Fermentation

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Gärbottiche zur Bierherstellung sind Bioreaktoren

Fermentation oder Fermentierung (lateinisch fermentumGärung“ oder „Sauerteig“) bezeichnet in der Biologie bzw. Biotechnologie die enzymatische Umwandlung organischer Stoffe in Säure, Gase oder Alkohol. Die Fermentation wird in der Biotechnologie bewusst angewendet. Dies geschieht entweder durch Zugabe von Bakterien-, Pilz- oder sonstigen biologischen Zellkulturen oder aber durch den Zusatz von Enzymen (Fermenten), die die Fermentation im Rahmen ihres enzymkatalysierten Stoffwechsels ausführen. Teilweise sind diese Mikroorganismen bereits natürlich auf den Ausgangsstoffen vorhanden, etwa bei der Spontangärung. Dennoch werden gerade in der industriellen Fermentation Reinzuchtzellkulturen zugegeben, um die Fermentation besser zu kontrollieren und unerwünschte Nebenprodukte auszuschließen.

Definition[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ursprünglich wurde mit Fermentation eine Gärung unter Ausschluss von Luft bezeichnet. Louis Pasteur prägte den Ausdruck fermentation, c’est la vie sans l’air ‚Fermentation ist das Leben ohne Luft‘. Heute umfasst die Fermentation jegliche biotechnologische Produktion, auch diejenige unter Sauerstoffversorgung. Die Reaktoren werden auch als Fermenter bezeichnet. Es lassen sich so verschiedene medizinische Produkte wie Insulin, Hyaluronsäure, Streptokinase und eine Vielzahl von Antibiotika, beispielsweise Penicillin großtechnisch in Bioreaktoren synthetisieren, teilweise mit Hilfe von Mikroorganismen, teilweise mit Zellkulturen (meist Suspensionszellen). Mikroorganismen sind – gegebenenfalls nach gentechnologischer Veränderung – in der Lage, Stoffe zu bilden, die sich auf chemischem Wege nur schwer herstellen lassen.

Die anaerobe Gärung ist ein Teilbereich der Fermentation und läuft ausschließlich anaerob ab, also sauerstofffrei. Häufig wird Gärung als Synonym für Fermentation benutzt. Letztere schließt allerdings sowohl aerobe Vorgänge als auch gänzlich andere mikrobielle oder autolytische enzymatische Prozesse, wie die Matjes­reifung, ein. Aerobe Prozesse, wie die Essigsäuregärung, werden entsprechend als oxidative Gärung bezeichnet. Submersfermentation ist die Bezeichnung für Abläufe in Flüssigkeiten und Dispersionen. Die Enzymologie ist das Forschungsgebiet der Fermentation.

Die Bedeutung des Wortes in der Biotechnologie hat sich verändert. Allerdings ist dies nicht in allen wissenschaftlichen Disziplinen der Fall. In der Biochemie und der Metabolomik wird mit dem Begriff „Fermentation“ weiterhin nur ein anaerober Prozess bezeichnet, auch in der englischen Sprache.[1] Um im Deutschen eine Verwechslung zu vermeiden, wird manchmal auch der Begriff Kultivierung verwendet.

Einsatzgebiete[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Fermentation in der Lebens- und Genussmittelherstellung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Dickete bei der Käseherstellung

In der Lebensmittelherstellung spielt die Fermentation eine zentrale Rolle bei der Produktion und Haltbarmachung von Lebensmitteln, wie die Herstellung von Sauerkraut, Kimchi, Tsukemono, Miso oder Nattō. Des Weiteren entwickeln sich die Aromastoffe, wie bei Sojasauce und fermentierten Getränken, oder die Gerbstoffe werden abgebaut, wie bei Tee, Kakao, Kaffee und Tabak. Weitere Vorgänge sind die Herstellung von Milchprodukten, wie Käse oder Joghurt, die Herstellung von Tofu oder Rohwurst (beispielsweise Salami) und letztlich die Erzeugung von alkoholischen Getränken wie Bier, Wein oder Whisky.

Herstellung von Milchprodukten und lactofermentiertem Gemüse[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Milchsäuregärung und Milchsäure
Joghurt und andere Sauermilchprodukte basieren auf Milchsäuregärung.

Eine Reihe von Lebensmitteln wird direkt durch Milchsäuregärung hergestellt. Darunter fallen vor allem die Sauermilchprodukte wie Sauermilch, Joghurt, Kefir und Buttermilch. Diese werden durch Impfung von pasteurisierter Milch mit Starterkulturen der Milchsäurebakterien hergestellt. Traditionell wurden diese Produkte aus Rohmilch hergestellt, wobei die Milchsäurebakterien sich aus der Luft angesiedelt haben und sich auf natürliche Weise vermehrten und so die Fermentation in Gang setzten. Heute spielt diese Herstellung aufgrund der großen benötigten Mengen keine Rolle. Dazu trägt auch in entscheidendem Maß die Gesetzeslage in Deutschland bei, welche den Verkauf von Rohmilch an weiterverarbeitende Betriebe unterbindet. Aufgrund der modernen Fütterungsweise von Kühen wird eine Fehlgärung der Milch wahrscheinlicher. Deshalb gibt es beispielsweise für viele von Feinschmeckern geschätzte Schweizer Rohmilchprodukte strenge Vorschriften für eine weitestgehend natürliche Fütterung durch Weidehaltung und Gabe von Heu zur Winterzeit, die die Fehlgärung der Milch zur Herstellung von Rohmilchprodukten verhindern soll. Da die Bandbreite an Bakterien, die sich aus der Luft ansiedeln können größer ist als jene aus den spezifizierten Gaben in der Massenproduktion, gibt es Unterschiede im Fermentationsprozess und dadurch bedingt in der Aromenvielfalt. Weitere Produkte sind auch lactofermentierte Gemüse wie Sauerkraut, Borschtsch oder Kimchi sowie Sauerteig und entsprechende Sauerteigprodukte. Silagen, durch Vergärung haltbar gemachte Frischfuttermittel, basieren auf der Milchsäuregärung.[2]

Fermentation von Teeblättern[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Teeblätter werden durch Rollen gequetscht und so die Pflanzenzellen teilweise zerstört. Die in der intakten Zelle getrennten Enzyme (vor allem Phenoloxidasen) und andere Inhaltsstoffe der Teepflanze (vor allem die Polyphenole) kommen zusammen und mit Sauerstoff reagieren die dunkel gefärbten Polyphenole und Aromastoffe. Der Vorgang dauert etwa drei Stunden. Im Gegensatz zum Schwarzen Tee wird der Oolong-Tee nur kurz und der grüne Tee gar nicht fermentiert.[3]

Fermentation von Rohtabak[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Fermentation des Tabaks ist ein Gärungsprozess, mit dem aus getrocknetem Rohtabak ein verbrauchsfertiger Tabak hergestellt wird. Der Nikotingehalt wird vermindert und blatteigene Eiweißverbindungen, die beim Rauchen das charakteristische Aroma der einzelnen Sorten überdecken würden, werden abgebaut.

Nach dem Zusammenstellen der jeweiligen Tabakcharge (mindestens 1000 Kilogramm) setzt der Fermentationsprozess von selbst ein oder wird durch Wärmezufuhr in Gang gesetzt. Die ideale Prozesstemperatur liegt zwischen 50 °C und 60 °C, höhere Temperaturen schaden der Tabakqualität. Bei einer natürlichen Fermentation werden die Tabakstapel vier- bis fünfmal umgeschichtet, jeweils vom Stapelrand in die Stapelmitte und umgekehrt. Bis alle Blätter gleichmäßig fermentiert sind vergehen vier bis sechs Monate.

Fermentation von Marihuana[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Auch Marihuana wird zumeist fermentiert, um den Rauchgenuss durch verbesserten Geschmack, weniger Irritationen im Hals sowie einen erhöhten THC-Anteil zu verbessern.[4]

Technische Fermentation[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bioethanolanlage in Burlington, Iowa.

Das Haupteinsatzgebiet der Fermentation ist die technische Biotechnologie zur Herstellung verschiedener Fermentationsprodukte. Die Erzeugnisse reichen von Bioethanol über Aminosäuren, Organische Säuren, wie Milchsäure, Zitronensäure und Essigsäure, bis zu Enzymen wie Phytase über Antibiotika und andere pharmazeutische Produkte bis hin zu Biomonomeren und -polymeren wie Polyhydroxyalkanoate. Solche technischen Produkte sind Polyhydroxyalkanoate oder Polyhydroxybuttersäure (PHB). Technisches Bioethanol, zur Nutzung als Biokraftstoff, stellt neben Bier und der Hefeproduktion sowie Biogas aktuell das Hauptprodukt der Fermentationsindustrie dar.

Rohstoffe sind vorwiegend Stärke und Saccharose Substrat zur Produktion durch Bakterien oder Pilze. Bioethanol wird in Brasilien vor allem auf der Basis von Zucker aus Zuckerrohr gewonnen, in den USA stellt Mais den Hauptrohstoff dar. Nach Angaben der deutschen Bioethanolwirtschaft werden in Deutschland knapp zwei Drittel des Bioethanols aus stärkehaltigen Pflanzen, vor allem Weizen, gewonnen.[5] Die Produktion läuft in der Regel unabhängig vom Substrat, bei fast allen Fermentationsprozessen können also sowohl Stärke als auch Saccharose und verschiedene andere zuckerhaltige Produkte genutzt werden, dabei insbesondere Dicksaft und Melasse. Auch Cellulose als Hauptbestandteil des Holzes ist ein Zuckerpolymer das als alternatives Substrat zur Diskussion steht für zukünftige Anwendungen, vor allem für Cellulose-Ethanol sowie bei der Verwendung in der Bioraffinerie.

Biogasherstellung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Biogas
Fermenter einer Biogasanlage

Auch die Herstellung von Biogas durch Vergärung von Biomasse in Biogasanlagen ist ein Fermentationsprozess. Dieses Produkt wird zur Gewinnung von Bioenergie verwendet. Mit Hilfe von Bakterien wird in einem anaeroben Gärungsprozess ein Gasgemisch mit den Hauptkomponenten Methan (CH4) und Kohlenstoffdioxid (CO2) sowie Spuren von Stickstoff (N2), Sauerstoff (O2), Schwefelwasserstoff (H2S), Wasserstoff (H2) und Ammoniak (NH3) produziert. Zumeist wird über eine Biogasaufbereitung gereinigt. Für das Biogas ist der bei der Gärung entstehende Anteil von Methan wichtig, da seine Verbrennung die meiste Energie freisetzt.

Auch Deponiegas und Klärgas entstehen bei der als Vergärung oder Faulung bezeichneten anaeroben Zersetzung von organischem Material. Diese Gase werden gelegentlich unter den Bezeichnungen Faulgas oder Biogas zusammengefasst.

Bioreaktoren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Bioreaktor
Anlage zur Herstellung von Impfstoffen.

Vor allem Mikroorganismen können in sogenannten Bioreaktoren oder auch Fermentern kultiviert werden. Dieses sind Behälter, in denen die Reaktionsbedingungen gesteuert und optimiert werden. So produzieren die kultivierten Organismen die gewünschten Stoffe unter optimalen Bedingungen oder in höheren Konzentrationen. In den Reaktoren können verschiedene Parameter, dazu gehören pH-Wert, Temperatur, Sauerstoff­zufuhr, Stickstoff­zufuhr, Glucose­gehalt oder Rührer­einstellungen geregelt werden.

Da die einsetzbaren Organismen sehr unterschiedliche Ansprüche haben, stehen unterschiedlichste Fermentertypen zur Verfügung.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Fermentation – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. IUPAC. Compendium of Chemical Terminology. doi:10.1351/goldbook.
  2. Rolf D. Schmid: Taschenatlas der Biotechnologie und Gentechnik. 2. Aufl. Wiley-VCH, Weinheim 2006; ISBN 978-3-527-31310-5, S. 12–13.
  3. Hans G. Adrian, Rolf L. Temming, Arend Vollers: Das Teebuch. Geschichte und Geschichten. Anbau, Herstellung und Rezepte. VMA, Wiesbaden 1990, ISBN 3-928127-01-2.
  4. Jan Koolman: Kaffee, Käse, Karies .... John Wiley & Sons, 2012, ISBN 978-3-527-64110-9 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  5. Bundesverband der deutschen Bioethanolwirtschaft e. V. (BDBe): Marktdaten, abgerufen am 26. März 2011.