Wie lässt sich die Qualität von Bier sichern?

Vom Feld in die Flasche

von Prof. Dr. Michael Rychlik, Katharina Hofer, Dr. Martina Gastl, Katharina Habler, Cajetan Geißinger, Dr. Michael Hess

Bier ist ein wichtiger Bestandteil deutscher Kultur. Nicht nur aufgrund des Reinheitsgebotes ­verbinden wir das Getränk mit Begriffen wie „ursprünglich“, „rein“ und „frei von Schadstoffen“. Als ein Getreideprodukt ist Bier jedoch nicht frei von mit dem Anbau, der Lagerung und der ­Verarbeitung von Getreide zusammenhängenden Besonderheiten. Eines der Probleme, mit dem fast alle ­Getreideprodukte konfrontiert sind, ist das Wachsen von Schimmelpilzen und den damit ­einhergehenden möglichen Qualitätseinbußen.

Die hierbei wichtigste Pilzgattung sind die Fusarien, die Getreide bevorzugt während der Blüte infizieren, aber auch sogenannte Schwärzepilze, die bei feuchter Abreife oder Lagerung die Getreidekörner mit einem unerwünschten Besatz überziehen. Anfällig ist insbesondere der Weizen, aber auch die Braugerste bleibt nicht verschont (Abb.1). So konnte in der Ernte 2007 eine extrem starke Fusarienkontamination beobachtet werden, die mit einer verstärkt auftretenden Sympto­matik (v.a. rot und schwarz verfärbte Körner, siehe Abb.2) einherging. Auch in der Ernte 2010 trat bei Gerste eine sehr starke Kontamination mit Schwärzepilzen auf; bei Weizen erreichte das Auftreten an roten Körnern teilweise ein so großes Ausmaß, dass die Ware größtenteils nicht zu Brauzwecken verwendet werden konnte.

Risiken durch Fusarien und ihre Metaboliten

Zur Kontrolle von Ährenfusariosen ist aber für die Gerste kein wirksames Fungizid bzw. keine resistente Sorte verfügbar. Ein Fusarienbefall kann jedoch die Qualität der Rohfrucht Gerste drastisch verschlechtern. So werden von Fusarien gebildete Metaboliten (sogenannte Hydrophobine) zum einen für das von den Brauern gefürchtete Gushing verantwortlich gemacht, d.h., für das spontane Überschäumen des Bieres beim Öffnen der Flasche. Zum anderen produzieren Fusarien eine Reihe von Mykotoxinen, von denen in der EU bisher nur das Deoxynivalenol (DON) in seiner Höchstmenge begrenzt ist. So ist in Getreide, das für die Weiterverarbeitung vorgesehenen ist, ein Wert von 1250µg/kg DON ­geduldet. Entsprechend wird für Bier unter der Annahme einer durchschnittlichen Zugabe von 10% Malz eine Höchstmenge von 125µg DON/L akzeptiert.

Neben den direkt von den Pilzen erzeugten Metaboliten finden sich in Lebensmitteln auch sogenannte „modifizierte Mykotoxine“ wie das DON-3-Glucosid. Dieses wird bei Metabolisierung durch Pflanzen aus den ursprünglichen Toxinen gebildet [1]. Diese „modifizierten Myko­toxine“ können direkt toxisch sein oder aus ihnen kann das Ursprungstoxin im Magen-Darm-Trakt des Menschen freigesetzt werden. So können zusätzliche Risiken durch diese Substanzen entstehen, ohne dass diese gesetzlich geregelt oder zum Teil analytisch erfassbar sind.

Neben dem genannten DON und seinem Glucosid können Fusarien noch andere Toxingruppen wie weitere Trichothecene, Zearal­en­enon, Moniliformin, Enniatine, Beauvericin und Fumonisine bilden.

Die Erkennung und Beurteilung einer Fusarienbelastung auf dem Feld und bei der Waren­annahme durch Brauereien ist extrem schwierig. Bisher wird der Befall bzw. die Intensität des Befalls mit Schimmelpilzen hauptsächlich über eine Handbonitur (dient u.a. auch zur Erkennung von Kornanomalien wie Auswuchs oder Zwiewuchs), also mithilfe einer rein optischen Erkennung erfasst, um letztendlich auf die Intensität des Befalls rückzuschließen. Mit dieser Methodik wird jedoch nur die sichtbare Symptomatik (sichtbarer Besatz – rote, weiße, lachsfarbene oder schwarze Körner) erfasst; Kontamina­tionen, die keine Kornverfärbungen hervorrufen, bleiben unerkannt.

Lösungsansatz – systematische ­Analyse des Fusarienbefalls

Daher haben sich an der Technischen Universität München die Lehrstühle für Brau-und Getränketechnologie, Phytopathologie und Ana­lytische Lebensmittelchemie zusammen­geschlos­sen, um systematisch die Zusammenhänge zwischen Art und Intensität des Fusarienbefalls (Spektrum an Fusarium-Arten), Symptomatik (z.B. rote und schwarze Körner) und Metaboliten (Mykotoxine, Schlüsselproteine, Abwehrsubstanzen) von der Rohware über den Verarbeitungsprozess hin­weg zu erfassen. Die Untersuchungen erfolgen sowohl an Gerstenmustern aus der Praxis, um den Status quo zu erfassen, als auch an gezielt inokuliertem Probenmaterial (Inokulationen im Gewächshaus=Reinkontaminationen – Inokulation mit einer Fusarium-Spezies) und Feldinoku­lationen (Mischkontaminationen mit einer Haupt­spezies), um eine umfassende und systematische Datenbasis zu erheben. Die Auswahl der Fusarium-Spezies erfolgt aufgrund einer Differenzierung im Toxinbildungsvermögen. Des Weiteren sollen durch Pilzkontamination hervorgerufene Veränderungen in der Verarbeitbarkeit (Lösungs­verhalten im Mälzungsprozess mit Fokus auf die proteolytische Lösung) untersucht werden. Der vorhandene Fusarienbefall bzw. der mikrobielle Besatz wird durch klassische und molekulare Methoden in phytopathologischen Untersuchun­gen genau differenziert. Neben der molekularen Diagnostik werden die Intensität des Befalls sowie die resultierende Symptomatik mittels der in der Praxis üblichen Handbonitur erfasst. Die gebildeten Fusarientoxine und deren Meta­boliten werden durch LC-MS/MS mithilfe einer Kombination aus Stabilisotopenverdünnungs­analysen (SIVA) und Matrixkalibrierungen quantifiziert. Ergänzende Genexpressionsstudien von Proben der Reininokulationen dienen dazu, Hin­weise auf die Entstehung der für den Verlauf des Mäl­zungsprozesses relevanten Metabolite zu er­halten.

Durch die Erfassung der Zusammenhänge zwischen Fusarienbefall, Symptomatik und Myko­toxinbelastung im Rohstoff Braugerste über den Mälzungsprozess hinweg bis zum Produkt Malz und letztendlich zum Bier soll eine verbesserte Qualitätskontrolle und Produktsicherheit erzielt werden.

Bisherige Ergebnisse

Für die systematische Erzeugung definierter Gersten-, Malz- und Bierproben mussten zunächst vom Lehrstuhl für Phytopathologie Verfahren zur reproduzierbaren Inokulation von Gers­tenpflanzen im Gewächshaus (Abb.3) und auf dem Feld entwickelt werden. Der Lehrstuhl für Brau- und Getränketechnologie vermälzte (Abb.4) und verbraute die einzelnen Inokulatio­nen, um in einer Art Stufenkontrolle die technologischen Schritte verfolgen zu können. In einer Pilotstudie wurde dieses Vorhaben bereits am Beispiel der Enniatine und von Beauvericin erfolgreich getestet [2]. Daneben wurde eine Kapillarelektrophorese zur Auftrennung und Erfassung von Proteinen etabliert, die zur Beurteilung von Malzqualitätsmerkmalen beiträgt (Lab-on-Chip mit Offgel^®, s. Abb.5). Der Lehrstuhl für Analytische Lebensmittelchemie integrierte schließ­lich die wichtigsten Fusarientoxine in Gerste in eine Multi-SIVA, in der SIVAs mit Matrixkalibrierung kombiniert wurden (Abb.6).

Die bisherigen Ergebnisse des Projekts ergaben bei Praxismustern und inokulierten Proben eine schlechte Korrelation der Handbonitur (d.h. Anzahl an roten und schwarzen Körnern) mit der DNA von bisher im Fokus stehenden Fusarienarten und den von ihnen produzierten Toxinen DON, T2- und HT2-Toxin. In den definiert inokulierten Gersten wurden die DNA der entsprechenden Spezies und die bekannten Toxine quantifiziert: Fusarium culmorum und F. graminearum produzierten DON, F. sporotrichioides und F. langsethiae T2- und HT2-Toxin und F. avenaceum sowie F. tricinctum Enniatine und Beauvericin. Bei den Produzenten der Typ-B-Trichothecene konnte daneben festgestellt werden, dass insbesondere beim Mälzen aus DON das modifizierte Mycotoxin DON-3-glucosid erzeugt wurde und den Gehalt an DON weit übersteigen konnte (Abb.7). Aus den so erzeugten Malzen wird aktuell Bier gebraut und der Verbleib der Toxine bei den Einzelprozessen verfolgt. Damit können in Zukunft die Möglichkeiten untersucht werden, wie die Qualität von Bier hoch bleibt.

Literatur
[1] Rychlik, et al. (2014) Mycotoxin Res. 30, 197-205, open access, DOI 10.1007/s12550-014-0203-5
[2] Hu, L. et al. (2014) LWT - Food Sci. Technol. 56, 469-477

Bild: © istockphoto.com| artJazz