EP1002048A2 - Mittel zur herstellung und/oder behandlung alkoholhaltiger getränke, insbesondere wein oder schaumwein, sowie dessen verwendungen - Google Patents

Mittel zur herstellung und/oder behandlung alkoholhaltiger getränke, insbesondere wein oder schaumwein, sowie dessen verwendungen

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EP1002048A2
EP1002048A2 EP98945106A EP98945106A EP1002048A2 EP 1002048 A2 EP1002048 A2 EP 1002048A2 EP 98945106 A EP98945106 A EP 98945106A EP 98945106 A EP98945106 A EP 98945106A EP 1002048 A2 EP1002048 A2 EP 1002048A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cells
enzymes
microcapsules
wine
envelope membrane
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP98945106A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Holger LÖWE
Rainer Pommersheim
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH
Original Assignee
Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH filed Critical Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH
Priority to DE29825100U priority Critical patent/DE29825100U1/de
Publication of EP1002048A2 publication Critical patent/EP1002048A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12C—BEER; PREPARATION OF BEER BY FERMENTATION; PREPARATION OF MALT FOR MAKING BEER; PREPARATION OF HOPS FOR MAKING BEER
    • C12C5/00—Other raw materials for the preparation of beer
    • C12C5/004—Enzymes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12C—BEER; PREPARATION OF BEER BY FERMENTATION; PREPARATION OF MALT FOR MAKING BEER; PREPARATION OF HOPS FOR MAKING BEER
    • C12C11/00—Fermentation processes for beer
    • C12C11/02—Pitching yeast
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12C—BEER; PREPARATION OF BEER BY FERMENTATION; PREPARATION OF MALT FOR MAKING BEER; PREPARATION OF HOPS FOR MAKING BEER
    • C12C11/00—Fermentation processes for beer
    • C12C11/09—Fermentation with immobilised yeast
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12G—WINE; PREPARATION THEREOF; ALCOHOLIC BEVERAGES; PREPARATION OF ALCOHOLIC BEVERAGES NOT PROVIDED FOR IN SUBCLASSES C12C OR C12H
    • C12G1/00—Preparation of wine or sparkling wine
    • C12G1/02—Preparation of must from grapes; Must treatment and fermentation
    • C12G1/0203—Preparation of must from grapes; Must treatment and fermentation by microbiological or enzymatic treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
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    • C12G1/00—Preparation of wine or sparkling wine
    • C12G1/06—Preparation of sparkling wine; Impregnation of wine with carbon dioxide
    • C12G1/064—Preparation of sparkling wine; Impregnation of wine with carbon dioxide using enclosed yeast
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
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    • C12N11/02—Enzymes or microbial cells immobilised on or in an organic carrier
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel

Definitions

  • the invention relates to an agent for the production and / or treatment of alcoholic beverages, in particular wine or sparkling wine, according to the preamble of the main claim and to the uses thereof.
  • microorganisms in particular yeasts
  • yeasts are used for alcoholic fermentation in the production of alcoholic beverages, in particular wine or sparkling wine.
  • further species of microorganisms and enzymes are added to the product or precursors thereof.
  • lactic acid bacteria are used to break down malic acid and pectinases to accelerate must clarification.
  • the process of alcoholic fermentation can be interrupted by measures such as rapid cooling, the addition of sulfur dioxide or filtration.
  • these methods of inactivating the yeast are complex, can only be controlled with imprecision and can impair the quality of the product. This means that the use of different species of yeast at different times is costly.
  • Enzymes such as proteases to break down peptides and proteins, are added to the product or precursors thereof in liquid form.
  • the inactivation of enzymes is usually carried out by heating, which can be associated with an impairment of the product and a reuse of the sometimes expensive enzymes.
  • Bottle fermentation agents in sparkling wine production consist of yeasts immobilized in alginate beads (G. Troost et. Al., Sekt, Sparkling Wine, Perlwein, Stuttgart 1995 and DE 39 08 997 A1). With this, the time-consuming manual shaking of the fine yeast deposit could be replaced by the rapid sinking of the alginate beads in the champagne bottle.
  • a disadvantage of such agents, in which the beads are not surrounded by a cell-free envelope membrane, is, however, that they do not have a high mechanical stability and cannot sufficiently prevent outgrowth, in particular relatively small microorganisms, so that microorganisms remain in the product after the beads have been separated off can. Multiple use of such funds is therefore difficult to implement. Furthermore, due to their small size, enzymes cannot generally be immobilized in such alginate beads.
  • biocatalysts preferably yeasts
  • the biocatalysts are contained in a matrix of an anionic polysaccharide and a cationic polymer.
  • the microcapsules do not have a cell-free envelope membrane, so that yeast outgrowth cannot be adequately prevented.
  • a sufficiently safe immobilization of smaller biocatalysts, such as enzymes, is hardly possible.
  • US 4,659,662 describes a process for producing alcoholic beverages or bioalcohol using microcapsules containing yeast.
  • the yeasts can be embedded in a matrix material which is additionally surrounded by an envelope membrane which, however, is identical to the matrix material.
  • Yeasts immobilized in calcium alginate are mentioned as an example.
  • the envelope membrane consists of only one layer and is also permeated by cells, i. H. not cell-free. Outgrowth of the yeasts can therefore not be prevented sufficiently and immobilization of enzymes with sufficient long-term stability is hardly possible.
  • DE 34 32 923 C2 relates to biocatalysts with immobilized cells which are surrounded by a single-layer, cell-free envelope membrane.
  • the envelope membrane surrounding the interior of the capsule and not permeable to the cells can consist of an ionically or covalently crosslinked gel. Sparkling wine production is cited as an example of use.
  • the envelope membrane preferably consists of the same substance as the matrix material in the interior of the capsule.
  • the crosslinking agent for example calcium ions, beads which are present in excess, here made of calcium alginate, are again added to a cell-free substance which forms the envelope membrane, here an alginate solution.
  • the disadvantage here is that liquefaction of the capsule contents is not possible without dissolving the envelope membrane.
  • a liquefied capsule interior enables the natural conformation and thus the activity of the enzyme to be retained.
  • the requirements such as targeted adjustability of the permeability and a sufficiently high mechanical stability, can hardly be achieved.
  • the object of the invention is to provide a means for producing and / or treating alcoholic beverages, in particular wine or sparkling wine, according to the preamble of the main claim, in which the cells or enzymes are permanently immobilized, in which the permeability and the mechanical stability of the envelope membrane can be specifically adjusted, and the content of the microcapsules can be liquefied.
  • the invention has for its object to show uses of the agent according to the invention.
  • the species of microorganisms and / or enzymes used for the production and / or treatment of alcoholic beverages, in particular wine or sparkling wine, are immobilized in that they are contained in the interior of a microcapsule and in that an envelope membrane completely surrounds the interior of the capsule. Leakage of the microorganisms or enzymes is prevented by the fact that the envelope membrane is not permeable to these microorganisms or enzymes.
  • the envelope membrane is for the substances to be converted (educts), which also include the nutrients necessary for the microorganisms, for example glucose, and for at least some of the generated or converted substances (products), such as alcohol and carbon dioxide, permeable.
  • an envelope membrane which has at least two layers arranged radially one above the other, each layer completely enclosing all layers arranged radially below it.
  • the individual layers are advantageously connected to one another ionically and / or covalently.
  • the microcapsules can also be used in larger bioreactors without the microcapsules being crushed or bursting. This increased stability also enables the interior of the capsule to be liquefied without the microcapsules becoming mechanically unstable as a result.
  • the permeability of the envelope membrane can be set in a targeted manner by a suitable selection of the at least two layers, which is of crucial importance for the immobilization of enzymes.
  • the outer layers, but also the innermost layer of the envelope membrane preferably do not have any of the cells or enzymes contained in the interior of the microcapsules.
  • At least two layers of the envelope membrane preferably consist of different substances.
  • an outer layer can consist of a substance that ensures a high mechanical stability of the microcapsules
  • an inner layer consists of a substance that enables a targeted adjustment of the permeability of this layer and thus the envelope membrane.
  • the cells or enzymes contained in the interior of the microcapsule are embedded in a matrix.
  • This matrix can be constructed from an alginate compound of a polyvalent cation, for example calcium, strontium, barium, aluminum and / or iron.
  • the cells or enzymes are freely movable in a liquid inside the microcapsule, which is particularly advantageous for maintaining the natural conformation of the enzymes.
  • the natural activity of the cells or enzymes is retained despite the immobilization.
  • the microcapsules are produced by precipitation of drops of a solution containing the cells or enzymes using a crosslinking agent, the interior of the capsule can be liquefied again after the layers of the envelope membrane have been applied.
  • the substance of the matrix inside the capsule consists of calcium alginate, for example, the polyvalent metal cation can be exchanged for monovalent cations, for example sodium or potassium, in order to liquefy the interior of the microcapsule again.
  • At least one layer of the envelope membrane consists of a substance different from the substance embedding the cells or enzymes and forming the matrix.
  • the single-layered envelope membrane of which consists of the same substance as the matrix in the interior of the capsule this liquefaction of the interior of the capsule is not possible, since the envelope membrane would also dissolve here.
  • a matrix of calcium alginate can be liquefied by introducing the microcapsules into an aqueous solution containing sodium citrate, which causes the calcium ions to be exchanged for sodium ions.
  • These microcapsules used for example in wine production, preferentially bind multivalent ions from the substrate to be reacted, such as grape juice, which has an advantageous effect. If the matrix of these microcapsules again has an excessively high content of polyvalent cations, treatment with a solution containing monovalent cations can regenerate it.
  • Microcapsules with an envelope membrane both from one layer and from several layers are known in medicine for immobilizing cells or enzymes.
  • Langerhans cells were enclosed in a microcapsule, the envelope membrane of which was composed of a layer consisting of alginate and poly-L-lysine (F. Lim et. Al., Science, 210 (1980) 908-910).
  • EP-A-681834 microcapsules the shell membrane of which is composed of several layers, for insertion into tissue of living beings described.
  • Such microcapsules place demands on tissue compatibility, a low immune response and on the replaceability in living tissue.
  • microcapsules with a multi-layered envelope membrane By optimizing the structure of microcapsules with a multi-layered envelope membrane with regard to the production or treatment of alcoholic beverages, corresponding microorganisms, such as yeasts or lactic acid bacteria used in alcoholic fermentation, and / or enzymes can be immobilized. , In particular, it must be ensured in the immobilization of yeasts for fermentation stability despite the production of carbon dioxide and a rapid growth of the yeast cells. This is achieved by means of microcapsules with enveloping membranes which have at least two layers arranged radially one above the other.
  • the agent according to the invention has the advantage over agents known in the manufacture of alcoholic beverages that the enclosed cells or enzymes are permanently immobilized and, due to the simple handling, can be added in a convenient dosage and can also be easily, quickly and completely removed from the product. This makes it possible to influence the individual production steps in a targeted manner without impairing the quality of the product.
  • the cells or microcapsules containing enzymes can be reused, which leads to cost savings, in particular in the case of expensive enzymes.
  • due to the voids present between the capsules even in the case of sedimented microcapsules and the easy mobility of the microcapsules in a liquid a good mass transfer, in particular gas exchange during alcoholic fermentation, is ensured.
  • the envelope membrane impermeable to active substances and / or microorganisms located outside the microcapsule which could impair the activity of the cells or enzymes contained in the interior of the capsule.
  • some species of yeast used in winemaking produce toxins that are harmful to other species of microorganisms.
  • the envelope membrane of which is not permeable to such toxins, such microorganisms or enzymes can be used together in, for example, wine production.
  • the microcapsules contain as microorganisms at least one yeast species used in wine production.
  • the microcapsules contain at least one species of lactic acid bacteria, which are used in the biological acid degradation for wine treatment.
  • Microcapsules which contain enzymes used in particular in wine or sparkling wine production, such as pectinases, glucanases, ⁇ -glucosidases, proteases and / or glucose-fructose isomerases, are advantageously suitable as agents for the production or treatment of alcoholic beverages.
  • the activity of the immobilized cells or enzymes increasing enzymes can also be included in a microcapsule.
  • a cation exchanger in a microcapsule containing lactic acid bacteria, the pH value can be determined at the location of the lactic acid bacteria by replacing hydronium ions with, for example, potassium ions and thus increasing the activity of the lactic acid bacteria.
  • Further examples of the activity-increasing substances are vitamins, such as vitamin B, or growth-promoting proteins.
  • At least one layer of the envelope membrane is preferably constructed from at least one polymer.
  • a polyelectrolyte complex which consists of at least one polycation and one polyanion is advantageously suitable as the polymer.
  • Suitable polyanions are, for example, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, polyvinylsulfonic acid, polyvinylphosphonic acid, alginic acid, cellulose derivatives, in particular carboxymethyl cellulose or cellulose-sulfuric acid esters, shellac or constituents of shellac, such as aleuritic acid or shellolic acid.
  • Suitable polycations are, for example, polyethyleneimine, polydimethyldiallylammonium, poly-L-lysine or chitosan.
  • the polyanions or polycations advantageously have an average degree of polymerization of more than 100, preferably 100 to 15,000.
  • Polymers with a narrow molecular weight distribution for example synthetic polyelectrolyte complexes made from polyacrylic acid or polymethacrylic acid with polyethyleneimine, are preferably used for the targeted adjustment of the permeability of the envelope membrane for the permeability-determining layer (standard layer).
  • the permeability for a small protein of the size of about 60 kD was determined through a control layer made of polyethyleneimine (PEl) (molecular weight 1,000,000) and polyacrylic acid (PAS). Table 1 shows the proportion of the protein diffused from the microcapsules as a function of the degree of polymerization of PAS after 60 hours of shaking.
  • the permeability of the control layer is determined by the polyions, here as polyanion polyacrylic acid, which have a low degree of polymerization, while the counterions, here as polycation polyethyleneimine, form the framework with a high degree of polymerization.
  • polyelectrolyte complexes with a polyion with a high degree of polymerization have a higher strength than those with a low degree of polymerization.
  • polyions with a degree of polymerization above 50,000 are preferred.
  • At least one control layer with a degree of polymerization of the polyanion or polycation of 100 to 1,000 is preferred, the counterions forming the framework, polycations or polyanions, having higher degrees of polymerization.
  • higher degrees of polymerization are sufficient to immobilize microorganisms, such as yeasts; degrees of polymerization of the polyanion or polycation of the control layer from 1,000 to 15,000 are preferred, the counterions, polycations or polyanions forming the framework also having a higher degree of polymerization here.
  • Polyions with high degrees of polymerization have the advantage of high strength of the layer in question.
  • polyelectrolyte complexes of synthetic polycations or polyanions with high degrees of polymerization of more than 10,000 are advantageously used.
  • Natural polycations and anions such as alginic acid and chitosan or cellulose derivatives, in which a broad molar mass distribution does not have a disruptive effect, can also advantageously be used.
  • Table 2 lists examples of substances in the layers of the envelope membrane, the first line of which indicates whether this structure is preferably suitable for immobilizing yeasts and / or enzymes.
  • the core can have an alginate which can be liquefied after the layers have been applied.
  • the layer structure from inside to outside is given. With a larger number of layers, for example 4 or more layers, an even higher stability of the envelope membrane can be achieved.
  • natural rubber, polystyrene and / or polymethyl methacrylate or a mixture thereof with one or more polyelectrolyte complexes are also suitable as polymers for building up a layer of the envelope membrane.
  • the invention also relates to two uses of the agent according to the invention. So the agent can be used to produce beer. Microcapsules containing cells from one or more species of yeast used in beer production are to be used for this purpose. The agent can also be used to produce low molecular weight alcohols, such as methanol and / or ethanol, microcapsules containing yeasts suitable for producing alcohol in high yields being used.
  • low molecular weight alcohols such as methanol and / or ethanol
  • the microcapsules are to be introduced into a grape, berry and / or other fruit juice, for example apple juice, or a wine.
  • the microcapsules remain in the solution until the partial or complete conversion, for example alcoholic fermentation, has taken place.
  • the microcapsules are then removed from the solution.
  • this process has the decisive advantage that the cells or enzymes used in the production or treatment process can be removed easily, quickly and completely in the last step of the process . So that's it The residence time of the microorganisms or enzymes in the solution can be set very precisely.
  • the microcapsules Due to the size of the microcapsules, preferably diameters of half a millimeter to a few millimeters, the microcapsules can be removed easily and completely from the solution. Mechanical methods are suitable for this, for example by means of a sieve, or decanting the supernatant liquid after the microcapsules have been sedimented beforehand. With these types of removal, the microcapsules are not destroyed, so that they can be reused, if necessary, after being stored in a nutrient solution. This can reduce production costs, particularly in the case of expensive enzymes.
  • the solution is advantageously tempered, at least in the area of the microcapsules, in such a way that the cells or enzymes have optimal activity, taking into account any possible influence on the quality of the product.
  • Different microorganisms or enzymes immobilized in microcapsules can be used simultaneously or / and at different times.
  • the different microcapsules can be added to the solution one after the other and removed together, or the process steps of introducing, lingering, and removing can be repeated several times with the same solution using different cells or enzymes immobilized in microcapsules.
  • the use of different microorganisms or enzymes can thus be used to increase the complexity of a wine, for example.
  • a fluidized bed reactor containing the agents according to the invention can be used as the bioreactor for producing low molecular weight alcohols, in particular ethanol, or alcoholic beverages, in particular wine or sparkling wine.
  • Suitable reactor types are also shown in Lüders, Technologie mit immobilobilen Hefen ', Brauwelt 1994, 57.
  • the bioreactor can also have at least one tube in which the microcapsules are contained.
  • the two openings of the tube are advantageously closed with sieves which retain the microcapsules. This eliminates separating the microcapsules from the reacted solution.
  • the diameter of suitable tubes is preferably in the range of one to several centimeters.
  • the liquid to be converted is passed through the tube, it being possible for a plurality of tubes to be connected to one another in parallel and / or in series.
  • tubes of the same content are preferably connected in parallel, with groups of tubes of different content connected in parallel being connected in series. It can also be advantageous to connect individual tubes in series so that the solution flows through the tubes one after the other.
  • a single tube or groups of tubes advantageously has a common temperature-controlled jacket.
  • the activity of the cells or enzymes can be specifically reduced by cooling the microcapsules enclosed in the tubes.
  • the liquid to be fermented containing glucose
  • the mixer from the storage tank. There it is mixed with the reflux from the heater and then fed into the bioreactor filled with microcapsules, where the actual conversion of carbohydrates into alcohol takes place.
  • the alcohol is then separated in the heating vessel and in the distillation column and collected in the main product collection vessel.
  • the alcohol is separated from the rest of the liquid using the different boiling points. After cooling in the heat exchanger, the residual liquid from the heater can be re-enriched with fresh liquid in the mixer and returned to the bioreactor.
  • a plant for the production of alcoholic beverages has a very simplified structure.
  • the liquid to be fermented is fed from a storage vessel into a bioreactor according to the invention, where the liquid remains or circulates through, for example, a tube reactor.
  • the alcohol-containing product is passed out of the bioreactor into a collecting vessel after a time required for a partial or complete reaction.
  • the attached figure shows the schematic structure of a continuous plant for alcohol production.
  • the liquid to be fermented is fed from a storage container (1) into a mixer (2), where it mixes with the liquid flowing back from the heater (4).
  • This mixture is converted into alcohol in the bioreactor (3) by yeasts immobilized in the agent according to the invention.
  • the alcohol-containing liquid is fed into a heater (4).
  • An alcohol-containing gas phase is passed from it into a distillation column (5). There, the different boiling point of the alcohol compared to water is used to enrich the alcohol that is collected in the collecting vessel for the main product (6).
  • the low-alcohol part of the pre-fermented liquid is led out of the heater, cooled in a heat exchanger (8) and returned to the mixer (2). So that the liquid in the circuit maintains a minimum content of substances to be converted, in particular glucose, part of the aqueous portion is regularly removed from the heater (4) and collected as a by-product in a collecting vessel (7).
  • microcapsules thus obtained were then washed with water and then introduced again into the polyethyleneimine and the carboxymethylcellulose solution. After rinsing with water, the microcapsules were stored in water.
  • the microcapsules had a two-layer envelope membrane, each layer consisting of the polyelectrolyte complex polyethyleneimine / carboxymethyl cellulose. Because the calcium alginate beads containing the cells were first produced and the layers of the envelope membrane were subsequently applied, the layers of the envelope membrane had no yeast cells which could grow out of the microcapsules. The yeasts immobilized in this way had the same activity as yeasts immobilized in uncoated calcium alginate beads.

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Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Mittel zur Herstellung und/oder Behandlung alkoholhaltiger Getränke, insbesondere Wein oder Schaumwein, das aus Mikrokapseln besteht, die jeweils eine das Kapselinnere vollständig umschließende Hüllmembran aufweisen. Das Kapselinnere weist Zellen mindestens einer Spezies von Mikroorganismen, wie Hefen oder Milchsäurebakterien, und/oder ein oder mehrere Enzyme auf. Die Aufgabe der Erfindung, Mikrokapseln bereitzustellen, die die Zellen bzw. Enzyme dauerhaft immobilisiert, bei denen die Durchlässigkeit und die mechanische Stabilität der Hüllmembran gezielt einstellbar sind, und bei denen der Inhalt der Mikrokapseln verflüssigbar ist, wird dadurch gelöst, daß die Hüllmembran mindestens zwei radial übereinander angeordnete Schichten aufweist. Jede Schicht umschließt alle radial darunter angeordnete Schichten vollständig. Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung des Mittels zur Herstellung von Bier und niedermolekularen Alkoholen.

Description

Mittel zur Herstellung und/ oder Behandlung alkoholhaltiger Getränke, insbesondere Wein oder Schaumwein, sowie dessen Verwendungen
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Mittel zur Herstellung und/ oder Behandlung alkoholhaltiger Getränke, insbesondere Wein oder Schaumwein, gemäß des Oberbegriffs des Hautpanspruchs sowie auf dessen Verwendungen.
Bei der Herstellung von alkoholhaltigen Getränken, insbesondere von Wein oder Schaumwein, werden unterschiedliche Spezies von Mikroorganismen, insbesondere Hefen zur alkoholischen Gärung, eingesetzt. Zur Optimierung der Ergebnisse werden dem Produkt oder Vorstufen davon weitere Spezies von Mikroorganismen und Enzyme zugesetzt. So dienen beispielsweise Milchsäurebakterien dem Abbau von Äpfelsäure und Pektinasen der Beschleunigung der Mostklärung.
Der Prozeß der alkoholischen Gärung kann durch Maßnahmen, wie rasches Abkühlen, Zusatz von Schwefeldioxid oder Filtration, unterbrochen werden. Diese Verfahren zur Inaktivierung der Hefen sind jedoch aufwendig, nur ungenau steuerbar und können die Qualität des Produktes beeinträchtigen. Damit gestaltet sich auch ein zeitlich versetzter Einsatz unterschiedlicher Spezies von Hefen als aufwendig.
Nach der Behandlung beispielsweise eines Weines mit Milchsäurebakterien zur Reduzierung des Säuregehaltes müssen die zugesetzten Mikroorganismen abgetrennt werden, was bei den vergleichsweise kleinen Milchsäurebakterien über Membranfiltration stattfindet. Jedoch ist hierbei eine vollständige Entfernung der Mikroorganismen nicht immer gewährleistet. Im Wein verbliebene Milchsäurebakterien können Glucose zu Essigsäure umwandeln und so den Wein verderben.
Enzyme, wie Proteasen zum Abbau von Peptiden und Proteinen, werden dem Produkt oder Vorstufen hiervon in flüssiger Form zugesetzt. Die Inaktivierung von Enzymen erfolgt in der Regel durch Erhitzen, womit eine Beeinträchtigung des Produktes einhergehen kann sowie eine Wiederverwertung der zum Teil teuren Enzyme ausscheidet. Es sind Mittel zur Flaschengärung bei der Schaumweinherstellung bekannt, die aus in Alginat-Kügelchen immobilisierten Hefen bestehen (G. Troost et. al., Sekt, Schaumwein, Perlwein, Stuttgart 1995 sowie DE 39 08 997 A1 ). Hiermit konnte das zeitaufwendige manuelle Abrütteln des feinen Hefedepots durch das rasche Absinken der Alginat-Kügelchen in der Sektflasche ersetzt werden. Nachteilig solcher Mittel, bei denen die Kügelchen nicht von einer zellenfreien Hüllmembran umgeben sind, ist jedoch, daß sie keine hohe mechanische Stabilität aufweisen und ein Auswachsen, insbesondere relativ kleiner Mikroorganismen, nicht ausreichend verhindern können, womit nach der Abtrennung der Kügelchen Mikroorganismen im Produkt zurückbleiben können. Eine Mehrfachverwendung solcher Mittel ist damit nur schwer realisierbar. Weiterhin sind Enzyme aufgrund ihrer geringen Größe in solchen Alginat- Kügelchen in der Regel nicht immobilisierbar.
In der US 4,996,150 wird ein Verfahren zur Mikroverkapselung von Biokatalysatoren, vorzugsweise Hefen, sowie deren Verwendung zur kontinuierlichen Herstellung von Ethanol beschrieben. Die Biokatalysatoren sind in einer Matrix aus einem anionischen Polysaccharid und einem kationischen Polymer enthalten. Auch hier weisen die Mikrokapseln keine zellenfreie Hüllmembran auf, so daß ein Auswachsen von Hefen nicht ausreichend verhindert werden kann. Darüber hinaus ist eine ausreichend sichere Immobilisierung kleinerer Biokatalysatoren, wie Enzyme, kaum möglich.
Die US 4,659,662 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung alkoholischer Getränke oder Bioalkohol unter Verwendung von Hefen enthaltenden Mikrokapseln. Die Hefen können in einem Matrixmaterial eingebettet sein, daß zusätzlich von einer Hüllmembran umgeben ist, die jedoch gleich dem Matrixmaterial ist. Als Beispiel werden in Calcium-Alginat immobilisierte Hefen genannt. Die Hüllmembran besteht jedoch nur aus einer Schicht und ist zudem von Zellen durchsetzt, d. h. nicht zellenfrei. Daher kann ein Auswachsen der Hefen nicht ausreichend verhindert werden und eine ausreichend langzeitstabile Immobilisierung von Enzymen ist kaum möglich.
Die DE 34 32 923 C2 betrifft Biokatalysatoren mit immobilisierten Zellen, die von einer einschichtigen, zellenfreien Hüllmembran umgeben sind. Die das Kapselinnere umschließende und für die Zellen nicht durchlässige Hüllmembran kann aus einem ionisch oder kovalent vernetzten Gel bestehen. Als Verwendungsbeispiel wird die Sektherstellung angeführt. Vorzugsweise besteht die Hüllmembran aus der selben Substanz wie das Matrixmaterial im Kapselinneren. Hierzu werden das Vernetzungsmittel, beispielsweise Calcium- lonen, im Überschuß enthaltende Kügelchen, hier aus Calciumalginat, nochmals in eine zellenfreie, die Hüllmembran bildende Substanz, hier Alginat- Lösung, gegeben. Von Nachteil hierbei ist, daß eine Verflüssigung des Kapselinhalts ohne ein Auflösen der Hüllmembran nicht möglich ist. Insbesondere bei Enzymen ermöglicht jedoch ein verflüssigtes Kapselinneres den Erhalt der natürlichen Konformation und damit der Aktivität des Enzyms. Darüber hinaus lassen sich mit solchen Hüllmembranen die Anforderungen, wie gezielte Einstellbarkeit der Durchlässigkeit und eine ausreichend hohe mechanische Stabilität, kaum erreichen.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Mittel zur Herstellung und/ oder Behandlung von alkoholischen Getränken, insbesondere Wein oder Schaumwein, gemäß des Oberbegriffs des Hauptanspruchs zur Verfügung zu stellen, bei dem die Zellen bzw. Enzyme dauerhaft immobilisiert sind, bei dem die Durchlässigkeit und die mechanische Stabilität der Hüllmembran gezielt einstellbar sind, und bei dem der Inhalt der Mikrokapseln verflüssigbar ist.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Verwendungen des erfindungsgemäßen Mittels aufzuzeigen.
Die Aufgabe wird durch ein Mittel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch die Verwendungen nach den Ansprüchen 20 und 21 gelöst, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen.
Die zur Herstellung und/ oder Behandlung alkoholischer Getränke, insbesondere Wein oder Schaumwein, eingesetzten Spezies von Mikroorganismen und/ oder Enzyme sind dadurch immobilisiert, daß diese im Innern einer Mikrokapsel enthalten sind, und daß eine Hüllmembran das Kapselinnere vollständig umschließt. Ein Austreten der Mikroorganismen bzw. Enzyme wird dadurch verhindert, daß die Hüllmembran für diese Mikroorganismen bzw. Enzyme nicht durchlässig ist. Um eine Stoffumsetzung zu gewährleisten, ist die Hüllmembran für die umzusetzenden Stoffe (Edukte), wozu auch die für die Mikroorganismen notwendigen Nährstoffe zählen, beispielsweise Glucose, und für zumindest einen Teil der erzeugten bzw. umgewandelten Stoffe (Produkte), beispielsweise Alkohol und Kohlendioxid, durchlässig. Die Anforderungen an die Durchlässigkeit und die mechanische Stabilität werden durch eine Hüllmembran erfüllt, die mindestens zwei radial übereinander angeordneten Schichten aufweist, wobei jede Schicht alle radial darunter angeordnete Schichten vollständig umschließt. Vorteilhaft sind die einzelnen Schichten ionisch und/ oder kovalent miteinander verbunden.
Erst dieser mehrschichtige Aufbau erlaubt die dauerhafte Immobilisierung der Zellen bzw. Enzyme für die Herstellung und/ oder Behandlung alkoholhaltiger Getränke, wie Wein oder Schaumwein. So wird etwa ein Auswachsen der Hefen und eine hiermit einhergehende Zerstörung der Mikrokapseln effektiv verhindert. Durch die hohe mechanische Stabilität lassen sich die Mikrokapseln auch in größeren Bioreaktoren einsetzen, ohne daß die Mikrokapseln zerdrückt werden oder platzen. Diese erhöhte Stabilität ermöglicht auch das Kapselinnere zu verflüssigen, ohne daß die Mikrokapseln hierdurch mechanisch zu instabil werden. Darüber hinaus kann durch eine geeignete Auswahl der mindestens zwei Schichten die Durchlässigkeit der Hüllmembran gezielt eingestellt werden, was für die Immobilisierung von Enzymen von entscheidender Bedeutung ist.
Bevorzugt weisen nicht nur die äußeren Schichten, sondern auch die innerste Schicht der Hüllmembran keine der im Innern der Mikrokapseln enthaltenen Zellen bzw. Enzyme auf.
Bevorzugt bestehen mindestens zwei Schichten der Hüllmembran aus unterschiedlichen Substanzen. So kann beispielsweise eine äußere Schicht (Stützschicht) aus einer Substanz bestehen, die eine hohe mechanische Stabilität der Mikrokapseln gewährleistet, während eine innere Schicht (Regelschicht) aus einer Substanz besteht, die eine gezielte Einstellung der Durchlässigkeit dieser Schicht und damit der Hüllmembran ermöglicht.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform sind die im Innern der Mikrokapsel enthaltenen Zellen bzw. Enzyme in einer Matrix eingebettet. Diese Matrix kann aus einer Alginat-Verbindung eines mehrwertigen Kations, beispielsweise Calcium, Strontium, Barium, Aluminium oder/ und Eisen aufgebaut sein.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform sind die Zellen bzw. Enzyme im Innern der Mikrokapsel in einer Flüssigkeit frei beweglich, was insbesondere zum Erhalt der natürlichen Konformation der Enzyme von Vorteil ist. Hierdurch bleibt trotz der Immobilisierung die natürliche Aktivität der Zellen bzw. Enzyme erhalten. Werden die Mikrokapseln durch Ausfällung von Tropfen einer die Zellen bzw. Enzyme enhaltenden Lösung mittels eines Vernetzungsmittels hergestellt, kann nach Anbringen der Schichten der Hüllmembran das Kapselinnere wieder verflüssigt werden. Besteht die Substanz der Matrix im Kapselinneren beispielsweise aus Calcium-Alginat, so kann das mehrwertige Metallkation gegen einwertige Kationen, beispielsweise Natrium oder Kalium, ausgetauscht werden, um das Innere der Mikrokapsel wieder zu verflüssigen. Daher ist es bevorzugt, daß mindestens eine Schicht der Hüllmembran aus einer von der die Zellen bzw. Enzyme einbettenden, die Matrix bildenden Substanz unterschiedlichen Substanz besteht. Bei bekannten Mikrokapseln, deren einschichtige Hüllmembran aus der gleichen Substanz wie die Matrix im Kapselinneren besteht, ist diese Verflüssigung des Kapselinneren nicht möglich, da sich hier auch die Hüllmembran auflösen würde.
Bei der Verwendung eines mittels mehrwertiger Kationen vernetzbaren Substanz, beispielsweise Alginat mittels Calcium, ist der Austausch der mehrwertigen Kationen gegen einwertige Kationen weiterhin dadurch von Vorteil, daß mehrwertige Kationen, wie Calcium, in der Regel bei der Weinherstellung unerwünscht sind. So kann beispielsweise eine Matrix aus Caiciumalginat durch Einbringen der Mikrokapseln in eine wäßrige Natriumeitrat enthaltende Lösung, was einen Austausch der Calcium-Ionen gegen Natrium- Ionen bewirkt, verflüssigt werden. Diese Mikrokapseln, beispielsweise in der Weinherstellung eingesetzt, binden bevorzugt mehrwertige Ionen aus dem umzusetzenden Substrat, wie Traubensaft, was von vorteilhafter Wirkung ist. Weist die Matrix dieser Mikrokapseln wieder einen zu hohen Gehalt an mehrwertigen Kationen auf, so kann durch Behandlung mit einer einwertige Kationen enthaltenden Lösung diese wieder regeneriert werden.
Mikrokapseln mit einer Hüllmembran sowohl aus einer Schicht als auch aus mehreren Schichten sind in der Medizin zur Immobilisierung von Zellen bzw. Enzymen bekannt. So wurden Langerhanssche Zellen in einer Mikrokapsel eingeschlossen, deren Hüllmembran aus einer aus Alginat und Poly-L-Lysin bestehenden Schicht aufgebaut war (F. Lim et. al., Science, 210 (1980) 908 - 910). In der EP-A-681834 wurden Mikrokapseln, deren Hüllmembran aus mehreren Schichten aufgebaut ist, zum Einsetzen in Gewebe von Lebewesen beschrieben. An solche Mikrokapseln werden Anforderungen an die Gewebeverträglichkeit, eine geringe Immunreaktion und an die Ersetzbarkeit in lebendes Gewebe gestellt.
Durch eine Optimierung des Aufbaus von Mikrokapseln mit mehrschichtiger Hüllmembran im Hinblick auf die Herstellung bzw. Behandlung alkoholhaltiger Getränke, lassen sich vorteilhaft entsprechende Mikroorganismen, wie in der alkoholischen Gärung eingesetzte Hefen oder Milchsäurebakterien, und/ oder Enzyme immobilisieren., Insbesondere muß bei der Immobilisierung von Hefen zur alkoholischen Gärung die Stabilität trotz der Produktion von Kohlendioxid und einem raschen Wachstum der Hefezellen gewährleistet sein. Dies wird durch Mikrokapseln mit Hüllmembranen, die mindestens zwei radial übereinander angeordnete Schichten aufweisen, erreicht.
Das erfindungsgemäße Mittel hat gegenüber in der Herstellung von alkoholischen Getränken bekannten Mitteln den Vorteil, daß die eingeschlossenen Zellen bzw. Enzyme dauerhaft immobilisiert sind und sich aufgrund der einfachen Handhabung bequem dosiert zugeben und auch einfach, rasch und vollständig aus dem Produkt entfernen lassen. Damit ist eine gezielte Beeinflussung der einzelnen Herstellungsschritte ohne eine Beeinträchtigung der Qualität des Produktes möglich. Darüberhinaus lassen sich die Zellen bzw. Enzyme enthaltenden Mikrokapseln wiederverwenden, was insbesondere bei teuren Enzymen zu einer Kosteneinsparung führt. Weiterhin ist aufgrund der selbst bei sedimentierten Mikrokapseln zwischen den Kapseln vorhandenen Hohlräumen sowie der leichten Beweglichkeit der Mikrokapseln in einer Flüssigkeit ein guter Stoffaustausch, insbesondere Gasaustausch bei der alkoholischen Gärung, gewährleistet.
Es kann vorteilhaft sein, die Hüllmembran undurchlässig für sich außerhalb der Mikrokapsel befindliche Wirkstoffe und/ oder Mikroorganismen zu gestalten, die die im Kapselinneren enthaltenen Zellen bzw. Enzyme in ihrer Aktivität beeinträchtigen könnten. So produzieren manche Spezies von in der Weinherstellung eingesetzten Hefen Toxine, die für andere Spezies von Mikroorganismen schädlich sind. Durch Verwendung von Mikrokapseln, deren Hüllmembran für solche Toxine nicht durchlässig ist, lassen sich solche Mikroorganismen bzw. Enzyme gemeinsam in beispielsweise der Weinherstellung einsetzen. Nach einer bevorzugten Ausführungsform enthalten die Mikrokapseln als Mikroorganismen mindestens eine bei der Weinherstellung eingesetzte Hefespezies.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist in den Mikrokapseln mindestens eine Spezies von Milchsäurebakterien enthalten, die beim biologischen Säureabbau zur Weinbehandlung eingesetzt werden.
Verfahren zum Entsäuern von Wein unter Verwendung von in Calcium-Alginat immobilisierten Zellen der Spezies Leuconostoc oenos sind aus der US 4,380,552 bekannt. Jedoch weisen diese Kügelchen keine Hüllmembran auf, so daß eine ausreichende Stabilität und ein Auswachsen der Zellen nicht gewährleistet ist.
Als Mittel zur Herstellung bzw. Behandlung von alkoholischen Getränken eignen sich vorteilhaft Mikrokapseln, die insbesondere bei der Wein- oder Schaumweinherstellung eingesetzte Enzyme, wie Pektinasen, Glucanasen, ß- Glucosidasen, Proteasen oder/ und Glucose-Fructose-Isomerasen enthalten.
Es kann von Vorteil sein, in einer Mikrokapsel sowohl Zellen als auch ein oder mehrere Enzyme zu immobilisieren. Zum einen kann dies die Handhabung erleichtern, zum anderen kann dies insbesondere dann die Produktivität erhöhen, wenn ein Produkt der Mikroorganismen bzw. Enzyme von den anderen in der Mikrokapsel enthaltenen Mikroorganismen bzw. Enzyme weiter umgesetzt wird. So lassen sich vorteilhaft Spezies von in der Weinherstellung eingesetzten Hefen und deren Behandlungsstoffe, wie Hefezellwandpräparate oder/ und Glucose-Fructose-Isomerasen gemeinsam in einer Mikrokapsel immobilisieren. Neben einer Erhöhung der Aktivität der eingesetzten Hefen lassen sich so die einzusetzenden Mengen der zum Teil teuren Behandlungsstoffe reduzieren.
In einer Mikrokapsel lassen sich auch die Aktivität der immobilisierten Zellen bzw. Enzyme steigernde Stoffe einschließen. So ist beispielsweise bekannt, daß die Aktivität der Milchsäurebakterien mit steigendem Säuregehalt abnimmt. Durch Einschluß eines Kationenaustauschers in eine Milchsäurebakterien enthaltende Mikrokapsel, läßt sich am Ort der Milchsäurebakterien der pH-Wert durch Austausch von Hydroniumionen gegen beispielsweise Kaliumionen erhöhen und so die Aktivität der Milchsäurebakterien steigern. Weitere Beispiele von die Aktivität steigernder Stoffe sind Vitamine, wie Vitamin B-, , oder wachstumsfördernde Proteine.
Vorzugsweise ist mindestens eine Schicht der Hüllmembran aus mindestens einem Polymer aufgebaut. Als Polymer eignet sich vorteilhaft ein Polyelektrolyt- komplex, der aus mindestens einem Polykation und einem Polyanion besteht. Geeignete Polyanionen sind beispielsweise Polyacrylsäure, Polymethacryl- säure, Polyvinylsulfonsäure, Polyvinylphosphonsäure, Alginsäure, Cellulose- Derivate, insbesondere Carboxymethylcellulose oder Cellulose- Schwefelsäureester, Schellack oder Bestandteile von Schellack, wie Aleuritinsäure oder Shellolsäure. Geeignete Polykationen sind beispielsweise Polyethylenimin, Polydimethyldiallylammonium, Poly-L-Lysin oder Chitosan.
Vorteilhaft weisen die Polyanionen bzw. Polykationen einen mittleren Polymerisationsgrad von über 100, vorzugsweise von 100 bis 15.000, auf. Zur gezielten Einstellung der Durchlässigkeit der Hüllmembran werden für die die Durchlässigkeit bestimmende Schicht (Regelschicht) bevorzugt Polymere mit einer engen Molmassenverteilung, beispielsweise synthetische Polyelektrolytkomplexe aus Polyacrylsäure oder Polymethacrylsäure mit Polyethylenimin, verwendet. So wurde die Durchlässigkeit für ein kleines Protein der Größe von etwa 60 kD durch eine Regelschicht aus Polyethylenimin (PEl) (Molmasse 1.000.000) und Polyacrylsäure (PAS) ermittelt. In Tabelle 1 ist der aus den Mikrokapseln diffundierte Anteil des Proteins in Abhängigkeit vom Polymerisationsgrad von PAS nach 60 Stunden Schütteln dargestellt.
Tab. 1 Durchlässigkeit der Regelschicht für ein 60 kD Protein in Abhängigkeit von der Molmasse des Polyanions als Natrium-Polyacrylat (NaPAS). Wie aus Tab. 1 ersichtlich ist, wird die Durchlässigkeit der Regelschicht durch die Polyionen, hier als Polyanion Polyacrylsäure, bestimmt, die einen kleinen Polymerisationsgrad aufweisen, während die Gegenionen, hier als Polykation Polyethylenimin, mit einem hohen Polymerisationsgrad das Gerüst bilden. Bei gleichem Gegenion weisen Polyelektrolytkomplexe mit einem Polyion mit hohem Poiymerisationsgrad eine höhere Festigkeit als solche mit niedrigem Polymerisationsgrad auf. Als Gegenionen, die das Gerüst bilden, an das sich die Polyiorien mit kleinerem Polymerisationsgrad anlagern, sind Polyionen mit einem Polymerisationsgrad über 50.000 bevorzugt.
Zur Immobilisierung von Enzymen ist mindestens eine Regelschicht mit einem Polymerisationsgrad des Polyanions oder Polykations von 100 bis 1.000 bevorzugt, wobei die das Gerüst bildenden Gegenionen, Polykationen bzw. Polyanionen, höhere Polymerisationsgrade aufweisen. Zur Immobilisierung von Mikroorganismen, wie Hefen, sind dagegen höhere Polymerisationsgrade ausreichend; bevorzugt sind hier Polymerisationsgrade des Polyanions oder Polykations der Regelschicht von 1.000 bis 15.000, wobei auch hier die Gerüst bildenden Gegenionen, Polykationen bzw. Polyanionen, einen höheren Polymerisationsgrad aufweisen. Polyionen mit hohen Polymerisationsgraden haben den Vorteil einer hohen Festigkeit der betreffenden Schicht.
Für die die Festigkeit bestimmende Schicht (Stützschicht) werden vorteilhaft Polyelektrolytkomplexe synthetischer Polykationen bzw. Polyanionen mit hohen Polymerisationsgraden von über 10.000 verwendet. Vorteilhaft lassen sich auch natürliche Polykationen und -anionen, wie Alginsäure und Chitosan oder Cellulose-Derivate, verwenden, bei denen sich eine breite Molmasssenverteilung nicht störend auswirkt.
In der Tabelle 2 sind Beispiele für Substanzen der Schichten der Hüllmembran aufgeführt, wobei in der ersten Zeile jeweils angegeben ist, ob sich dieser Aufbau bevorzugt zur Immobilisierung von Hefen und/ oder Enzymen eignet. Der Kern kann zur Immobilisierung ein Alginat aufweisen, das nach Anbringen der Schichten verflüssigt werden kann. In den Spalten der Tab. 2 ist jeweils der Schichtaufbau von Innen nach Außen angegeben. Mit einer größeren Anzahl an Schichten, beispielsweise 4 oder mehr Schichten, kann eine noch höhere Stabilität der Hüllmembran erzielt werden.
Tab. 2 Beispiele für den Schichtaufbau der Hüllmembran bei immobilisierten Hefen und/ oder Enzymen (Alg = Alginat, Chit = Chitosan, CMC = Carboxymethylcellulose, PAS = Polyacrylsäure, PEl = Polyethylenimin).
Darüber hinaus eignen sich als Polymere für den Aufbau einer Schicht der Hüllmembran auch Naturkautschuk, Polystyrol oder/ und Polymethylmethacrylat oder deren Gemisch mit einem oder mehreren Polyelektrolytkomplexen.
Die Erfindung betrifft auch zwei Verwendungen des erfindungsgemäßen Mittels. So läßt sich das Mittel zur Herstellung von Bier verwenden. Hierfür sind Mikrokapseln mit Zellen von einer oder mehrerer in der Bierherstellung eingesetzter Spezies von Hefen zu verwenden. Ebenso läßt sich das Mittel zur Herstellung niedermolekularer Alkohole, wie Methanol oder/ und Ethanol, verwenden, wobei Mikrokapseln mit für die Alkoholerzeugung in hohen Ausbeuten geeigneten Hefen Verwendung finden.
Zur Herstellung und/ oder Behandlung von beispielsweise Wein unter Verwendung des erfindungsgemäßen Mittels sind die Mikrokapseln in einen Trauben-, Beeren- und/ oder anderen Fruchtsaft, beispielsweise Apfelsaft, oder einen Wein, einzubringen. Die Mikrokapseln verbleiben solange in der Lösung, bis die teilweise oder vollständige Umsetzung, beispielsweise die alkoholische Gärung, stattgefunden hat. Anschließend werden die Mikrokapseln aus der Lösung entfernt.
Gegenüber bekannten Verfahren, bei der die eingesetzten Mikroorganismen bzw. Enzyme abfiltriert werden müssen, weist dieses Verfahren den entscheidenden Vorteil auf, daß sich die im Herstellungs- bzw. Behandlungsprozeß eingesetzten Zellen bzw. Enzyme im letzten Schritt des Verfahrens einfach, rasch und vollständig entfernen lassen. Damit ist die Verweilzeit der Mikroorganismen bzw. Enzyme in der Lösung sehr genau einstellbar.
Aufgrund der Größe der Mikrokapseln, bevorzugt sind Durchmesser von einem halben bis wenigen Millimetern, lassen sich die Mikrokapseln einfach und vollständig aus der Lösung entfernen. Hierfür eignen sich mechanische Verfahren, beispielsweise mittels eines Siebes, oder Dekantieren der überstehenden Flüssigkeit nach vorheriger Sedimentation der Mikrokapseln. Bei diesen Arten der Entfernung werden die Mikrokapseln nicht zerstört, so daß diese ggf. nach zwischenzeitlicher Aufbewahrung in einer Nährlösung wiederverwendet werden können. Insbesondere bei teuren Enzymen können hierdurch Produktionskosten gesenkt werden.
Vorteilhaft wird die Lösung zumindest im Bereich der Mikrokapseln so temperiert, daß die Zellen bzw. Enzyme eine optimale Aktivität aufweisen, wobei eine mögliche Beeinflussung der Qualität des Produktes zu berücksichtigen ist.
Es lassen sich verschiedene in Mikrokapseln immobilisierte Mikroorganismen bzw. Enzyme gleichzeitig oder/ und zeitlich versetzt einsetzen. Bei einem zeitlich versetzten Einsatz lassen sich die verschiedenen Mikrokapseln nacheinander der Lösung zugeben und gemeinsam entfernen oder die Verfahrensschritte Einbringen, Verweilen, Entfernen werden mit der selben Lösung unter Verwendung verschiedener in Mikrokapseln immobilisierter Zellen bzw. Enzyme nacheinander mehrfach durchlaufen. Der Einsatz unterschiedlicher Mikroorganismen bzw. Enzyme kann somit gezielt zur Erhöhung der Komplexität etwa eines Weines genutzt werden.
Als Bioreaktor zur Herstellung von niedermolekularen Alkoholen, insbesondere Ethanol, oder alkoholischen Getränken, insbesondere Wein oder Schaumwein, kann ein Fließbettreaktor, in dem die erfindungsgemäßen Mittel enthalten sind, verwendet werden. Geeignete Reaktortypen werden auch in Lüders, Technologie mit immobilisierten Hefen', Brauwelt 1994, 57 aufgezeigt.
Der Bioreaktor kann auch mindestens eine Röhre aufweisen, in der die Mikrokapseln enthalten sind. Vorteilhaft sind die beiden Öffnungen der Röhre mit die Mikrokapseln zurückhaltenden Sieben verschlossen. Hierdurch entfällt ein Abtrennen der Mikrokapseln aus der umgesetzten Lösung. Der Durchmesser geeigneter Röhren liegt bevorzugt im Bereich von einem bis mehreren Zentimetern.
Die umzusetzende Flüssigkeit wird durch die Röhre geleitet, wobei mehrere Röhren parallel oder/ und in Serie miteinander verbunden sein können. Bei einem gleichzeitigen Einsatz von verschiedenen in Mikrokapseln immobilisierten Mikroorganismen bzw. Enzymen sind Röhren gleichen Inhaltes bevorzugt parallel miteinander verbunden, wobei Gruppen von parallel miteinander verbundenen Röhren unterschiedlichen Inhaltes in Serie zusammengeschlossen sind. Es kann auch vorteilhaft sein, einzelne Röhren in Serie miteinander zu verbinden, so daß die Lösung die Röhren nacheinander durchfließt.
Zur Optimierung der Aktivität der eingesetzten Mikroorganismen bzw. Enzyme ist es vorteilhaft das Innere der Röhren, also die Mikrokapseln und die sie umgebende Lösung, zu temperieren. Hierzu weist eine einzelne Röhre oder Gruppen von Röhren vorteilhaft einen gemeinsamen temperierbaren Mantel auf. Durch Kühlung der in den Röhren eingeschlossenen Mikrokapseln läßt sich die Aktivität der Zellen bzw. Enzyme gezielt erniedrigen.
In einer Anlage zur Herstellung von niedermolekularem Alkoholen, insbesondere Ethanol, die mindestens einen Bioreaktor enthält, gelangt die zu vergärende, glucosehaltige Flüssigkeit aus dem Vorratstank in den Mischer. Dort wird sie mit dem Rückfluß aus dem Erhitzer gemischt und dann in den mit Mikrokapseln befüllten Bioreaktor geführt, wo die eigentliche Umwandlung von Kohlenhydraten in Alkohol stattfindet. Der Alkohol wird dann im Heizbehälter und in der Destillierkolonne abgetrennt und im Auffanggefäß für das Hauptprodukt gesammelt. Die Trennung des Alkohols von der restlichen Flüssigkeit geschieht unter Ausnutzung des unterschiedlichen Siedepunktes. Die Restflüssigkeit aus dem Erhitzer kann nach dem Abkühlen im Wärmetauscher wieder im Mischer mit frischer Flüssigkeit angereichert werden und erneut in den Bioreaktor gelangen. Um eine übermäßige Glucoseverdünnung der sich im Kreislauf befindlichen Flüssigkeit zu vermeiden, wird ein Teil des wässrigen Anteils regelmäßig entfernt und als Nebenprodukt in einem Auffanggefäß gesammelt. Eine Anlage zur Herstellung alkoholischer Getränke weist einen stark vereinfachten Aufbau auf. Die zu vergärende Flüssigkeit wird aus einem Vorratsgefäß in einen erfindungsgemäßen Bioreaktor geführt, wo die Flüssigkeit verweilt oder durch beispielsweise einen Röhrenreaktor zirkuliert. Das alkoholhaltige Produkt wird nach einer für eine teilweise oder vollständige Umsetzung erforderlichen Zeit aus dem Bioreaktor in ein Auffanggefäß geleitet.
Weitere Einzelheiten der Anlagen lassen .sich dem nachfolgenden Beschreibungsteil entnehmen, in dem anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel näher erläutert ist. Die beigefügte Figur zeigt den schematischen Aufbau einer kontinuierlichen Anlage zur Alkoholherstellung. Die zu vergärende Flüssigkeit wird aus einem Vorratsbehälter (1 ) in einen Mischer (2) geführt, wo sie sich mit der aus dem Erhitzer (4) rückfließenden Flüssigkeit vermischt. Dieses Gemisch wird im Bioreaktor (3) von in dem erfindungsgemäßen Mittel immobilisierten Hefen zu Alkohol umgesetzt. Die alkoholhaltige Flüssigkeit wird in einen Erhitzer (4) geführt. Aus ihm wird eine Alkohol enthaltende Gasphase in eine Destillierkolonne (5) geleitet. Dort wird der im Vergleich zu Wasser verschiedene Siedepunkt des Alkohols zur Anreicherung des Alkohols ausgenutzt, der im Auffanggefäß für das Hauptprodukt (6) gesammelt wird. Der alkoholarme Teil der vorgegärten Flüssigkeit wird aus dem Erhitzer herausgeführt, in einem Wärmetauscher (8) gekühlt und in den Mischer (2) zurückgeleitet. Damit die sich im Kreislauf befindliche Flüssigkeit einen Mindestgehalt an umzusetzenden Stoffen, insbesondere Glucose, behält, wird ein Teil des wässrigen Anteils regelmäßig aus dem Erhitzer (4) entfernt und als Nebenprodukt in einem Auffanggefäß (7) gesammelt.
Beispiel zur Herstellung von Mikrokapseln:
5 g Natriumalginat (Fa. Kelco, Hamburg) wurden in 700 ml Wasser gelöst. In diese Lösung wurde anschließend 70 g Trockenhefe (Oenoform, Fa. Erbslöh, Geisenheim) eingerührt. Diese Suspension wurde in eine 0,6 %-ige Caiciumchlorid-Lösung getropft. Nach einigen Minuten Aushärtezeit wurden die die Hefezellen in einer Caicium-Alginat-Matrix enthaltenden Kügelchen erst mit Wasser und dann mit einer wäßrigen 0,05 %-igen Lösung von Polyethylenimin (mittlere Molmasse 1 Mio., Fa. Fluka) und anschließend mit einer wäßrigen 0,06 %-igen Lösung von Carboxymethylcellulose (mittelviskos, Fa. Fluka) gewaschen. Anschließend wurden die so erhaltenen Mikrokapseln mit Wasser gewaschen und dann nochmals in die Polyethylenimin- und die Carboxymethylcellulose-Lösung eingebracht. Nach dem Spülen mit Wasser wurden die Mikrokapseln in Wasser gelagert. Die Mikrokapseln wiesen eine zweischichtige Hüllmembran auf, wobei jede Schicht aus dem Polyelektrolytkomplex Polyethylenimin/ Carboxymethylcellulose bestand. Dadurch, daß erst die Zellen aufweisenden Calcium-Alginat-Kügelchen hergestellt wurden und anschließend die Schichten der Hüllmembran aufgebracht wurden, wiesen die Schichten der Hüllmembran keine Hefezellen auf, die aus den Mikrokapseln herauswachsen könnten. Die so immobilisierten Hefen wiesen die gleiche Aktivität wie in unbeschichteten Calcium-Alginat- Kügelchen immobilisierte Hefen auf.

Claims

Patentansprüche
1. Mittel zur Herstellung und/ oder Behandlung alkoholhaltiger Getränke, insbesondere Wein oder Schaumwein,
bestehend aus Mikrokapseln, die jeweils mindestens eine das Kapselinnere vollständig umschließende Hüllmembran aufweisen, wobei das Kapselinnere Zellen mindestens einer Spezies von Mikroorganismen und/ oder ein oder mehrere Enzyme umfaßt, und
wobei die Hüllmembran für die im Kapselinneren eingeschlossenen Zellen bzw. Enzyme nicht durchlässig ist, und
wobei die Hüllmembran für die von den Zellen bzw. Enzymen umzusetzenden Edukte und für zumindest einen Teil der von den Zellen bzw. Enzymen umgesetzten Produkte durchlässig ist.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Hüllmembran mindestens zwei radial übereinander angeordnete Schichten aufweist, wobei jede Schicht alle radial darunter angeordnete Schichten vollständig umschließt.
Mittel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Schichten der Hüllmembran aus unterschiedlichen Substanzen bestehen.
Mittel nach einem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im Innern der Mikrokapsel enthaltenen Zellen bzw. Enzyme in einer Matrix eingebettet sind.
Mittel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix eine Alginat-Verbindung eines mehrwertigen Kations aufweist.
5. Mittel nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Schicht der Hüllmembran aus einer von der die Zellen bzw. Enzyme einbettenden, die Matrix bildenden Substanz unterschiedlichen Substanz besteht.
6. Mittel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix im
Innern der Mikrokapsel verflüssigt ist.
Mittel nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten kovalent oder/ und ionisch miteinander verbunden sind.
8. Mittel nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllmembran für außerhalb der Mikrokapsel befindliche Wirkstoffe und/ oder Mikroorganismen, die die im Kapselinneren enthaltenen Zellen bzw. Enzyme in ihrer Aktivität beeinträchtigen, nicht durchlässig ist.
Mittel nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren der Mikrokapsel Zellen mindestens einer Spezies von in der alkoholischen Gärung, vorzugsweise bei der Weinherstellung, eingesetzten Hefen enthalten sind.
10. Mittel nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren der Mikrokapsel Zellen mindestens einer Spezies von im biologischen Säureabbau bei der Weinbehandlung eingesetzten Milchsäurebakterien enthalten sind.
11. Mittel nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren der Mikrokapsel ein oder mehrere Enzyme aus der Gruppe der Pektinasen, Glucanasen, ß-Glucosidasen, Proteasen oder/ und Glucose-Fructose-Isomerasen enthalten sind.
12. Mittel nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren der Mikrokapsel Zellen von mindestens einer Spezies von Mikroorganismen und mindestens ein Enzym enthalten sind.
13. Mittel nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren der Mikrokapsel Zellen mindestens einer Spezies von in der Weinherstellung eingesetzten Hefen sowie mindestens ein Hefezellwandpräparat oder/ und eine Glucose-Fructose-Isomerase enthalten sind.
14. Mittel nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren der Mikrokapsel neben den Zellen bzw. Enzymen mindestens ein die Aktivität der Zellen bzw. Enzyme steigernder Stoff enthalten ist.
15. Mittel nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Schicht der Hüllmembran aus mindestens einem Polymer aufgebaut ist.
16. Mittel nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer ein Polyelektrolytkomplex ist.
17. Mittel nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der
Polyelektrolytkomplex mindestens ein Polyanion aus der Gruppe Polyacrylsäure, Polymethacrylsäure, Polyvinylsulfonsäure, Polyvinylphosphonsäure, Alginsäure, Cellulose-Derivate, insbesondere Carboxymethylcellulose oder Cellulose-Schwefelsäureester, Schellack oder Bestandteile von Schellack, wie Aleuritinsäure oder Shellolsäure, und mindestens ein Polykation aus der Gruppe Polyethylenimin, Polydimethyldiallylammonium, Chitosan oder Poly-L-Lysin aufweist.
18. Mittel nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das
Polyanion oder das Polykation einen mittleren Polymerisationsgrad von 100 bis 15.000 aufweist, wobei das Polykation bzw. Polyanion als Gegenion einen mittleren Polymerisationsgrad von über 50.000 aufweist.
19. Mittel nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer Polystyrol, Polymethylmethacrylat oder/ und Naturkautschuk oder deren Gemisch mit einem oder mehreren Polyelektrolytkomplexen ist.
20. Verwendung eines Mittels nach einem der Ansprüche 1 bis 19 zur
Herstellung von Bier, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrokapseln Zellen einer oder mehrerer in der Bierherstellung eingesetzter Spezies von Hefen enthalten.
21. Verwendung eines Mittels nach einem der Ansprüche 1 bis 19 zur Herstellung von niedermolekularen Alkoholen, vorzugsweise von Ethanol, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrokapseln Zellen einer oder mehrerer Hefespezies enthalten, die die Erzeugung des Alkohols in hohen Ausbeuten ermöglichen.
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