mini|Humulon mini|Lupulon Hopfenbitterstoffe bestimmen die charakteristische Bitterkeit von Bier. Die gesamte Gruppe der Hopfenbitterstoffe besitzt sedierende, antibiotische und estrogene Eigenschaften. Sie wird unterteilt in die sich vom Humulon ableitenden „Humulone“ und in die „Lupulone“, die Abkömmlinge des Lupulons (β-Lupulinsäure) darstellen.R. Hegnauer: Chemotaxonomie der Pflanzen. Band 3: Dicotyledoneae: Acanthaceae - Cyrillaceae. Birkhäuser, 2014, ISBN 978-3-7643-0166-8, S. 353. Hopfenbitterstoffe sind sehr instabil; durch oxidativen Abbau entstehen verschiedene Verbindungen, darunter das 2-Methylbut-3-en-2-ol, für das im Tierexperiment sedierende Wirkungen festgestellt wurden. Hopfenzapfen (Hopfenblüten) und Hopfendrüsen (Lupulin) sind als milde Beruhigungsmittel verwendete pharmazeutische Drogen.
Allgemein Die Bitterstoffe stammen aus den Drüsenhaaren (Becherdrüsen, Lupulindrüsen am unteren Ende der Vorblätter) der weiblichen Blüten (Hopfenzapfen) des Hopfens (Humulus lupulus), die unter anderem ein harzartiges Exkret enthalten.Max Wichtl: Hopfen (Humulus Lupulus): Ein nach wie vor wichtiger Bestandteil pflanzlicher Sedativa. In: Schweiz. Zschr. GanzheitsMedizin. 17, 2005, S. 95–99. Verlag für GanzheitsMedizin, Basel. www.ganzheits-medizin.ch.Johann Maier: Zur Kenntnis der Hopfenbitterstoffe 4-Desoxy-humulon und α+β-Weichharz. Dissertation, TH München. Freising-Weihenstephan 1962, S. 6 ff. Unterschieden wird dabei zwischen Hartharz und Weichharz, wobei Weichharz gut in Hexan löslich ist, Hartharz dagegen nicht.Jana Nagel: EST-Analyse von Humulus lupulus L.-Trichomen – Identifizierung einer O-Methyltransferase, welche die Biosynthese von Xanthohumol katalysiert. Dissertation. Halle (Saale) 2009, S. 6. Das Weichharz lässt sich weiterhin in α- und β-Weichharz unterteilen. Das α-Weichharz besteht vorrangig aus den Humulonen (α-Säuren).Ludwig Narziß, Werner Back: Die Bierbrauerei. Band 2: Die Technologie der Würzebereitung. 8., überarb. und erw. Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2009, ISBN 978-3-527-32533-7, S. 63 ff. Die Menge der α-Säuren ist abhängig von Sorte, Provenienz, Jahrgang, dem Zeitpunkt der Ernte, der Behandlungsweise und dem Alter des Hopfens. Das β-Weichharz enthält die Lupulone (β-Säuren).
Das Harz in den luftgetrockneten Hopfenzapfen setzt sich wie folgt zusammen:Johannes Beier: Über die Biosynthese der Hopfenbitterstoffe. Dissertation. TU München, 1973, S. 3 f. zentriert|280px|mini|Die Zusammensetzung des Hopfenharzes
Humulone Die Humulone des α-Weichharzes bestehen hauptsächlich aus Humulon (α-Lupulinsäure) und daneben aus dessen Derivaten, den sog. Co-, Prae-, Ad-, Adpre- und Posthumulonen.
Eigenschaften 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.
+ Chemische Struktur und Zusammensetzung der α-Säuren im α-Weichharz α-Säuren Rest R [%] Humulon CH2CH(CH3)2 35–70 Cohumulon CH(CH3)2 20–65 Adhumulon CH(CH3)CH2CH3 10–15 Prähumulon CH2CH2CH(CH3)2 1–10 Posthumulon CH2CH3 1–3 mini|267x267px|Allgemeine Strukturformel der Humulone Das Humulon und dessen Derivate haben einen pKs-Wert von 4,7 bis 5,7 und liegen daher in Wasser schwach dissoziiert vor.Denis de Keukeleire: Fundamentals Of Beer And Hop Chemistry. In: Química Nova. Vol. 23, No. 1, São Paulo Jan./Feb. 2000. 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.Ludwig Narziß, Werner Back: Die Bierbrauerei. Band 2: Die Technologie der Würzebereitung. 8., überarb. und erw. Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2009, ISBN 978-3-527-32533-7, S. 269. 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.Johann Maier: Zur Kenntnis der Hopfenbitterstoffe 4-Desoxy-humulon und α+β-Weichharz. Dissertation, TH München. Freising-Weihenstephan 1962, S. 2. 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.K. Yamamoto, J. Wang, S. Yamamoto, H. Tobe: Suppression of Cyclooxygenase-2 Gene Transcription by Humulone. In: Kenneth V. Honn, Lawrence J. Marnett, Santosh Nigam, Edward Dennis, Charles Serhan (Hrsg.): Eicosanoids and other bioactive lipids in cancer, inflammation, and radiation injury. Band 5, Springer, 2002, ISBN 0-306-47283-X, S. 73–76.
Analytik Die zuverlässige Bestimmung der einzelnen Wirkstoffe gelingt durch spektroskopische Methoden sowie durch die Kopplung der HPLC mit der Massenspektrometrie. Ergänzt werden diese Methoden durch sensorische Verfahren.M. Dresel, A. Dunkel, T. Hofmann: Sensomics analysis of key bitter compounds in the hard resin of hops (Humulus lupulus L.) and their contribution to the bitter profile of Pilsner-type beer. In: J Agric Food Chem. 63(13), 8. Apr 2015, S. 3402–3418. PMID 25793563M. Dušek, J. Olšovská, K. Krofta, M. Jurková, A. Mikyška: Qualitative determination of β-acids and their transformation products in beer and hop using HR/AM-LC-MS/MS. In: J Agric Food Chem. 62(31), 6. Aug 2014, S. 7690–7697. PMID 25099125
Reaktionen 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. mini|323x323px|Mögliche Biosynthese von Humulonen und Lupulonen aus Desoxyhumulon
Folgeprodukte Durch Trocknung, Lagerung, Verarbeitung und Würzekochung beim Brauprozess entsteht aus den Humulonen und Lupulonen eine Vielzahl von Folgeprodukten.H. D. Belitz, W. Grosch, P. Schieberle: Lehrbuch der Lebensmittelchemie. 6., vollständig überarbeitete Auflage. Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 2008, ISBN 978-3-540-73201-3, S. 923 ff. Diese unterscheiden sich stark in der Intensität des Bittergeschmacks.
Durch Ringverengung des Sechsrings der Humulone bildet sich das Fünfringsystem der Isohumulone.Birgit Witte: Photochemische und thermische Anellierungsreaktionen von konjugierten Alenylcyclohex-2-enonen. Dissertation. Hamburg 1999, S. 5 f. 600px|mini|Reaktionsmechanismus zur Bildung von Isohumulonen aus den Humulonen|links
Der Mechanismus besteht aus einer Oxa-Di-π-Methan-Umlagerung gefolgt von einer Öffnung des dabei entstandenen Cyclopropanol-Rings. mini|cis- und trans-Isomere der Isohumulone|313x313px 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.
380px|mini|Strukturformel des Isohumulons|links 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. mini|Strukturformel einiger reduzierter Isohumulone|links|383x383px 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.Stefan Hanke: Untersuchungen zum Einfluss der Hopfungstechnologie auf die Geschmacksstabilität und Harmonie untergäriger Biere. Dissertation. Technische Universität München, 2009, S. 42. 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.C. I. Chappel, S. Y. Smith, M. Chagnon: Subchronic Toxicity of Tetrahydroisohumulone and Hexyhydroisohumulone in the Beagle Dog. In: Food and Chemical Toxicology. 36, Elsevier 1998, S. 915 ff.
+ Relative Bittere der Isohumulone und deren Reduktionsprodukte Relative Bittere Fähigkeit zur Schaumstabilisierung Isohumulone 1,0 xx Dihydro-Isohumulone (Rho-) 0,6–0,7 xx Tetrahydro-Isohumulone 1,5–1,9 xxx Hexahydro-Isohumulone 1,0–1,2 xxxx
Anwendung in der Industrie