Investigation of the Hops α-Acids Isomerization and Occurring Losses of
Iso-α-Acids During Wort Preparation in the Brewhouse
vorgelegt von
M.Eng.
Nele Gänz
ORCID: 0000-0002-9638-7531
an der Fakultät III – Prozesswissenschaften
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktorin der Ingenieurwissenschaften
– Dr.-Ing. –
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzende: Prof. Dr. Anja Maria Wagemans
Gutachter: Prof. Dr. Stephan Drusch
Gutachter: Prof. Dr. Jean Titze
Gutachter: Prof. Dr. Brian Gibson
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 02.11.2021
Berlin 2022
PREFACE
PREFACE
First of all, I would like to thank all who contributed to the success of the thesis. Prof. Dr. Stephan
Drusch supervised me by the Technische Universität Berlin and made it possible for me to work on my
doctoral thesis in an industrial environment.
On behalf of Anhalt University of Applied Sciences, Prof. Dr. Jean Titze mentored me and was always
open for constructive discussions. The analytical and practical implementation at Anhalt University of
Applied Sciences supported Prof. Dr. Renate Richter, Ilona Jawinski, Jörg Wikert and Johannes Jeske
as well as Prof. Dr. Christian Albrecht, Daniela Nordmann, Tom Kuhfuß and Dr. Christin Fischer.
On the part of Ziemann Holvrieka GmbH Klaus Wasmuht enabled me to realize the thesis in his
department. Furthermore, Tobias Becher and Dr. Verena Blomenhofer deserve special mention for their
professional advice and honest words. At any time, they gave me new input and impulses. In addition,
Tom Benninghaus supported me in the practical execution of the experiments.
I would like to mention my family and friends who always strengthened and encouraged me during my
doctoral thesis.
Thank you all!
Sláinte!
ABSTRACT iii
ABSTRACT
Hop isomerization in the brewhouse is subject to a variety of influences. For breweries it is important
to know these influencing factors in order to avoid using an unnecessary amount of hops and thus to
save raw material. The aim of the present dissertation is to clarify these factors in their combinatorial
effect with regard to wort composition as well as wort treatment and to identify the substance, which
binds hop bitter acids, especially iso-α-acids, even after wort boiling. In addition, parameter ranges that
occur in a novel brewhouse concept and lie outside the conventional brewhouse range are considered.
The test series demonstrated that different pH values are advantageous depending on the original gravity.
Lower pH values are favorable for higher original gravities, since at higher pH values, the α-acids are
more soluble and the resulting protein trub therefore adsorbs more dissolved α-acids. Consequently,
these hop bitter substances are no longer available for isomerization. At lower pH values, the trub
adsorbs a smaller amount of α-acids due to its poorer solubility. Furthermore, at higher pH values (pH
7.0) an extension of the boiling time from 60 min to 120 min is not economical, since the improved
solubility results in an accelerated isomerization rate. The lower the extract, the greater the influence of
the pH value. Accordingly, due to the different techniques of the lauter systems and the associated
periphery, the boiling times and application times have to be adjusted in order to achieve improved hop
isomerization. In concrete terms, this means that the total boiling time increases with the lautering
system: continuous mash filtration system < mash filter < lauter tun. A modeling tool [1] would support
the calculation of hop application times, amounts and boiling times. Exact knowledge of the wort
composition makes it possible to customize hop boiling times and dosages and thus achieve savings.
In the hot section of a brewhouse, in addition to trub formation, unexplained degradation reactions of
iso-α-acids occur [2]. Experiments in this dissertation clarify that, in addition to the possible degradation
reactions, there are also electrostatic interactions or rather hydrophobic interactions between the proteins
and iso-α-acids still in solution after wort boiling, depending on the degree of oxidation of the hop bitter
substances. These include proteins that are not precipitated by heat, such as protein Z, which is less
altered by the brewing process than other soluble barley proteins [3]. Proteins that are already
precipitated as hot trub during wort boiling and free amino acids do not react with the existing iso-α-
acids dosed after wort boiling.
The results of this dissertation define the combinatorial effects of the influencing factors on hop
isomerization. Depending on the mash filtration system (wort composition) boiling times with and
without hops have to be chosen to increase the isomerization rate. In addition, the non-heat precipitable
proteins, which also contribute to a high quality beer foam, have been identified as the cause for the so
far unexplained hop bitter acid losses after wort boiling in the brewhouse.
ABSTRACT iv
These findings are applicable to traditional and novel brewhouse concepts. If taken into account, energy
savings and a reduction in hop dosage quantities are possible. Consequently, the processing method is
more economical and gentle on the raw material.
KURZFASSSUNG v
KURZFASSUNG
Die Hopfenisomerisierung im Sudhaus unterliegt einer Vielzahl von Einflüssen. Für Brauereien ist es
wichtig diese Einflussfaktoren zu kennen, um nicht unnötig viel Hopfen einsetzen zu müssen und somit
Rohstoff einzusparen. Ziel der vorliegenden Dissertation ist es, diese Faktoren in ihrer kombinatorischen
Wirkung im Hinblick auf die Würzezusammensetzung und Würzebehandlung aufzuklären und die
Substanz zu identifizieren, die auch nach dem Würzekochen Hopfenbittersäuren, speziell die Iso-α-
Säuren, bindet. Darüber hinaus werden Parameterbereiche betrachtet, die in einem neuartigen
Sudhauskonzept vorkommen und außerhalb des konventionellen Sudhausbereiches liegen.
Die Versuchsreihen zeigten, dass je nach Extraktgehalt der Würze unterschiedliche pH-Werte
vorteilhaft sind. Niedrigere pH-Werte sind günstig für höhere Extraktgehalte, da bei höheren pH-Werten
die α-Säuren besser löslich sind und der entstehende Proteintrub daher mehr gelöste α-Säuren adsorbiert.
Folglich stehen diese Hopfenbitterstoffe nicht mehr für die Isomerisierung zur Verfügung. Bei
niedrigeren pH-Werten adsorbiert der Trub aufgrund der schlechteren Löslichkeit eine geringere Menge
an α-Säuren. Zudem ist bei höheren pH-Werten (pH 7,0) eine Verlängerung der Siedezeit von 60 min
auf 120 min nicht wirtschaftlich, da die verbesserte Löslichkeit eine beschleuingte Isomerisierungsrate
zur Folge hat. Je niedriger der Extrakt, desto größer ist der Einfluss des pH-Wertes. Dementsprechend
sind aufgrund der unterschiedlichen Techniken der Läutersysteme und der damit verbundenen
Peripherie die Siedezeiten und Applikationszeiten anzupassen, um eine verbesserte
Hopfenisomerisierung zu erreichen. Konkret bedeutet dies, dass die Gesamtkochzeit mit dem
Läutersystem zunimmt: kontinuierliches Maischefiltrationssystem < Maischefilter < Läuterbottich. Ein
Modellierungstool [1] unterstützt die Berechnung von Hopfen-Dosagezeitpunkten, -Mengen und -
Kochzeiten. Die genaue Kenntnis über die Würzezusammensetzung ermöglicht es Hopfenkochzeiten
und -Dosagen speziell anzupassen und so Einsparungen zu erreichen.
Im Heißbreich des Sudhauses treten neben der Trubbildung bislang unerklärte Abbaureaktionen der iso-
α-Säuren auf [2]. Die Experimente dieser Dissertation verdeutlichen, dass es neben den möglichen
Abbaureaktionen auch in Abhängigkeit vom Oxidationsgrad der Hopfenbitterstoffe elektrostatische
Wechselwirkungen bzw. hydrophobe Wechselwirkungen zwischen den Proteinen und den nach dem
Würzekochen noch in Lösung befindlichen iso-α-Säuren gibt. Dazu gehören Proteine, die durch Hitze
nicht gefällt werden, wie das Protein Z, das im Vergleich zu anderen löslichen Gerstenproteinen durch
den Brauprozess weniger verändert wird [3]. Die Proteine, die bereits als Heißtrub ausgefallen sind
sowie freie Aminosäuren, reagieren nicht mit den nach dem Würzekochen dosierten iso-α-Säuren.
Die Ergebnisse dieser Dissertation definieren die kombinatorischen Effekte der Einflussfaktoren auf die
Hopfenisomerisierung. In Abhängigkeit des Maischefiltrationssystems (Würzezusammensetzung) sind
Kochzeiten mit und ohne Hopfen zu wählen, um die Isomerisierungsrate zu steigern. Darüber hinaus
wurden die nicht-hitzefällbaren Eiweiße, die auch zu einem guten Bierschaum beitragen, als Ursache
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