Fermentierte Getränke: bessere Bioverfügbarkeit von sekundären Pflanzenstoffen

Fermentierte funktionale Getränke

Lassen wir am Anfang Prof. Dr. Habil Dr. Ing. Iryna Smetanska von der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf zu Wort kommen. Sie beschäftigt sich bereits seit langem mit den Besonderheiten der Sekundären Pflanzenstoffe.

Welche Trends und Innovationen sehen Sie im Bereich der fermentierten functional beverages?

Smetanska: In diesem Marktsegment sehe ich einen klaren Trend hin zu natürlichen, möglichst wenig verarbeiteten Produkten mit Gesundheitsnutzen, zum Beispiel für die Verbesserung der Verdauung, Stärkung von Immunsystem oder „Healthy Aging“.

Besonders dynamisch entwickeln sich fermentierte Getränke mit probiotischer und präbiotischer Wirkung, zum Beispiel Kombucha und pflanzliche Joghurt Alternativen, häufig in Kombination mit fruchtbasierten Komponenten. Gleichzeitig werden „neue“ Zutaten wie Hafer und Hülsenfrüchte immer wichtiger, oft kombiniert mit regionalen oder exotischen Früchten, die reich an SPS, Vitaminen und Mineralstoffen sind. 

Welche Funktion haben die Sekundären Pflanzenstoffe im Stoffwechsel?

Smetanska: SPS gehören zwar nicht zu den essenziellen Nährstoffen, sie beeinflussen jedoch eine Vielzahl zentraler Stoffwechselprozesse. Viele von ihnen wirken antioxidativ, können blutdruck- und cholesterinsenkend sein und besitzen antimikrobielle Eigenschaften. Sie interagieren außerdem mit dem Darmmikrobiom, indem sie das Wachstum bestimmter Mikroorganismen hemmen oder fördern und so indirekt Entzündungs- und Immunprozesse mitsteuern. Die ihnen zugeschriebenen Gesundheitseffekte sind in der Regel das Ergebnis komplexer Wechselwirkungen (nicht nur eines einzelnen Moleküls, sondern des gesamten Lebensmittels!). Daher betrachte ich SPS immer im Kontext der gesamten Lebensmittelmatrix.

Wann im Fermentationsprozess kann ein SPS entstehen?

Smetanska: Während der Fermentation können SPS ganz unterschiedlich reagieren. Einige bleiben weitgehend unverändert, andere werden umgewandelt, und wiederum andere entstehen erst im Verlauf des Prozesses. Viele SPS liegen im Rohprodukt zunächst gebunden vor, etwa an Zellwänden oder in der Zellwandmatrix. Im Laufe der Fermentation werden sie durch pflanzliche oder mikrobielle Enzyme freigesetzt, chemisch modifiziert oder abgebaut. Mikroorganismen können außerdem neue bioaktive Verbindungen wie organische Säuren oder Umbauprodukte von Polyphenolen synthetisieren. Unsere Untersuchungen an Phenolsäuren zeigen, dass sich das Profil einzelner Phenolsäuren im Verlauf der Fermentation aus mehreren der genannten Gründe verändert. Diese Veränderungen spiegeln sich auch in den sensorischen Eigenschaften des fermentierten Lebensmittels wider, etwa in Geschmack, Farbe und Mundgefühl.

Wird die Bioverfügbarkeit, also die Nutzbarkeit der im Stoffwechsel positiv wirkenden SPS, durch die Fermentation erhöht?

Smetanska: Für viele SPS gibt es Hinweise, dass Fermentation ihre Bioverfügbarkeit erhöhen kann. Mikroorganismen bauen die pflanzliche Zellwandstruktur ab und spalten gebundene SPS, sodass kleinere, besser lösliche und damit leichter resorbierbare Verbindungen entstehen. Gleichzeitig verändert sich der pH Wert, und es entstehen neue Stoffwechselprodukte, die die Stabilität und Löslichkeit weiterer Pflanzenstoffe positiv beeinflussen können. In fermentierten Lebensmitteln werden zudem antinutritive Verbindungen wie beispielsweise Phytate oder bestimmte Alkaloide teilweise abgebaut, was die Aufnahme anderer Nähr- und Mikronährstoffe verbessert. Insgesamt kann Fermentation also dazu beitragen, die „Nutzbarkeit“ ausgewählter SPS im Stoffwechsel zu erhöhen, auch wenn die Effekte stark von der jeweiligen Substanz und der Lebensmittelmatrix abhängen.

Kann man einen solchen SPS-Mikronährstoff gesondert herstellen und als Rezepturkomponente zusetzen?

Smetanska: Viele SPS lassen sich isolieren, aufreinigen und als konzentrierte Komponenten in Lebensmittelrezepturen einsetzen. Technologisch erfolgt dies über Extraktion, Fraktionierung und verschiedene Reinigungsverfahren, häufig gefolgt von Verkapselung, um Stabilität, Löslichkeit und Bioverfügbarkeit zu verbessern. In der Praxis werden isolierte Polyphenole, Carotinoide oder Phytosterole bereits in Lebensmitteln und Nahrungsergänzungsmitteln verwendet, allerdings unter klaren regulatorischen Vorgaben und mit definierten Höchstmengen.

Verbraucherorganisationen betonen jedoch zu Recht, dass isolierte Pflanzenstoffe kein vollständiger Ersatz für den regelmäßigen Verzehr pflanzenreicher Lebensmittel sind. Für fermentierte Getränke halte ich eine Kombination für ideal: eine fermentierte Basis, die von Natur aus reich an SPS ist, ergänzt durch sorgfältig dosierte, definierte Zusätze.

Welche Rohstoffe sind für die Fermentation in der Zukunft Ihrer Ansicht nach besonders interessant?

Smetanska: Wenn ich an die Zukunft der Fermentation denke, sehe ich vor allem pflanzliche Rohstoffe im Mittelpunkt, die sowohl ernährungsphysiologisch als auch sensorisch und ökologisch überzeugen. Dazu zählen Hülsenfrüchte wie Lupine oder Erbse, die reich an Proteinen, Ballaststoffen und SPS sind und sich gut für fermentierte Getränke eignen. Ebenso rücken fruchtbasierte Substrate auf Basis von Beeren, Trauben oder tropischen Früchten in den Fokus, deren vielfältiges Polyphenolspektrum sich durch Fermentation gezielt modifizieren lässt. Getreide und Pseudogetreide wie Hafer, Hirse oder Buchweizen bieten zusätzlich großes Potenzial für fermentierte Milchersatzgetränke. Besonders spannend finde ich außerdem die Nutzung von Nebenströmen der Lebensmittelverarbeitung, etwa Pressrückständen aus Obst- und Gemüseverarbeitung, die reich an SPS sind und durch Fermentation zu hochwertigen, funktionellen Getränken veredelt werden können.

Kombucha im Fokus

Im Trend liegt ein seit langem bekanntes Getränk namens Kombucha. Darunter versteht man ein aus starkem, gezuckertem Schwarz- oder Grüntee hergestelltes Getränk, das von Hefe und Essigbakterien fermentiert wird. Kombucha ist zudem bekannt durch den sog. „Teepilz“ oder SCOBY (symbiotic culture of bacteria and yeast), der von Bakterien während der Gärung gebildet und in frischem, gesüßtem Tee als Starterkultur eingesetzt wird. Der Alkoholgehalt von Kombuchagetränken darf nach den gesetzlichen Bestimmungen für alkoholfreie Getränke maximal zwei Gramm Alkohol pro Liter betragen.

Besonderheiten bei der Herstellung von Kombucha

Bei der Extraktion des Teeaufgusses werden hauptsächlich bittere und adstringierende Polyphenole, die für ihre antioxidativen Eigenschaften bekannt sind, herausgelöst. Im Extrakt befinden sich zudem Pigmente wie Theaflavin, die dem schwarzen Tee seine Farbe verleihen. Koffein ist ein weiterer Teebestandteil, der bitter, jedoch nicht adstringierend ist.

Für das Auge nimmt die Farbintensität der Flüssigkeit ab und der Farbton verändert sich zu einem hellen Gelb. Dies ist die Folge einer Änderung der Struktur in phenolischen Pigmenten. Verantwortlich dafür ist wohl der pH-Abfall. Die Trübung der Flüssigkeit verändert sich durch die Vermehrung der MO und die Bildung von Makromolekülen wie Proteine.

Der Kombucha-Geruch ist von Estern (hauptsächlich Ethylacetat), höheren Alkoholen wie Isobutanol und Fettsäuren (hier Valeriansäure oder Caprylsäure) geprägt, die für den Fruchtgeschmack und den Zitrusduft eine Schlüsselrolle spielen. Je nach Dauer der Kombucha-Gärung kann die Essignote hervorstechen.

Die Gärung verändert den Geschmack grundlegend. Das individuelle Empfinden hängt stark vom Gleichgewicht zwischen Süße und Säure ab. Ebenso bedeutend sind die Zuckerarten und die organischen Säuren. Im Frühstadium der Gärung wird das Getränk als süß wahrgenommen, bei fortgeschrittener Gärung als sauer und unangenehm.
Beispielsweise ist die Freisetzung von Gallussäure aus größeren Molekülen ein Indiz auf eine Abnahme des Molekulargewichts (bzw. der Größe) der Polyphenole zu verstoffwechselbaren Antioxidantien.

Die Wasserhärte – vor allem Kalziumionen – ist ein wichtiger Faktor für die Extraktion der Inhaltsstoffe im Tee.

Die spontane Oxidation der Polyphenole verbraucht den in der Flüssigkeit enthaltenen Sauerstoff schnell. Das Wachstum von Mikroorganismen und deren Sauerstoffverbrauch schützt die Antioxidantien während des restlichen Prozesses. Die Flüssigkeitsoberfläche ist demnach der einzige Bereich, der Sauerstoff ausgesetzt ist. Mit größerer Grenzfläche steigt auch die Sauerstoffzufuhr, der limitierende Faktor im oxidativen Stoffwechsel der Essigsäurebakterien.

Sterilverfahrenstechnik ist für fermentierte Getränke besonders wichtig

Der Konsument erwartet, da Kombucha ein fermentiertes Produkt ist, dass es lebende Mikroorganismen enthält, die beim Verzehr eine probiotische Wirkung entfalten. Deswegen erfolgt keine Pasteurisation. Somit ist eine Kühlkette erforderlich, um die Aktivität der Mikroorganismen zu verringern. Allerdings kann die andauernde geringe Fermentationsleistung zur Bildung von Ethanol und gasförmigem Kohlendioxid führen, da es zur Hemmung des oxidativen Stoffwechsels von Essigsäurebakterien in Anwesenheit von Sauerstoff in der Flasche kommt.

Als besonderes Beispiel für die unsachgemäße Herstellung eines fermentierten Lebensmittels soll das probiotische Kimchi dienen. Gleich hier wird betont, dass eine ausreichende Säurebildung mit einem pH-Wert unter 4,5 extrem wichtig ist. Abgefüllt ist unbedingt auf eine kühle Lagerung zu achten. Bei zu hohem pH-Wert kann sich durch das Bakterium Burkholderia gladioli cocovenenans die extrem toxische Bongkreksäure bilden und bereits in bei einem Milligramm für einen Erwachsenen tödlich wirken. Teuflisch: die Bongkreksäure ist hitzestabil, geschmacks- und geruchlos. Burkholderia gedeiht besonders gut in feuchter, säurearmer Umgebung bei Temperaturen zwischen 22 und 37 °C.

Folglich ist bei allen fermentierten Getränken eine ausgefeilte Sterilverfahrenstechnik mit präzisen Grenzwerten der Parameter und eine Echtzeitüberwachung erforderlich. Dazu müssen sämtliche Parameter geregelt und im für die Mikroorganismen optimalen Bereich gehalten werden. Zu diesen Bedingungen gehören Temperatur, pH-Wert, Nährstoffgehalt, eine gleichmäßige Durchmischung und Sauerstoffkonzentration der Nährlösung. Insgesamt eine anspruchsvolle Aufgabe, die in einem Beitrag über Besonderheiten des biotechnologischen Sterilprozesstechnik behandelt wird.

Quellen
Interview mit Prof. Dr. habil. Dr.-Ing. Iryna Smetanska; Hochschule Weihenstephan-Triesdorf 
Thiery Tran: Herstellung und Qualitätskontrolle von Kombucha
Thomas Birus: Grundlagen der Biotechnologie