DD231803A1 - Verfahren zur herstellung von backhefe - Google Patents

Abstract

Ziel der Erfindung ist es, eine Backhefe mit hoher und reproduzierbarer Triebkraft sowie hohen Zellausbeuten hinsichtlich der verwerteten Zucker bei Verwendung von Melassen unterschiedlicher Qualitaet zu erzeugen. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Methode zur Herstellung von Backhefe durch eine geeignete Prozessfuehrung bei Verwendung einer speziellen Prozesskennziffer zu entwickeln. Erfindungsgemaess wird diese Aufgabe dadurch geloest, dass man in einem diskontinuierlich oder kontinuierlich betriebenen Fermentationsprozess im Fermentationsmedium die Konzentration von Glucose durch geeignete Massnahmen auf einem vorgegebenen Wert konstant haelt, wobei diese Massnahmen in einer geregelten Zufuehrung von Melasse, Melasse und Prozesswasser sowie von Luft in das Fermentationsmedium bestehen kann.

Description

Titel der Erfindung

Verfahren zur Herstellung von Backhefe

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Backhefe und wird in der BackhefeIndustrie verwendet.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Verbraucher von Backhefe stellen heute, vor allem infolge Automatisation und Übergang zur industriellen Massenproduktion bei der Backwarenherstellung, höhere Anforderungen hinsichtlich konstanter Qualität, Haltbarkeit und hoher Iriebkraft an das verwendete Produkt· I¹Ur die Hersteller von Backhefe ergibt sich die Forderung nach einer kostengünstigen Herstellung einer Hefe mit ständig steigenden Qualitätsanforderungen.

Wesentlich für die Ökonomie eines Backhefeprozesses ist die Ausbeute, die geerntete Hefemenge hinsichtlich der verwendeten Melasse. Die Ausbeute läßt sich verbessern, wenn man die Melassemenge im Permentor möglichst gering hält, da mit steigender Melassekonzentration der Effekt der sogenannten Katabolitrepression auftritt, durch welchen auch bei starker Belüftung größere Mengen des an sich unerwünschten Nebenproduktes Ethanol sowie andere flüchtige Substanzen aus der Melasse gebildet werden, welche zu hohem Verlust durch das Abgas und damit zu Ausbeuteverringerungen führen (DE - OS 2109 896).

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Langzeitige Versuche führten weiterhin zu dem Ergebnis, daß einerseits durch eine Katabolitrepression die Triebkraft der dabei erzeugten Backhefe erheblich reduziert wird· Unter Triebkraft wird dabei die Fähigkeit der Hefe verstanden, unter Luftabschluß in maltose- und saccharosehaltigen Teigen zu gären und diese im Verlauf des Backprozesses zu treiben. Andererseits bewirkt ein Unterschuß von Melasse im Fermentation sprozeß eine Limitation des ¥/achstums von Backhefe· Wird eine derartige Substratlimitation, wie sie in der Futterhefe-Industrie für eine kontinuierliche Züchtung in den sogenannten Chemostatenprozessen üblich ist, auch für die Führung eines Backhefeprozesses verwendet, zeigt sich, daß die gewonnene Hefe keine Triebkraft mehr besitzt

Daher haben sich zur Herstellung von Backhefe in der Präzis ausnahmslos die sogenannten Zulaufverfahreη, mitunter auch als halbkontinuierliche Prozesse bezeichnet, durchgesetzt. Prinzip derartiger Verfahren ist die. Aufrechterhaltung einer möglichst geringen, jedoch von Hull deutlich unterschiedenen Melassekonzentration, um einerseits Katabolitrepression, andererseits Substratlimitation zu vermeiden· Zu diesem Zweck wird während des Anstieges der Zellkonzentration im Verlauf des Wachstums eine sich kontinuierlich oder stufenweise vergrößernde Zulaufmenge an Substrat dem Fermentor zugeführt· Den steigenden Anforderungen an die Qualität der Backhefe sowie ihrer kostengünstigen Herstellung steht die sich im allgemeinen verschlechternde oder erheblich schwankende Qualität der Melasse hinsichtlich ihres Gehaltes an Zuckern und Wuchsstoffen sowie landwirtschaftlichen Hilfsstoffen wie z.B. Pestiziden und Herbiziden gegenüber. Die Melassequalität beeinflußt erheblieh das Hefewachstum (3. Symp. Techn. Mikrobiol. Berlin (1973), 269 - 280).

Auch bei annähernd gleichen technischen Parametern der Backhefefermentation wirkt neben der unterschiedlichen Melassequälität auf das Hefewachstum eine Anzahl weiterer Faktoren ein, die sich aus der Variabilität der HefeIndividuen in ihrem Umweltmilieu ergeben. Sie führen zu unterschiedlichen biochemischen Reaktionen, so daß Fermentationsprozesse einen unterschiedlichen Verlauf haben können.

Somit erfüllt eine Melassedosierung in Zulaufverfahren in der heute üblichen Art, manuell oder durch Programmsteuerungen in Abhängigkeit von der Prozeßzeit, nicht mehr die Forderungen nach kürzerer Dauer der HefeZüchtungen, Reproduzierharkeit des Wachstums, Ausbeutemaximierung, Reproduzierbarkeit der Prozeßverläufe und der Qualitätsmerkmale der geernteten Backhefe«

Es wurde versucht, dieses Problem durch Ersatz der manuellen oder programmierten zeitabhängigen Prozeßführung mit Größen zu lösen, welche direkt mit dem Wachstum und dem physiologischen Zustand der Hefezellen verknüpft sind. Dabei wurde die Ethanolkonzentration im Fermentorabgas genutzt (AT -PS-208 802), ferner die Ethanolkonzentration im Fermentationsmedium (DE - OS -'2109 846, Biotechnol. Bioeng. 23 (1981), 2069), der Respirationskoeffizient aus dem Fermentorabgas (Biotechnol. Bioeng. 21 (1979), 975) oder der Sauerstoffpartialdruck im Fermentationsmedium (Przemysl Ferm. i Roln.y 11 (1978), 5 - 7)· Aus dem physiologischen Zustand der Mikroorganismen abgeleitete Regelgrößen für Fermentationsprozesse, welche nicht ausschließlich der Backhefeherstellung dienen, sind ferner die COp-Konzeηtration des Fermentorabgases (DE - PS - 2457 044, DE-PS-2556 290), der pH-Wert (DE - PS - 2457 044, DE-OS- 2546 236), das Redoxpotential (DE - OS 2720 035), der Fettsäuregehalt (DD - PS - 142 453), die Hitritkonzentration (DD - PS 149 873) oder die Cytochrom-c-Konzentration (DD - PS - 160 232). Geregelt wird mit den angegebenen Größen meist die Zufuhr der Kohlen stoffquelle in den Fermentor, mitunter gekoppelt mit einer separaten ETährsalz- oder Laugendosierung.

Auch für kontinuierliche Backhefeprozesse wird eine Substratregelung über den Ethanolgehalt des Fermentationsmediums, gekoppelt mit einer Frisch- oder Rückführwasserregelung über die Zellkonzentration bereits vorgeschlagen Neben den erwähnten Bachteilen der gebräuchlichen Zulaufverfahren mit der Zeit als Führungsgröße des Fermentationsablaufes besteht bei Backhefefermentationen, welche sich aus Biosignalen als Führungsgrößen aufbauen, das Problem einer zeitvergrößerten Reaktion auf Prozeßveränderungen.

Eine Beeinflussung der Fermentation, wie z.B. eine Melassedosierung, muß zunächst physiologisch durch die Hefezellen verarbeitet werden, ehe eine Antwort, z.B· in Form einer Änderung des Sauerstoffpartialdruckes, des Respirationsquotienten, der Alkoholbildung oder anderer Größen erfolgt. Diese Zeitverzögerungen können zu Abweichungen von. den günstigsten Prozeßbedingungen führen und damit eine Verschlechterung der Prozeßökonomie und der Qualitätsmerkmale der Backhefe bewirken·

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Backhefe mit definierter und gleichbleibend hoher Triebkraft bei unterschiedlichen Melassequalitäten kostengünstig in einem diskontinuierlich oder kontinuierlich geführten Fermentationsprozeß zu erzeugen·

Wesen der Erfindung

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Größe für den Fermentationsprozeß zu finden, welche zu einem möglichst frühen Zeitpunkt auf den physiologischen Zustand der wachsenden Zellen einwirkt und nicht lediglich eine Antwort auf ihn darstellt, und mit ihrer Hilfe einen Backhefeprozeß zu entwickeln.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß man in einem Fermentor während des Wachstums von Backhefe die Konzentration von Glucose im Fermentationsmedium auf einem vorgegebenen Wert konstant hält.

Backhefen wachsen in einem Melasse enthaltenen Fermentationsmedium· Dabei verwerten sie vor allem den in der Melasse in Form von Saccharose vorliegenden Zucker. Die Saccharose wird vor Aufnahme in die Hefe zellen durch das eztrazelluläre Enz^m Invertase in die Monosaccharide Glucose und Fructose aufgespalten.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß im Melasse ent-' haltendem Fermentationsmedium immer eine gewisse Menge an Glucose vorliegt und daß die Konzentration an Glucose den physiologischen Zustand der Zellen, ihre Stoffwechselaktivität und damit ihr Wachstum und die Qualitätseigenschaften

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des entstehenden !Produktes wesentlich bestimmt. Somit läßt sich durch Beeinflussung der Glucose-Aufnahmerate durch die Zellen eine Fermentation durchführen, welche zu Backhefen mit definierten Qualitätseigenschaften, besonders hinsichtlich Triebkraft und Lagerstabilität führt.

Als weiteres Ergebnis wurde gefunden, daß die Konzentration an Glucose den Gärungstyp von Backhefe'wesentlich."beeinflußt. Bekanntlich kann eine Bildung von Alkohol sowohl durch Hemmung des aeroben Wachstums in Abwesenheit von Sauerstoff (Pasteur-Effekt), als auch bei Gegenwart von Sauerstoff bei Substratüberschuß durch den Mechanismus der Katabolit-Repression stattfinden. Es hat sich gezeigt, daß ein Hefewachstum, verbunden mit einer Gärung durch Katabolit-Repression,zu einer Verminderung oder zum Verlust der Triebkraft der Hefe führt. Somit bestimmt überraschenderweise die Konzentration der Glucose während des Wachstums von Hefe zellen ihre Triebkraft. Als weiterer überraschender Effekt ergab sich, daß sich durch Aufrechterhaltung einer bestimmten Glucosekonzentration der Einfluß von Qualitätsschwankungen der für den Backhefeprozeß verwendeten Melassen auf die Backhefequalität wesentlich verringert.

Die Aufrechterhaltung einer bestimmten Glucosekonzentration erfolgt in einem Fermentationsmedium mit definierter Temperatur und pH-Wert durch Regelung der Melassezufuhr derart, daß dieser Wert konstant bleibt. Möglich ist auch eine Kombination von getrennter Melasse- und Frischwasserzufuhr bei konstanter Permentor füllmasse mit Ablaufregelung oder eine Regelung der Sauerstoff-Übergangsrate bei zeitlich invarianter Melasse zufuhr. Dazu wird die aktuelle Glucosekonzentration mit einer geeigneten Meßvorrichtung, die als Detektor z.B. eine glucosesensitive En zündelektrode enthält, kontinuierlich oder in kurzen Zeitabständen diskontinuierlich gemessen. Bei Unterschreitung eines gegebenen Sollwertes werden über eine Dosierpumpe solange Melasse und Nährstoffe in den Permentor dosiert, bis die entstehende Glucose wieder den eingestellten Sollwert erreicht hat. Bei Anstieg der Glucosekonzentration erfolgt eine Drosselung der Dosierpumpe.

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Anstelle des Me la see Zulaufes läßt sich die Glucosekoff!ze titration auch mit der SauerstoffÜbergangsgeschwindigkeit in das Fermentationsmedium bei in der Zeit konstantem Melassezulauf beeinflussen

. 5 Somit läßt sich durch Aufrechterhalten einer bestimmten Glucosekonzentration ein Zulaufverfahren installieren, bei dem durch Einstellung eines bestimmten physiologischen Zustandes der Zellen vorgegebene Qualitätsmerkmale erreicht werden. Man kann aber auch ein kontinuierliches Verfahren betreiben, wenn man die Maßnahme zur Aufrechterhaltung der Glucosekonzentration mit einer kontinuierlich arbeitenden Biomassevorrichtung kombiniert und über gesonderte Regelungen die Biomassekonzentration und die Permentorfüllmasse konstant hält oder einen Chemostatenprozeß mit Regelung der Sauerstoffübergangsgeschv/indigkeit betreibt.

Ausführun gsbe i spieIe Beispiel 1

In einem mit Rührung versehenen Fermentor werden 10 1 destilliertes Wasser mit einem pH-Wert von 4.5 sowie 150 ml einer sterilisierten Nährlösung mit.einem Gehalt von 400 g/l heißgeklärter Rübenzuckermelasse, 12 g/l Ammoniumsulfat, 3*5 g/l Diammoniumhydrogenphosphat und 6 g/l Hefeextrakt vorgelegt. Bei einer Temperatur von 30⁰G wird mit 40 g einer Haßhefe Saccharomyces cerevisiae 7666 (27 % Trockengehalt) angeimpft und unter Rührung soviel Luft zugeführt, daß der Gelöstsauerstoff im Fermentationsmedium im Verlauf von 4 h auf einen Wert von 0.2 ppm abfällt. Das einsetzende Biomassewachstum ist an einer Abnahme der Glucosekonzentration im Fermentationsmedium erkennbar. Die Bestimmung der Glucosekonzentration erfolgt diskontinuierlich in einem Rhythmus von vier Minuten mit einem Prozeßgerät, das als Detektor eine Enzymelektrode enthält. Wenn die Glucosekonzentration einen Wert von 0.28 g/l unterschreitet, wird eine Dosierpumpe angesteuert, welche solange Nährlösung der oben angegebenen Zusammensetzung in den Fermentor dosiert, bis die angegebene Konzentration wieder erreicht ist.

Mit zunehmender Biomassekonzentration steigen die Dosiermengen in den Fermentor an, um eine Aufrechterhaltung der angegebenen Glucosekonzentration zu gewährleisten· Der Prozeß wird abgebrochen, sobald 10 1 Fährlösung zudosiert sind. Die geerntete Hefemenge nach 20 h Fermentationszeit betrug 3353 g Naßhefe. Nach dem Fermentometertest (TGL 25111/O3)er-. gab sich eine Triebkraft von 81 ml COp/110 min.

Beispiel 2

In einem Permentor gemäß Beispiel 1, jedoch mit einer Fermentorfüllmasseregelung ausgerüstet, werden 10 1 destilliertes Wasser und 450 ml einer melassehaltigen sterilisierten Nährlösung gemäß Beispiel 1 mit einem pH-Wert von 4·5 vorgelegt* Bei einer Temperatur von 30⁰C wird mit 740 g Naßhefe (27 % Trockengehalt) angeimpft und unter Rühren soviel Luft zugeführt, daß der Gelöstsauerstoff innerhalb von 1 h auf eine Konzentration von 0.1 bis 0.2 ppm abfällt. Das einsetzende Biomassewachstum ist an einer Abnahme der Glucosekonzentration und einem Anstieg der Biomassekonzentration erkennbar. Die Glucosekonzentration wird mit einem Gerät gemäß Beispiel 1, die Biomassekonzentration in Abständen von 2 min automatisch mit einein Streulichtphotometer gemessen. Die Substratregelung erfolgt gemäß Beispiel 1 bei einer Konzentration von 0.2 g/l Glucose im Fermentationsmedium. Wenn die Biomassekonzentration einen Wert von 20 g/l Hefe trockensubstanζ überschritten hat, wird eine Pumpe angesteuert, die solange Frischwasser in den Fermentor dosiert, bis der Sollwert der Biomassekonzentration wieder erreicht ist. Über ein mit einer Bodendruckmessung im Fermentor gekoppeltes Ablaufventil wird die Fermentorfüllmasse konstant auf 12 kg gehalten.

Dieser kontinuierliche Prozeß wird über einen Zeitraum von 180 h aufrechterhalten. Dabei gewinnt man 2560 kg Hefe (bezogen auf 27 % Trockenmasse). Nach dem Fermentometertest ergibt sich eine mittlere Triebkraft von 76 ml COg/HO min.

Beispiel 3

In einem Permentor gemäß Beispiel 2 v/erden 10 1 destilliertes Wasser und 150 ml einer melassehaltigen sterilisierten nährlösung gemäß Beispiel 1 und 2 mit einem pH-Wert von 4-0 vorgelegt. Bei einer Temperatur von 3O⁰C und einer Anfangs-Rührerdrehzahl von 900 U/min sowie einem Luftstrom in den Fermentor von 650 l/h. werden 740 g Hefe hinzugefügt. Das einsetzende Biomassewachstum ist an einer Abnahme der Konzentration der Glu-cose ersichtlich.

Sobald diese Konzentration auf einen Wert von 0.25 g/l gesunken ist, wird eine vorher sterilisierte Nährlösung mit einer Zulaufrate von 1.6 l/h in den Permentor dosiert und eine durch die Glucosekonaentration geregelte Drehzahlregelung des Rührers in Betrieb genommen.

Die Nährlösung besitzt jfolgende Zusammensetzung:

120 g/l Rübenzuckermelasse, 7 g/l (ML)₂SO₄, 2.1 g/l (FH₄ ^HPO₄, 3.5 g/l Hefeextrakt.

Die Drehzahl erhöht sich, bei Absinken der Glucosekonzentration unter den eingestellten Sollwert und verringert sich bei Anstieg über den Sollwert, !ach Erreichen eines Wertes von 16 kg für die Permentorfüllmasse wird eine Ablaufregelung in Betrieb genommen, welche diesen Wert konstant hält, so daß ein kontinuierlicher Fermentationsprozeß aufrechterhalten werden kann. .

Nach 165 h Fermentationszeit ergibt sich eine mittlere Produktivität von 3·25 g Hefetrockensubstanz pro kg Fermentorinhalt pro h. Ss errechnet sich ein Ausbeutekoeffizient von 0.47 g Hefetrockensubstanz/g reduzierende Substanz. Die gewonnene Hefe besitzt eine mittlere Triebkraft von 68 ml COp/110 min.

Claims (2)

1. Erfindungsanspruch

   1· Verfahren zur Herstellung von Backhefe, gekennzeichnet dadurch, daß die Glucosekonzentration im !Fermentationsmedium gemessen und in einem Bereich von 0,05 bis 5,0 g/l, vorzugsweise 0,1 bis 0,3 g/l gehalten wird.
2. 2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Glucosekonzentration durch Zuführung von Melasse oder Melasse und Wasser oder Luft ins Fermentationsmedium geregelt wird·