DD266590A1 - Verfahren zur gewinnung von milchsaeure - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur mikrobiellen Gewinnung von Milchsaeure, bei dem Kartoffelhydrolysat als Substrat eingesetzt wird. Die Erfindung kann angewandt werden auf diskontinuierliche, semikontinuierliche oder kontinuierliche Gaerprozesse mit freien und/oder immobilisierten Zellen. Durch den Einsatz von Kartoffeln mit einem optimalen Staerke/Wuchsstoff-Verhaeltnis wird ein Hydrolysat erzeugt, das neben einer fuer die Milchsaeurebildung optimalen Glucosekonzentration auch die fuer die Aufrechterhaltung der Lebensfaehigkeit der Milchsaeurebakterien erforderlichen Mengen an Wuchsstoffen enthaelt, so dass entsprechende Zusaetze zum Kulturmedium nicht mehr notwendig sind. Als Ergebnis der Anwendung dieser Erfindung erreicht man eine deutliche Verkuerzung der Gaerzeit, eine signifikante Verringerung der Bildung von unerwuenschten Nebenprodukten und eine Wiederverwendbarkeit der eingesetzten Milchsaeurebakterienpopulation insbesondere bei Verfahren mit immobilisierten Zellen.

Description

Anwendungsgebiet dor Erfindung

Dio Frfindung betrifft oin Vorfahren zur Gewinnung von Milchsäure mit Hilfe von Milchsäurebaktorien, wobei Kartoffelhydrolysate als Substrat eingesetzt worden. Die Erfindung kann angewandt word3n auf diskontinuierliche, semikontinuiorlicho odor kontinuierliche) Gaiprozosso mit froion und/oder immobilisierton Bakterienzellen.

Charakteristik des bekannten Standes dor Technik

Technische Variationen der mikrobiellon Milchsäureproduktion aus Zuckersubstraten odor aus hydrolysiorter reiner Stärke sind seit langer Zeit bekannt. Dabei worden hauptsächlich Bakterien der Gattungen Lactobacillus und/oder Streptococcus eingesetzt. Diese Mikroorganismen sind nicht wuchssteffautotroph, d. h„ sie benötigen für ihr Wachstum und die Aufrechterhultung ihrer Lebensfunktionen eino Reihe von organischen Stoffen, wie z, B, Biotin, Thiamin, Nicotinsäure, Pyridoxin, Pantothensäure und verschiedene Aminosäuren. Sie solbst sind nicht in der Lage, diese Substanzen zu synthetisieren, so daß dioso bei solchen Gärprozosson neben der Kohlonstoffquello und den erforderlichen Nährsalzen zusätzlich In das Gärmedium eingebracht werden müssen.

In der Praxis verwendet man doshalb komplexe Nährmedien. Sc benutzt man beispielsweise 'u^ir 'Xultiviei ung von Lactobacillus-Stämmen im Labormaßstab dos von de Man, Ragoso und Sharp (J. Appl. uacteriol., 23 (1960), 13ο.¹ entwickelte Komplexmedium (MRS-Medium), das folgende Bestandteile enthält: Popton, Fleischextrakt, Hefeextrakt, Tweon 80, Natriumacotat, Triammoniumcitrat, Magnesiumsulfat, Mannansulfat und Dikaliumhydrogenphosphat.

Für die industrielle Herstollung von Milchsäure eignet sich dieses Medium jedoch nicht, do deren komplexe Hauptbestandteile zu touer sind und gewöhnlich nicht in den dafür bonotigten Mengen in einer stets gleichen Qualität zur Vorfügung stehen. Technischen Substrato setzt man deshalb zur Komplettierung ihrer Zusammensetzung Zuckerrübenmelasse oder Maisquellwassor (DE-OS 1642738) bzw. Bierhefe (DE-OS 31260211 zuoder man nutzt den Wuchsstoffgehalt von prozoßtechnisch netwendigen Zusätzen (z. B. von Darrmalz als Enzymträger für die Hydrolyse von reiner Kartoffelstärke). All diese genannten Möglichkeiten bedouten zusätzliche Koston und führen trotzdem oft zu unausgewogenen Relationen zwischen Substratkonzontration, Wuchstoffangebot und bakterieller Zellkonzontration. Letzteros hat zwangsläufig eine stark verringerte Zellvitalität, übei mäßig lange Gärzeiten und oine unvollständige Substratverwertung zur Folge. Die in ihren Lebensfunktionen geschwächton Michsäurebakterion sind außerdem sehr empfindlich gegenüber Kontamination durch Fremdmikroorganismen, so daß auch durch unerwünschte Nebenproduktbildung (Essigsäure, Buttersäure) hedingto Qualitätsminderungen der produzierten Rohmilchsäure nicht selten sind.

Ziel der Erfindung

Das Ziol clor Er'indung ist es, ein komplexes \<il·. medium für das Wachstum milchsäurebeiobendor Bakterien, ein Verfahren zur bakteriellen Milchsäuroproduktion auf dor Bpais oinos kostonfertigen komplexen Nährmodiums zu entwickeln, welches eine Verkürzung der Gärzeit, oinon Langzeiteinsotz immobilisierter Bakterienzellen ermöglicht und zu einer Rohmilchsäure mit geringem Nebenproduktanteil führt.

Wesen der Erfindung

Oer Erfindunp liegt dio Aufgabe zugrunde, oin komploxos Nährmediun zur Verfügung zu stellen, welches neben dem vergärbaren Zucker alle erforderlichen Nähr- und Wuchsstoffe in einem solchen Verhältnis enthält, daß unausgewogene Relationen zwischen Substratkonzontration, Wuohsstoffangebot und bakterieller Zellkonzentration vermieden werden. Erfindungsgomäß wird dieses Ziol dadurch erreicht, daß man Kartoffeln mit einem günstigen Stärke/Wuchsstoff-Verhältnis zerkleinert, das daboi entstehende Gemisch einer Hydrolyse unterzieht und das Hydrolysat bei der Milchsäurefermontation als Substrat einsetzt,

Es wurde gefunden, daß bei Verwendung von Kartoffeln mit einem Stärkegehalt von etwa 10% sowohl eine für die Milchsäuregärung optimale Glucosekonzentration von ca. 100g/l als auch eine ausreichende Menge an Wuchsstoffen im Hydrolysat vorliegen. Dn wesentliche höhere Stärkegohalte keinesfalls auch größere Wuchsstoffanteile in den Kartoffeln bodeuten, sind in diesem Zusammenhang stärkereichero Kartoffeln weniger gut geeignet, denn mit der notwendigen Verdünnung der Hydrolysate auf die optimale Zuckerkonzentration ist zwangsläufig auch oine signifikante Verarmung der

Lösungen (in Wuchsstoffen verbunden. Die Hydrolyse kann enzymatisch durch den tinsatz von Glucoamytasen und/oder artverwandten Enzymon und/oder untor der Einwirkung von Mineralsäure» nach bekannten Verfahren erfolgen, wobei dies in einer solchen Weise geschieht, daß slots auch eine Komplettierung dos Hydrolysates in bezug auf die wesentlichen Narusalzkompononton (NHJ, POi") gewährleistet ist.

Dns so gewonnene Kartoffelhydrolysat kann ontwedei direkt in der Fermentation eingesetzt oder vorher von den in Ihm onthnltenon festen Rückständen mit KiIiO üblicher Mo.hodon (Filtrat' ~, Separation etc) befreit werden. Während letztere als Futtermittelzusatz vorwondet werden lönnon, dient die kl a ro Lösung dann als Na'hrsubstrat für die Mllchsäurebaktorlen, die als froio oder als immobilisierte Zellen in diskontinuierlicher, semikontinuierlicher oder kontinuierlicher Betriebsweise kultiviert worden können.

Um ein lager- und transportfähiges Substrnl zu gewährleisten, kann das filtrierte klare Hydrolysat durch schonende thermisch» Behandlung (z. B. im Vakuum) auf Glucosekonzontration von ca. 50% eingedampft worden.

Ausführungsbelsplole

Das Wosen der Erfindung wird durch die nachfolgenden Ausführungs- und Verglelchsboispiole verdeutlicht:

Ausführungsuelspidl 1

1 kg Kartoffeln mit einem Stärkegohalt von 10,!5% wurden mechanisch zerkleinert, mit Leitungswasser auf ein Volumen von 11 aufgefüllt und anschließend mit Alpha-Am\' ise und Glucoamylase nach bekannten Methoden verzuckert. Auo dem Hydrolysat wurdo nach dom Abfiltrioron dor Feststoffauoile eine klare Maische mit einem Glücosogehalt von 110g/l erhalten.

Ein Gäransatz für dio diskontinuiorlicho Milchsäuroproduktion enthielt 11 der oben charakterisierten Maische, 75g Kreide und 50ml Anzuchtmedium mit einer Zellkonzonti ation von 2 · 10⁹ Zollen/ml. Als Gärmikroorganismus kam ein Stamm Lactobacillus spec, zum Einsatz. Die Fermentation erfolgte bei einer Temperatur von 50 'C in einem Laborrührfermentor. Nach 4 Tagen war din Milchsäurebilduno beondet. Dio Milchsäuro-b'ndkonzontration lag bei 97,5g/l und die Vitalität der Bakterienkultur betrug noch 25%. Als Nebonprodukt wurde lediglich 0,5g/l Essigsäure gefunden.

Vorgleichsbelsplol 1

Zum Vergleich wurde reine Kartoffelstärke mit Darrmalz verzuckert und das dabei entstandene Hydrolysat mit dem gleichen Stamm wie Im Ausführungsbeispiel 1 vergoren.

Für einen Ansatz kamon 127,Gg Kartoffelstärke (Wassergehalt: 20%), 6g Darrmalz und 11 Loitungswasserzum Einsatz. Nbih dor Verzuckerung wurden dem Hydrolysat noch 0,7 g Superphosphat, 1,5g Ammoniumsulfat und 75g Kreide zugefügt. Das Animpfen erfolgte wiederum mit 50 ml Anzuchtmedium, das 2 · 10⁹ Zellen/ml enthielt. Bei der gleichen Gärtemperatur von 50°C war dor Prozeß nach 10 Tagen beendet. Die Milchsäure-Endkonzuntration betrug 92g/l, und der Anteil der lebenden Zollen in der Biomasse lag unter 1 %. Als unerwünschte Nebenprodukte wurden 10g/l Essigsäure und 3,5g/l Buttersäure nachgewiesen,

Ausführungsbolspiel 2

In einom temperierten Rührroaktor wurden 5" g Poktinatgel und 220ml Katoffelhydrolysat mit einem Glucoeeanteil von 115g/l boi einor Tomperatur von 45°C und einerr ."^l.-Wert von 6,0 (pH-Regelung mit 6 η NaOH) fermentiert. Das eingesetzte Poktinatgel enthielt aktive Zellen eines Stammos Streptococcus spec, in einer Menge, die insgesamt einer Bakterientrockenmasse von 0,7g entsprach. Der Gelantoi. im Arbeitsvolumon dos Formontors betrug 19% und die Startkonzentration der Glukose im Kulturmedium Ing bei 96g/l.

Nach einer Gärzeit von 50 Stunden war dio Milchsäurebildung beendet. Es wurdo eino Milchsäurekonzentration von 81 g/l erreicht. Nach dem Abtrennon eier flüssigen Phase wurde mit neuem Kartoffelhydrolysat ein weltaror diskontinuierlicher Versuch durchgeführt und diesor Prozeß insgesamt 15mal wiederholt.

Ausführungsboispiel 3

Zur Komplettierung der Nährsalzversorgung der Bakterien wurde die enzymatische Verzuckerung modifiziert. So wurde der pH-Wort der Maische nach dor Verkleisterung der Stärke in Gegenwart von Alpha-Amylase mit konz. Phosphorsäur auf einen Wert von 4,5 eingestellt. Dio Neueinsteilung des pH-Wertes auf den Endwert 6,0 erfolgte nach vollendeter Verzuckerung mit Ammoniaklösung.

Claims (3)

1. Verfahren zur mikrobiellen Gewinnung von Milchsäuren, gekennzeichnet dadurch, daß man als Substrat Kartoffelhydrolysat einsetzt, das durch enzymatischo und/oder saure Hydrolyse aus Kartoffeln mit einem Stärkegehalt von 8-13%, vorzugsweise von 9-11 %, gewonnen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Substrat ein Konzentrat dos Kartoffelhydrolysates eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Komplettierung des eingesetzten Kartoffelhydrolysates mit anorganischen Nahrsalzen im Rahmen dor Grundoperation des Hydrolyseprozesses erfolgt.