Miniatur-Spektrometer überwachen das Brauen in Echtzeit

Eine neue Studie aus China legt nahe, dass miniaturisierte Nahinfrarot-Spektrometer zentrale Würzeparameter während des industriellen Maischens in Echtzeit überwachen können – eine Entwicklung, die Brauereien helfen könnte, Prozessprobleme früher zu erkennen und den Bedarf an Laboranalysen zu verringern.

Die am 6. Mai in Discover Chemistry von Springer Nature veröffentlichte Untersuchung testete drei tragbare NIR-Geräte an Würzeproben, die während der kommerziellen Produktion bei Beijing Yanjing Brewery Co. entnommen wurden. Mit den Instrumenten wurden Stammwürze, Maltose und freier Aminostickstoff (FAN) geschätzt – drei Messgrößen, die Aufschluss darüber geben, wie effizient die Maische Getreide in vergärbare Bestandteile umwandelt und wie das Bier am Ende schmecken und vergären wird.

Die Studie kam zu dem Ergebnis, dass das leistungsstärkste Gerät, ein NIR-System mit Fourier-Transformation, für alle drei Zielgrößen hochpräzise Modelle lieferte. Laut der Arbeit lag der Bestimmtheitskoeffizient bei Stammwürze und Maltose über 0,99 und bei FAN über 0,90, wenn die Forschenden multivariate Kalibrierungsverfahren einsetzten. Die Vorhersagefehler waren niedrig genug, um darauf schließen zu lassen, dass sich die Methode direkt vor Ort in der Produktion statt nur im Labor einsetzen lässt.

Die Stammwürze ist einer der wichtigsten Indikatoren dafür, wie viel gelöster Stoff in der Würze enthalten ist; sie beeinflusst Alkoholgehalt und Körper des fertigen Biers. Maltose ist ein wichtiger vergärbarer Zucker, während FAN ein zentraler Nährstoff für die Hefegesundheit und die Gärleistung ist. Brauereien messen diese Werte üblicherweise mit getrennten Laborverfahren, die Zeit kosten und eine Probenvorbereitung erfordern.

Nach Angaben der Autoren könnte eine Echtzeitüberwachung Brauereien helfen, schneller auf Veränderungen bei Rohstoffen, Temperatur oder Maischzeiten zu reagieren. Sind etwa die Maltosewerte zu niedrig, könnten Brauer die Maischdauer verlängern oder die Temperatur anpassen. Ist FAN unzureichend, ließen sich Proteinrast-Bedingungen verändern oder andere Prozessschritte anpassen, bevor der Sud weiterverarbeitet wird.

Die Nahinfrarot-Spektroskopie wird seit Langem in der Lebensmittel- und Getränkeanalytik eingesetzt, weil sie schnell und zerstörungsfrei ist. Ihre Anwendung auf Würze während des Maischens ist jedoch schwierig, da Würze zu mehr als 90 % aus Wasser besteht; das erzeugt starke Absorptionsbanden, die schwächere Signale von Zucker- und Stickstoffverbindungen überdecken können. Um dieses Problem zu lösen, setzten die Forschenden Vorverarbeitungsmethoden wie Standard Normal Variate Correction und Multiplicative Scatter Correction sowie statistische Modelle wie Partial Least Squares Regression und Support Vector Regression ein.

Verglichen wurden drei kompakte Systeme mit unterschiedlichen optischen Designs: ein Bruker Matrix-F Fourier-Transformationsspektrometer, ein JDSU MicroNIR-Gerät mit Linear Variable Filter und ein auf MEMS basierendes Spektrometer Axsun XL410. Jedes System wurde unter industriellen Bedingungen mit Würzeproben getestet, die während der enzymatischen Phase des Maischens entnommen wurden – also in der Phase mit der höchsten Saccharifizierungsaktivität.

Laut der Studie erzielte das FT-NIR-System insgesamt die beste Leistung, was vor allem auf sein höheres Signal-Rausch-Verhältnis und seinen größeren Spektralbereich zurückzuführen sei. Die kleineren Handgeräte waren weniger leistungsstark, zeigten aber dennoch Potenzial für den Einsatz in der Produktion, da sie kompakt waren und sich leichter in Produktionslinien integrieren ließen.

Die Forschenden wiesen zudem auf praktische Faktoren hin, die für Brauereien relevant sind, darunter Vibrationen, Temperaturschwankungen und Unterschiede zwischen Rohstoffchargen. Diese Faktoren können die Spektralmessungen beeinflussen und bei einem großflächigen Einsatz der Technologie im Laufe der Zeit Modellanpassungen erforderlich machen.

Für Brauereien, die unter Druck stehen, ihre Konsistenz zu verbessern und zugleich Kosten zu kontrollieren, liegt der Reiz solcher Systeme auf der Hand: schnellere Entscheidungen, weniger Chargen außerhalb der Spezifikation und geringere Abhängigkeit von routinemäßigen Laborarbeiten. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass eine NIR-Überwachung vor Ort die Analysekosten senken und Brauern einen klareren Blick darauf geben könnte, was im Läuterbottich gerade passiert.