Getränke zwischen Tradition und Moderne

Nutzung der Bioprozesstechnik zur Herstellung von Wasserkefir

  • Abb.1: A: Wasserkefirkristalle, B: Mikroskopische Aufnahme einer Hefezellengruppierung (Gattung Brettanomyces) aus einer Wasserkefirprobe.
  • Abb.1: A: Wasserkefirkristalle, B: Mikroskopische Aufnahme einer Hefezellengruppierung (Gattung Brettanomyces) aus einer Wasserkefirprobe.
  • Abb. 2: Verlauf einer traditionellen Wasserkefirfermentation. Dargestellt sind A: relevante Zucker und Stoffwechselprodukte, B: die antioxidative Kapazität sowie das Redoxpotential, C: die in Schwebe befindlichen Zellkonzentrationen sowie darin enthaltenen KbE, und D: der pH-Wert, Gelöstsauerstoff (Dissolved Oxygen, DO) sowie die bis 72 h aufgezeichnete Veränderung der Atmosphärenzusammensetzung im Kopfraum des (unbegasten) Bioreaktors.
Wasserkefir als traditionell fermentiertes Getränk erfreut sich aufgrund seiner nutritiven Eigenschaften steigender Beliebtheit. Dies stellt vor allem Produzenten vor die Herausforderung, einen klassischerweise mit komplexen, undefinierten Mischkulturen (den Wasserkefirkristallen) durchgeführten Prozess kontrollier- und steuerbar zu gestalten. Mit einer Kombination moderner bioprozesstechnischer Methoden sollen nun Details der Fermentation beleuchtet und so die Regelbarkeit des Prozesses optimiert werden.
 
Qualitätssicherung und Produktsicherheit
Traditionell aus gesüßtem Wasser, Trockenobst und den so genannten Wasserkefirkristallen hergestellt, erfordert die steigende Nachfrage aufgrund des erfrischenden Charakters und seiner potentiell gesundheitsfördernden Eigenschaften nun ein Umdenken im Herstellungsprozess von Wasserkefir. Vor allem die Kristalle, welche aus mikrobiellen Exopolysacchariden bestehen und von einer Vielzahl unterschiedlicher Mikroorganismen wie Milchsäurebakterien und Hefen besiedelt sind, sind für einen kontrollier- und reproduzierbaren Prozess wenig geeignet.
Wasserkefirkristalle beherbergen je nach Ursprung und Alter der Kulturen unterschiedliche Milchsäurebakterien und Hefen, darunter häufig Lactobacillus paracasei, L. hilgardii und L. nagelii sowie Saccharomyces spp. und Brettanomyces spp. (s. Abb. 1) [1, 2]. Über eine Fermentationsdauer von üblicherweise 2-4 Tagen bei Raumtemperatur bilden die Organismen CO2, Ethanol, organische Säuren (insbesondere Milchsäure), Glycerol und diverse Aromakomponenten, welche dem Gärgetränk einen fruchtig-süßen und erfrischenden Charakter geben.
Gegenüber der traditionellen Herstellung liegt in der industriellen Produktion der Fokus auf Aspekten wie Qualitätssicherung und Produktsicherheit, wobei auch traditionelle Aspekte wie Geschmack und Naturbelassenheit für den Verbraucher von großer Bedeutung sind. Doch wie lassen sich so gegensätzliche Punkte miteinander vereinen? Durch umfassendes Prozessverständnis und moderne Analytik ist dies ein marginales Problem.
Mikrobiell ist der erste Schritt, die traditionellen Kefirkristalle gegen definierte Reinkulturen auszutauschen.

Dies verringert das Kontaminationsrisiko enorm und erhöht schon im ersten Schritt die Kontrollierbarkeit im industriellen Maßstab um ein Vielfaches. Durch den Einsatz solcher Starterkulturen können außerdem gezielt Produkteigenschaften, wie z. B. Säurespektrum oder Aromaprofil, erreicht werden. Doch auch weitere Zutaten wie Zucker oder Trockenobst, welche den Organismen während der Fermentation als Nährstoffe dienen, sollten dem Prozess so definiert wie möglich zugegeben werden. Neben definierten Inhaltsstoffen trägt darüber hinaus eine umfassende, prozessbegleitende Analytik durch ihren Einsatz zur Steuerung zu einem sicheren Prozess bei.

 
Analytik for Knowledge
Im Rahmen von Entwicklungsarbeiten zur Herstellung von Wasserkefir wurde der charakteristische, zeitliche Verlauf einer traditionellen Fermentation mit undefinierten Starterkulturen ermittelt (Abb. 2), welcher für nachfolgende Entwicklungen unter definierten Bedingungen als Referenz dient.
Im Verlauf der Fermentation zeigte sich deutlich das Wechselspiel der durch die Mikroorganismen verursachten Saccharosespaltung und der daraus resultierenden Freisetzung von Glukose und Fruktose (Abb. 2A). Gleichzeitig kann eine durch die Milchsäurebakterien bedingte Laktatbildung sowie eine kontinuierliche Produktion von Ethanol durch die enthaltenen Hefen detektiert werden. Diese Stoffwechselaktivitäten führen zu einem raschen Abfall des pH-Wertes sowie einem schnellen Verbrauch des gelösten Sauerstoffs (Abb. 2D). Auch das Redoxpotential wird während der Fermentation durch die Mikroorganismen abgesenkt, wobei die antioxidative Kapazität steigt (Abb. 2B). Durch die Analyse der im Kopfraum befindlichen Atmosphäre wird die sich über dem Flüssigkeitspegel anhäufende Menge an CO2 sowie die gleichzeitige Abnahme an O2 detektiert (Abb. 2D, kleines Fenster). Die Untersuchungen zeigten eine gute Übereinstimmung des sich nach 48 h eingestellten Redoxpotentials mit den gewünschten sensorischen Eigenschaften sowie einem für die Deklaration „alkoholfrei“ erforderlichen Alkoholgehalt von weniger als 0,5 %vol. Weitere Untersuchungen sollen nun zeigen, ob dies auch für nicht-traditionelle Prozesse zur Herstellung von Wasserkefir der Fall ist.
Weitere, für die Entwicklung von Fermentationsprozessen zur Verfügung stehende, moderne Methoden sind jene zur Analyse der Wachstumseigenschaften der jeweiligen Mikroorganismen. So kann mit Hilfe von Impedanzmessverfahren eine statistisch aussagekräftige Konzentrationsbestimmung durchgeführt werden, welche durch gleichzeitige Bestimmung der Zellgrößenverteilung zur Unterscheidung verschiedener Populationen wie Hefen und Bakterien genutzt werden kann [3]. Durchflusszytometrische Methoden bieten durch die Vielzahl verfügbarer Marker die Möglichkeit, auf Basis einzeln gezählter Zellen zusätzliche Aussagen zur Physiologie zu treffen [4]. Für die Analytik stäbchenförmiger Milch- und Essigsäurebakterien kann mittels elektrooptischer Analyse die vom physiologischen Zustand abhängige Polarisierbarkeit der Zellen quantifiziert und so u. a. eine Aussage zur Vitalität der Population getroffen werden [5].
Für den dargestellten Prozess unter Verwendung komplexer Kulturen konnten solche Analysentechnologien nicht angewendet werden. So erschwerten die sekretieren Exopolysaccharide zusätzlich die mikrobiologischen Analysen, welche bereits durch die Verwendung einer Mischkultur erschwert wurden. Durch die Partikelgröße, welche über den gesamten Größenbereich der Bakterien und Hefen streut und zusätzlich für eine Trübung des Mediums sorgt, waren die Daten der optischen Methoden und der Impedanzmessung unbrauchbar. Des Weiteren ist zu berücksichtigen, dass aufgrund der inhomogenen Verteilung der in den Kristallen und in der Flüssigkeit befindlichen Mikroorganismen keine für den Gesamtansatz repräsentative Probenahme möglich ist. Entsprechend wurde auf die klassische Zellzählung der in Schwebe befindlichen Zellen mittels Thomakammer zurückgegriffen, welche eine gute manuelle Differenzierung der Hefen und Bakterien zulässt, sowie auf die Bestimmung der Koloniebildenden Einheiten mittels Ausplattieren auf Selektivnährmedien (Abb. 2C).
Aus Wasserkefir isolierte und gut charakterisierte Reinkulturen werden für weiterführende Entwicklungsarbeiten eines modernen Herstellungsprozesses genutzt. Durch verfügbare Analysemethoden kann der vollständige Herstellungsprozess bis zum abgefüllten Produkt verfolgt werden. Fundiertes Prozesswissen ermöglicht es zudem, den vielen Herausforderungen, insbesondere bei möglichst naturbelassenen Produkten, gut vorbereitet entgegen zu treten. Ein wichtiges Qualitätskriterium ist die sensorische Bewertung des Gärproduktes entlang seines gesamten Lebenszyklus. Dieser Aspekt bestimmt nicht zuletzt auch die Haltbarkeit und die Kundenakzeptanz des Produktes.
 
 
​Autoren
Stefanie Malchow1, Katarzyna Kiewlicz1, Martin Senz
 
Zugehörigkeiten
1Abteilung Bioprozesstechnik und Angewandte Mikrobiologie (BEAM), Forschungsinstitut Biotechnologie und Wasser (FIBW), Versuchs- und Lehranstalt für Brauerei in Berlin (VLB) e.V., Deutschland
 
Kontakt   
Dr.-Ing. Martin Senz
Abteilungsleiter BEAM
VLB Berlin
Berlin, Deutschland
m.senz@vlb-berlin.org
 
 
 
 

 

Literatur:

[1]     Alan J. Marsh, Orla O'Sullivan, Colin Hill, R. Paul Ross, Paul D. Cotter, Sequence-based analysis of the microbial composition of water kefir from multiple sources, FEMS Microbiology Letters, Volume 348, Issue 1, November 2013, Pages 79–85, https://doi.org/10.1111/1574-6968.12248

[2]     Laureys, David; Vuyst, Luc de; Griffiths, M. W. (2014): Microbial Species Diversity, Community Dynamics, and Metabolite Kinetics of Water Kefir Fermentation. In: Applied and Environmental Microbiology 80 (8), S. 2564–2572. DOI: 10.1128/AEM.03978-13.

[3]     Sokolenko, Stanislav; Cheng, Yu-Lei; Aucoin, Marc Gordon (2010): Getting more from cell size distributions: Establishing more accurate biovolumes by estimating viable cell populations. In: Biotechnol Progress 26 (6), S. 1787–1795. DOI: 10.1002/btpr.486.

[4]     Mario Díaz; Mónica Herrero; Luis A. García; Covadonga Quirós (2010): Application of flow cytometry to industrial microbial bioprocesses. In: Biochemical Engineering Journal 48 (3), S. 385–407. DOI: 10.1016/j.bej.2009.07.013.

[5]     Junne, Stefan; Nicolas Cruz-Bournazou, M.; Angersbach, Alexander; Götz, Peter (2010): Electrooptical monitoring of cell polarizability and cell size in aerobic Escherichia coli batch cultivations. In: Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology 37 (9), S. 935–942. DOI: 10.1007/s10295-010-0742-5.

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