Anwendungsbericht Kolloidanalyse

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1 Anwendungsbericht Kolloidanalyse Einleitung C19 - Hefevitalität erstmals mit Partikelladung analysiert Die Hefevitalität ist u.a. ein wichtiger Parameter für die alkoholische Gärung und die Getränkequalität.[1/2] Am Beispiel des Bieres lässt sich eine gute Hefevitalität an der Farbe des Bieres, dem Geschmack sowie der Stabilität des Schaumes erkennen.[1] Die Bestimmung der Vitalität der Hefe wird z.zt. mit einem zeitaufwendigen und teuren Cytometer durchgeführt. Mit Hilfe der Partikelladungsbestimmung und einer kombinierten Ladungstitration steht ein kostengünstiges und schnelles Verfahren zur Verfügung. [1] Partikelladung und Titration Ob die Grenzfläche eine glatte Fläche, eine Partikel- oder eine Moleküloberfläche ist, für alle gelten dieselben Gesetze. Eine geladene Grenzfläche zieht aus der flüssigen Umgebung gegenpolige Überschuss - Ionen an, welche die Ladung nach außen hin abschirmen. Die lose gebundenen Ionen der Ladungswolke (Doppelschicht) können durch ein elektrisches Feld oder durch mechanische Arbeit (Strömung) abgeschert werden. Das Potential, was sich an der Scherschicht ausbildet, kann mit den Messgeräten StabiSizer / Stabino durch mechanische Scherung als Strömungspotentialsignal bzw. Zetapotential ζ abgegriffen werden (Abbildung 1). Abbildung 1: Schematische Darstellung zur Erzeugung des Ladungspotentials in der Scherebene. Im Messgerät wird die Probe in einer Art Kapillare in Richtung der Strömung verschoben. Der an den Messzellenwänden adsorbierte Teil der Partikel ist raumfest. Von dieser Schicht werden die äußeren Ionen abgeschert, wodurch ein sofort induziertes Messsignal als Strom oder Spannung abgenommen wird (Abbildung 2). Particle Metrix. share our view

2 Dieses Messsignal repräsentiert die Partikelladung. Bei der Ladungstitration mit ladungskalibrierten Polyelektrolytlösungen wird die Ladung der Partikeln neutralisiert und damit die Gesamtladung bestimmt. Die Durchmischung der Probe mit der Titrandenlösung geschieht in wenigen Sekunden, sodass danach bereits der nächste Titrationsschritt erfolgen kann und die gesamte Ladungsnullpunkt-Titration nur wenige Minuten dauert. Ein Vorteil, der es gestattet, eine umfangreiche ionische Charakterisierung von Makromolekülen bzw. Partikeln vorzunehmen. Abbildung 2: Elektrische Messung des Partikelgrenzflächenpotentials im Stabino durch oszillatorische Verdrängung der Ionenwolke um die Partikel, die an den Wänden des PFTE-Probenbehälters und -kolbens haften. Die Verdrängung erfolgt durch die Auf- und Abbewegung des Verdrängerkolbens (Pistil). Die dadurch oszillierende Ladungswolke wird als sinusförmiges Strömungspotential (SP) / Zetapotential (ZP) an den beiden Elektroden abgegriffen und als Potential angezeigt. Da es sich um eine elektrische Messung handelt, wird eine Potentialänderung der Partikel sofort angezeigt. Der Pistil sorgt sowohl für das Messsignal als auch für die schnelle Durchmischung mit einer von oben hinzu geträufelten Titrandenlösung. Dies ermöglicht eine Ladungstitration in Minuten. Durchführung der Stressbestimung an Hefen Zur Probenvorbereitung überführt man die Hefe in eine auf 5 C gekühlte Zentrifuge für 5 min bei 4000 U min -1 und zentrifugiert sie ab. Anschließend erfolgt zum Waschen der Hefe eine zweimalige Redispergierung in einer physiologischen Kochsalzlösung (0,1% Peptonwasser). Danach wird eine Lebend-Tot-Bestimmung mittels Methylenbau durchgeführt. Dabei ist darauf zu achten, dass möglichst immer eine gleiche Zellzahl vorhanden ist. [1] Zur Bestimmung der Vitalität der Hefen dienten Stresstests mit Ethanol, oxidativ (H 2 O 2 ), osmotisch und durch Nährstoffmangel. [1] Danach wurde die Ladungsmenge der unterschiedlich gestressten anionischen Proben durch eine Polyelektrolyttitration mit einer ladungskalibrierten kationischen Lösung von 0,001N P-DADMAC (Poly- Diallyldimethylammoniumchlorid) bis zum Ladungsnullpunkt im Stabino titriert [1] und jeweils mit der Referenz-Hefeprobe verglichen. Als Hefestamm wurde der Hefestamm TUM 34/70 verwendet. [1] [email protected] 2/7

3 Ergebnisse Im Folgenden sind die Titrationskurven der 4 verschiedenen Stressungen gezeigt. Am Ende der Abhandlung sind zur Übersicht die Verbräuche an kationischer Poly-DADMAC Lösung von gestressten und jeweiligen Referenzproben tabellarisch zusammengefasst. Zum Vergleich erfolgte für alle gemessenen Hefeproben die Bestimmung der CO 2 Produktion. [1] Stressung mit Ethanol Durch Zugabe von je 1 GG-% bzw. 10 GG-% Ethanol startete die Stressung der Hefen. Die Einwirkdauer betrug eine Stunde bei gleichbleibender Temperatur. Aus den Daten der Ladungstitration erkennt kann man wie in Abbildung 3 gezeigt einen signifikanten Unterscheid zwischen den verschiedenen Konzentrationen an Alkohol. [1] Abbildung 3: Stressung der Hefe mit 1 GG-% bzw. 10 GG-% Ethanol, entnommen aus [1] Mit steigender Stressung ist ein Abfall des Potentials und ein Anstieg des Titrationsvolumens zu beobachten. Diese Daten stehen auch im Einklang mit der gemessenen CO 2 Produktion. [1] [email protected] 3/7

4 Oxidative Stressung Die Zugabe von je 0,1 GG-% bzw. 1 GG-% H 2 O 2 zu den Hefen löst die oxidative Stressung aus. Die Einwirkdauer betrug auch hier eine Stunde bei gleichbleibender Temperatur. Aus den Daten der Ladungstitration, wie in Abbildung 4 gezeigt, ist wieder ein signifikanter Unterscheid zwischen den verschieden Konzentrationen an H 2 O 2 zu sehen. [1] Abbildung 4: Stressung der Hefe mit 0,1 GG-% bzw. 1 GG-% H2O2, entnommen aus [1] Osmotische Stressung Die osmotische Stressung erfolgt durch Zugabe von 15 bzw. 20 GG-% Sorbitol. Die Hefevitalität ist bei diesem Test auf 92% gesunken. Der Grad der Stressung ist bei beiden Konzentrationen ähnlich hoch, wie man aus Abbildung 5 entnehmen kann. [1] [email protected] 4/7

5 Abbildung 5: Stressung der Hefe mit 15 bzw. 20 GG-% Sorbitol, entnommen aus [1] Stressung durch Nahrungsentzug Die Zugabe von destilliertem Wasser simuliert einen Nahrungsentzug. Diese Art der Stressung hat nur einen geringen Einfluss auf die Hefevitalität (Abbildung 6). [1] Abbildung 6: Stressung der Hefe durch Nahrungsentzug mit Hilfe Zugabe destillierten Wassers nach einem und drei Tagen, entnommen aus [1] 5/7

6 Tabelle 1: Übersicht der Messergebnisse Stress-Einfluss /ml /ml /ml MW/ml Standardabweichung Differenz verbrauch MW/ml Referenz 0,19 0,20 0,21 0,20 0,01 1% Ethanol 0,24 0,25 0,25 0,25 0,01 0,05 10% Ethanol 0,76 0,87 1,02 0,88 0,13 0,68 Oxidativ Referenz 0,22 0,23 0,23 0,23 0,01 0,1% H 2 O 2 0,28 0,30 0,34 0,31 0,03 0,08 1% H 2 O 2 0,26 0,27 0,30 0,28 0,02 0,05 Osmose Referenz 0,25 0,27 0,28 0,27 0,01 15% Sorbitol 0,38 0,43 0,44 0,42 0,03 0,15 20% Sorbitol 0,45 0,47 0,49 0,47 0,02 0,21 Nahrungsentzug Referenz 1Tag 0,21 0,23 0,23 0,22 0,01 Entzug 1Tag 0,21 0,20 0,20 0,20 0,00-0,02 Referenz 3 Tage 0,20 0,22 0,22 0,21 0,01 Entzug 3 Tage 0,19 0,20 0,20 0,19 0,00-0,02 Aus der Tabelle 1 ist zu entnehmen, dass die Stressungen durch 10% Ethanol und durch Osmose am effektivsten ausfielen. Der Nahrungsentzug durch destilliertes Wasser zeigte keine Wirkung. Zusammenfassung Abschließend ist zu sagen, dass die Strömungspotential-Messung in Kombination mit einer Ladungstitration eine neue einfache Methode zur Hefevitalitätsmessung darstellt. Alle gemessen Daten stehen im Einklang zu dem produzierten CO 2. [1] Neben der Bestimmung der Hefevitalität eignet sich das Stabino Ladungsbestimmungssystem auch zur schnellen Trübungsvorhersage oder zur Stabilitätsbestimmung. [3,4] Anerkennung Was optisch ausgelegten Zetapotentialmessgeräten durch die langwierige Titration einerseits und durch die Schwierigkeit andererseits, Polyelektrolyt-Ladungstitrationen überhaupt durchzuführen zu können, einfach nicht gelingt, wird mit dem Stabino Ladungstitrationsgerät von Particle Metrix möglich. Es gehört Pioniergeist und Mut dazu eine weniger bekannte Methode wie die Ladungstitration des Stabino bzw. des StabiSizer, dem Vorgängergerät, zur Erforschung von Neuland wie hier beschrieben [1] einzusetzen. Zu diesen Pioniergeistern gehören auch Titze, Ilberg et al.[4], welche das Potential der Ladungstitrationsmethode erkannt haben und als erste zur Vorhersage der Trübungsstabilität anwendeten. Darüber haben wir berichtet [3,4]. Wir freuen uns deshalb ganz besonders, mit dieser Hefestudie ein weiteres bahnbrechendes Forschungsergebnis vorzustellen. [email protected] 6/7

7 Zum Autor Dr. Daniel Hagmeyer studierte an der Universität Duisburg-Essen Chemie mit dem Schwerpunkt Medizinisch-Biologische-Chemie. Im Anschluss erfolgte die Promotion im Fach Anorganischer Chemie unter der Leitung von Prof. Dr. M. Epple. Seit Juli 2011 arbeitet Dr. Hagmeyer als Produktmanager für Kolloid-Analytik bei der Firma Microtrac Europe GmbH in Meerbusch bei Düsseldorf. Literatur (1) K. Müller-Auffermann, M. Hutzler, H. Schneiderbanger and F. Jacob: Scientific Evaluation of Different Methods for the Determination of Yeast Vitality BrewingScience Monatsschrift für Brauwissenschaft, 64, 09/ pp (2) W. Back, T. Imai, C. Forster, L. Narziß : Monatsschrift für Brauwissenschaft. Hefevitalität und Bierqualität, 1998, no. 11/12, pp (3) D. Hagmeyer, H. Wachernig: Combined Methods for colloid characterization New beverage analysis, FOOD-Lab International, 2/12, pp (4) J. Titze, V. Ilberg, F. Jacob, H. Parler: 2008, Einsatzmöglichkeiten der Ladungstitrationsmethode zur Beurteilung der chemisch-physikalischen Bierstabilität Teil 1 & Teil 2 Brauwelt 148 Nr. 18/19, 23, S , S [email protected] 7/7