Einfluss der Holzfasslagerung von Destillaten auf ihre sensorischen Eigenschaften

Doktorandin: Dr.-Ing. Christine Höfer
Betreuer HSWT: Prof. Dr. Dirk Rehmann
Fakultät: Fakultät Gartenbau und Lebensmitteltechnologie
Partner-Uni: Technische Universität Berlin | Prof. Dr. Ing. F. Methner
Zeitraum: 29.06.2015 - 22.02.2018

Abstract deutsch

In der vorliegenden Arbeit werden die Auswirkungen von in der Praxis gängigen Variationen der Destillatlagerung in Holzfässern auf die Farbentwicklung dieser Getränke untersucht. Damit wird ein weit gespannter und differenzierter Beitrag zur Schließung der bestehenden Wissenslücke geleistet. Über die Einflüsse der Rahmenbedingungen Holzart, Fassgröße, Toasting oder Lagertemperatur hinaus werden die Ursachen und Ausprägungen individueller Abweichungen sowie die Prozesse und Kinetik der Farbentwicklung eingehend aufgezeigt und diskutiert. Aus den Ergebnissen können drei physikalisch-chemische Reaktionsmechanismen identifiziert werden, die die Farbentwicklung von Destillaten mit Holzkontakt beeinflussen und in komplexen Systemzusammenhängen wirken: Extraktion von färbenden Holzinhaltsstoffen aus einer variablen Matrix mit insbesondere durch das Toasting veränderten Eigenschaften, zweitens farbverändernde, simultan ablaufende Sekundärreaktionen im Holzextrakt und drittens die ausgeprägte Halochromie der farbaktiven Extraktstoffe. Es wird nachgewiesen, dass die Farbe von holzfassgelagerten Destillaten die hedonische Präferenz signifikant beeinflusst noch bevor Geschmacks- oder Geruchsunterschiede wahrgenommen werden können. Für Produzenten ist es daher von großer Bedeutung, eine genaue Prognose über die qualitative und quantitative Farbentwicklung bei Lagerung von Destillaten mit Holzkontakt aufstellen zu können. Aus einem teilvalidierten Greybox Modell werden die statistisch signifikanten Einflussgrößen abgeleitet und ihre Anteile an der Streuung der Farbwerte quantifiziert. Die Farbe von Pflaumendestillat mit Finishing in Kastanienholzfässern kann mit diesem Modell innerhalb des 95 % Konfidenzintervalls vorhergesagt werden. Zur exakten Farbprognose individueller Lagerkonstellationen mit Eichen- und Kastanienholz wird eine numerische Methode vorgestellt, die mit in der Praxis üblicherweise vorhandenen Softwarelösungen bewerkstelligt werden kann.

Abstract English Version

In this work the effects of commonly practiced variations of barrel maturation on the colour of distillates are investigated. This provides a broad and differentiated contribution to bridge the present lack of knowledge. Besides the impact of the parameters wood species, barrel size, toasting or storage temperature, the reasons and quantity of indiviual variance as well as the processes and kinetics of colour development are shown and discussed. Three physico-chemical mechanisms are identified to influence the colour development of alcoholic solutions with wood contact in a complex manner: The Extraction of dyeing extractives from a naturally variable matrix whose properties are particularly altered by toasting, secondly, there are simultanously occuring, colour influencing subsidiary reactions of extracted substances, and in the third place, the wood extracts show a distinct halochromic behavior. The colour of spirits after wood contact significanty influences the spontanous hedonic preferences prior than differences in odour or flavour are noticable. Therefore, quantitative and qualitative prediction of colour development is very important for producers. Statistic signifikant predictors are identified with a partly validated grey-box modell and their proportions on the variance of the colour values are quantified. With this modell the colour of plum spirit finished in chestnut casks is predictable within the 95% confidence interval. For more exact colour prognosis of individual storage conditions with contact to oak and chestnut wood a numerical method is presented which could be performed in the field with usually available software.

Zusammenfassung

Die Farbe von Lebensmitteln gehört zu den wichtigsten Produkteigenschaften. Sie beeinflusst nicht nur die Kauf- und Konsumentscheidung von Verbrauchern sondern auch die sensorische Wahr-nehmung von Geruch und Geschmack. Ein Finishing von Obstdestillaten in Holzfässern zur Aus-weitung des Produktportfolios ist insbesondere bei den zahlreichen Herstellern in Deutschland aufgrund gesetzlicher Änderungen betreffend der Vermarktung dieser Produkte in den Interessens-fokus gerückt. Nur wenige wissenschaftliche Arbeiten beschäftigen sich bisher mit der Farbe von Destillaten mit Holzkontakt, so dass praktisch keine detaillierten Informationen über Qualität und Kinetik der Veränderungen dieser auf physiologischer Empfindung basierenden Größe verfügbar sind.

Mit der vorliegenden Arbeit soll ein Beitrag zur Schließung dieser Wissenslücke geleistet werden und wesentliche Mechanismen, Prozesse und Einflussfaktoren für die Farbentwicklung von Destillaten bei etablierten Lagerungsbedingungen identifiziert werden. Über die Entwicklung eines Grey-Boxmodells sollen die Vorgänge auf die äußeren Rahmenbedingungen der Lagerung transponiert werden. Weiterhin soll die Bedeutung der Farbe für die Präferenz von holzfassgelagerten Destillaten bei Produzenten und Verbraucher untersucht und die Entscheidungsgrundlagen aufgeklärt werden. Die direkte Translation von Erkenntnissen aus dieser Arbeit in die betriebliche Praxis soll mit der Entwicklung eines Farbprognosetools gelingen.

Zur Erreichung der Ziele dieser Arbeit wurden Fasslagerungen von Pflaumendestillat in Kastanienholzfässern sowie umfangreiche Simulationsexperimente mit ethanolischen Lösungen und Apfeldestillat durchgeführt, die mit verschiedenen Hölzern in fassbautauglicher Güteklasse inkubiert wurden. Es wurden die Farbentwicklungen im CIELAB-Farbraum bei Kontakt mit Eichen-, Kastanien-, Akazien- und Maulbeerholz in praktizierten Variationen betreffend Toasting, Fassgröße, Mehrfachbelegung und Lagertemperatur untersucht und relevante Materialanalytik durchgeführt. Unter definierten Lichtbedingungen wurden einem Experten- und einem Laienpanel Destillatproben präsentiert, die mit Eichen-, Akazien- bzw. Maulbeerholz inkubiert waren und die spontane hedonische Präferenz abgefragt.

Aus den durchgeführten Untersuchungen können folgende, wesentliche Schlüsse gezogen werden:
Sowohl die getesteten Holzarten Eiche, Kastanie, Akazie und Maulbeere als auch die angewandten Toastings und ebenso wiederholte Extraktion haben einen hochsignifikanten Einfluss auf die qualitative Farbentwicklung. Bei Eichen- und Akazienholz kann eine direkte Koinzidenz der einge-brachten thermischen Energie mit der Geschwindigkeit der Farbentwicklung im Destillat beobachtet werden. Ethanolische Extrakte aus nichtgetoasteten Hölzern sind mit Ausnahme von Akazienholz stärker gefärbt als deren medium getoasteten Pendants, was auf einen Effekt der Matrixstabili-sierung und damit verringertem Quellungsvermögen durch Hitzeeinwirkung zurückgeführt werden kann.

Die Farbverläufe bei Variation von Oberflächen-Volumenverhältnis decken sich weitgehend im CIELAB-Farbraum, wobei die Simulationen der größten Fässer entsprechend ihrer geringsten Kontaktoberfläche im Verhältnis zum Volumen auf der Farbverlaufskurve im CIELAB-Farbraum den geringsten Fortschritt erzielt und das kleinste Fass die Verlaufskurve am weitesten zeichnet. Während der Versuchslaufzeit bestehen hochsignifikante Farbunterschiede zwischen den simulierten Fassgrößen bei Ansätzen mit Kastanien-, Akazien- und Maulbeerholz. Eine Ausnahme innerhalb der hier eingesetzten Holzarten bildet das Eichenholz. Es sind keine signifikanten Farbunterschiede aufgetreten, die sich durch die variierte Holzoberfläche erklären ließen. Die individuellen Abweichungen überwiegen oberflächenverursachte Farbunterschiede.

Die erhaltenen Ergebnisse führen zu dem Schluss, dass in den eingesetzten Hölzern von Fassbau-qualität deutliche, lokal in engem Raster begrenzte Schwankungen in farbgebenen Extraktstoffen bestehen. Es zeigen sich auch deutliche Abweichungen in der Menge der insgesamt extrahierbaren Substanzen zwischen oberflächennormierten Holzstücken, die aus ein und derselben Daube gesägt wurden. Dies trifft für alle in dieser Arbeit verwendeten Holzarten zu. Die aufgrund der Anisotropie von Holz vorhandenen, Matrix-abhängigen Einflüsse liefern dagegen bei der Farbentwicklung keinen prominenten Beitrag auf individuelle Farbabweichungen innerhalb von Versuchswiederholungen.
Die Geschwindigkeit der Farbentwicklung hängt zeitlich mit der Fasersättigung zusammen und fällt nach bereits 12 Tagen sowohl bei Fasslagerung als auch bei Simulationsexperimenten drastisch ab. Die Extraktion der Holzinhaltsstoffe zeigt dagegen erst etwas später eine Prozessverlangsamung. Dennoch sind bei einer Gesamtversuchsdauer von 111 Tagen 50 % des TS bereits nach 26 Tagen aus Kastanienholzfässern extrahiert. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Holzinhaltsstoffe von nur wenigen Millimetern des Fassholzes in das Destillat migrieren, weshalb die Farbentwicklung so früh auf sehr niedriges Niveau abfällt.

Es ist eine ausgeprägte pH-Abhängigkeit der Extraktfarbe festzustellen. Diese äußert sich sowohl mit sinkender Lightness L*, steigendem Chroma Cab* sowie bei Maulbeer- und Akazienholz mit einer ausgeprägten Änderung des Bunttonwinkels bei pH-Anstieg. Durch das Anheben der pH-Werte wurden Farbveränderungen in Größenordnungen von 62 % bis 73 % der durch 120-tägigen Inkuba-tion induzierten Farbabstände ΔE erreicht.
Die Färbung der alkoholischen Lösung ist nicht nur von der Extraktion und Anreicherung von farb-wirksamen Holzinhaltsstoffen abhängig, sondern es besteht auch ein wichtiger Sekundärprozess, der durch die Anwesenheit von Sauerstoff verstärkt wird. Auch nach Beendigung der Inkubation mit Holz finden Farbveränderungen statt. Es kann angenommen werden, dass es sich dabei um Oxidations- und Kondensationsprozesse der phenolischen Extraktstoffe handelt, die auch nach Abbruch des Holzkontaktes fortlaufen. Eine Stickstoffatmosphäre hat gegenüber Luft eine signifikant protektive Wirkung auf die autogene Farbveränderung von ethanolischem Eichenholzextrakt.
Mit dem aufgestellten Grey-Box-Modell kann die Farbentwicklung von Pflaumendestillat in Kastanienholzfässern innerhalb des 95%-Konfidenzintervalls prognostiziert werden. Es gelingt, die von multiplen Prozessen beeinflusste Farbentwicklung über die Rahmenbedingungen der Lagerung, also Lagerdauer, Holzart, Toasting, Fassgröße sowie mit der zur Konzentration gelöster Holz-inhaltsstoffe kollinearen Größe pH-Wert zu beschreiben. Die Prognosequalitäten für die einzelnen Farbkoordinaten sind mit Modellgüten R2prog zwischen 88 % und 99 % (Median 97,1 %) sehr gut.
Sowohl bei Laien als auch bei Experten beeinflusst die Produktfarbe die hedonische Präferenz signifikant und bereits bei Konzentrationen an gelösten Inhaltsstoffen, bei denen von geschulten Experten kein sensorischer Unterschied (Geruch und Geschmack) festgestellt werden kann. Signi-fikant verschiedene Präferenz wurde bereits bei Farbabständen ab DE00=3,5 vergeben. Das Expertenpanel urteilt einheitlicher und differenziert deutlicher zwischen den Platzierungen als das Laienpanel. Die Präferenzen weichen zwischen den Panels bei der Präsentation von Inkubationen mit Akazien- und Maulbeerholz ab, nicht jedoch bei Eichenholz. Die Beleuchtung der Proben mit den Lichtarten D65 und T84 haben im Laienpanel Einfluss auf die Präferenz von mit Maulbeerholz gelagertem Destillat.

Als signifikante Einflussgrößen auf die Rangsummenunterschiede können der Farbabstand zwischen den Proben, die Lightnessdifferenz sowie die Wechselwirkungen Unterschied Bunttonwinkel mit Farbabstand und Unterschied Bunttonwinkel mit Chromadifferenz identifiziert werden. Aus den vorliegenden Ergebnissen wird geschlossen, dass ein differenziertes Bewertungsschema die hedonische Präferenz begründet. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit einer exakten, individuellen Prognose von Farbentwicklungen.
Zur genauen Vorhersage der aus Holzkontakt resultierenden Färbung von Ethanol (60 % v/v) wird eine numerische Methode vorgestellt, die für Inkubationen mit europäischer Eiche (Quercus robur) und Edelkastanie (Castanea sativa) ausgehend von 10 Farbmesspunkten eine präzise Prognose für einen Finishingzeitraum von 120 Tagen mit Abweichungen von DE00 < 1 zulässt. Es ist anzunehmen, dass auch Inkubationen mit amerikanischer Weißeiche (Quercus alba) damit prognostiziert werden können.

Mit diesen Erkenntnissen steht Spirituosenherstellern eine grundlegende Informationsbasis zum Verständnis der Farbentwicklung von Destillaten bei Holzfasslagerung zur Verfügung, die sie an verschiedenen Stellen des Produktionsprozesses nutzen können, um die Produktqualität bezüglich des Attributs Farbe zu steuern. Weitere wissenschaftliche Fragestellungen werden aufgezeigt, wobei insbesondere die Erforschung des Systems Extraktstoffe-pH-Wert-Farbe von besonderer Bedeutung wäre.

Online-Publikation in der Dissertationsdatenbank der TU Berlin