Optimierung der Verflüssigungs- und Vergärungsprozesse von Vollkornreis mittels Response Surface Methodology für die Ethanolproduktion aus Getreide

Warum die Verarbeitung von Vollkornreis zu Getränken wichtig ist

Vollkornreis gilt oft als gesündere Wahl gegenüber weißem Reis, weil er seine äußeren Schichten behält, die reich an Ballaststoffen und nützlichen Pflanzenstoffen sind. Genau diese Schichten erschweren jedoch die Umwandlung der Stärke im Korn in einfache Zucker, die von Hefen zu Alkohol vergoren werden können – etwa für Reiswein und andere Getränke. Diese Studie untersucht, wie das Kochen und der enzymatische Einsatz bei Vollkornreis feinabgestimmt werden können, damit das Getreide effizienter für die Herstellung von Getränken wie Makgeolli genutzt werden kann und dabei Geschmack und Nährwertpotenzial erhalten bleiben.

Vom Vollkorn zum zuckerreichen Ansatz

Die Forschenden begannen damit, auf kleinem Maßstab nachzuahmen, was in einer Brauerei geschehen könnte. Vollkornreiskörner wurden eingeweicht, gedämpft bis sie weich waren und dann mit Wasser vermischt. Statt den Reis zu mahlen, verwendeten sie die ganzen Körner und setzten spezialisierte Enzyme ein, die Stärke in kleinere Zuckerbausteine zerlegen. Der Prozess erfolgt in zwei Phasen: Verflüssigung, bei der Stärkekörner gelockert und teilweise aufgespalten werden, und Saccharifizierung, bei der verbleibende Stärkefragmente in vergärbare Zucker wie Glukose umgewandelt werden. Das Team wollte die Kombinationen aus Säuregrad (pH), Temperatur und Zeit finden, die die meisten Zucker in der kürzest möglichen praktischen Zeit liefern.

Viele Bedingungen prüfen mit einem intelligenten Design

Anstatt einen Faktor nach dem anderen zu verändern, nutzten die Wissenschaftler einen statistischen Planungsansatz namens Response Surface Methodology. Damit konnten sie pH, Temperatur und Erhitzungszeit gleichzeitig über ein Gitter sorgfältig ausgewählter Bedingungen variieren und dann modellieren, wie diese Faktoren mehrere Ergebnisse beeinflussten: lösliche Feststoffe (ein Maß ähnlich der Süße), reduzierende Zucker, Gesamtsaccharide sowie die Einzelzucker Maltose und Glukose. In der Verflüssigungsphase testeten sie Temperaturen von 60 bis 100 Grad Celsius, pH-Werte von 3,5 bis 6,5 und Erhitzungszeiten von 1 bis 4 Stunden. Sie stellten fest, dass Temperatur und Zeit deutlich stärker als der pH-Wert bestimmten, wie viel Stärke in lösliche Bestandteile und Gesamtsaccharide umgewandelt wurde, mit einem klaren Optimum um 80 Grad und mehreren Stunden Erhitzung.

Zoomen auf den Zuckerbildungs-Schritt

Für die Saccharifizierung nahmen sie die unter den besten Verflüssigungsbedingungen hergestellte Vollkornreinstflüssigkeit und gaben ein anderes Enzym hinzu, das darauf spezialisiert ist, Stärkemolekülketten bis zu einzelnen Glukoseeinheiten abzubauen. In diesem Schritt begünstigten niedrigere pH-Werte und moderate Temperaturen um 50 bis 70 Grad hohe Mengen an reduzierenden Zuckern und besonders Glukose, während sehr lange Erhitzungszeiten das Verhältnis von Maltose zu Glukose veränderten. Durch Anpassung mathematischer Oberflächen an ihre Daten identifizierten die Autorinnen und Autoren ein optimales Saccharifizierungsrezept bei pH 3,5, 65 Grad Celsius und etwa 4,8 Stunden, das wünschenswerte Zucker maximierte und gleichzeitig die Prozesszeit in einem vernünftigen Rahmen hielt.

Test des optimierten Sirups in der Praxis

Um zu prüfen, ob der optimierte Prozess in einer echten Fermentation funktioniert, stellte das Team eine 10-Liter-Charge Vollkornreissirup unter diesen Bedingungen her und inokulierte sie mit einer Standard-Weinhefe. Über zehn Tage verfolgten sie den Abfall der Zuckerkonzentration und den Anstieg des Ethanols. Der Großteil von Maltose und Glukose war bis zum siebten Tag verbraucht, während Ethanol stetig anstieg und am zehnten Tag etwa 62,8 Milligramm pro Milliliter erreichte. Im Vergleich zu den anfänglichen löslichen Feststoffen entsprach dies einer scheinbaren Umwandlungseffizienz, die leicht über dem theoretischen Maximum für reinen Zucker lag; die Autorinnen und Autoren erklären dies damit, dass die Anfangsmessung auch nicht-vergärbare lösliche Komponenten enthielt.

Was das für Getränke aus Vollkornreis bedeutet

Vereinfacht zeigt die Studie, dass eine sorgfältige Kontrolle von Erhitzungstemperatur, Säuregrad und Zeit in zwei enzymatisch gesteuerten Schritten Vollkornreis deutlich geeigneter als Rohstoff für alkoholische und fermentierte Getränke machen kann. Die optimierten Bedingungen erzeugten zuckerreiche Sirupe, die Hefen zu Ethanol in Mengen vergären konnten, die mit traditionellen Reisweinen vergleichbar sind, trotz des zusätzlichen Ballaststoff- und Kleieanteils im Vollkornreis. Diese Ergebnisse liefern eine praktische Anleitung für Brauereien und Getränkehersteller, die die ernährungsphysiellen und vermarktbaren Vorzüge von Vollkornreis nutzen möchten, ohne die Fermentationsleistung zu beeinträchtigen.

Zitation: Jang, SW., Yu, H.H., Kim, JC. et al. Optimizing brown rice liquefaction and saccharification using response surface methodology for grain ethanol production. Sci Rep 16, 9982 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40430-9

Schlüsselwörter: Vollkornreis-Ethanol, Enzymfermentation, Reiswein, Saccharifizierung, Getreide-Bioethanol