The redox behavior of dimethyl sulfide and dimethyl sulfoxide in malting and brewing
Baldus, Matthias
Dimethyl sulfide (DMS) is a small thioether that can be found in miscellaneous foodstuffs. In beer it can evoke distinctive off-flavors, which are often ascribed as “cooked-vegetable”-like. Dimethyl sulfoxide (DMSO) reduction by yeast is a potential source for DMS in beer. However, the contribution of DMSO to the final levels of DMS in beer is not entirely resolved. The aim of this dissertation work was to initially re-evaluate the impact of DMSO as a precursor of DMS in beer. Therefore, an analytical method for its quantification in malt, wort and beer was developed to investigate DMSO reduction and DMS formation during fermentation as well as in bottled beer. Moreover, the method was applied for the assessment of yet undiscovered reaction mechanisms of DMS oxidation and DMSO formation during malt- and wort production. Findings on the “redox behavior” of DMS and DMSO from this dissertation work are summarized in Figure 1.
During mashing, DMSO was rapidly extracted from the malt particles whereas its entirety remained constant throughout conventional wort production. In the course of wort boiling DMS was evaporated subsequently after its formation from thermal hydrolysis of S-methylmethionine (SMM) (Figure 1, reaction 1), and was therefore not subject to oxidation. Yet, during heat holding of wort below boiling temperature, significant DMS oxidation was observed. However, as compared to the input of DMSO into the brewing process from the malt, the contribution of DMS oxidation to the levels of DMSO in pitching wort was estimated as negligible. In the course of fermentation, yeast absorbed a part of the DMSO present in pitching wort whereas this quantity was only reduced partly to DMS by methionine sulfoxide reductases (MSRA) (Figure 1, reaction 2). Still, top-fermenting yeast reduced more DMSO than bottom-fermenting yeast leading to DMS formation of up to 38 µg/L. Moreover, it was demonstrated that DMSO can be reduced to DMS in beer by the antioxidants sulfite (Figure 1, reaction 3) and thiols (Figure 1, reaction 4). These findings present another source of DMS formation in beer that has not been reported before.
On basis of the shown relevance of DMSO as a DMS precursor, reaction mechanisms responsible for DMS oxidation were investigated as a prerequisite to minimize DMSO formation in malt. Main focus was to test the applicability of selected malt-derived antioxidants as potential antagonists towards reactive oxygen species (ROS) that may potentially oxidize DMS. In model systems, molecular oxygen (O2) was incapable of DMS oxidation under absence of transition metal ions (Mn+). Though, the combination of Mn+ with the antioxidants ascorbic acid (Asco) (Figure 1, reaction 5), gallic acid (GA) (Figure 1, reaction 6), thiols (Figure 1, reaction 7) as well as sulfite (Figure 1, reactions 8 & 9) had significant prooxidative effects on DMS oxidation and increased the levels of DMSO. For the reactions 5-7, the effects were explained by donation of electrons from antioxidants to Mn+ and ultimately, to molecular oxygen (O2) thus leading to H2O2 formation, which was consequently proposed as the primary DMS oxidant in these systems (Figure 1, reaction 10). The prooxidative effect of oxygenated sulfite-Mn+ systems on DMS oxidation was demonstrated to be initiated through the oxidation of bisulfite by Mn+ whereupon bisulfite radicals were generated (Figure 1, reaction 8). The latter reacted with O2 to form peroxymonosulfate radicals (Figure 1, reaction 9), which in turn revealed the highest capability of DMS oxidation (Figure 1, reaction 10). The relevance of the prooxidative effects of oxygenated antioxidant-Mn+ systems towards DMS oxidation was verified in malting experiments where significant higher levels of DMSO were detected in malts enriched with antioxidant-copper2+ combinations than in malts where no additions were made. However, as probably resulting from interactions of the supplemented compounds with other malt ingredients, the effects were smaller as compared to the model systems. Based on these findings, the addition of antioxidants for minimization of DMSO in malt cannot be suggested.
Besides its autoxidative origin, ensuing experiments provided evidence for respiration-derived H2O2 accumulation in germinating barley seeds (Figure 1, reaction 12), indicating its potential to oxidize DMS during malt kilning. The reaction of H2O2 with DMS was therefore further characterized under consideration of physical-chemical parameters. Because Mn+ are also present in malt, they are likely to react with H2O2 via “Fenton-like” reactions to form hydroxyl radicals (•OH) (Figure 1, reaction 13). The reaction of •OH with DMS also resulted in DMSO formation (Figure 1, reaction 14), whereas the rate was significantly higher as compared to H2O2.
In conclusion the findings from this work clarified pathways yielding DMSO and thus contributed to the knowledge of DMS formation in beer. Therefore, the data can help the malting and brewing industry to control the levels of DMS in end products. Besides DMS, the prooxidative behavior of antioxidant-Mn+ systems as well as the respiration-derived H2O2 formation during barley germination, as discovered in this work, indicates that those reactions may be involved in further oxidative processes in malting and brewing which are vital for processability as well as beer quality.
Dimethylsulfid (DMS) ist eine schwefelhaltige Verbindung, die im Bier zum Auftreten von Fehlaromen führen kann, welche häufig mit denen von gekochtem Gemüse verglichen werden. Dimethylsulfoxid (DMSO) kann während der Bierfermentation zu DMS reduziert werden und somit das Bieraroma signifikant beeinflussen. Jedoch ist die Rolle von DMSO und dessen Beitrag zum DMS Gehalt im Bier nicht eindeutig geklärt. Ziel der Dissertation war es zunächst die Relevanz von DMSO als Vorläufersubstanz von DMS im Bier zu überprüfen und ggf. den diesbezüglichen Wissenstand zu aktualisieren. Dazu wurde eine Analysenmethode zur quantitativen Bestimmung von DMSO in Malz, Bierwürze und Bier entwickelt, welche im weiteren Verlauf der Arbeit eingesetzt wurde, um die DMSO Reduktion während der Bierfermentation sowie der Bierlagerung zu untersuchen. Darüber hinaus wurden bislang nicht erforschte Mechanismen sowie technologische Einflussfaktoren der DMS Oxidation untersucht.
Im Bereich der Maische- und Würzeproduktion wurde DMSO zunächst zeitnah extrahiert, erfuhr in konventionellen Würzebereitungsprozessen jedoch keine ausgeprägte chemische Veränderung. Nach hydrolytischer Spaltung des primären DMS-Präkursor, S-methylmethionin (SMM) (Abbildung 1, Reaktion 1), wurde DMS im Verlauf der Würzekochung vollständig durch Verdampfung ausgetrieben. Bei der Würzeheißhaltung unterhalb dessen Siedetemperatur, wurde DMS speziell in der Aufheizphase, zu DMSO oxidiert. Das Ausmaß der dadurch bedingten Zunahme an DMSO bezogen auf die Gesamtkonzentration in der Anstellwürze wurde jedoch als vernachlässigbar eingestuft. Demnach bestimmt maßgeblich der Mälzungsprozess den Gehalt an DMSO in Bierwürze. Während der Fermentation konnte demonstriert werden, dass kommerziell verwendete Hefestämme in der Lage sind DMSO aufzunehmen, diesen Anteil jedoch nicht vollständig durch Methioninsulfoxidreduktasen (MSRA) zu DMS reduzieren (Abbildung 1, Reaktion 2). Dennoch reduzierten obergärige Bierhefen wesentlich mehr DMSO als untergärige Bierhefen, welches eine DMS-Bildung von bis zu 38 µg/L im Bier bewirkte. Weiterhin konnte belegt werden, dass DMSO während der Bierlagerung durch die in Bier vorkommenden Antioxidantien Sulfit (Abbildung 1, Reaktion 3) sowie Thiolen (R-SH) reduziert werden kann (Abbildung 1, Reaktion 4). Diese Reaktionen stellen weitere, bislang unbekannte, potentielle Quellen von DMS im Bier dar. Aufgrund der Relevanz von DMSO als DMS-Präkursor wurden im weiteren Verlauf Reaktionsmechanismen der DMSO Bildung untersucht, um somit Grundlagen für technologische Minimierungsmaßnahmen zu erarbeiten. In Modelllösungen stellte sich heraus, dass molekularer Sauerstoff (O2) in Abwesenheit von Katalysatoren, wie Übergangsmetallionen (Mn+), keine DMS Oxidation bewirkte. Es wurde weiterhin getestet, ob Antioxidantien, die potentiell in der Lage sind reaktive Sauerstoffspezies (ROS) zu inaktivieren, dadurch ebenfalls die DMS Oxidation verringern können. Die Zugabe der malzspezifischen Antioxidatien Ascorbinsäure (Abbildung 1, Reaktion 5), Gallussäure (Abbildung 1, Reaktion 6), von Thiolen (Abbildung 1, Reaktion 7) sowie Sulfit (Abbildung 1, Reaktionen 8, 9) hatte jedoch in jedem Fall eine katalytisch prooxidative Wirkung auf die DMS Oxidation sowie die DMSO Entstehung. Im Falle der Reaktionen 5-7 konnten diese Effekte auf die Einbringung von Elektronen auf Mn+ und schließlich auf O2 unter Bildung von Wasserstoffperoxid (H2O2) zurückgeführt werden. H2O2 wurde folglich als zentrale DMS Oxidans in diesen Systemen eingestuft. Der Effekt von Sulfit-Mn+-Systemen konnte auf die Bildung von Sulftitradikalen zurückgeführt werden (Abbildung 1, Reaktion 8), welche durch Reaktion mit O2 (Abbildung 1, Reaktion 8) Peroxomonolsulfatradikale erzeugen (Abbildung 1, Reaktion 9). Letztere wiesen das größte Oxidationsvermögen von DMS auf. Die Relevanz der prooxidativen Verhaltensweise der Antioxidantien bezüglich der DMSO Bildung konnte im Malz verifiziert werden, wenngleich die Effekte dort geringer ausfielen. Aufgrund dieser Erkenntnisse konnte die Anreicherung der erwähnten Antioxidantien im Malz im Hinblick auf die Verringerung der DMSO Menge nicht empfohlen werden. In weiteren Versuchen konnte eine respirationsbedingte H2O2-Akkumulation (Abbildung 1, Reaktion 12) in Braugerstenkeimlingen nachgewiesen werden, welches dessen Reaktion mit DMS während des Darrprozesses nahelegt. Auf Basis dessen wurde die Reaktion von DMS und H2O2 unter Berücksichtigung physikalisch-chemischer Parameter näher charakterisiert. Darüber hinaus zeigte sich, dass die DMS Oxidation durch Hydroxylradikale (•OH) (Abbildung 1, Reaktion 14), die durch die Fenton Reaktion aus H2O2 in Anwesenheit von Mn+ entstehen, deutlich schneller verläuft.
Zusammenfassend wurde in dieser Dissertation das Verhalten von DMSO im Brauprozess charakterisiert, wodurch der Wissenstand bezüglich des Beitrags zum DMS Gehalt in Bier deutlich erweitert werden konnte. Weiterhin konnten bislang unbekannte Reaktionsmechanismen der DMS Oxidation im Malz aufgeklärt werden. Das in dieser Arbeit beschriebene prooxidative Verhalten von Antioxidantien sowie die zuvor nicht erforschte respirationsbedingte H2O2 Bildung während der Keimung von Braugetreide deutet darauf hin, dass derartige Reaktionen ebenfalls in diversen anderen oxidativen Reaktionen in Malz, Würze und Bier involviert sind, welche zu erheblicher Qualitätsverminderung führen.
