gärung wird das sogenannte Fuselöl erhalten, ein Gemisch höherer Alkohole und anderer flüchtiger Verbindungen (Ester, Terpene, Furfurole).
