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Untersuchungen zum enzymatisch-physikalischen Aufschluss von Apfeltrester
Schalow, Sebastian
Apfeltrester fallen in großen Mengen als Reststoffe bei der industriellen Fruchtsaftproduktion an. Neben der Pektinherstellung können Apfeltrester u. a. für die Alkoholerzeugung genutzt werden. Im Gegensatz zur Produktion von technischem Alkohol werden bei der Trinkalkoholherstellung jedoch höhere Anforderungen an die chemische Zusammensetzung und die sensorischen Eigenschaften der erzeugten Destillate gestellt. Apfeltrester besitzen eine Trockensubstanz von ca. 25 %, die sich zum größten Teil aus löslichen Restzuckern sowie unlöslichen Polysacchariden, darunter Cellulose, Hemicellulosen und Pektin, zusammensetzt. Die zusätzliche Nutzung von Glucose als Grundbaustein der Cellulose und potentiell vergärbarer Zucker kann zu einer signifikanten Erhöhung der Alkoholausbeute führen, wenn geeignete Aufschlussverfahren zum Abbau der Zellwandpolysaccharide zur Anwendung kommen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden physikalische und enzymatische Verfahrensschritte im Laborverfahren kombiniert, um ein Maximum an Zellwandaufschluss zu erreichen und damit die Basis für eine signifikante Alkoholausbeutesteigerung zu schaffen. Für den enzymatischen Aufschluss wurden zellwandabbauende Enzyme, darunter Pektinasen, Cellulasen und Cellobiasen eingesetzt. Die Enzyme wurden anhand der Freisetzung verschiedener Zuckerbausteine hinsichtlich ihrer Haupt- und Nebenaktivitäten gegenüber Modellsubstraten, Apfeltresterfaserpräparaten und nativen sowie säurehydrolysierten Apfelnasstrestern charakterisiert. Die Freisetzung reduzierender Zucker und Glucose aus Apfeltresterfasern durch Cellulasen wurde durch die partielle Degradation des Pektin-Hemicellulose-Netzwerkes stark begünstigt. Durch die geeignete Kombination von Pektinase und Cellulase wurden in Abhängigkeit von der Faserart überadditive Wechselwirkungseffekte erzielt. Aus nativen Apfelnasstrestern konnten mit Hilfe eines Enzym-Mixes aus Pektinase, Cellulase und Cellobiase nach mechanischem Standardaufschluss und 48-stündiger Enzymeinwirkung bis zu 90 % der gesamten im Material verfügbaren Glucose freigesetzt werden, was einem Hydrolysegrad (Freisetzung unlöslicher Glucose) von 79 % entsprach. Die Anwendung zusätzlicher physikalischer Vorbehandlungen hatte einen signifikanten Einfluss auf die Freiset-zung reduzierender Zucker und Glucose. Die Erhöhung des Tresteranteils in den Versuchsansätzen führte zu einer verzögerten Viskositätsabnahme und bezogen auf die Trockensubstanz zu einer reduzierten Glucosefreisetzung. Durch die simultane Verflüssigung, Verzuckerung und Vergärung nativer Apfelnasstrester wurden Alkoholausbeuten von über 81 % erzielt, was einem Hydrolysegrad von über 55 % entsprach. Die erzeugten Destillate wiesen typische Gärungsnebenproduktprofile auf, enthielten jedoch große Mengen an Methanol. Die Verwendung säurehydrolysierter Trester führte zu einer weiteren Erhöhung der Hydrolysegrade. Die Methanolgehalte in den resultierenden Destillaten waren jedoch stark erhöht. In vergorenen und abdestillierten Trestern reichern sich lösliche und unlösliche Ballaststoffe sowie Polyphenole an, die als funktionelle Lebensmittelkomponenten genutzt werden könnten.
Apple pomace is generated to a great extend as a waste material in industrial fruit juice production and can be utilised as a potential recyclable. Amongst others, e. g. pectin recovery, apple pomace can be used for alcohol production. Unlike technical alcohol, the production of potable spirits needs to consider requirements regarding chemical composition and sensory parameters of the distillates. Apple pomace averages about 25 % of dry substance, which is mainly composed of residual soluble sugars and insoluble polysaccharides, like cellulose, hemicelluloses and pectin. The additional utilisation of glucose as the cellulosic basic module and a potential fermentable sugar can lead to a significant increase of alcohol yield if suitable disintegration steps are used for decomposing cell wall polymers. In this context, physical and enzymatical procedures were combined in laboratory scale to reach a maximum in cell wall decomposition, and with that significantly increase alcohol yield. Commercial cell wall degrading enzymes, like cellulases, cellobiases and pectinases were used for enzymatic degradation. Enzymes were characterised regarding their main and side activities towards model substrates, complex apple pomace fibre preparations as well as towards native and acid-hydrolysed apple pomace. The release of total reducing sugars and glucose from fibre preparations by cellulases was favoured by the partial degradation of the pectin-hemicellulose network. The combination of pectinases and cellulases led to synergistic interactions regarding sugar release depending on type of fibre preparation and type of pectinase applied. A mixture of pectinase, cellulase and cellobiase was able to reach a release of up to 90 % of total glucose from native apple pomace which corresponded to a degree of hydrolysis of 79 % after mechanical pretreatment and 48 h of enzyme treatment. The application of additional physical treatments significantly affected the release of total reducing sugars and glucose. Increasing the amount of apple pomace in the test batches led to a delayed decrease in pomace viscosity and reduced glucose release, based on the batch dry substance. Simultaneous liquefaction, saccharification and fermentation of native apple pomace led to more than 81 % of alcohol yield after mechanical pretreatment which came up to a degree of hydrolysis of more than 55 %. The resulting distillates exhibited typical aroma profiles but methanol contents were rather high. Utilising acid-hydrolysed apple pomace yielded in even increased degrees of hydrolysis but also even higher methanol contents were found in the resulting distillates compared with those from native pomace. Different amounts of soluble and insoluble dietary fibre as well as total polyphenolics were enriched in fermented and distilled apple pomace which could be potentially finished to functional food constituents.
