UNIVERSITÄTSBIBLIOTHEK

Immobilisierung von Glycosidasen an magnetische Partikel mit dem Ziel einer Weinaromaverbesserung

  • In der Winzertechnik werden Enzympräparate für diverse Anwendungen eingesetzt. Dabei gibt es zahlreiche kommerzielle Enzyme zur Verbesserung bzw. Freisetzung von Aromen. Solche Enzympräparate werden nach einiger Zeit durch eine Bentonitschönung inaktiviert bzw. ausgefällt und gehen damit verloren. Der Einsatz von neuem Enzympräparat bei jedem weiteren Gärungsansatz stellt dabei einen Kostenfaktor für den Winzer dar und es bleibt eine gewisse Rest-Enzymaktivität im Wein erhalten. Letzteres führt dazu, dass solche Weine sensorisch nach einem halben bis einem Jahr abbauen. Um sensorische Beeinträchtigungen und Qualitätsminderungen vorzubeugen ist eine vollständige Entfernung der Enzyme wichtig. Eine Immobilisierung dieser Enzyme an Magnetit-Partikel stellt eine Möglichkeit dar, dieses Problem zu lösen. Besonders die vollständige Entfernung durch eine Magnet-Separation und die anschließende Wiederverwendbarkeit der Enzyme sind dabei wichtige Vorteile für den Winzer. Bei Enzympräparaten zur Weinaromaverbesserung handelt es sich um pektolytische Enzymmischungen mit einer β-Glucosidase-Nebenaktivität. Gerade in Weißwein kommen viele Aromen glykosidisch gebunden vor und sind dadurch sensorisch nicht wirksam. Diese glykosidischen Verbindungen können durch eine β Glucosidase-Aktivität gespalten und das entsprechende Aroma-Aglykon freigesetzt werden. Allerdings liegt bei der Freisetzung der Aromastoffe ein sequentieller Mechanismus vor, d.h. es werden ebenfalls andere Glycosidasen, wie Arabinosidase, Rhamnosidase oder Xylosidase, benötigt, um Aroma freizusetzen. Daher muss es sich bei den für die Aromafreisetzung eingesetzten Enzymen immer um eine Mischung aus Glycosidasen handeln. Die Immobilisierung verschiedener Enzyme auf einen Träger ist dahingehend eine Herausforderung, indem jedes Enzym andere Voraussetzungen hat, um erfolgreich an einen Träger zu koppeln. Aus diesem Grund ist die simultane Immobilisierung mehrere Enzyme immer nur ein Kompromiss. Ziel dieser Arbeit war es, die Enzyme erfolgreich an Magnetit-Partikel zu koppeln und mittels analytischer und sensorischer Untersuchungen die Wirksamkeit und die Eigenschaften der Enzyme hinsichtlich eines Einsatzes in der Winzertechnik zu bewerten. Zur Immobilisierung wurden superparamagnetische Magnetit-Partikel, die in einer Matrix aus Polyvinylalkohol eingeschlossen waren, verwendet und die Konjugation der Enzyme wurde mit Carbodiimid durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist mehrere Glycosidasen verschiedener Spezifität aus einem kommerziellen, önologischen Enzympräparat erfolgreich an Magnetit-Partikel zu koppeln und dadurch die Aroma-Ausprägung von Wein positiv zu beeinflussen. Bei den untersuchten Bedingungen stellten sich pH 3,8 bis 4,0 als beste Voraussetzung heraus, um möglichst viele Glycosidasen aktiv an den Träger zu konjugieren. Generell hatte die β-Glucosidase eine relativ hohe Kopplungsaffinität zum Träger, sodass im immobilisierten Enzymgemisch andere Mengenverhältnisse der einzelnen Glycosidasen vorlagen als im Ausgangsprodukt. Untersuchungen hinsichtlich einer möglichen Änderung im Aktivitätsprofil zeigten keine signifikanten Unterschiede. Durch die Kopplungsreaktion kam es zu keiner negativen Beeinträchtigung. Für alle Enzympräparate wurde allerdings eine deutliche Inhibition der β-Glucosidase-Aktivität durch Glucose festgestellt. Die Enzyme sollten daher erst am Ende bzw. nach der Gärung eingesetzt werden, da dort die Glucose-Konzentration am niedrigsten ist. Stabilitätsuntersuchungen der gekoppelten Glycosidasen im Wein zeigten lediglich leichte Aktivitätsverluste. Somit war die Kopplung stabil und stellte kein Hindernis für einen Einsatz im Wein dar. Die Rückgewinnung der Magnetit-Partikel aus Wein wurde mit Hilfe eines Hochgradient-Magnet-Separators durchgeführt. Die Separation hatte ebenfalls keinen negativen Einfluss auf die Enzymaktivität der gekoppelten Enzyme. Da die Enzyme an Magnetit-Partikel gekoppelt wurden, ist eine mögliche Eisenmigration aus den Partikeln in den Wein ebenfalls ein wichtiges Kriterium und wurde entsprechend untersucht. Dabei konnten durch den Einsatz der Magnetit-Partikel im Wein teilweise ein stark erhöhter Eisengehalt festgestellt werden. Eine erhöhte Eisen-Konzentration im Wein kann zu drastischen Qualitätseinbußen und zu vermehrter Oxidation führen. In Folge dessen stellt die Eisenmigration aus den Partikeln noch ein erhebliches Problem bei einem späteren Einsatz in der Winzertechnik dar. Untersuchungen zum Phenolgehalt der mit Magnetit-Partikel behandelten Weinproben ließen auf einen solchen oxidativen Abbau durch die erhöhten Eisen-Konzentrationen schließen. Weitere Untersuchungen einiger Einzelphenole bestätigten diese Annahme. Neben verminderten Phenolgehalten konnten dagegen einige Phenole, wie Kaffeesäure, p Coumarsäure und Resveratrol, durch den Enzymeinsatz signifikant gesteigert werden. Weitere Untersuchungen zeigten, dass die gekoppelten Enzyme fähig waren, Aromastoffe im Wein freizusetzen. Der Terpengehalt konnte signifikant durch Enzymeinsatz, sowohl frei als auch immobilisiert, gesteigert werden. Dies betraf besonders die Monoterpene Nerol und Geraniol. Ein Vergleich zwischen gekoppelten und freien Glycosidasen zeigte, dass durch das nicht-immobilisierte Enzymgemisch etwas mehr der untersuchten Verbindungen freigesetzt wurde. Dieser Effekt kann mit der durch die Kopplung veränderten Enzym-Zusammensetzung erklärt werden, da ein größerer Anteil an β-Glucosidase an die Magnetit-Partikel koppelte, aufgrund des sequentiellen Mechanismus, aber auch andere Glycosidasen von Bedeutung sind, um das entsprechende Aglykon freizusetzen. An Magnetit-Partikel gekoppelte Glycosidasen können gut in bestehende Batch-Prozesse der Weinherstellung integriert werden. Außerdem sind, abgesehen vom Magnet-Separator, nur geringe Investitionen in neue Anlagen nötig. Weitere Vorteile sind eine gute Abtrennung und Wiederverwendbarkeit der gekoppelten Enzyme, enzymfreies Produkt, nahezu identische Anwendung im Vergleich zu bestehenden Enzympräparaten und es ist kaum neue Prozess-Expertise für die Winzer notwendig. Die Prozessbetrachtung zeigte allerdings auch die Komplexität der Hydrolyse glykosidisch gebundener Stoffe im Wein, da eine Vielzahl von Faktoren die Hydrolyse der Glykoside im Wein beeinflusst. Somit ist eine Vorhersage bzw. Abschätzung der Freisetzung an Aromastoffen im Wein durch einen Enzymeinsatz äußerst kompliziert und es ist zurzeit noch nicht möglich die erworbenen Kenntnisse zur Hydrolyse der Glykoside den Weingütern effizient zur Verfügung zu stellen. Die Glycosidasen β-Glucosidase, Arabinosidase, Rhamnosidase und Xylosidase konnten erfolgreich auf die verwendeten Magnetit-Partikel immobilisiert, deren mögliche Wiederverwendbarkeit gezeigt und durch den Einsatz dieser Enzyme der Gehalt an Terpenen und einiger Phenole signifikant gesteigert werden. Diese Erkenntnisse zeigen, dass ein Einsatz der an Magnetit-Partikel gekoppelten Glycosidasen in der Winzertechnik möglich ist. Allerdings können die erhöhten Eisengehalte durch die Verwendung der Magnetit-Partikel zu Qualitätseinbußen führen. Daher sind die verwendeten Partikeln noch nicht für einen Einsatz in der Winzertechnik geeignet. Diese bedürfen weiterer Entwicklung, da für einen erfolgreichen Einsatz möglichst inerte Partikel vorliegen sollten, um die beschriebenen negativen Effekte zu minimieren.

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Metadaten
Verfasserangaben:Marvin J. Ferner
URN (Permalink):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-43484
Betreuer:Roland Ulber, Heike Raddatz
Dokumentart:Dissertation
Sprache der Veröffentlichung:Deutsch
Veröffentlichungsdatum (online):31.03.2016
Jahr der Veröffentlichung:2016
Veröffentlichende Institution:Technische Universität Kaiserslautern
Titel verleihende Institution:Technische Universität Kaiserslautern
Datum der Annahme der Abschlussarbeit:15.03.2016
Datum der Publikation (Server):01.04.2016
Freies Schlagwort / Tag:Glycosidasen; Immobilisierung; Magnetit-Partikel; Wein
Seitenzahl:XIV, 300
Fachbereiche / Organisatorische Einheiten:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Sachgruppen:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Lizenz (Deutsch):Standard gemäß KLUEDO-Leitlinien vom 30.07.2015