Projekt 13028/13

Förderschwerpunkt Biotechnologie: Verbund Sensorik in der Biotechnologie: Multianalytsensoren zur Vorort Qualitätsüberwachung von Gärprozessen

Projektträger

Westfälische Wilhelms-Universität MünsterAnorganisch-Chemisches InstitutLehrstuhl für Analytische Chemie
Wilhelm-Klemm-Str. 8
48149 Münster
Telefon: 0251/980-2880

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Bei der Weinbereitung ist eine Überwachung und Steuerung des Gärverlaufs durch eine schnelle und zuverlässige Vor-Ort-Analytik wünschenswert. Rechtzeitiges Abstoppen der Gärung würde eine gezielte und effiziente Einstellung der Restsüße, die einen wichtigen Qualitätsparameter der Weine darstellt, ermöglichen und somit die kontrollierte Produktion der gewünschten Weinqualität. Ziel des Forschungsvorhabens war daher die Entwicklung eines einfach und zuverlässig zur Vor-Ort-Qualitätsüberwachung von Gärprozessen einsetzbaren Analysesystems, das die bisher bei Erwerbswinzern (ca. 60.000 in Deutschland) eingesetzten nasschemischen Analyseverfahren, die allesamt auf schwermetallhaltigen Reagenzien beruhen, ersetzen soll.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Analysegerät besteht aus einem einfach zu handhabenden Handmessgerät mit Anzeigefunktion und einfach einzusetzenden Multianalytsensorkarten. Die Sensorkarten umfassen mehrere immobilisierte Enzymelektroden, die eine gleichzeitige Bestimmung von Glukose, Fruktose, Saccharose und Gesamtzuckergehalt erlauben. Der Schwerpunkt bei der Entwicklung der kostengünstig in Siebdrucktechnik herstellbaren Sensoren liegt neben der Enzymimmobilisierung auf der Ausarbeitung einer einfach durchzuführenden Analysevorschrift, die auch außerhalb eines Laboratoriums von nur wenig geschultem Personal zur quantitativen Bestimmung der prozessrelevanten Parameter durchgeführt werden kann.
Die Hauptarbeit im Projekt war in drei Arbeitspakete aufgeteilt:
1. Die WWU hat die Entwicklung der Multianalytsensoren zur simultanen Messung von Glukose, Fruktose und Saccharose übernommen.
2. Gemeinsam mit der Kübler GmbH erfolgte die Entwicklung einfach zu bedienender Mehrkanalhandpotentiostaten.
3. Die Sensoren und Geräte wurden zur Bestimmung der Zucker in Realproben (Säften, Weinen) und zur Überwachung eines Gärprozesses eingesetzt.


Ergebnisse und Diskussion

Die neu entwickelte Handgerätversion (Abb. unten links) stellt ein sehr kompaktes und vielseitig einsetzbares Messgerät dar, das wie ein in der ersten Projektphase entwickeltes Labormuster nach dem Prinzip der spannungsgesteuerten Stromsenken arbeitet. Es wird in diesem Projekt für amperometrische Messungen mit Multi-Enzymsensoren mit 4 Arbeitselektroden (Abb. unten rechts) verwendet. An jeder Arbeitselektrode erfolgt eine individuelle, bipolare Potenzialeinstellung (für jeweiliges Enzymsystem optimiert) gegen die integrierte Referenzelektrode.
SensorentwicklungDie amperometrischen Transducer für die Enzymsensoren wurden in Siebdrucktechnik hergestellt. Die Immobilisierung der Enzyme erfolgte in einer Polyurethanmembran (Glukose-, Saccharosesensoren) bzw. durch Quervernetzung mit Glutaraldehyd (Fruktosesensoren). Im Sinne einer Machbarkeitsstudie wurden zusätzlich Ethanoleinzelsensoren entwickelt. Die Multianalytsensoren zur gleichzeitigen Bestimmung der 3 Zucker wurden umfangreichend charakterisiert (s. Tabelle). Membranen zum Aus-schluss evtl. vorhandener Störstoffe wurden getestet. Die Sensoren wurden erfolgreich zur Bestimmung der Zuckerkonzentrationen in verschiedenen Fruchtsaft-, Wein- und Gärproben eingesetzt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

1. Die im Rahmen des Projekts erzielten Ergebnisse wurden sowohl in wissenschaftlichen Fachzeitschriften, als auch solchen, die sich an ein breiteres Publikum wenden, veröffentlicht:
1) Meier, S., Cammann, K., Chemnitius, G.-C. (1999): Enzymsensoren zur Vor-Ort-Bestimmung von Zuckern in Mosten und Weinen. GIT Labor-Fachzeitschrift 43: 922-925;
2) Chemnitius, G., Erlenkötter, A., Frebel, H., Loechel, C., Meier, S., Olschewski, H., Röder, Y., Schneider, J., Cammann, K. (1999): Disposabel enzyme sensors for food analysis and clinical chemistry. Quimica Analytica 18 (Suppl.): 147-146.
3) Patel, N. G., Meier, S., Cammann, K., Chemnitius, G.-C. (2001): Screen-printed biosensors using different alcohol oxidases. Sens. Actuators B 75: 101-110;
4) Meier, S., Chemnitius, G.-C., Shulga, O., Cammann, K., Börchers, T. (2001): Multianalytsensoren zur Vor-Ort-Qualitätsüberwachung von Gärprozessen. In: Erb, R. & Heiden, S. (Hrsg.) (2001): Sensorik, Sonderausgabe BIOSpektrum: 31-35;
5) Meier, S., Chemnitius, G.-C., Shulga, O., Cammann, K., Börchers, T. (2002): Multi-Enzym Bio-sensor zur Bestimmung von Zuckern für die Überwachung von Gärprozessen. In: Baselt, J. P. & Gerlach, G. (Hrsg.): Dresdner Beiträge zur Sensorik, 16: 21-24.
2. Poster wurden auf der Dechema-Jahrestagung der Biotechnologen (27.-29.4.1999 in Wiesbaden); der Biosensors (24.-26.5.2000 in San Diego, USA), der In Vino Analytica Scientia (14.-16.6.2001 in Bordeaux, Frankreich) und dem 5. Dresdner Sensor Symposium (12.-14.12.2001 in Dresden) prä-sentiert.
3. Das komplette Sensor-System wurde als Exponat auf folgenden Messen vorgestellt:
- Intervitis, Stuttgart, 16.-20.5.2001;
- BioTechnica, (Gemeinschaftsstand der DBU), Hannover, 9.-11. 10. 2001;
- SITEVI, Montpellier, Frankreich, 13.11-15.11. 2001.


Fazit

Der Projektlaufplan wurde weitestgehend, wie im Antrag angegeben, eingehalten und die Projektziele wurden erreicht. Es steht jetzt ein Analysensystem, bestehend aus einem Handmessgerät und Multiana-lytsensorkarten zur gleichzeitigen Bestimmung der Zucker Glukose, Fruktose und Saccharose, zur Verfügung, das zur Überwachung von Gärprozessen geeignet ist. Die weitere Entwicklung zur Marktreife zusammen mit dem Kooperationspartner ist geplant.