Fermentation ist ein Prozess, bei dem aus einem Stoff A durch Mikroorganismen ein Produkt B hergestellt wird.
Blaualgen (Cyanobacteria), Bakterien, Pilze (Fungi), Algen und Protozoen
aus: Talaro
„Mikroorganismen“ ist kein wissenschaftlicher Begriff und kein Name einer systematischen Gruppe – gemeint sind „kleine Organismen“ aus mehreren Reichen der Lebewesen. Sie haben wenige Merkmale gemeinsam, können aber alle mit den gleichen Methoden und Geräten untersucht werden.
Die größte Rolle für Produktionsverfahren spielen Bakterien (Herstellung z.B. von Milchprodukten, Essig, Sauerteig) und Pilze (Hefepilze als Treibmittel beim Backen und zum Ablauf der alkoholischen Gärung).
Läuft eine Fermentation in großtechnischem Maßstab ab, spricht man von Biotechnologie. Dabei ist nicht genau festgelegt, wie groß „groß“ sein muss.
Gärung und damit Erzeugung von Alkohol im Reagenzglas
aus: http://www.bossert-bcs.de/biologie/traub.htm
Schema einer kontinuierlichen Alkoholproduktion im Labor
Fermenter (Bioreaktor) etwa 2 Meter hoch (aus: Gottschalk)
Anlage zur Bioalkoholgewinnung (aus: Gottschalk)
Soll die Reaktion beschleunigt oder die Ausbeute erhöht werden, so muss man leistungsfähigere Mikroorganismen in der Umwelt suchen oder sie züchten.
Verschiedene Rassen von Hefepilzen (Eukaryoten!) kann man kreuzen und prüfen, ob die Nachkommen für den gewünschten Zweck geeigneter sind.
An Bakterien wurden die gentechnischen Methoden entwickelt. Darunter fasst man Techniken zusammen, mit denen man das Erbgut verändern kann. Es lassen sich schnell bestimmte Gene (auch anderer Bakterienarten) in das Erbgut einer Bakterienart einfügen.
Lösungen, die man in der Natur beobachten kann, werden auf die Entwicklung von technischen Anwendungen übertragen.
So dienten segelnde Vögel als Vorbild für Flugzeuge; nach der Haftmethode der Füße eines Geckos wurden Pflaster entwickelt.
Die Herstellung von Sauerkraut kann als Beispiel für „Fermentation“ dienen oder als Projekt durchgeführt werden.
Der Gärprozess des Weißkrautes hat zwei Ziele: Veränderung des Geschmacks (Sauerkraut als Produkt) und einen Konservierungseffekt (Haltbarmachen durch Milchsäure und Luftabschluss).
Die äußeren Blätter werden entfernt und das Kraut fein geschnitten.
Zu dem geschnittenen Kraut wird Salz gegeben (10g Kochsalz / 1kg Kraut) und gründlich gemischt.
Die Mischung wird in einen Topf gegeben und angepresst. Kraut und Salz sollen in guten Kontakt kommen und alle Luft aus den Zwischenräumen entfernt werden.
Ist das Kraut eingeschichtet, legt man Deckel und ein Gewicht auf. Dadurch soll verhindert werden, dass sich bei der bald einsetzenden Gasentwicklung Hohlräume in der Krautmasse bilden.
In die Vertiefung des Randes wird Wasser gefüllt und der Deckel aufgesetzt. Dadurch wird ein Ventil gebildet – Gase können aus dem Gefäß entweichen, Luft kann nicht eindringen.
Das Gefäß bleibt ein bis zwei Wochen in einem warmen Raum stehen. Bald fängt es an zu blubbern – Gasblasen entweichen durch das Wasser.
Das Wasser muss immer wieder ergänzt werden.
Nach etwa zwei Wochen wird der Topf an einen kühlen Ort gebracht. Nach weiteren drei bis vier Wochen ist das Kraut „reif“. Auch in dieser Zeit muss immer Wasser nachgefüllt werden.
Biotechnologische Methoden wurden schon im Altertum angewendet. Sie wurden aus Beobachtungen (z.B. gärender Fruchtsaft) abgeleitet und durch Probieren verbessert. Bevor man Mikroorganismen entdeckte, war eine Erklärung nicht möglich.
Was sind die Grundlagen der Sauerkrautherstellung?
Durch das Schneiden in feine Streifen werden viele der Blattzellen angeschnitten und das Plasma läuft aus. Das zugegebene Salz löst sich und es entsteht eine Salzlösung von physiologisch sehr hoher Konzentration. Durch Plasmolyse wird die Konzentration nur unwesentlich herabgesetzt. Die Zellen sterben ab, die Zellmembran wird durchlässig, die Zellen laufen aus.
Die Salzlösung wird dadurch auch zur Nährlösung mit Ionen, Proteinen, Zucker, Aminosäuren und vielen anderen Stoffen.
In dieser Lösung befinden sich sehr viele unterschiedliche Bakterienarten und große Menge an Pilzsporen. Die hohe Salzkonzentration und der fehlende Sauerstoff verhindern aber deren Wachstum bzw. ihr Auskeimen. Nur ein „Spezialist“ wie das Bakterium Leuconostoc mesenteroides kann unter diesen Bedingungen wachsen – und zwar gut und schnell. Sie sind weit verbreitet und mit allen anderen Bakterien in das Kraut gelangt. Wenn sie wachsen, entwickeln sie Kohlenstoffdioxid und Milchsäure – beides in großen Mengen. Das Gas entweicht und zeigt an, dass die Gärung abläuft. Die Milchsäure senkt den pH-Wert und verschlechtert damit die Bedingungen für die anderen Bakterienarten noch weiter (= Sauerkrautgeschmack und Konservierung). Gegen Ende der Gärphase tritt das Bakterium Lactobacillus plantarum auf, das die Milchsäurekonzentration nochmals erhöht (pH 3,5).
In früheren Zeiten (vor der Erfindung und Verbreitung von Kühlgeräten) war der Konservierungseffekt von großem Interesse für die Menschen.
Jede Entnahme einer Portion Sauerkraut führte unweigerlich dazu, dass Sauerstoff hinzukam und ein ganzes Sortiment von Mikroorganismen neu eindrang. Man versuchte, durch Waschen der Deckel, des Steines und des Gefäßrandes den Befall in Grenzen zu halten. Bei jeder weiteren Entnahme nahm der Luftraum zu und ein neuer Besiedlungsschub drang ein. Früher oder später wuchsen dann Fremdbakterien und / oder Schimmelpilze und das restliche Kraut war verdorben.
Das kann man verhindern, indem man am Ende der Reifezeit das Kraut in Portionen in Dosen einmacht oder in Beutel füllt und einfriert.
Literatur
Gottschalk, Gerhard et al.: Biotechnologie, Köln 1986
Talaro, Kathleen and Arthur: Microbiology, WCB 1996
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November 2011
© B.Bossert