UV-C-Behandlung von Traubenmost zur Inaktivierung von Mikroorganismen

Abstract

The development of new preservation process techniques to protect ingredients and maintain a high quality standard is always a main goal in the food industry. In course of this, microbial safety has top priority. UV-C technology is a modern, non-thermal process with high efficiency. It has been used for sterilization and treatment of drinking water for many years. Also, ultraviolet radiation for disinfection purposes is already being used in other areas of food production. To what extent this method can be successfully applied in the field of grape must production, will be investigated in this dissertation. For this purpose, several yeasts and bacteria, relevant in this area, were examined for their inactivation potential by UV-C treatment. To ensure the best possible microbial inactivation in must, it is essential to determine an ideal treatment dose for both yeasts and bacteria. The results have confirmed that bacteria are far more sensitive to UV C treatment, than yeasts. It was also shown that there are major differences in UV-C stability within the seven yeast species and six bacteria species used in this study. The analyses have identified Metschnikowia pulcherrima and Acetobacter aceti as the most UV-C stable and Brettanomyces custerianus and Pediococcus sp. as the most sensitive organisms. Furthermore, three morphologically different Brettanomyces strains were used to show that there are also strain-specific variances in the response to UV-C treatment. Using Saccharomyces cerevisiae as an example, a potential formation of UV-C resistance was also ruled out. For this purpose, yeast cells were exposed to a dose, that did not result in complete inactivation. The surviving cells were cultured and retreated. Even after repeating this process eight times, no change in the UV-C response of the yeast cells could be detected. For the application of UV-C technology in the juice and wine industry it has to be ensured, that microorganisms are killed directly and their enzymatic activities are directly inhibited. Yeasts and bacteria could further convert sugar to alcohol or form unwanted metabolic byproducts. Therefore, the enzymatic activity after the initial treatment and during the inactivation process of Saccharomyces cerevisiae was analyzed in more detail. HPLC was used to determine the content of glucose, fructose and ethanol. No enzymatic activity could be detected in the UV-C treated samples from the moment after the initial UV-C treatment, up to the day of complete destruction. However, the effectiveness of UV-C treatment of must and wine cannot be attributed solely to the responsiveness of the various microorganisms. Other product parameters such as grape variety, turbidity and optical density also play a decisive role. In this context, four different musts with different optical density and turbidity were treated and the inactivation kinetics of Saccharomyces cerevisiae were compared. In this work it could be proved, that with an increasing optical density and a higher turbidity, the efficiency of the UV-C treatment in must decreases strongly. The success of a treatment is also directly dependent on the initial contamination rate of the product. Tests with different starting cell numbers have shown, that the required inactivation dose also has to be increased, as the number of cells increases. In the winemaking process, however, not only yeasts and bacteria can be a potential source of danger. The fungal infection of grapes by Botrytis cinerea also carries a high risk. The polyphenol oxidase laccase, produced by the fungus, damages ingredients and leads to a colour change in must and wine. In the investigations it could be proven, that it is possible to strongly reduce or completely inactivate the enzymatic activity in Botrytis infected must, depending on the starting concentration. In summary, UV-C technology represents an effective alternative and extension for current oenological practice. It offers the possibility to inactivate a large number of wine relevant microorganisms without causing resistance. In addition, this work has created a new framework for the application of must specific parameters. The results for the inactivation of the enzyme laccase are also proved to be extremely promising.

Die Suche und Weiterentwicklung neuer Konservierungsverfahren zur Schonung von Inhaltsstoffen und Aufrechterhaltung eines hohen Qualitätsstandards ist in der Lebensmittelindustrie stets ein aktuelles Thema. Im Zuge dessen hat die mikrobielle Sicherheit oberste Priorität. Die UV-C-Technologie ist ein modernes, nicht-thermisches Verfahren mit hoher Effizienz. Seit vielen Jahren wird es bereits zur Sterilisation und Aufbereitung von Trinkwasser genutzt. Aber auch in anderen Bereichen der Lebensmittelproduktion findet die UV-C Behandlung zu Desinfektionszwecken bereits ihren Einsatz. Hinsichtlich der Effektivität der Verwendung in flüssigen Lebensmitteln wurden bereits einige Studien durchgeführt. Inwieweit diese Methode ihre erfolgreiche Anwendung im Bereich der Traubenmostverarbeitung finden kann, soll in dieser Arbeit untersucht werden. Hierzu wurden mehrere, in diesem Bereich relevante Hefen und Bakterien auf ihr Inaktivierungspotential durch eine UV-C-Behandlung untersucht. Um eine bestmögliche mikrobielle Inaktivierung in Most gewährleisten zu können, ist es unabdingbar eine ideale Behandlungsdosis, sowohl für Hefen, als auch für Bakterien zu ermitteln. Die Ergebnisse haben bestätigt, dass Bakterien weitaus sensitiver auf eine UV-C-Behandlung reagieren, als Hefen. Auch konnte gezeigt werden, dass es große Unterschiede innerhalb der sieben untersuchten Hefearten sowie der sechs untersuchten Milch- und Essigsäurebakterien gibt. Die Analysen haben Metschnikowia pulcherrima und Acetobacter aceti als die UV-C-stabilsten, sowie Brettanomyces custerianus und Pediococcus sp. als die sensitivsten Organismen identifiziert. Des Weiteren konnte an Hand von drei morphologisch unterschiedlichen Brettanomyces-Stämmen gezeigt werden, dass stammspezifische Varianzen in der Ansprechbarkeit auf UV-C-Behandlung existieren. Am Beispiel von Saccharomyces cerevisiae wurde ebenfalls eine potenzielle UV-C-Resistenzbildung ausgeschlossen. Für die Anwendung der UV-C-Technologie in der Saft- und Weinindustrie muss gewährleistet sein, dass die enzymatischen Aktivitäten der Mikroorganismen direkt unterbunden werden. Mittels HPLC wurden der Gehalt von Glukose, Fruktose und Ethanol bestimmt. Hierbei konnte in den UV-C-behandelten Proben, ab dem Moment nach der initialen UV-C-Behandlung bis hin zum Tag der kompletten Abtötung, keinerlei enzymatische Aktivität nachgewiesen werden. Die Effektivität einer UV-C-Behandlung von Most und Wein ist jedoch nicht allein auf die Ansprechbarkeit der verschiedenen Mikroorganismen zurückzuführen. Es spielen auch andere Produktparameter, wie Rebsorte, Trübung und optische Dichte eine entscheidende Rolle. In diesem Kontext wurden vier verschiedene Moste mit unterschiedlicher optischer Dichte und Trübung behandelt und die Inaktivierungskinetiken von Saccharomyces cerevisiae verglichen. Es konnte nachgewiesen werden, dass mit einer steigenden optischen Dichte und einer höheren Trübung die Effizienz der UV-C-Behandlung in Most stark abnimmt. Ebenfalls ist der Erfolg einer Behandlung direkt von der initialen Kontaminationsrate des zu behandelnden Produktes abhängig. So konnten Versuche mit unterschiedlichen Startzellzahlen belegen, dass die benötigte Inaktivierungsdosis ebenfalls mit wachsender Zellzahl gesteigert werden muss. In der Weinbereitung können jedoch nicht nur Hefen und Bakterien eine potenzielle Gefahrenquelle darstellen. Auch der Pilzbefall von Trauben durch Botrytis cinerea birgt ein hohes Risiko. Die durch den Pilz produzierte Polyphenoloxidase Laccase schädigt Inhaltsstoffe und führt zu einer farblichen Veränderung im Most und Wein. In den vorliegenden Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass es mittels UV-C-Behandlung möglich ist, die enzymatische Aktivität in Botrytis-belastetem Most, je nach Startkonzentration, stark zu reduzieren oder komplett zu inaktivieren. Zusammenfassend stellt die UV-C-Technologie eine effektive Alternative und Erweiterung für die gängige önologische Praxis dar. Sie bietet die Möglichkeit eine große Zahl an weinrelevanten Mikroorganismen zu inaktivieren, ohne dabei Resistenzen hervorzurufen. Zu dem konnte in dieser Arbeit ein neuer Anwendungsrahmen in Bezug auf mosteigene Parameter geschaffen werden. Auch die Ergebnisse zur Inaktivierung des Enzyms Laccase erwiesen sich als äußerst vielversprechend.