DE4442162C1 - Fermentatives Verfahren zur Herstellung von Butteraroma und dessen Verwendung in Nahrungsmitteln - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur biotechnischen Herstellung von Butter­ aroma durch Fermentation eines molkehaltigen Mediums mit Mikroorganismen und anschließender Weiterverarbeitung der Fermentationsbrühe zu einem festen Produkt mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten im Nahrungsmittelbereich.

Eine Vielzahl von Lebensmittelzusatzstoffen basieren auf chemischen oder petroche­ mischen Produkten. In den letzten Jahren haben die Verbraucher, bedingt durch die Medien und ein sich änderndes Verbraucherbewußtsein, mehr und mehr eine kritische Haltung gegenüber solchen Substanzen eingenommen. Werden diese Stoffe jedoch durch Fermentationsverfahren mit Hilfe von Mikroorganismen, die schon lange in der Lebensmittelindustrie etabliert sind, hergestellt, so können sie als "natürliche" Produkte angesehen und auch beworben werden. Dies erhöht wesentlich die Akzeptanz beim Endverbraucher.

In der milchverarbeitenden Industrie fallen große Mengen an Molke an, welche als Produktionsrückstand mit geringer Wertschöpfung zu betrachten ist. Eine Entsorgung kann durch Einleitung ins Abwassersystem erfolgen, ist aber wegen des hohen Sauer­ stoffbedarfs im Klärbetrieb äußerst unerwünscht. Vielfach wird deshalb Molke zu Mol­ kepulvern oder Konzentraten unterschiedlicher Qualität, die überwiegend als Tierfutter verwendet werden, weiterverarbeitet. Wegen des hohen Energiebedarfs bei der Ver­ dampfung des enthaltenen Wassers sind solche Produkte aber ökonomisch wenig interessant. Eine alternative Verwendung von Molke, z. B. als Fermentationsmedium für Mikroorganismen, würde hingegen zu einer Veredelung der Molke und zur Herstellung von Produkten mit erheblich höherer Wertschöpfung führen.

Butteraroma, als ein natürliches Komplexaroma, verstärkt und bereichert in Lebensmit­ teln das organoleptische Erscheinungsbild. Zur geschmacklichen Verbesserung von Lebensmitteln wird daher neben "chemisch hergestellten" reinem Diacetyl, vor allem ein durch Fermentation von Citronensäure in verschiedenen Medien mit Mikroorganismen hergestelltes Gemisch von Diacetyl mit anderen Aromabegleitstoffen verwendet. Die Hauptkomponente am Butteraroma ist Diacetyl (2,3-Butandion) und Acetoin (3- Hydroxy-2-butanon). Entscheidend für eine typische Ausprägung von Geschmack und Geruch sind allerdings noch zusätzliche Anteile an Milchsäure, Acetaldehyd, leicht flüchtigen organischen Verbindungen, sowie weitere Stoffe, die beim Abbau von Milch­ zucker, Proteinen und Fetten während der Rahmreifung beim Buttern gebildet werden, oder als Inhaltsstoffe im verwendeten Medium vorliegen und zur Aromabildung beitra­ gen. Die Geruchs- und Geschmackseigenschaften werden entscheidend durch das eingesetzte Material und die gebildete Diacetylmenge bestimmt.

Die Fähigkeit zur Diacetylbildung ist bei einer ganzen Reihe von Organismen verbreitet. Vorrangig zu nennen sind hier die in großem Maßstab in der milchverarbeitenden Industrie verwendeten Bakterienstämme der Arten Streptococus lactis, Leuconostoc cremoris und Leuconostoc citrovorum.

Auch Organismen der Arten Lactobacillus brevis, Lactobacillus plantarum, Leuconostoc dextranicum und Saccharomyces cerevisiae sind in der Lage Diacetyl zu bilden (E. B. Collins, J. Dairy Science, 55, 1022-1028 (1971) und G. M. Kempler, Advances in Applied Microbiol., 29, 29-51 (1983)). Desweiteren wird z. B. der Organismus Enter­ obacter cloacae für die Synthese von Diacetyl und Acetoin im Labormaßstab eingesetzt (Gupta et al., Biotechnologie and Biöengeneering, 20, 1896-1901 (1978)).

Es ist bekannt, daß Diacetyl in Milchprodukten durch die Fermentation aus Citrat mit Mikroorganismen der Gattungen Leuconostoc spec., Streptococcus diacetylactis und Streptococcus cremoris gebildet wird (M. Y. Pack et al., J. Dairy Science, 51, 339-344 (1967), EP 0 247 646, EP 0483 888 und JP 01-168256). Durch Zugabe von zusätzlichem Citrat erhöht sich laut E. B. Collins, J. Dairy Science, 55, 1022-1028 (1971), die Menge an gebildetem Diacetyl.

Auch die Verwendung anderer Zusätze, z. B. verschiedener Metallsalze, von Butterfett und Häm-Verbindungen aus unterschiedlichen Quellen, führen nach Angaben der jeweiligen Autoren zu Produkten, die als Butteraroma bezeichnet werden können. Es sind mehrere Verfahren bekannt, mit denen Butteraroma auf fermentativem Wege her­ gestellt werden kann:

Starterkulturdestillate sind als geschmacksgebende Zusätze für Margarine, Süßrahm­ butter und andere Produkte, schon seit langem beschrieben (Jönsson et al., Milchwis­ senschaft, 35.8, 461-465 (1980)). Nachteilig hierbei ist die Produktion großer Mengen an Rückständen. Auch ist die Menge an Diacetyl so gering, daß zumindest in älteren Verfahren, der Diacetylgehalt durch Oxidation von Acetoin mit Hilfe von FeCl₃ künstlich erhöht wird, was zu Aromadefekten führen kann.

Ein aus süßer Molke, fermentativ hergestelltes Butteraroma (US-Patent 4,670,267) dient zur geschmacklichen Verfeinerung von Margarine und Fetten. Nachteilig sind die großen Menge an den für die Herstellung benötigten Grundstoffen Sahne, Milchfett und Lipase-behandeltes Butterfett. Desweiteren erhält man nur ein flüssiges bis pastoses Produkt, das sich zwar für die Aromatisierung von Margarine und Speisefetten eignet, aber für die Anwendung in anderen Produkten weniger geeignet ist.

Ein anderes Verfahren verwendet einen der Bakterienstämme Lactococcus, Lactobacil­ lus, oder Leuconostoc (Patent EP 0 430 406) für die fermentative Produktion von But­ teraroma, ausgehend von Molkepulver. Nachteilig ist aber der notwendige, zusätzliche Einsatz von Eisen-Porphyrinen, oder Häm-Proteinen, tierischen Geweben (Leber, Nie­ ren, bzw. Extrakte daraus) oder Blut, die im Endprodukt verbleiben, was die Akzeptanz beim Endverbraucher verringert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein fermentatives Verfahren zur Herstellung von Butteraroma zu finden, das die oben genannten Nachteile vermeidet und von preiswerter Molke ausgeht.

Dabei sollen keine zusätzlichen Stoffe zur Anwendung kommen, die nicht lebensmit­ teltauglich sind, oder welche die Akzeptanz beim Endverbraucher herabsetzen. Das erfindungsgemäße Produkt dieses Verfahrens soll rückstandsfrei in Wasser löslich sein, als freifließender oder rieselfähiger Feststoff vorliegen und sich somit praktisch und vielseitig transportieren, lagern und mit anderen Produkten mischen oder ihnen zusetzen lassen.

Diese Aufgaben werden durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst und durch die der Unteransprüche 2-5 gefördert.

Entscheidend für die Durchführung des Verfahrens ist die Trennung in zwei zeitlich voneinander unterscheidbaren und aufeinander folgenden Phasen. Die als Vermeh­ rungsphase und Produktionsphase bezeichneten Phasen werden im folgenden näher erläutert.

Bevorzugte Mikroorganismen für die Durchführung der Fermentation nach dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren sind Organismen mit der Fähigkeit Lactose abzubauen. Insbesondere sind dies Organismen, die den Gattungen Leuconostoc, Streptococcus, Lactococcus und anderen in der Lebensmittelindustrie angewandten Gattungen ange­ hören.

Als Produktionsmedium dienen süße oder saure Molke, bzw. Konzentrate, Permeate oder Pulver davon, oder sonstige molkehaltigen Substrate. Die bevorzugte Lactose­ konzentration im Medium liegt zwischen 5 und 200 g/l. Insbesondere wird ein Lactose­ gehalt von 10 g/l selten unterschritten, wobei ein Gehalt von 10 bis 60 g/l besonders bevorzugt sein kann. Als im allgemeinen zweckmäßig hat sich eine Lactosekonzentra­ tion im Medium von 30 bis 40 g/l bewährt.

Dem Fermentationsmedium können für das Wachstum der Organismen förderliche Substanzen, im allgemeinen Hefe, Hefeextrakt, Hefeautolysat, oder ein vergleichbares Produkt, zugegeben werden. Bevorzugte Mischungsverhältnisse von molkehaltigem Medium zu wachstumsfördernder Substanz liegen im Bereich von 0,1 bis 2 Gewichts­ prozent. Als zweckmäßig hat sich eine Menge von ca. 0,75 Gewichtsprozent erwiesen.

Gegebenenfalls können im Verfahren der Erfindung weitere Hilfsmittel im Fermentati­ onsansatz mitverwendet werden. Beispiele hierfür sind Antischaummittel, wie Silikonöl Sojabohnenöl, Calcium- und Magnesiumverbindungen sowie pH-Regulierungsmittel.

Beimpft werden die Produktionsmedien mit einer Vorkultur in handelsüblichem MRS- Medium oder mit Vorkulturmedium derselben Zusammensetzung wie das Produktions­ medium. Die Animpfmenge liegt zweckmäßigerweise im Bereich zwischen 0,1 und 5 Volumenprozent, insbesondere bei 2 Volumenprozent. Die Temperatur liegt während der Vermehrungsphase im Bereich von 25 bis 37 °C, insbeson­ dere bei etwa 28°C. Der pH-Wert wird im schwachsauren Bereich gehalten, bei pH 5,0 bis 6,8, insbesondere bei pH 5,5.

Für die Regulation des pH-Wertes können folgende Korrekturmittel dienen: Citronen­ säure, bzw. Salze der Citronensäure, Calciumcarbonat, Calciumhydroxid, bzw. deren handelsüblicher Mischungen mit Calciumoxid, oder mit Hydroxiden und Carbonaten anderer Alkali- und Erdalkalimetalle. Die Auswahl und Abstimmung des geeigneten Korrekturmittels wird einerseits durch die erfindungsgemäß gewünschte Aufarbeitung der Fermentationsbrühe zu einem Produkt ohne feste Rückstände bestimmt, anderer­ seits kann jedoch auch die beabsichtigte Verwendung für den Lebensmittelbereich für die Auswahl berücksichtigt werden. Wird beispielsweise daran gedacht, die Fermentati­ onsbrühe als Ganzes, eventuell durch Sprühtrocknung, in eine trockene Form zu über­ führen, so kann es bevorzugt sein, mit Oxiden, Hydroxiden oder Carbonaten von Erdal­ kalimetallen zu arbeiten, insbesondere mit Calciumhydroxidhaltigen Korrekturmitteln.

Die bevorzugte Fermentationsdauer beträgt für die Vermehrungsphase 8 bis 25 Stun­ den, zweckmäßigerweise ca. 16 Stunden.

In der auf die Vermehrungsphase folgenden Produktionsphase wird das erfindungsge­ mäße Butteraroma produziert.

Die Temperatur wird nach Beendigung der Vermehrungsphase über einen Zeitraum von ca. 0,5 bis 4 Stunden abgesenkt, wobei ein Zeitraum von ca. 2 Stunden bevorzugt sein kann. Die bevorzugte Fermentationstemperatur liegt während der Produktions­ phase im Bereich von 3 bis 26°C, insbesondere bei etwa 16°C ± 10°C. Der pH-Wert wird auf einen Wert im sauren Bereich der pH-Skala abgesenkt, auf einen Wert von pH 4,3 bis 5,2. Insbesondere hat sich die Absenkung des pH-Wertes während der Produktion auf pH 4,6 ± 0,3 als allgemein zweckmäßig erwiesen. Die Erniedrigung des pH-Wertes erfolgt durch Zugabe von Citronensäure bzw. ihren Salzen. Bevorzugte Dosierungen liegen im Bereich von 0,01 bis 2%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Produktionsansatzes. Insbesondere beträgt die Zugabemenge wenigstens 0,1%, wobei Zugabemengen von 0,4 bis 0,8%, bezogen auf das Gesamtvolumen, besonders bevorzugt sein können.

Weiterhin ist Bestandteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, daß im Verlauf der Pro­ duktionsphase Acetat, Citrat und/oder Pyruvat bzw. die entsprechenden organischen Säuren kontinuierlich oder diskontinuierlich zudosiert werden, um deren Verbrauch in der Fermentationslösung durch Umwandlung in Diacetyl und Acetoin auszugleichen.

Während der Produktionsphase wird ein sauerstoffhaltiges Gas, insbesondere Luft, mit herkömmlichen Mitteln in den Produktionsfermenter mit 0,2 bis 0,4 V/Vm (Volumen/Volumen × Minute) eingeführt. Die bevorzugte Sauerstoffsättigung, die im Medium erreicht wird, liegt im Bereich zwischen 0,1 und 80%, wobei eine Sau­ erstoffsättigung zwischen 10 und 50% besonders bevorzugt sein kann. Als im allge­ meinen zweckmäßig hat sich eine Sauerstoffsättigung im Bereich zwischen 10 und 30 % erwiesen.

Die Fermentationsdauer für die Produktionsphase liegt im Zeitraum von 20 bis 150 Stunden, kann aber auch länger sein, wobei zweckmäßigerweise Fermentations­ zeiten von ca. 70 bis 90 Stunden bevorzugt sein können.

Direkt nach Beendigung der Fermentation kann die Aufarbeitung zu einem handelsfä­ higen Produkt, durch Überführung der Fermenterbrühe in ein trockenes Pulver oder Granulat erfolgen. Verwendung finden können alle bekannten Aufarbeitungs- und Trocknungsmethoden. Vorzugsweise wird dazu das Verfahren der Sprühtrocknung angewendet.

Gegenüber anderen handelsüblichen Butteraromen, zeichnet sich das nach dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren hergestellte Butteraroma dadurch aus, daß es ein Fermen­ tationsprodukt ist, welches frei von chemischen Zusätzen ist und dem komplexen Aroma von natürlicher Butter sehr nahe kommt. Aus diesem Grunde und durch die Verwendung von Produktionsmedien, die lebensmitteltauglich sind und von Organis­ men, die in lebensmittelverarbeitenden Betrieben verbreitet und eingeführt sind, kann das erfindungsgemäß erzeugte Butteraroma als natürliches Butteraroma bezeichnet und vermarktet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Produktion von Butteraroma ist von besonderem Wert für die Veredelung von Molke und molkehaltigen Substraten, insbesondere zur Verwertung dieser, in der Milch- und Molkereiwirtschaft in großen Mengen anfallenden Stoffe. Dadurch zeichnet es sich besonders vor anderen Verfahren aus.

Das durch das erfindungsgemäße Verfahren produzierte Butteraroma eignet sich zum Einsatz in Nahrungsmitteln als geschmacksgebende oder geschmacksverstärkende Komponente. In einer Anwendungsform des erfindungsgemäß erzeugten Butteraromas kann ein teilweiser oder vollständiger Ersatz von natürlicher Butter erreicht werden. Erfindungsgemäß kann das hergestellte Fermentationsprodukt zur Herstellung von kalorienreduzierte und/oder cholesterinfreie oder -armen Nahrungsmitteln verwendet werden. Diese Produkte bieten das volle Butteraroma, ohne daß natürliche Butter verwendet wird.

In einer besonderen Anwendungsform des erfindungsgemäß hergestellten Butteraromas können auch Produkte hergestellt werden, bei denen bislang der Einsatz von natürlicher Butter nicht möglich war. Der Vorteil solcher Produkte kann beispielsweise in einer längeren Haltbarkeit liegen, weil keine oxidierbaren Fette zum Einsatz kommen, die ranzig wer­ den können.

Die folgenden Beispiele erläutern die vorliegende Erfindung. Sämtliche Prozentanga­ ben beziehen sich auf Gewichtsprozent, sofern keine anderen Angaben gemacht sind.

Beispiel 1 Herstellung eines Butteraromas in einem 2 l Fermenter

Von einer Schrägagarkultur, einer handelsüblichen Starterkultur aus verschiedenen Milchsäurebakterien werden mit einer Impföse 40 ml handelsübliches MRS-Medium beimpft und bei 30°C aerob inkubiert. Nach 24 h wird mit dieser Kulturlösung ein Fer­ menter beimpft in dem 2 l Produktionsmedium der folgenden Zusammensetzung (pro Liter) vorgelegt sind:
60 g handelsübliches saures Molkepulver
1 ml handelsübliches Sojaöl
7,5 g Hefeextrakt (getrennt autoklaviert).

Der Fermenter wird mit 400 Upm gerührt. Die Temperatur wird während der Vermeh­ rungsphase auf 28°C eingestellt und der pH-Wert durch Zudosieren von Kalkmilch auf pH 5,5 gehalten.

Nach 16stündiger Fermentationszeit wird die Produktionsphase durch Erniedrigung der Temperatur auf 16°C innerhalb eines Zeitraumes von 2 Stunden eingeleitet. Gleichzei­ tig wird durch sterile Zugabe von 36,8 ml 50%iger Citronensäure der pH-Wert auf 4,6 eingestellt und mit Hilfe von 20%iger Citronensäure als Korrekturmittel über die gesamte Zeit der Temperaturabsenkung gehalten. Die Sauerstoffsättigung des Medi­ ums wird auf 20% eingestellt.

Während der Produktionsphase wird zusätzlich nach einem bestimmten Dosierungs­ plan 20%ige Citronensäurelösung kontinuierlich zudosiert. Der Dosierungsplan sieht folgendermaßen aus:

0 h bis 2 h: 3,75 ml/h
2 h bis 3 h: 2,25 ml/h
3h bis 5,5h: 1,5 ml/h
ab 5,5 h: 0,6 ml/h.

Nach 100 Stunden ist die Fermentation beendet, wobei der Diacetylgehalt der Fer­ menterbrühe 498 mg/l erreicht.

Der Fermenterinhalt wird anschließend in einem handelsüblichen Laborsprühtrockner sprühgetrocknet. Das Produkt ist ein helles, creme-weißes, freifließendes Pulver. Die Wiederfindungsrate an Diacetyl beträgt 55% bei einer Konzentration von 2,75 g pro kg sprühgetrocknetes Pulver. Die Einsatzmenge als Lebensmittelzusatzstoff beträgt ca. 2%.

In der beigefügten Fig. 1 ist ein Diagramm zum Fermentationsverlauf des erfindungs­ gemäßen Verfahrens in der Produktionsphase, wie im Beispiel 1 beschrieben, wieder­ gegeben, das die Wechselbeziehung veranschaulicht zwischen der produzierten Men­ ge an Diacetyl in mg/l und der nachgewiesenen freien Citratmenge in g/l, in Abhängig­ keit von der Kultivierungsdauer in Stunden während der Kultivierung.

Beispiel 2 Herstellung eines Butteraromas in einem 2 l Fermenter

Eine Kultur mit einer anderen Starterkultur wird - wie im Beispiel 1 beschrieben - in MRS-Medium vorkultiviert und anschließend fermentiert. Am Ende der 78 Stunden dauernden Produktionsphase werden 380 mg/l Diacetyl gebildet. Die Aufarbeitung zum Trockenprodukt erfolgt wie in Beispiel 1.

Beispiel 3 Herstellung eines Butteraromas in einem 20 l Fermenter

Die im Beispiel 1 beschriebene Kultur wird in MRS-Medium vorkultiviert und anschlie­ ßend fermentiert.

Die Vermehrungsphase dauert 22 Stunden. Während der Produktionsphase wird zusätzlich nach folgendem Dosierungsplan 50%ige Citronensäurelösung kontinuierlich zudosiert:

0 h bis 3 h: 15 ml/h
3 h bis 6,5 h: 6 ml/h
6,5 h bis 30,7 h: 2,5 ml/h
ab 30,7 h: keine weitere Zudosierung.

Während der 47 Stunden dauernden Produktionsphase werden 344 mg/l Diacetyl gebildet. Die Aufarbeitung zum Trockenprodukt erfolgt wie in Beispiel 1.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung von natürlichem Butteraroma, erhältlich durch Fermen­ tation von Molke, Molkekonzentrat, Molkepermeat, süßem oder saurem Molkepul­ ver oder sonstigen molkehaltigen Substraten, dadurch gekennzeichnet, daß Lactose verwertende Mikroorganismen eingesetzt werden, die

• a) in einer 8 bis 25 Stunden dauernden Vermehrungsphase, bei einer Temperatur von 25 bis 37°C und einem pH-Wert von 5,0 bis 6,8, Biomasse bilden
• b) in der darauffolgenden, 20 bis 150 Stunden dauernden Produktionsphase bei einem pH-Wert zwischen 4,3 und 5,2 nach einem Temperaturshift auf eine Temperatur im Bereich von 3 bis 26°C weiterfermentiert wird und die Sauer­ stoffsättigung des Mediums auf einen Wert im Bereich zwischen 0,1 und 80% eingestellt wird, wobei der pH-Wert zu Beginn der Produktionsphase durch Zugabe von Citronensäure und/oder ihren Salzen, in den sauren Bereich erniedrigt wird und im Verlauf der Produktionsphase kontinuierlich oder diskontinuierlich Essigsäure, Citronensäure, Bernsteinsäure, Acetat, Citrat und/oder Pyruvat entsprechend ihrem Verbrauch in der Fermentationslösung zudosiert werden, wobei sich das Butteraroma bildet,
• c) der pH-Wert mit folgenden Korrekturmitteln, einzeln oder in Kombination, reguliert wird: Citronensäure, Salze der Citronensäure, Calciumcarbonat, Calciumhydroxid, oder deren handelsüblicher Mischungen mit Calciumoxid, oder mit Hydroxiden und Carbonaten anderer Alkali- und Erdalkalimetalle.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fermentations­ medium Hefe, Hefeextrakt oder Hefeautolysat enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vermeh­ rungsphase bei einer Temperatur von 28°C und einem pH-Wert von 5,5 und die Produktionsphase bei einer Temperatur von 16°C und einem pH von 4,6 durch­ geführt wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der Fermentationsbrühe ein Gehalt an Diacetyl von 40 bis 5000 mg/l, vorzugsweise 100 bis 1000 mg/l, insbesondere 300 bis 500 mg/l, erreicht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Fermentationsbrühe, durch Sprühtrocknung ohne Abtrennung der übrigen Bestandteile, zu einem handelsfähigen Produkt weiterverarbeitet wird.

6. Verwendung des nach Anspruch 1 bis 5 hergestellten Fermentationsprodukts zur Herstellung von kalorienreduzierten und/oder cholesterinfreien oder -armen Nahrungsmitteln mit Buttergeschmack.