Sauerkraut - Experimente Biologie

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Sauerkraut

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Sauerkraut Einführung                                         zurück        druck
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Sachliche Grundlagen: Sauerkraut gilt im Volksmund als „Besen für den Darm“, es ist seit langer Zeit als Lieferant für Vitamin C bekannt. Sauerkraut entsteht durch die Wirkungsweise von Salz liebenden (halophilen) Milchsäurebakterien aus Weißkohl. Das Produkt des Stoffwechselprozesses dieser Bakterien ist Milchsäure.  Diese ist nicht nur für die Konservierung sondern auch für den „sauren“ Geschmack des Krautes verantwortlich. Der hohe Vitamin C Gehalt und die lange Haltbarkeit, aber vor allem der charakteristische Geschmack machen das Sauerkraut zu einer auch heute sehr beliebten und gesunden Beilage. Schon im Römischen Reich wie auch im „alten China“ wurde Gemüse durch Milchsäuregärung eine längere Haltbarkeit verliehen. Vor allem im Winter beugte Sauerkraut, welches seinen Namen von seinem typischen Geschmack hat, wegen des hohen Vitamin C Gehalts von 20mg pro 100g  Mangelerscheinungen vor. Die Sauerkrautherstellung gehörte zu den Pflichten einer Hausfrau bis die Nahrungsmittelindustrie die Herstellung in großem Stil übernommen hat. Im hier vorgestellten Versuch wird nicht nur Sauerkraut selbst hergestellt, sondern auch eine Wachstumskinetik erarbeitet, die in die biotechnische Arbeitsweise einführen und diese verständlich machen kann. 


Didaktischer Hintergrund: Der Versuch ist geeignet, vom einfachen, fast spielerischen Anfang (Arbeitsunterlage 1) über eine schon genauere Erfassung des Vorgangs (Arbeitsunterlage 2) hin zu einer wissenschaftlichen Erarbeitung im Bereich der Verfahrenstechnik (Arbeitsunterlage 3 und 4 in Art eines Spiralcurriculums zu gelangen. Dabei können je nach Gruppensituation die verschiedenen didaktischen Niveaus im Unterricht erreicht werden.  
Tipps: Für rund 500g Sauerkraut benötigt man 1000g frischen Weißkohl, Ausreichend Kochsalz, einen irdenen Topf entsprechender Größe. Möglichst sauberes aber nicht steriles Arbeiten: am Weißkohl selbst haften genügend Milchsäurebakterien, die die Fermentation in Gang setzen. Nach dem Einstampfen tritt auf Grund des größeren osmotischen Drucks der Kochsalzlösung Wasser aus den Zellen aus. Die Zellen sterben ab. Ein mittlerer Pressdruck (per Hand) unterstützt den Vorgang. Grundsätzlich gilt aber, den Eintrag von Fremdkeimen gering zu halten, weshalb die Hände vorher gründlich zu reinigen sind. Man kann den Versuch auch in einem großen Becherglas oder einem hohen Topf aus Edelstahl durchführen. Das Kraut soll nun vollkommen von der Salz- Lake bedeckt sein. Um die noch vorhandenen Luftblasen auszupressen, verwendet man einen sogenannten Gärstempel.  Das Gägefäß wird dann 7 Tage bei Raumtemperatur abgestellt. Verwendet man kein Gärgefäß, bei dem die sich bildende Kohlensäure über den Wasserring austreten kann, wird nach dem ersten Gärungstag der Deckel des Gefäßes etwas angehoben, so dass verbliebene Luftblasen und das gebildete CO2 austreten können. Nach 7 Tagen wird der Gärbehälter in eine Umgebung mit 10 - 15 °C (früher oft im Keller) gebracht. Dort soll das Sauerkraut mehrere Wochen reifen und für den Geschmack wichtige Aromastoffe bilden. Im folgenden Abschnitt wird die Fermentation im Detail beschrieben. 

Die Fermentation: Für die Fermentation von Weißkohl zum Sauerkraut sind verschiedene Milchsäurebakterien verantwortlich, die bereits zwischen den Kohlblättern darauf „warten“, ihre Arbeit verrichten zu dürfen. Darunter finden sich Leuconostoc paramesentroides, Lactobacillus plantarum, Lactobacillus sake und Lactobacillus curvatus. Gerade in den ersten Tagen der Fermentation spielt Leuconostoc mesenteroides eine übergeordnete Rolle. Die Milchsäurebakterien verstoffwechseln anaerob, teilweise sind sie aber auch aerotolerant. Neben Milchsäure werden zu Beginn auch Essigsäure und andere organische Säuren gebildet, die den Geschmack sehr beeinträchtigen können. 
(nach einem Unterrichtsversuch von Kai Kessler, Peter M. Kunz und Isabell Sommer, nicht veröffentlicht)
Optimierung des Fermentationsprozesses: Bei einer Fermentation, wie der Herstellung von Sauerkraut, verstoffwechseln Mikroorganismen Substrate (Ausgangsstoffe) zu Produkten, wie in unserem Fall die Glucose zur Milchsäure. Sind die Organismen gut mit Substrat und einigen Spurenstoffen versorgt, nimmt das „Wachstum“ ständig zu (Abb.1 Phase a) bis zum optimalen Wachstum (Abb.1 Phase b). Vereinfachend spricht man von Wachstum, gemeint ist die Zunahme der Bakterienmenge oder die Zunahme des Produkts, messbar als Gewichtszunahme des Produkts oder als Trübungszunahme in der Suspension als Zeichen für die zunehmende Menge an Bakterien. Die Erfassung der Geschwindigkeit der Umsetzung möglichst einfach analysieren zu können, ist ein wichtiges Anliegen der Verfahrenstechnik. Damit kann nämlich die Effektivität des Prozesses ermittelt und durch entsprechende Maßnahmen optimiert und kostengünstiger gestaltet werden. Dieses Verfahren kann an der Sauerkrautherstellung exemplarisch erarbeitet werden. 
Wissenschaftlicher Hintergrund: Die Theorie von Michaelis und Menten nimmt für den Ablauf der Enzymreaktion zwei Reaktionsschritte an. Diese Theorie hat sich bis heute bewährt. Dieses Verfahren gilt auch für Multienzymprozesse in ganzen Lebewesen. Für ein einzelnes Enzym gelten folgende Reaktionen: Dabei ist:
(Vgl. Abschnitt Enzyme) Die Die Reaktionsgeschwindigkeit ist dann optimal, wenn die Menge an freiem Enzym E und an gebundenem Enyzm ES gleich ist. Man kann die Reaktionsgeschwindigkeit Km oder die Umsetzungsrate als ein Kriterium für das betreffende Enzym wählen: Je kleiner Km ist, um so höher ist die Umsetzungsgeschwindigkeit des Enzyms unter bestimmten Bedingungen. In der Verfahrenstechnik ist also die Bestimmung von Km ein interessanter Wert, um Anhaltspunkte für die Optimierung des Prozesses zu gewinnen.  
Bei der experimentellen Bestimmung von Km  gibt es allerdings Schwierigkeiten: Wenn man im Experiment die Substratmenge ständig erhöht, wird immer mehr Enzymsubstratkomplex gebildet, bis alles Enzym im Komplex gebunden ist. Dann ist die Geschwindigkeit der Umsetzung optimal. Die Kurve der Geschwindigkeit verläuft fast horizontal. Diese maximale Geschwindigkeit ist allerdings experimentell nur ungenau zu bestimmen. Michaelis und Menten haben daher vorgeschlagen; V = 1/2max als Km  zu wählen (vgl. Abbildung 1). Hier ist die Messung sehr genau. Diese Konstante heißt nach den Entwicklern der Enzym-Theorie Michaelis-Menten-Konstante (= Km). 
Ks hat die Dimension einer Konzentration (mol / 1000ml). Sie gibt die Konzentration an Substrat an, die vorhanden sein muss, um die Hälfte der Enzyme zu sättigen. Das heißt: je geringer Ks, umso aktiver das Enzym. Lineweaver und Burk haben eine weitere Vereinfachung vorgeschlagen, nach der heute die meisten Messungen durchgeführt werden: Trägt man die reziproken Werte von Vmax und S in einer Grafik auf, so ergibt sich eine Gerade für die Abhängigkeit der Geschwindigkeit von der Substatmenge. (Abb. 2).
Abb.2: Auftrag 1/ S gegen 1 /V,
wobei V = Geschwindigkeit der Reaktion, S = Substrat (nach Lineweaver-Burk) bei einem gewählten Beispiel
Der Beweis kann mathematisch geführt werden.
Vgl. dazu: http://de.wikipedia.org/ http://www.uni-protokolle.de/Lexikon/Michaelis-Menten-Theorie.html, http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Lineweaver-Burke_plot.svg
 
Ermittlung der Wachstumskinetik im Sauerkraut:
                            
Versuchsansatz                    
Literatur:.
Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH: http://www.dsmz.de/microorganisms/medium/pdf/DSMZ_Medium11.pdf   (Stand: 16.05.09)
Dols et al (1997): Energetics of Leuconostoc mesenteroides NRRL B-1299 during Metabolism of Various Sugars and Their Consequences for Dextransucrase Production, American Society for Microbiology; Kessler, K, Kunz. P.M. und I. Sommer (2010): Die Fermentation von Sauerkraut, IN: Bio. Unserer Zeit, 123ff: Kurzhals, H.A: (neuste Auflage): Lexikon Lebensmitteltechnik, S.488,  Behr´s Verlag; Praeve et.al.: (neueste Auflage): Handbuch der Biotechnologie, 4Aufl,S 482) Oldenbourg Industrieverlag;Amtliche Sammlung von Untersuchungsverfahren nach §35 LMBG: Lebensmitteln IN: http://www.bfr.bund.de/cd/1600  (15/07/2010) ; Allgemeine Informationen: http://de.wikipedia.org/wiki/Sauerkraut   15/07/2010.
 
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