Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Technische Gewinnung der Exopolysaccharide von Streptococcus thermophilus für ihre Anwendung in nicht fermentierten Lebensmitteln

Pflanzliche Hydrokolloide, die in der Lebensmittelindustrie als Stabilisatoren eingesetzt werden, unterliegen häufigen Qualitäts- und Versorgungsschwankungen und sind auch aus hygienischen Gesichtspunkten teilweise problematisch. Als Alternative dazu stehen Polysaccharide mikrobiellen Ursprungs zur Verfügung, deren Herstellung unabhängig von äußeren Bedingungen mit konventionellen biotechnologischen Verfahren erfolgt. Bei der nachfolgenden Isolierung sind je nach angestrebter Reinheit verschiedene Schritte zur Abtrennung von Zellen und Bestandteilen des Fermentationsmediums erforderlich. Exopolysaccharide (EPS) von Milchsäurebakterien, speziell die von Streptococcus thermophilus, einer Bakterienart mit QPS-Status, sind verzweigte Heteropolysaccharide, die in situ während der Herstellung von fermentierten Milchprodukten gebildet werden. Die Gewinnung der EPS von S. thermophilus erfolgt zurzeit nur im Labormaßstab. Die Herausforderung bei der Gewinnung größerer Mengen EPS liegt für KMU vor allem in den Produktionskosten, die sich im Wesentlichen aus Kosten für das Fermentationsmedium und dem Aufwand für die nachfolgende Isolierung zusammensetzen.

Ziel des Vorhabens ist es, das derzeit komplexe Isolierungsverfahren für EPS zu vereinfachen und vom Labormaßstab auf den Pilotmaßstab zu übertragen, um ausreichende Mengen an wirksamen EPS-Präparaten von S. thermophilus für die Anwendung in nicht fermentierten Lebensmitteln zu erhalten. Die Herstellung pflanzlicher Hydrokolloide unterliegt großen Qualitäts- und Kostenschwankungen, da diese oft aus politisch instabilen Regionen importiert werden, was vor allem für KMU problematisch ist. Die Herstellung von EPS-Präparaten aus S. thermophilus Stämmen zur Nutzung in nicht fermentierten Lebensmitteln kann aufgrund der großen Diversität der EPS und ihrer qualitativen Vorteilen zur Erweiterung des Produktportfolios von KMU quer über alle Lebensmittelbranchen führen.

Ergebniszusammenfassung:

Mit der Eliminierung der Protein-Fällung mittels Trichloressigsäure und der anschließenden Neutralisation mit NaOH gelang die Vereinfachung des etablierten Isolierungsverfahrens um einen Verfahrensschritt. Die Übertragung des vereinfachten Verfahrens in den Pilotmaßstab wurde mit einer DYNOTEST-Anlage realisiert. Für beide wesentlichen Trennschritte (Zellabtrennung und EPS-Konzentrierung) erfolgten Parameterstudien an der DYNOTEST, welche zu optimierten Parametern für diese Schritte führten. Unter Verwendung dieser Parameter gelang die Erzeugung eines EPS-Präparates sowohl für einen fadenziehenden, freie EPS produzierenden Stamm, als auch einen kapsuläre EPS ausbildenden Stamm. Die Reinheit der Präparate ist stark von der Restzellzahl in den Medien abhängig, da bei hohen Zellzahlen eine Zellabtrennung mittels Mikrofiltration nicht ohne Verluste von EPS durchgeführt werden kann. Bei Zugabe verschiedener EPS-Präparaten zu chemisch gesäuerten Milchgelen lässt sich sagen, dass die Zugabe von EPS zu einer Erhöhung der Gelsteifigkeit führt, jedoch ist die Funktionalität von Präparaten mit geringerer molekularen Masse deutlich geringer als bei Präparaten mit einer molekularen Masse von ~1 MDa. Beim Einsatz der Präparate zur Emulsionsstabilisierung zeigten sich vergleichbare Ergebnisse mit Xanthan und anderen kommerziellen Polysacchariden. Die Zugabe der EPS-Präparate in Modellemulsionen führte zur Steigerung der scheinbaren Viskosität der Emulsion, sowie zur Reduktion der Aufrahmgeschwindigkeit der dispersen Flüssigkeitströpfchen. Weiterhin war ein stärkerer Effekt beim Einsatz der freien EPS im Vergleich zu den kapsulären EPS oder einer Mischung aus beiden zu beobachten. Es konnte festgestellt werden, dass ausschließlich der absolute Gehalt an EPS in den Präparaten für die Technofunktionalität ausschlaggebend war. Bei Präparaten mit geringer Reinheit war eine Erhöhung der Präparatkonzentration in Emulsionen notwendig, um relevante Ergebnisse zu erzielen.