Studie gebruikte moderne analyses met hoge resolutie om de enorme metabolische complexiteit van bier te onthullen.
De traditie van het brouwen van bier gaat terug tot minstens 7000 vGT en misschien zelfs tot de uitvinding van de landbouw, aangezien de meeste granen spontaan kunnen gisten als ze worden blootgesteld aan gisten in de lucht. De code van de Babylonische koning Hammurabi (regel 1792 tot 1750 vGT), wiens wetten 108 tot en met 111 de bierverkoop reguleren, laat zien dat mensen al millennia lang de kwaliteit van bier willen waarborgen door middel van wetgeving. Zo staat het Beierse 'Reinheitsgebot' ('Reinheidswet') van 1516, vaak beschouwd als 's werelds oudste nog functionele - met aanpassingen - voedselregulering, alleen gerst, water en hop toe als ingrediënten voor het brouwen van bier (met inbeslagname van de vaten als straf voor overtreding).
Nu, in een recente studie in Grenzen in de chemie, wordt de wetenschap van bier naar een nieuw niveau getild. Wetenschappers uit Duitsland gebruiken state-of-the-art analytische methoden om de metabolische complexiteit – tienduizenden verschillende moleculen – van commerciële bieren van over de hele wereld te onthullen.
Enorme chemische complexiteit
“Bier is een voorbeeld van een enorme chemische complexiteit. En dankzij recente verbeteringen in de analytische chemie, qua kracht vergelijkbaar met de voortdurende revolutie in de technologie van videoschermen met steeds hogere resolutie, kunnen we deze complexiteit in ongekend detail onthullen. Tegenwoordig is het gemakkelijk om minuscule variaties in de chemie te traceren tijdens het voedselproductieproces, om de kwaliteit te waarborgen of om verborgen vervalsingen op te sporen”, zegt corresponderend auteur Prof Philippe Schmitt-Kopplin, hoofd van het Comprehensive Foodomics Platform aan de Technische Universiteit van München en van de Analytical Onderzoekseenheid BioGeoChemistry in het Helmholtz Center in München.
Om de volledige reeks metabolieten in 467 soorten bier gebrouwen in de VS, Latijns-Amerika, Europa, Afrika en Oost-Azië. Deze omvatten lagers, ambachtelijke en abdijbieren, bieren van hoge gisting en geuzes gebrouwen uit gerst als de enige bron van zetmeel voor fermentatie, of gerst plus tarwe, rijst en maïs (maïs).
De methoden hebben complementaire sterktes. DI-FTICR-MS onthulde direct de chemische diversiteit van alle bieren en voorspelde chemische formules voor de metabolie-ionen erin. De auteurs gebruikten vervolgens UPLC-ToF-MS op een subset van 100 bieren om de resultaten te analyseren met resolutie over de mogelijke isomeren. UPLC-ToF-MS gebruikt chromatografie om eerst ionen met identieke massa's te scheiden en fragmentatie van de massa-ionen tot dochter-ionen, waardoor het mogelijk wordt om de exacte moleculaire structuur te voorspellen.
De auteurs plaatsten deze metabolieten in relatie tot de 'chemische ruimte', elk gekoppeld aan een of meer andere door een enkele reactie, bijvoorbeeld de toevoeging van een methoxy-, hydroxyl-, sulfaat- of suikergroep aan de moleculaire ruggengraat, of het veranderen van een onverzadigde binding in een verzadigde binding. Dit leverde een reconstructie op van een metabolietennetwerk dat leidde tot het eindproduct, bestaande uit bijna honderd stappen met als uitgangspunt moleculen uit de oorspronkelijke granen, gesynthetiseerd uit de amino zuur tryptofaan. Hiervan afgeleid zijn secundaire metabolieten, uniek voor elke graansoort.
Krachtige methode voor kwaliteitscontrole
"Onze massaspectrometriemethode, die slechts 10 minuten per monster kost, zou zeer krachtig moeten zijn voor kwaliteitscontrole in de voedingsindustrie en de basis moeten leggen voor nieuwe moleculaire markers en niet-gerichte metabolietprofielen die nodig zijn bij de inspectie van levensmiddelen", aldus Schmitt-Kopplin.
De auteurs vonden ongeveer 7700 ionen met unieke massa's en formules, waaronder lipiden, peptiden, nucleotiden, fenolen, organische zuren, fosfaten en koolhydraten, waarvan ongeveer 80% nog niet is beschreven in chemische databases. Omdat elke formule in sommige gevallen tot 25 verschillende moleculaire structuren kan dekken, vertaalt dit zich in tienduizenden unieke metabolieten.
“Hier onthullen we een enorme chemische diversiteit in bieren, met tienduizenden unieke moleculen. We laten zien dat deze diversiteit zijn oorsprong vindt in de verscheidenheid aan grondstoffen, verwerking en vergisting. De moleculaire complexiteit wordt vervolgens versterkt door de zogenaamde 'Maillard-reactie' tussen aminozuren en suikers die ook brood, vleesbiefstuk en geroosterde marshmallow hun 'geroosterde' smaak geven. Dit complexe reactienetwerk is een opwindende focus van ons onderzoek, gezien het belang ervan voor voedselkwaliteit, smaak en ook de ontwikkeling van nieuwe bioactieve moleculen die van belang zijn voor de gezondheid”, concludeerde eerste auteur Stefan Pieczonka, een PhD-student aan de Technische Universiteit van München .
Referentie: "Op het spoor van de Duitse zuiverheidswet: onderscheid maken tussen de metabolische kenmerken van tarwe, maïs en rijst in bier" door Stefan A. Pieczonka, Sophia Paravicini, Michael Rychlik en Philippe Schmitt-Kopplin, 20 juli 2021, Grenzen in de chemie.
DOI: 10.3389/fchem.2021.715372
