De meeste vluchtige fenolen in bier zijn afkomstig van de grondstoffen die gebruikt worden tijdens het brouwproces. De aroma-actieve fenolen 4-vinylfenol (4VP) en 4-vinylguaiacol (4VG) worden echter hoofdzakelijk gevormd tijdens de fermentatie door brouwersgist. De aanwezigheid van deze componenten is ongewenst in pilsbier. Hierdoor werden ze historische beschouwd als off-flavours . Ze maken echter essentieel deel uit van het karakteristieke aroma van vele blonde speciaalbieren, witbieren en andere tarwebieren waar ze een kruidig of gerookt aroma aan de betreffende bieren verlenen. De laatste jaren worden deze smaakcomponenten in toenemende mate prominent aangetroffen in het aroma van Belgische speciaalbieren. Alhoewel sommige brouwers de aanwezigheid van deze componenten duidelijk wensen in (sommige van) hun bieren, brengen ze het aromaprofiel van vele andere bieren, door hun soms overheersende aroma, uit balans. Er is weinig geweten over de dynamiek van de vrijzetting van hun precursoren (de fenolzuren p -coumarinezuur en ferulinezuur) tijdens het brouwproces en de interactieve rol die de mouteigen enzymen hierbij kunnen spelen. Karakterisering van de betrokken enzymen en onderzoek naar de invloed van de procesparameters tijdens de bierproductie op de vrijstelling van de precursoren en de daaropvolgende omzetting tot vluchtige fenolen is nodig om de brouwers toe te laten de gehaltes aan fenolzuren en vluchtige fenolen te beheersen afhankelijk van de beoogde bierstijl en om een constante batch-to-batch kwaliteit te kunnen afleveren. Vooreerst werd een analytische methode (RP-HPLC-ECD) op punt gesteld en gevalideerd die gebruikt kan worden voor de bepaling van deze componenten en hun precursoren in wort en bier. Deze methode werd gebruikt voor een grootschalige analyse van Belgische speciaalbieren om het voorkomen van vluchtige fenolen en hun precursoren in verschillende bierstijlen in kaart te brengen. Geur- en smaakdrempels werden bepaald in water en in verschillende biermedia om de impact van deze aromacomponenten op het bieraroma te bepalen. Vervolgens werd de evolutie van fenolzuren en vluchtige fenolen opgevolgd tijdens het volledige bierproductieproces om realistische controlepunten te identificeren. Er werd een grote variabiliteit in het fenolzuurgehalte tussen verschillende moutvariëteiten gevonden. Ook werden verschillen aangetroffen tussen gelijke moutvariëteiten afkomstig van verschillende mouterijen. Dit wijst op het belang van de keuze van een gepaste moutvariëteit wanneer men het uiteindelijk gehalte aan vluchtige fenolen in bier wenst te beheersen. De esterase- en endoxylanase-activiteit van de mout alsmede het gehalte aan estergebonden fenolzuren in wort werden geïdentificeerd als verklarende factoren voor het finale gehalte aan vrije fenolzuren in wort. Eveneens na de keuze van de gepaste moutvariëteit is er nog ruimte voor de beheersing van de uiteindelijke fenolzuurconcentratie in wort. Doordat fenolzuren deels worden vrijgezet door een enzymatische reactie tijdens het brouwen, kan men door variatie van allerhande procesparameters in de brouwzaal, het gehalte aan fenolzuren in bier beïnvloeden.
Vrije fenolzuren in wort zijn beschikbaar voor decarboxylatie tot aroma-actieve fenolen. Deze decarboxylatie kan zowel thermisch als enzymatisch geïnitieerd worden. Voor de soms hoge gehaltes aan vluchtige fenolen die vaak aangetroffen worden in blonde speciaalbieren, volstaat thermische decarboxylatie tijdens bvb. het wortkoken, niet als verklarende factor. Hiervoor is een fermentatie met een Pad1-actieve giststam noodzakelijk. Deze enzym-activiteit ( phenylacrylic acid decarboxylase) werd met een grote incidentie aangetroffen in hoge gisten. De mate waarin verschillende giststammen in staat zijn om fenolzuren te decarboxyleren verschilt echter sterk. Dit maakt dat de keuze van een geschikte giststam zeer belangrijk bij de optimalisatie van vluchtige fenolen in bier. De activiteit van het Pad1-enzym is maximaal naar het einde van de gisting toe, wanneer alle vergistbare suikers bijna verbruikt zijn. Dit suggereert dat PAD1 betrokken is in het stressmetabolisme van gist dat geactiveerd wordt bij substraatuitputting. Er was een duidelijk verband tussen de fenolzuurconcentratie van wort en de uiteindelijke concentratie aan vluchtige fenolen in bier, wat er op duidt dat de optimalisatie van het fenolzuurgehalte in wort een realistische optie is wanneer men het gehalte aan vluchtige fenolen wenst te beheersen. Fermentaties op pilootschaal toonden aan dat technieken geassocieerd met modern gistmanagement in cilindroconische fermentatietanken, een grote invloed hebben op het gehalte aan 4VG in bier. Finaal werden de oorzaken van de daling van de 4VG concentratie tijdens de bierbewaring achterhaald. Een nieuwe vanille-achtige component in bier, apocynol, werd geïdentificeerd als het belangrijkste degradatieproduct van 4VG tijdens de bierveroudering. Deze component wordt gevormd door de zuur-gekatalyseerde hydratatie van de dubbele binding in de zijketen op de aromatische ring van 4VG. Wanneer er zuurstof aanwezig is in de flessenhals tijdens de bierbewaring kan 4VG ook deels geoxideerd worden tot vanilline. Beide reactiemechanismen kunnen aanleiding geven tot het vanille-achtig aroma dat ontstaat in sommige bieren tijdens de bewaring. Among the flavour-active volatile phenols in beer, most of them originate from the raw materials used in the brewing process. Only some of them can be formed by yeast activity, namely 4-vinylguaiacol (4VG) and 4-vinylphenol (4VP). The presence of these volatile phenolic compounds is considered undesirable when present in excessive concentration in bottom-fermented pilsner beers, hence the term “phenolic off-flavour” (POF). It is attributed to beers with a strong medicinal, clove-like aroma. Despite being historically catalogued as an off-flavour, these compounds are known to be essential flavour contributors to the characteristic aroma of Belgian white beers (made with unmalted wheat), German Weizen beers (made with malted wheat) and Rauch beers. In recent years, volatile phenolic flavour compounds have been increasingly encountered in Belgian specialty beers. While some brewers wish for a clear phenolic note in (some of) their beers, others do not aim for their, sometimes overwhelming, presence in the taste pallet of beer. Little is known of the dynamics behind the release of their precursors during brewing, the interactive role of native barley enzymes underlying this release and the subsequent decarboxylation to the flavour-active compounds during wort fermentation. Also the causes of the temperature dependent decrease of 4VG during beer conservation need to be elucidated. The suitability of a simple and rapid isocratic RP-HPLC method with amperometric detection for the simultaneous detection and quantification of hydroxycinnamic acids and their corresponding aroma-active volatile phenols in wort and beer is developed and validated. The method was used to perform an extensive survey on the occurrence of hydroxycinnamic acids (HCA) and volatile phenols in a range of beer styles. Odour and flavour thresholds of 4VG determined in a diverse range of beer styles confirmed the contribution of 4VG to the overall flavour perception of many top-fermented specialty beers. HCA and volatile phenols are monitored through out the beer production process to identify realistic control points for the final volatile phenol level in beer. A large variability in HCA content between different barley malt varieties and their corresponding worts was observed. Differences were also found between free FA levels from identical malt varieties originating from different malt houses. This demonstrates the importance of selecting a suitable malt variety. It was shown that only a small part of the HCA in malt is transferred to wort during mashing, while the lion share remains in the spent grains. Free HCA in wort are both water-extracted and enzymatically released by cinnamoyl esterase activity. Esterase activities clearly differ between different barley malt varieties, as do other AX-degrading enzyme activities. The release of ferulic acid during mashing did not only depend on the esterase activity, but also on the amount of esterbound ferulic acid initially present in the wort and on the endoxylanase activity. Apart from the choice of a suitable barley malt variety, final HCA concentrations in wort are also seriously affected by brew house operations. A clear difference in temperature and pH dependence between the release of the water-extracted and enzymatically hydrolysed fraction was found. In contrast to the water-extracted fraction, the hydrolysis of esterbound FA is subject to close technological control. To contribute to the odour and taste pallet of specialty beers, HCA have to be decarboxylated to the corresponding volatile phenols. Concerning thermal decarboxylation in pilsner beer, the combined time of wort boiling, transfer, whirlpool and pasteurisation times can give rise to the 4VG concentrations observed in the survey. However, the high concentrations often encountered in blond and dark specialty beers must originate from the enzymatic decarboxylation of HCA by Saccharomyces cerevisiae yeast strains during wort fermentation. The differences in volatile phenol content in top-fermented specialty beers are reflected in the high incidence of Pad1 phenotype among top-fermenting brewing yeasts strains and the observed differences in Pad1 activity between different brewing strains. Clearly, the first means for optimising the volatile phenol content in beer is the choice of a suitable yeast strains. During alcohol fermentation, it was clearly shown that the majority of 4VG is formed during the second half of the fermentation process when all fermentable sugars were consumed. This suggests that the Pad1 enzyme might be involved in the course of events triggered upon the stress presented by nutrient depletion. Clearly, elevated initial FA concentration in wort led to an increase in the 4VG content of beer. This result is highly relevant, since it validates the possibility of optimising the final volatile phenol content in beer by controlling the release of HCA in the brew house. Pilot-scale fermentation experiments showed that yeast management systems frequently encountered with cilindroconical tank fermentations sincerely affect 4VG formation during wort fermentation. Finally, the decrease in 4VG during beer conservation was examined. Two reaction mechanisms explaining the decrease of 4VG during beer ageing were identified. A new vanilla-like compound in beer, apocynol, was identified by GC-MS and HPLC-ECD analysis as the main degradation product. Apocynol is formed by an acid-catalysed hydration of the double bond of the vinyl side chain of 4VG. In the presence of oxygen, substantial amounts of vanillin were also detected. Since both apocynol and vanillin have a clear vanilla-like aroma, the decrease of 4VG during beer conservation and ageing may impart a shift from a clove-like aroma in a fresh specialty beer to a more sweet, vanilla-like flavour impression of aged specialty beer. Doctor in de Bio-ingenieurswetenschappen Centr. Levensmidd.- & Microb. Technol. Dept. Microbiële & Moleculaire Systemen Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen Doctoral thesis Doctoraatsthesis