Hefevitalität erstmals mit Partikelladung analysiert

Die Hefevitalität ist u.a. ein wichtiger Parameter für die alkoholische Gärung und die Getränkequalität.[1/2] Am Beispiel des Bieres lässt sich eine gute Hefevitalität an der Farbe des Bieres, dem Geschmack sowie der Stabilität des Schaumes erkennen.[1]

Die Bestimmung der Vitalität der Hefe wird z.Zt. mit einem zeitaufwendigen und teuren Cytometer durchgeführt. Mit Hilfe der Partikelladungsbestimmung und einer kombinierten Ladungstitration steht ein kostengünstiges und schnelles Verfahren zur Verfügung. [1]

Partikelladung und Titration

Ob die Grenzfläche eine glatte Fläche, eine Partikel- oder eine Moleküloberfläche ist, für alle gelten dieselben Gesetze. Eine geladene Grenzfläche zieht aus der flüssigen Umgebung gegenpolige Überschuss - Ionen an, welche die Ladung nach außen hin abschirmen. Die lose gebundenen Ionen der Ladungswolke (Doppelschicht) können durch ein elektrisches Feld oder durch mechanische Arbeit (Strömung) abgeschert werden. Das Potential, was sich an der Scherschicht ausbildet, kann mit den Messgeräten StabiSizer® / Stabino® durch mechanische Scherung als Strömungspotentialsignal bzw. Zetapotential ζ abgegriffen werden (Abbildung 1).

Im Messgerät wird die Probe in einer Art Kapillare in Richtung der Strömung verschoben. Der an den Messzellenwänden adsorbierte Teil der Partikel ist raumfest. Von dieser Schicht werden die äußeren Ionen abgeschert, wodurch ein sofort induziertes Messsignal als Strom oder Spannung abgenommen wird (Abbildung 2).

Dieses Messsignal repräsentiert die Partikelladung. Bei der Ladungstitration mit ladungskalibrierten Polyelektrolytlösungen wird die Ladung der Partikel neutralisiert und damit die Gesamtladung bestimmt. Die Durchmischung der Probe mit der Titrandenlösung geschieht in wenigen Sekunden, sodass danach bereits der nächste Titrationsschritt erfolgen kann und die gesamte Ladungsnullpunkt-Titration nur wenige Minuten dauert. Ein Vorteil, der es gestattet, eine umfangreiche ionische Charakterisierung von Makromolekülen bzw. Partikeln vorzunehmen.

Durchführung der Stressbestimung an Hefen

Zur Probenvorbereitung überführt man die Hefe in eine auf 5°C gekühlte Zentrifuge für 5 min bei 4000 U min-1 und zentrifugiert sie ab. Anschließend erfolgt zum Waschen der Hefe eine zweimalige Redispergierung in einer physiologischen Kochsalzlösung (0,1% Peptonwasser). Danach wird eine Lebend-Tot-Bestimmung mittels Methylenbau durchgeführt. Dabei ist darauf zu achten, dass möglichst immer eine gleiche Zellzahl vorhanden ist. [1]

Zur Bestimmung der Vitalität der Hefen dienten Stresstests mit Ethanol, oxidativ (H2O2), osmotisch und durch Nährstoffmangel.[1] Danach wurde die Ladungsmenge der unterschiedlich gestressten anionischen Proben durch eine Polyelektrolyttitration mit einer ladungskalibrierten kationischen Lösung von 0,001N P-DADMAC (Poly-Diallyldimethylammoniumchlorid) bis zum Ladungsnullpunkt im Stabino® titriert[1] und jeweils mit der Referenz-Hefeprobe verglichen. Als Hefestamm wurde der Hefestamm TUM 34/70 verwendet.[1]

Ergebnisse

Im Folgenden sind die Titrationskurven der 4 verschiedenen Stressungen gezeigt. Am Ende der Abhandlung sind zur Übersicht die Verbräuche an kationischer Poly-DADMAC Lösung von gestressten und jeweiligen Referenzproben tabellarisch zusammengefasst. Zum Vergleich erfolgte für alle gemessenen Hefeproben die Bestimmung der CO2 Produktion. [1]

Stressung mit Ethanol

Durch Zugabe von je 1 GG-% bzw. 10 GG-% Ethanol startete die Stressung der Hefen. Die Einwirkdauer betrug eine Stunde bei gleichbleibender Temperatur. Aus den Daten der Ladungstitration erkennt kann man wie in Abbildung 3 gezeigt einen signifikanten Unterscheid zwischen den verschiedenen Konzentrationen an Alkohol. [1]

Mit steigender Stressung ist ein Abfall des Potentials und ein Anstieg des Titrationsvolumens zu beobachten. Diese Daten stehen auch im Einklang mit der gemessenen CO2 Produktion. [1]

Oxidative Stressung

Die Zugabe von je 0,1 GG-% bzw. 1 GG-% H2O2 zu den Hefen löst die oxidative Stressung aus. Die Einwirkdauer betrug auch hier eine Stunde bei gleichbleibender Temperatur. Aus den Daten der Ladungstitration, wie in Abbildung 4 gezeigt, ist wieder ein signifikanter Unterscheid zwischen den verschieden Konzentrationen an H2O2 zu sehen. [1]

Osmotische Stressung

Die osmotische Stressung erfolgt durch Zugabe von 15 bzw. 20 GG-% Sorbitol. Die Hefevitalität ist bei diesem Test auf 92% gesunken. Der Grad der Stressung ist bei beiden Konzentrationen ähnlich hoch, wie man aus Abbildung 5 entnehmen kann. [1]

Stressung durch Nahrungsentzug

Die Zugabe von destilliertem Wasser simuliert einen Nahrungsentzug. Diese Art der Stressung hat nur einen geringen Einfluss auf die Hefevitalität (Abbildung 6). [1]

Aus der Tabelle 1 ist zu entnehmen, dass die Stressungen durch 10% Ethanol und durch Osmose am effektivsten ausfielen. Der Nahrungsentzug durch destilliertes Wasser zeigte keine Wirkung.

Zusammenfassung

Abschließend ist zu sagen, dass die Strömungspotential-Messung in Kombination mit einer Ladungstitration eine neue einfache Methode zur Hefevitalitätsmessung darstellt. Alle gemessen Daten stehen im Einklang zu dem produzierten CO2.[1] Neben der Bestimmung der Hefevitalität eignet sich das Stabino® Ladungsbestimmungssystem auch zur schnellen Trübungsvorhersage oder zur Stabilitätsbestimmung.[3,4]

Anerkennung

Was optisch ausgelegten Zetapotentialmessgeräten durch die langwierige Titration einerseits und durch die Schwierigkeit andererseits, Polyelektrolyt-Ladungstitrationen überhaupt durchzuführen zu können, einfach nicht gelingt, wird mit dem Stabino® Ladungstitrationsgerät von Colloid Metrix möglich. Es gehört Pioniergeist und Mut dazu eine weniger bekannte Methode wie die Ladungstitration des Stabino® bzw. des StabiSizer®, dem Vorgängergerät, zur Erforschung von Neuland wie hier beschrieben[1] einzusetzen. Zu diesen Pioniergeistern gehören auch Titze, Ilberg et al.[4], welche das Potential der Ladungstitrationsmethode erkannt haben und als erste zur Vorhersage der Trübungsstabilität anwendeten. Darüber haben wir berichtet[3,4]. Wir freuen uns deshalb ganz besonders, mit dieser Hefestudie ein weiteres bahnbrechendes Forschungsergebnis vorzustellen.

Zum Autor

Dr. Daniel Hagmeyer studierte an der Universität Duisburg-Essen Chemie mit dem Schwerpunkt Medizinisch-Biologische-Chemie. Im Anschluss erfolgte die Promotion im Fach Anorganische Chemie unter der Leitung von Prof. Dr. M. Epple.

Literatur

(1) K. Müller-Auffermann, M. Hutzler, H. Schneiderbanger and F. Jacob: “Scientific Evaluation of Different Methods for the Determination of Yeast Vitality” BrewingScience – Monatsschrift für Brauwissenschaft, 64, 09/10 2011 pp. 107-118

(2) W. Back, T. Imai, C. Forster, L. Narziß : Monatsschrift für Brauwissenschaft. Hefevitalität und Bierqualität, 1998, no. 11/12, pp. 192‐193

(3) D. Hagmeyer, H. Wachernig:”Combined Methods for colloid characterization – New beverage analysis”, FOOD-Lab International, 2/12, pp 47-50

(4) J. Titze, V. Ilberg, F. Jacob, H. Parler: 2008, Einsatzmöglichkeiten der Ladungstitrationsmethode zur Beurteilung der chemisch-physikalischen Bierstabilität Teil 1 & Teil 2 Brauwelt 148 Nr. 18/19, 23, S. 506-509, S.624-627

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