Übung 7 – Weinbereitung und Bilanzierung Stand WS 2015-15 INTERDISZIPLINÄRES PRAKTIKUM HERSTELLUNG VON FRUCHTWEIN UND 7. ÜBUNG JAPANISCHEM SAKE UND BILANZIERUNG DER ALKOHOLISCHEN GÄRUNG 1. Grundlagen 1.1. Fruchtweinbereitung Die Technologie des Weines, in Fachkreisen allgemein Kellertechnik genannt, wird in der BRD als Technologie zur Erzeugung qualitativ hochwertiger Weine mit möglichst natürlichen, sortentypischen, in der Zusammensetzung harmonischen Charakteristika verstanden. Die Erzeugung von Weinmasse bleibt auf klimatisch begünstigte Weinbaugebiete, z.B. Frankreichs oder Italiens, beschränkt. In der EG-VO Nr. 3282/73, Art. 3 wird die Weinbereitung allgemein als Verarbeitung von frischen Weintrauben oder Maischen, Traubenmost, konzentriertem Traubenmost, teilweise gegorenem Traubenmost, Traubensaft, konzentriertem Traubensaft oder Jungwein zu Wein durch vollständige oder teilweise alkoholische Gärung beschrieben. Die angesprochenen Möglichkeiten deuten einen starken technologischen Eingriff in die Weinbereitung an. Kontinuierliche Verfahren sind nur in Versuchsansätzen, kaum aber in der Praxis erkennbar, vorhandene ansatzweise Techniken bzw. Technologien müssen optimiert eingesetzt werden. Eine besondere Rolle spielen die Beereninhaltsstoffe, die sowohl durch biologische Faktoren, wie Sorte, Klima, Boden und Reifezustand der Trauben, als auch durch die verarbeitenden Technologien, wie Mahlen, Maischen und Pressen, bedingt werden. Im Praktikum soll Wein aus Äpfeln nach klassischem Verfahren in ruhenden Behältern mit Gäraufsatz erzeugt werden. Einfluss auf die Qualität des Endproduktes kann dabei insbesondere durch den Zucker- und Säuregehalt sowie die Lagerdauer genommen werden. Seite 1/12 Übung 7 – Wein, Sake und Bilanzierung 1.2. Japanischer Sake Grundsätzlich benötigt man zur Sakeherstellung nur Reis, Wasser und einen erfahrenen Fachmann, den Toji (Sake-Braumeister). Eine Kurzbeschreibung zur SakeHerstellung sieht folgendermaßen aus: Als erstes muss der Reis poliert werden, d.h., die äußere Schicht des Reiskorns wird entfernt. Anschließend wird er gewaschen und gedünstet. Der gedünstete Reis wird dann mit Kouji (Reis, mit einem Schimmelpilz bewachsen) und Gärhefe vermischt. Dieses Gemisch wird in einem Gärbehälter in mehreren Schritten über vier Tage nochmals mit Reis und Wasser vermischt. Die anschließende Fermentation dauert ca. 18-32 Tage, danach wird der Sake abgepresst, filtriert und mit Wasser verdünnt. Besonders hervorzuheben ist der Unterschied zwischen der Fruchtweinbereitung und der Sake-Herstellung. Beim Fruchtwein werden von der Hefe die vorliegenden Zucker zu Ethanol und CO2 verstoffwechselt oder verbleiben als Aromastoffe, beim Sake liegt zunächst kein verstoffwechselbarer Zucker vor. Hier muss zunächst durch verschiedene mechanische Arbeitsschritte die Stärke im Inneren des Reiskorns verfügbar gemacht werden. Durch verschiedene Enzyme des Schimmelpilz Aspergillus oryzae wird dann die Stärke zuerst in verschiedene Zucker umgewandelt, die dann von der Gärhefe zu Ethanol verstoffwechselt werden oder als Aromastoffe verbleiben. Beide Reaktionen laufen nebeneinander gleichzeitig ab. Reis ist ein Hauptnahrungsmittel der Japaner, so überrascht es eigentlich nicht, dass Sake während der langen Reisgeschichte entstanden ist. Bis Mitte des letzen Jahrhunderts wurde von den Sake-Brauereien der auch zum Essen angebaute Reis zum Sake-Brauen benutzt. Mittlerweile wird dafür fast überall besonders grobkörniger Reis angebaut. Die Wasserqualität beeinflusst wesentlich die Qualität und den Geschmack des Sake. Die geographische Lage der Brunnen (früher wurde direkt Flusswasser benutzt) und damit verbunden die Wasserhärte und Inhaltsstoffe bestimmen damit wesentlich den Geschmack. Das Wasser sollte Kalium, Kaliumphosphat und Salpetersäure enthalten und einen Härtegrad zwischen 3 und 8 besitzen. Eisenhaltiges Wasser verdirbt den Geschmack völlig. Seite 2/2 Übung 7 – Wein, Sake und Bilanzierung Der Toji (Sake-Braumeister) überwacht und kontrolliert alle Schritte der Sakeherstellung. Er entscheidet anhand seiner Erfahrung, wann die verschiedenen Schritte der Sake-Herstellung beendet sind und die nächsten Schritte beginnen können. Mittlerweile gibt es zwar auch schon teil- und vollautomatisierte Sake-Brauereien, doch um einen hochwertigen Sake herzustellen, werden alle Schritte manuell und nach Einschätzung des Toji vorgenommen. Reispolierung. In der äußeren Schicht des Reiskorns befinden sich viele Proteine und Fette, die sich ungünstig auf Geschmack und Farbe des Sake auswirken. Daher wird der Reis poliert und dabei auf rund 70% reduziert, bei höherwertigem Sake sogar bis auf 60-40%. Der Kern des Reiskorns enthält Stärke und darf dabei nicht beschädigt werden. Beim Polieren darf sich der Reis auch nicht zu stark erwärmen, da sonst die Wasseraufnahme beeinträchtigt wird. Waschen und Wässern des Reis'. Zunächst wird durch Waschen des Reis das durch das Polieren entstandene weißliche Pulver entfernt, anschließend wird der Reis gewässert. Wie lange gewässert wird, entscheidet der Toji. Je nach Reissorte und Poliergrad kann dies wenige Minuten bis mehrere Stunden dauern. Der Reis ist durch die Wasseraufnahme nun zum Dämpfen vorbereitet. Dämpfen. Der Reis wird nun über heißem Wasserdampf gedämpft. Im Gegensatz zum Kochen erreicht man damit eine etwas härtere Oberfläche des Korns mit einem weichen Kern. Herstellung von Kouji. Mit der Herstellung von Kouji wird der gesamte weitere Prozess nachhaltig beeinflusst. Hier entscheidet sich, ob Sake von guter oder schlechter Qualität entstehen wird. Das Können und die Erfahrung des Toji sind hier wichtig. Der abgekühlte gedämpfte Reis wird mit Kouji-Schimmelpilz (Aspergillus oryzae) in Form von einem dunklen feinen Puder bestreut. Anschließend wird alles in einen speziellen Raum mit hoher Luftfeuchte und konstanter Temperatur gebracht und für 36-48 Stunden immer wieder vermischt und kontrolliert. Das Endprodukt Kouji sieht dann aus wie Reiskörner, die einen Reifüberzug haben und riecht süßlich nach Kastanien. Kouji wird für den Sake-Prozess viermal hergestellt und wird jedes Mal sofort frisch verarbeitet. Seite 3/3 Übung 7 – Wein, Sake und Bilanzierung Hefestartkultur (shubo oder moto). Hierzu werden frisches Kouji, gedämpfter Reis, Wasser und Hefezellen (Saccharomyces cerevisiae) miteinander vermischt, nach ca. zwei Wochen ist die Startkultur fertig und erreicht eine Hefezellenkonzentration von ca. 100 Millionen Zellen in einem Teelöffel. Hauptkultur (Moromi). Nachdem gedämpfter Reis, Kouji, Wasser und Hefestartkultur in einen größeren Gärbehälter gefüllt wurde, wird noch dreimal in einem Zeitraum von 4 Tagen gedämpfter Reis, Wasser und Kouji zugegeben. Grob geschätzt verdoppelt sich dabei jedes Mal der Gäransatz. Die anschließende Fermentation dauert rund 18-32 Tage. Abpressen und Filtration des Sake. Nach Abschluss der Gärung (Zeitpunkt wird wieder vom Toji bestimmt) wird der Sake abgepresst, meist in Kammerfilterpressen oder bei hochwertigem Sake in Säcken aus Leintüchern. Nach dem Abpressen wird der Sake für einige Tage zum Sedimentieren der verbliebenen Feststoffe stehen gelassen, anschließend meist mittels Aktivkohle gefiltert. Pasteurisation und Verdünnung des Sake. Überwiegend wird der Sake pasteurisiert, um ihn haltbar zu machen. Nicht pasteurisierter Sake schmeckt zwar frischer, muss aber gekühlt gelagert werden. Nach rund sechsmonatiger Lagerung zur Abrundung des Buketts wird der Sake mit Wasser von rund 20 % (v/v) Alkohol auf ca. 16 % verdünnt und meist ein zweites Mal pasteurisiert. 1.3. Bilanzierung der alkoholischen Gärung 1.3.1. Theorie der Bilanzierung Parallel zur Weingärung soll eine Bilanzierung durchgeführt werden. Als Produkt der Gärung wird die entstehende CO2-Menge bestimmt. Zur Bilanzierung wird davon ausgegangen, dass die Zellmasse beim anaeroben Stoffwechsel annähernd konstant bleibt. Die Bestimmung der CO2-Menge erfolgt entweder mit einem Trommelgaszähler (Sake-Herstellung) oder durch Wiegen des Gäransatzes (Fruchtwein-Herstellung), da durch Entweichen von CO2 eine Gewichtsabnahme stattfindet. Seite 4/4 Übung 7 – Wein, Sake und Bilanzierung Der allgemeine Nutzen einer Bilanzierung stellt sich in den folgenden Punkten dar: 1) Es ist möglich festzustellen, ob alle Edukte, Produkte und Nebenprodukte erfasst und richtig gemessen wurden. Voraussetzung ist eine sehr genaue Abgasanalytik. 2) Aus dem errechneten Respirationskoeffizienten (RQ) lässt sich ablesen, welche Stoffwechselaktivitäten die mikrobielle Kultur im betrachteten Zeitraum gerade ausführt (z.B. auf welchem Substrat die Kultur gerade wächst). 3) Aus dem gemessenen (bzw. projektierten) Substratverbrauch pro Zeit lässt sich die Sauerstofftransferrate (OTR) berechnen. Für die Bioreaktorauslegung ist dies sehr nützlich. 4) Aus den Sauerstofftransferraten kann man die biologische Wärmeentwicklung berechnen und in Verbindung mit den erforderlichen Leistungseinträgen (Rührenergie) die Mindestkühlleistung eines Fermenters abschätzen. 5) Man kann abschätzen, ob pH-Änderungen zu erwarten sind, beispielsweise aus dem Verbrauch oder der Freisetzung von NH3. 1.3.2. Funktionsprinzip eines Trommelgaszählers Das Gaszählergehäuse muss vor der ersten Messung mit einer Sperrflüssigkeit gefüllt werden (in den meisten Fällen Wasser). Die Messtrommel, die in dieser Sperrflüssigkeit rotiert, bildet mit dieser zusammen die eigentliche Messeinheit. Die Sperrflüssigkeit erfüllt zwei Funktionen: Zum einen dichtet sie die aktive Messkammer ab, zum anderen wird durch den Pegelstand der Sperrflüssigkeit das Volumen der Messkammer definiert. Erst wenn diese Messkammer komplett gefüllt ist, schließt sie und die Messtrommel dreht sich zur nächsten Kammer. Unter Voraussetzung eines gasdichten Meßsystems wird somit eine sehr genaue Messung des Gasvolumens möglich. In Abbildung 1 ist der schematische Aufbau eines Trommelgaszählers abgebildet. Seite 5/5 Übung 7 – Wein, Sake und Bilanzierung Abb. 1: Schematischer Aufbau eines Trommelgaszählers Das gemessene und angezeigte aktuelle Gasvolumen ist das Gasvolumen bei der aktuellen Gastemperatur und dem aktuellen Gasdruck. Das Norm-Volumen eines Gases ist dagegen das Volumen eines Gases bei Normbedingungen (273,15 K oder 0 °C und 1,013 bar): Die Formel zur Umrechnung des aktuellen Volumens in das Norm-Volumen lautet: V N = Va ⋅ mit p a TN ⋅ p n Ta VN Norm-Volumen [L] Va angezeigtes Volumen [L] pN Norm-Druck pa aktueller Gasdruck TN Norm-Temperatur Ta aktuelle Temperatur 1013 [mbar] [mbar] 273,15 [K] [K] Der am Manometer angezeigte Gasdruck ist der Differenzdruck zwischen dem Gasdruck am Gaseingang und dem aktuellen Atmosphärendruck. Das bedeutet, dass der in die obenstehende einzusetzende aktuelle Gasdruck (pa) der angezeigte Gasdruck am Manometer plus dem aktuellen Atmosphärendruck in [mbar] ist. Der Differenzdruck ist durch die gesamte Pegeldifferenz der Wassersäulen im linken und rechten Schenkel des U-Rohrs des Manometers gekennzeichnet. Seite 6/6 Übung 7 – Wein, Sake und Bilanzierung 2. Methodik 2.1. Fruchtweinbereitung Der Zuckergehalt des eingesetzten Saftes kann unter Verwendung eines enzymatischen Testsets, durch HPLC oder auch durch Spindeln analysiert werden. Beim Spindeln nutzt man die Abhängigkeit der Dichte einer Lösung von den darin gelösten Stoffen. Geht man davon aus, dass der mit Abstand größte Teil der gelösten Substanzen im Fruchtsaft Zucker ist, so kann man vereinfachend sagen, dass ein direkter Zusammenhang zwischen der Zuckerkonzentration und der Dichte des Saftes besteht. Die zur Dichtebestimmung eingesetzte Spindel zeigt auf der Skala Öchslegrad an. Ferdinand Öchsle (1774-1852) verbesserte die von Mathäus Hahn (17391790) konstruierte Most- oder Öchslewaage. 1 Grad Öchsle entspricht einem Gramm, um das ein Liter Most schwerer ist als ein Liter reinen Wassers. Beispiel: Ein Most mit einem spezifischen Gewicht von 1090 g hat dann 90 °Öchsle. Die Öchslewaage ist auf eine Temperatur von 20°C geeicht. Bei einer Abweichung von z.B. 4° (24°C) nach oben muss 1° Öchsle hinzugezählt werden. Unter der Voraussetzung, dass die Gewichtserhöhung nur durch den Zucker zustande kommt, erhält man nach der Formel [%] Zucker = (°Oe/4) - 2 die Zuckerkonzentration des Mostes. Ein wichtiger Punkt bei der Weinherstellung ist auch der Säuregehalt des Weines, zum einen als Geschmackskomponente, zum anderen durch den Einfluss auf die Gärung. Bei zu wenig Säure ist der pH-Wert zu hoch und das Wachstum von Fremdkeimen gegenüber Hefe, die saures Milieu bevorzugt, begünstigt. Bei zuviel Säure sinkt der pH-Wert so weit ab, dass Hefewachstum und Gärung gehemmt werden. Im Praktikum soll Apfelwein hergestellt werden. 2.1.1. Vorkultur Es wird Vorkulturmedium aus 100 mL Saft und 0,5 g Hefeextrakt in einem 300-mLErlenmeyerkolben sterilisiert. Die Vorkultur wird mit einer Flasche Steinberghefe angeimpft. Die Vorkultur wird einen Tag bei RT gerührt. Seite 7/7 Übung 7 – Wein, Sake und Bilanzierung 2.1.2. Hauptkultur Die Äpfel werden gewaschen, geviertelt und schlechte Stellen entfernt. Die Äpfel werden gemahlen und abgepresst, der Saft wird in einen 15-L-Gärballon gegeben. Die Säfte werden auf Zuckergehalt und Säure untersucht. Der Zuckergehalt des Fruchtsaftes sollte 110 bis 120 ° Öchsle betragen. Dem Fruchtsaft werden weiterhin Hefenährsalz in einer Konzentration von 2 g/10 L und Kaliumdisulfit in einer Konzentration von 1 g/10 L zugegeben. Es empfiehlt sich, einen Teil des Saftes abzunehmen und in einem kleineren Gefäß Nährsalze, Kaliumdisulfit und Zucker zuzugeben und zu lösen und dem Ansatz wieder zuzufügen. Nach dem Lösen aller Stoffe werden 50 mL Probe entnommen und eine Säurebestimmung sowie eine erneute Zuckerbestimmung mit der Öchslewaage durchgeführt. Zur Säurebestimmung werden 10 mL Most mit 2 Tropfen Phenolphthalein vermischt und mit 0,1 m NaOH bis zum Farbumschlag titriert. Der Verbrauch an Lauge in mL entspricht 0,9 g/L Milchsäure (bei 10 mL Probe). Der Apfelmost sollte 7 g Säure/L enthalten. Bei zu niedrigem Wert wird mit Milchsäure korrigiert. Die Vorkultur wird zugegeben und das Gärgefäß mit wird mit dem Gäraufsatz verschlossen. Der Ansatz wird bei auf eine Waage gestellt, es werden täglich Proben genommen (Kap. 2.1.3.). Nach etwa 14 Tagen wird die Hefe abgezogen und nach weiteren 10 Tagen kann verkostet werden. 2.1.3. Analytik Der Ethanolgehalt wird gaschromatographisch bestimmt, ebenfalls durch Wiegen des Gärbottichs (entwichenes CO2): - jeden Tag eine Probe (Probe 1-3: 5 mL; danach je1 mL) nehmen (Datum und Uhrzeit notieren) und Gesamtansatz wiegen - Probenahme mit 10-mL- bzw. 1-mL-Messpipette - 1 Eppi-Cap füllen und zentrifugieren (2 min, 13000 Upm, Raum C133) - Überstand in neues Eppi-Cap füllen und bis zur späteren Analyse einfrieren Seite 8/8 Übung 7 – Wein, Sake und Bilanzierung Ethanolmessung mit GC Herstellung von Standardlösungen Es werden 100 mL Ethanol und 100 mL 1-Butanol in einem Messkolben mit einer Konzentration von 10 mL/L hergestellt. Dazu sollte Ethanol mit möglichst hoher Reinheit verwendet werden (mind.99%ig). Das 1-Butanol dient als interner Standard und wird auch für die Proben benötigt. Aus diesen beiden Stammlösungen werden dann Standards (0,1; 0,5; 1,0 mL/L) für die Erstellung einer Eichgerade in GC-Vials verdünnt: Konz. Ethanol Ethanol (10 mL/L) 0,1 mL/L 0,5 mL/L 1,0 mL/L 1-Butanol (10 mL/L) 10 µL 50 µL 100 µL Wasser ention. 100 µL 100 µL 100 µL 890 µL 850 µL 800 µL Herstellung der Proben: Die Proben werden aufgetaut, bis sie Raumtemperatur haben und mit entionisiertem Wasser sowie dem int. Standard 1-Butanol verdünnt. Proben-Nr Verdünnung 1 2 3 – letzte 9:10 1:10 1:100 Menge Probe 900 µL 100 µL 10 µL Wasser 800 µL 890 µL 1-Butanol (10 mL/L) 100 µL 100 µL 100 µL Die Standards und Proben werden am GC analysiert. Mit Hilfe der Flächen-Werte werden Eichgeraden erstellt und die Konzentration der unbekannten Proben ermittelt. 2.2. Sakeherstellung So wie in Kapitel 1.2 beschrieben kann in diesem Praktikum kein Sake hergestellt werden, da es viel zu aufwändig wäre. Dank unseres japanischen Gastprofessors Herrn Prof. Dr. Kato haben wir jedoch eine Übersetzung einer japanischen Kurzanleitung zur Sakeherstellung für den Hausgebrauch bekommen, nach der in diesem Versuch Sake hergestellt wird. Seite 9/9 Übung 7 – Wein, Sake und Bilanzierung 2.2.1 Vorkulturen 2* 1000mL Erlenmeyerkolben werden mit jeweils 250 mL potato dextrose broth vorbereitet, der pH-Wert auf 5.5-6.0 eingestellt und autoklaviert. Aus einer vorangegangenen Sake-Fermentation werden 250 mL „Moromi“ gestellt und zum 1. Kolben hinzugefügt. Der 1. Kolben wird bei 250rpm und Raumtemperatur für 3 Tage inkubiert. Anschließend werden erneut 250ml der Kultur aus dem 1. Kolben in den 2. vorbereiteten Kolben überführt und wiederum für 3 Tage bei 250rpm und Raumtemperatur inkubiert. So erhält man eine Hefestartkultur, die bereits an das „Moromi“ adaptiert ist. 2.2.2 Herstellung von Kouji Es werden 400 g polierter Reis eingesetzt. Er wird gewaschen und über Nacht gewässert. Anschließend wird er für 30 Minuten gedünstet. Nach dem Abkühlen wird der Reis mit Aspergillus oryzae vorsichtig vermischt und für ca. 15 h kugelförmig im Topf aufgeschichtet und bei 30 °C inkubiert. Danach wird der Reis ausgebreitet auf eine Dicke von ca. 2 cm und für weitere 24 h bei Raumtemperatur inkubiert. Sobald das Kouji wie mit Reif überzogen aussieht, ist es fertig und kann zur Hauptkultur zugefügt werden. Ist das 2., 3., oder 4. Kouji vor Ablauf der 2 Tage fertig, wird es ggf. kühlgestellt, da sonst ein grünlicher Überzug aus Sporen entsteht, der den Geschmack beeinträchtigt. Das Kouji sollte süßlich schmecken und leicht nach Kastanien duften. 2.2.3 Hauptkultur (moromi) Weitere 400 g gewässerter und gedünsteter Reis werden mit dem fertigem 1. Kouji, 350 mL der Hefestartkultur und 1150 mL Wasser vermischt. Der pH – Wert wird mit Milchsäure auf ca. pH 5.0 eingestellt. Anschließend wird der Trommelgaszähler an den Gärballon angeschlossen und der Gärballon bei 20°C in der Klimakammer inkubiert. Um das Eindringen von Schaum in den Trommelgaszähler zu verhindern, wird eine Schaumfalle zwischen Gärballon und Trommelgaszähler angeschlossen. Jeweils nach 2 Tagen wird insgesamt noch 3 mal erneut frisches Kouji, 400 g Reis (gewässert und gedünstet) und 1200 mL Wasser zugegeben und weiter im KliSeite 10/10 Übung 7 – Wein, Sake und Bilanzierung maschrank inkubiert. Vor jeder Kouji-Zugabe wird eine Probe zur HPLC-Bestimmung entnommen (5mL). Dies ist nun der endgültige Gäransatz, der bis zum Abschluss der Gärung (ca. 14 Tage) einmal täglich geschüttelt werden muss. Bevor der Sake verkostet werden kann, wird er abzentrifugiert, um ihn von den Schwebstoffen zu befreien. Anschließend wird der Ethanolgehalt mittels HPLC und Bilanzierung bestimmt. 3. Auswertung Im Protokoll sollen die ermittelten Ausgangsbedingungen des eingesetzten Fruchtsaftes, die vorgenommenen Korrekturen, der Verlauf der Weinbereitung anhand der Ethanolkonzentration dargestellt und diskutiert werden. Für die Sakefermentation sollen zum einen die Messergebnisse der Gasuhr graphisch dargestellt und der Verlauf diskutiert werden als auch der erzielte Alkoholgehalt mit diesen Werten verglichen werden. Seite 11/11
© Copyright 2024 ExpyDoc
