Lebensmittelbiotechnologie
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Kakao – Fermentation - Zusatzinformation Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Kakaoaroma mit Pflanzenzellkulturen - Züchtung von Kalluskulturen von Theobroma cacao - Submersfermentationen der Pflanzenzellen - Ernte der Zellen - Rösten der getrockneten Biomasse - Extraktion des Kakaoaromas Lebensmittelbiotechnologie Lebensmittelbiotechnologie - Fermentationsverfahren Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Fermentationen Traditionelle Verfahren Spontane Fermentationen Kakao Kaffee unter Zugabe von Mikroorganismen Alkoholische Gärung Essigsäuregärung Milchsäuregärung Moderne Verfahren Starterkulturen Enzyme Aminosäuren Vitamine usw. Spontane Fermentationen Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Allgemeine Charakterisierung • keine Zugabe von Mikroorganismen • Mikroorganismen sind im Ausgangsprodukt vorhanden oder siedeln sich aus der Umgebung an • Fermentation ist von Umgebungsbedingungen abhängig • unsterile Prozessführung • keine direkte Beeinflussung des Fermentationsablaufes • Fermentationsführung beruht auf empirischen Erfahrungen • geringer Investitionsbedarf • ungelerntes Bedienungspersonal • hohe Gefahr von Fehlproduktionen • Einsatz nur im Low-cost-Bereich Lebensmittelbiotechnologie - Fermentationsverfahren Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Fermentationen Traditionelle Verfahren Spontane Fermentationen Kakao Kaffee unter Zugabe von Mikroorganismen Alkoholische Gärung Essigsäuregärung Milchsäuregärung Moderne Verfahren Starterkulturen Enzyme Aminosäuren Vitamine usw. Traditionelle Fermentationsverfahren Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Primäre Stoffwechselprodukte Alkoholische Gärung Bier Wein Hefeteig Milchsäuregärung Käse Joghurt Gemüse Essigsäuregärung Speiseessig Alkoholische Gärung Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Klassische Produkte z.B.: Bier Wein Hefeteig Gleichung für die alkoholische Gärung von Glukose: C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2 Lebensmittelbiotechnologie Alkoholische Gärung - Chemie Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Zucker (Glucose) 2 ATP 2 2 ADP ADP 2 Pyruvat Fructose-1,6-Biphosphat 2 CO2 2 Acetaldehyd 2 Triosephosphat 2 H3PO4 Decarboxylase 2 2 NADH + H+ NAD+ 2 NAD+ 2 NADH + H+ 2 Ethanol 2 Phosphoglycerat 4 ADP 4 ATP 2 H2O 2 Pyruvat Alkoholische Gärung - Chemie Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Bierherstellung - Geschichtlicher Abriß Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie 6000 v. Chr. Bierähnliche Getränke in Mesopotamien 2000 v. Chr. Bier in Ägypten 1725 v. Chr. Gesetze des Hammurabi regeln den Bierausschank Sumerer kennen 19 Biersorten um 0 Bierherstellung bei Kelten und Germanen um 1400 industrielle Bierbrauerei in Flandern und Holland 1496 erste Verordnung gegen Alkoholmissbrauch 1516 Reinheitsgebot in Bayern 1818 Entdeckung der Gärungseigenschaften von Hefen 1883 Einsatz von Reinkulturhefen 1960 Enzymeinsatz im Maischprozess 1975 Einsatz von Großreaktoren („Reaktorbier“) 2002 Test von Diacetyl-negativen Brauereihefen Bierherstellung Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Geniesst im edlen Gerstensaft des Weines Geist, des Brotes Kraft! Bierherstellung - Prozessschema Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Malzschrot Wasser Wasser Maischpfanne 2,5 - 4,0 h Temperaturprofil ca. 35°C - 75°C Läuterbottich 1 - 1,5 h Vorderwürze 2,5-3,0 h Abläutern ca. 70°C Würzpfanne 1,5 - 2,0 h Kochen Treber Hopfen Lebensmittelbiotechnologie Bierherstellung - Prozessschema Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Würzpfanne Kühlen Hefe Gärbottich 7 - 8 Tage 8 - 9°C Lagertank 4 - 16 Wochen 0 - -1 °C Hefe Filtrieren Abfüllen Bierherstellung – Prozessschema - Rohstoffe Fachhochschule Flensburg Malzschrot Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Kühlen Wasser Maischpfanne Gärbottich Hefe Hefe Wasser Läuterbottich Lagertank Würzpfanne Filtrieren Abfüllen Treber Hopfen Bierherstellung - Rohstoffe Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Deutsches Reinheitsgebot Wilhelm IV., Herzog von Bayern, ordnete am 23. April 1516 an: ... daß forthin allenthalben in unseren Städten, Märkten, und auf dem Lande zu keinem Bier mehr Stücke als allein Gerste, Hopfen und Wasser verwendet und gebraucht werden sollen. ... ... und dabei kannte er noch nicht einmal die Hefe! Bierherstellung – Rohstoffe - Wasser Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Vergleich der Zusammensetzung von zwei typischen Brauwasser: Wasser Pilsen München Karbonathärte 1.3 14.2 Nichtkarbonathärte 0.3 0.6 Gesamthärte 1.6 14.8 1 °dH (1 deutscher Härtegrad) entspricht 1 g CaO pro 100 l Wasser Karbonathärte Bikarbonate des Kalks [Calcium] und des Magnesiums Nichtkarbonathärte Sulfate und Chloride des Kalks [Calcium] und Magnesiums Bierherstellung – Rohstoffe - Gerste Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Gerste Stärke 63 % Zellulose Zucker 2% Fett 2,5 % Eiweisse 11 % Asche 2,6 % Pentosane (Zucker) 10 % Sonstige (Enzyme) 3,9 % Weizenmalz Rohfrucht Sirupe und Extraktpulver Malzextrakte und Würzekonzentrate Brauzucker 5% Herstellung von obergärigen Bieren: Mischungen von Weizenmalz mit Gerstenmalz (40:60) unvermälzte Getreide (15-50 %) Säurehydrolyse von Gerste, Weizen oder Mais Saccharose, Invertzucker und Stärkezucker Bierherstellung – Rohstoffe - Hopfen Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Pflanze: Humulus lupulus Bierrelevante Eigenschaften: - herber, erfrischender Geschmack, - konservierende Eigenschafte (Haltbarkeit des Bieres) - Schaumbildung Bierrelevante Inhaltsstoffe: - ätherische Öle - Bitterstoffe - Hopfenbittersäuren (Humulon und Lupulon), Weichharze und das Hartharz - Hopfengerbstoff (bildet mit dem Eiweiss unlösliche Verbindungen) Bierherstellung – Rohstoffe - Hefe Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Mikroorganismen: Saccharomyces cerevisiae Temperaturoptimum: 28°C wird für die Herstellung obergäriger Biere verwendet Saccharomyces uvarum (carlsbergensis) Temperaturoptimum: 7-12°C wird für die Herstellung obergäriger Biere verwendet Bierherstellung – Wichtige Prozessschritte Fachhochschule Flensburg Malzschrot Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Kühlen Wasser Maischpfanne Gärbottich Hefe Hefe Wasser Läuterbottich Lagertank Würzpfanne Filtrieren Abfüllen Treber Hopfen Bierherstellung – Herstellung der Maische Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Dekoktionsverfahren: Teilmengen der Maische getrennt gekocht und der verbleibenden Maische wieder beigemengt Einmaischverfahren (für Biere aller Art; auch "Kesselmaischverfahren" genannt) Zweimaischverfahren (für helle Biere) Dreimaischverfahren (fast ausschliesslich für dunkle Biere) Infusionsverfahren: • die gesamte Maische wird erwärmt • bei bestimmten Temperaturen werden Pausen eingehalten Bierherstellung – Herstellung der Maische Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Vorgang Lebensmittelbiotechnologie Temperatur [°C] Einmaischen (Eiweissrast) 57 Gesamtmaische aufwärmen auf 63 Halten bei (Verzuckerung durch β-Amylase) 63 Erwärmen auf 72 Halten bei (Verzuckerung durch α-Amylase und Glucoamylase) 72 Erwärmen auf 76 Halten bei (Verzuckerung durch α-Aylase) 76 Abmaischen bei 76 Bierherstellung – Herstellung der Maische Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie α-Amylasen Zufällige Abspaltung von Oligosacchariden bis auf die Stufe Maltose; keine Spaltung der Verzweigungsstellen von Amylopektin ("Stärkeverflüssigung") (Optimum bei 72-76 °C und pH 5.3 bis 5.8) β-Amylasen Abspaltung von Maltose vom nichtreduzierenden Kettenende her; keine Spaltung von Verzweigungsstellen von Amylopektin (Optimum bei 60-65 °C und pH 4.6) Glucoamylase Abspaltung von Glucose vom nichtreduzierenden Kettenende her; Spaltung der Verzweigungsstellen von Amylopektin Proteinasen Proteinabbau (Optimum bei 55-65 °C und pH 4.6) Bierherstellung – Wichtige Prozessschritte Fachhochschule Flensburg Malzschrot Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Kühlen Wasser Maischpfanne Gärbottich Hefe Hefe Wasser Läuterbottich Lagertank Würzpfanne Filtrieren Abfüllen Treber Hopfen Bierherstellung – Wichtige Prozessschritte Fachhochschule Flensburg Malzschrot Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Kühlen Wasser Maischpfanne Gärbottich Hefe Hefe Wasser Läuterbottich Lagertank Würzpfanne Filtrieren Abfüllen Treber Hopfen Bierherstellung – Würzekochen Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Einstellung des Extraktgehaltes Lösung von Hopfenbestandteilen Bruchbildung Sterilisation der Würze Abdampfung unerwünschter flüchtiger Substanzen Lebensmittelbiotechnologie Bierherstellung – Wichtige Prozessschritte Fachhochschule Flensburg Malzschrot Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Kühlen Wasser Maischpfanne Gärbottich Hefe Hefe Wasser Läuterbottich Lagertank Würzpfanne Filtrieren Abfüllen Treber Hopfen Bierherstellung – Wichtige Prozessschritte Fachhochschule Flensburg Malzschrot Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Kühlen Wasser Maischpfanne Gärbottich Hefe Hefe Wasser Läuterbottich Lagertank Würzpfanne Filtrieren Abfüllen Treber Hopfen Bierherstellung – Wichtige Prozessschritte Fachhochschule Flensburg Malzschrot Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Kühlen Wasser Maischpfanne Gärbottich Hefe Hefe Wasser Läuterbottich Lagertank Würzpfanne Filtrieren Abfüllen Treber Hopfen Bierherstellung – Reaktorverfahren Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie • Verwendung von Großraumreaktoren bis 1.000 m³ • Maischprozess im Infusionsverfahren • Haupt- und Nachreifung laufen in einem Behälter ab Vorteile • verbesserte Raum-Zeit-Ausbeute • geringere Kosten • Prozess ist besser steuerbar Nachteile • erhöhter Investitionsaufwand • hochqualifiziertes Personal ist für die Bedienung und Wartung notwendig • (sensorische Veränderungen gegenüber traditionell hergestellten Bier) Bierherstellung – Neue Gärhefen Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Gewünschte Eigenschaften neuer Hefespezies • • • • verbesserte Gärleistung in der Bierwürze verbesserter Flockungscharakter geringere Bildung von Nebenprodukten Abbau von Diacetyl Genetisch-veränderte Brauereihefen • Synthese von α-Acetolactat-Dehydrogenase (Abbau von Diacetyl, α-Acetolactat) • Synthese von amylolytischen Enzymen (Verstoffwechslung von Stärke als C-Quelle) • Bildung extrazellulärer Glukoseoxidase (Abbau von Sauerstoff zur Verbesserung der Haltbarkeit des Bieres Schwere Fermentationsverfahren Bierherstellung – Besondere Biersorten Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Alkoholfreies Bier (Alkoholgehalt <0,5Vol%) • Kältekontaktverfahren • Dünnschichtverdampfung • Dialyse • Umkehrosmose • Kontinuierliches Verfahren mit immobilisierter Hefe Diät-Bier (ohne verdaubare Kohlenhydrate) • Abbau der Dextrine (Restextrakt) mittels β-Glukanase • (klonierte Hefen mit β-Glukanase-, α-Amylase- und Glukoamylase-Aktivität Traditionelle Fermentationsverfahren Fachhochschule Flensburg Institut für Verfahrenstechnik Lebensmittelbiotechnologie Allgemeine Charakterisierung von Fermentationen mit Zugabe von Mikroorganismen • Mikroorganismen aus den Ausgangsprodukten werden vor dem Fermentationsprozess abgetötet • Zugabe von Mikroorganismen als Reinkultur • fremdkeimarme Prozessführung • das Wachstum der zugesetzten Mikroorganismen hat autokonservierende Wirkung durch die Bildung primärer Stoffwechselprodukte, wie Milch- und Essigsäure oder Alkohol • der Fermentationsablauf kann empirisch beeinflusst werden • Investitionsbedarf: mittel bis hoch • Bedienungspersonal: gelerntes Fachpersonal • Einsatz nur im Bereich von Massenproduktionen
