Schlüsselwörter
(Englisch)
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Alicyclobacillus acidoterrestris, Guaiacol, Gärstockungen , Hexokinase I and Hexokinase II
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Leider kommen heute immer noch viele Lebensmittel auf den Markt, die mikrobiologisch mehr oder weniger verdorben sind. In diesem Projekt wird die Problematik verdorbener Lebensmittel aufgezeigt, die keine gesundheitlichen Folgen für die Konsumentinnen und Konsumenten haben, aber zu mehr oder weniger deutlichen sensorisch negativen Einflüssen führen.
In einem ersten Teilprojekt geht es um das Verderbnis erregende Bakterium Alicyclobacillus acidoterrestris (A. acidoterrestris). Die Anwesenheit dieses Bakteriums in Fruchtsäften führt zur Bildung der chemischen Substanzen vor allem Guaiacol, aber auch 2,6-Dichlorphenol und 2,6-Dibromphenol. Die befallenen Fruchtsäfte riechen dann nach geräuchertem Schinken, Barbecue-Sauce, heuig und dumpf. Diese Aromatik verdrängt je nach Konzentration mehr oder weniger die sortentypische Aromatik. A. acidoterrestris wurde schon in Apfelsaft, Orangensaft, Grapefruitsaft, aber auch in Eistee und Coca Cola gefunden. Das technologische Problem mit diesem Bakterium ist seine Thermophilität. Die optimalen Wachstumsbedingungen liegen bei Temperaturen zwischen 20° und 70 °C und bei pH-Werten zwischen 2.5 und 6.0 („acido“). Die Bakterien überleben die üblicherweise angewandten Pasteurisations-Methoden, weil die Sporen überleben und durch die Pasteurisation zum Auskeimen kommen. A. acidoterrestris wurde zum ersten Mal 1982 aus sauren Böden („terrestris“) isoliert. In der Arbeitsgruppe Mikrobiologie der Internationalen Fruchtsaft Union (IFU) wird das Thema A. acidoterrestris mit erster Priorität behandelt.
In einem zweiten Teilprojekt sollen Wege gefunden werden, um bei vergorenen Produkten Gärstockungen zu verhindern. Als Modellsystem für diese Untersuchungen dient der Wein. Gärstockungen im Wein sind immer noch das wichtigste Problem in der Weinproduktion. Die gewonnenen Erkenntnisse können auf andere mit Stämmen der Hefeart Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae) vergorene Produkte wie Destillate, Bier, vergorene Fruchsäfte, wie z.B. Apfelwein usw. übertragen werden. Unsere Forschung hat gezeigt, dass ein Glucose-Fructose -Verhältnis < 0.1 zu Gärstockungen führt. Der einzige Weg, der legal Gärstockungen verhindert und kuriert, ist der Einsatz fructophiler S. cerevisiae Hefestämme. Es ist uns gelungen, fructophile S. cerevisiae Hefestämme zu selektionieren. Bis zu unsern Forschungsresultaten waren nur glucophile S. cerevisiae Hefestämme bekannt. Wir haben festgestellt, dass die entscheidenden Gene für fructophile Hefen die Hexokinase I und Hexokinase II Gene sind. Wir werden eine strukturelle Analyse mittels Sequenzierung und Sequenzvergleich sowie eine funktionelle Analyse mittels Gene Replacement durchführen.
In einem dritten Teilprojekt werden unsere Forschungsresultate zuerst in unsern Versuchsbetrieben auf Praxistauglichkeit überprüft. In einem zweiten Schritt werden die neuen Erkenntnisse in ausgewählten Produktionsbetrieben getestet. In einem dritten Schritt werden die bis anhin erfolgreichen Tests den entsprechenden Extension-Gruppen übergeben zur Einführung in die Praxis. Wir werden also ein sogenanntes „scale up“ mit unsern Forschungsresultaten durchführen.
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Projektziele
(Deutsch)
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1. Bedeutung von A. acidoterrestris in Apfelsäften hinsichtlich der Akzeptanz der Aromatik bei Kundinnen und Kunden muss zuerst abgeklärt werden. Ein Monitoring von vermarkteten nationalen und internationalen Apfelsäften in der Schweiz in Bezug auf A. acidoterrestris Befall in Zusammenarbeit mit dem Sensorikpanel ist gepant. Weitere Forschung hängt davon ab, ob A. acidoterrestris in der Schweiz wirklich ein Qualitätskriterium für die Fruchtsaftproduktion vor allem bei Apfelsäften ist. Analytische Bestimmung des gebildeten Guaiacol sind geplant.
2. Strukturelle Analysen der Hexokinasen der isolierten sieben fructophilen S. cerevisiae Hefestämme müssen durchgeführt werden. Die Sequenzierung der Promotor-, der codierenden- und der Terminatorregion und der Sequenzvergleich müssen gemacht werden.
Wunschziel: Eine funktionelle Analyse durch Gene Replacement der Hexokinasen der fructophilen Hefestämme in einem glucophilen Hefestamm und screening auf den fructophilen Phänotyp ist geplant.
3. Scale Up Experimente in unsern Versuchsbetrieben, bei Fruchtsaftproduzenten vor allem Apfelsaftproduzenten, Weinproduzenten und Brennereien müssen durchgeführt werden, damit unsere wissenschaftlichen Erkenntnisse erfolgreich in der Praxis angewendet werden können. Als Beispiel hat der Einsatz von fructophilen Hefen bei vergorenen Produkten schon zur Qualitätssteigerung beigetragen, weil Produkte mit unerwünschter Restsüsse erfolgreich zu Ende vergoren werden konnten.
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Neue Kenntnisse/Literatur
(Deutsch)
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Zu 1:
Lang, M. (2009). “Detection of the spoilage bacteria Alicyclobacillus acidoterrestris and their influence on the aromatic profile of fruit juices”. Master Thesis ETH Zürich.
Walker, M. and C. A. Philips (2008). “Alicyclobacillus acidoterrestris: an increasing threat to the fruit juice industry? International Journal of Food Science and Technology 43: 250-260
Porret ,N. A. (2006). “Alicyclobacillus acidoterrestris- eine Problem nicht nur für Obstbauproduzenten”. Schweizerische Zeitschrift für Obst- und Weinbau (3/06): 23-24
Chang, S.S. and D. H. Kang (2004). „Alicyclobacillus acidoterrestris spp. In the Fruit Juice Industry: History, Characteristics, and Current Isolation/Detection Procedures”. Critical Reviews in Microbiology 30: 55-74
Gafner, J. et al., (2004). Mikrobiologische Methoden. Internationale Fruchtsaft-Union IFU – Arbeitsgruppe Mikrobiologie.
Zu 2:
Sütterlin, K.A. (2010). “Fructophilic yeasts to cure stuck fermentations in alcoholic beverages”. Thesis University of Stellenbosch Institute for Wine Biotechnology (IWBT).
Horsch, H.K. (2008). Evaluation of evolutionary engineering strategies for the generation of novel wine yeasts strains with improved metabolic characteristics. Thesis University of Stellenbosch Institute for Wine Biotechnology (IWBT).
Tschudi, C. (2009). “Impact of the fructophilc character of wine yeasts to prevent and cure stuck fermentations”. Master Thesis ETH Zürich.
Hubli, N. (2009). „Effects of temperature and growth-medium on glycerol formation and fructophilic yeasts.” Master Thesis ETH Zürich.
Zu 3.
Volkan, M., Lattmann, S. und J. Gafner (2009). „Hefen gegen Weinfehler“. Schweizerische Zeitschrift für Obst- und Weinbau 17/09): 4-7
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Arbeitsvorgang/Stand der Arbeiten
(Deutsch)
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Im Teilprojekt 1 (“Alicyclobacillus acidoterrestris”) muss zuerst in einem Monitoring die Bedeutung von A. acidoterretris bei Konsumentinnen und Konsumenten vor allem in der Schweiz abgeklärt werden. Es werden so viele Personen wie möglich befragt, ob sie einen aromatischen Unterschied erkennen zwischen Apfelsäften mit und ohne Guaiacol beziehungsweise mit und ohne A. acidoterrestris Befall. Eine erste derartige Befragung ist an der Fruchtwelt 2012 vom 24. Februar bis 26. Februar in Friedrichshafen geplant. Sie wird am Stand der Schweizer Zeitschrift für Obst- und Weinbau unter Mithilfe von Christine Brugger durchgeführt. Es werden aber auch kommerziell erhältliche nationale und internationale Apfelsäfte getestet und zwar sowohl von Schweizer Konsumentinnen und Schweizer Konsumenten als auch durch das Sensorikpanel der Forschungsanstalt Agroscope Changins-Wädenswil ACW. Die mit A. acidoterrestris befallenen Apfelsäfte werden mit der Real Time PCR Methode auf das Vorhandensein von Bakterien qualitativ und quantitativ überprüft. Die Methodik für die Real Time PCR wurde schon von Naomi Azur Porret und Michael Lang (Masterarbeit ETHZ 2009) an der ACW etabliert. In filtrierten Apfelsäften ist der Nachweis von A. acidoterrestris DNA sehr wahrscheinlich sehr schwierig. Wir haben aber auf jeden Fall in den befallenen Apfelsäften die Möglichkeit, die Leitsubstanz Guaiacol für den aroamatischen Unterschied nachzuweisen.
Als erstes Wunschziel in diesem Teilprojekt werden wir die gesammelten Proben auf das Vorhandensein von biogenen Amine untersuchen, denn wenn ein Fruchtsaft (Apfelsaft) mikrobiologisch kontaminiert ist, können auch biogene Amine entstehen. Biogene Amine sind natürlich auch ein Qualitätskriterium. Es ist klar, dass wir biogene Amine erwarten, wenn Milchsäurebakterien als Kontaminanten auftreten, weil sie die Aminosäuren zu biogenen Aminen decarboxylieren können. Es besteht aber auch der Verdacht, dass andere Bakterien als Milchsäurebakterien, Hefen und Schimmelpilze in Fruchtsäften biogene Amine bilden können. Diese Arbeiten werden zu dieser Annahme neue wissenschaftliche Resultate liefern. Die Anlaysen von biogenen Amine werden mit Frau Manuela Oettli durchgeführt. Frau Oettli gilt weltweit als die Person, die am sichersten biogene Amine nachweisen kann, was sie schon oft in nationalen und in internationalen Ringtests zeigen konnte.
Im Teilprojekt 2 („Fructophile Hefen“) wird zuerst durch Sequenzierung die Promotor-, die codierende– und die Terminatorregion der Hexokinase I und Hexokinase II der fructophilen S. cerevisiae ermittelt. Die Sequenzen der phänotypisch fructophilen Hefestämme werden mit einem glucophilen Hefestamm verglichen.
Als Wunschziel in diesem Teilprojekt soll eine Funktionsstudie durchgeführt werden. Mit einem sogenannten Gene Replacment sollen die Hexokinase I und die Hexokinase II von einem fructopilen Hefestamm auf einen glucophilen Hefestamm transformiert werden. Der glucophile Hefestamm sollte nach der erfolgreichen Transformation fructophil werden.
Im Teilprojekt 3 („Scale Up“) werden unsere Forschungsresultate auf die Anwendung in der Praxis überprüft. Die Ansprechpartner sind im Abschnitt „Customer Surveys considered“ aufgelistet.
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Kunden/Berichterstattung
(Deutsch)
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Weinproduzenten: Reblaube (Obermeilen), Steiner (Ligerz), Zahner (Trutikon), St. Jodernkellerei (Stalden), Hofkellerei Liechtenstein, Pircher (Eglisau), Cicero (Zizers), Hasler (Uerikon), von Tscharner (Schloss Reichenau), Felicitas Mathier (Salgesch), Markus Weber (Turmgut Erlenbach), Krebs (Twann), Weinforum, Branchenverband Deutschschweizer Wein
Brennereien: Etter (Zug), Schweizer Obstverband
Apfelsaftproduzenten: Möhl, Rivella, Schweizer Obstverband
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