DD266590A1

DD266590A1 - METHOD FOR OBTAINING MILK ACID

Info

Publication number: DD266590A1
Application number: DD31096187A
Authority: DD
Inventors: Klaus Richter; Ulrich Becker; Ralf Berger; Ingrid Ruehlemann; Wolfgang Hohaus; Eberhard Mendow; Bernd Kupfer
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1987-12-22
Filing date: 1987-12-22
Publication date: 1989-04-05

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.The invention relates to a process for the microbial recovery of lactic acid, in which potato hydrolyzate is used as substrate. The invention can be applied to discontinuous, semi-continuous or continuous Gaerprozesse with free and / or immobilized cells. Through the use of potatoes with an optimal strength / growth ratio, a hydrolyzate is produced which, in addition to a glucose concentration which is optimal for lactic acid formation, also contains the quantities of growth substances necessary for maintaining the viability of the lactic acid bacteria, so that corresponding additions to the culture medium are no longer necessary are. As a result of the use of this invention, one achieves a significant shortening of the fermentation time, a significant reduction in the formation of undesirable by-products and a reusability of the lactic acid bacteria population used, in particular in immobilized cell processes.

Description

Anwendungsgebiet dor ErfindungField of application of the invention

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.Dio Frfindung relates to an ancestor for the production of lactic acid with the aid of lactic acid bac- rorie, in which potato hydrolysates have been used as substrate. The invention can be applied to discontinuous, semi-continuous, or continuous) gaitrozosso with froion and / or immobilizedon bacterial cells.

Charakteristik des bekannten Standes dor TechnikCharacteristic of the known state of the art

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.Technical variations of microbial lactic acid production from sugar substrates or from hydrolysed pure starch have been known for a long time. Mainly bacteria of the genera Lactobacillus and / or Streptococcus were used. These microorganisms are not stature-autotrophic, d. For their growth and maintenance of their vital functions, they require a number of organic substances, such as, for example, B, biotin, thiamine, nicotinic acid, pyridoxine, pantothenic acid and various amino acids. They alone are not able to synthesize these substances, so that dioso in addition to the Kohlonstoffquello and the necessary nutrient salts must be additionally introduced into the fermentation medium in such fermentation.

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.In practice, one uses very complex nutrient media. Sc 'u ^ir' Xultiviei clothes to use for example of Lactobacillus strains on a laboratory scale dos of de Man, Ragoso and Sharp (J. Appl. Uacteriol., 23 (1960), 13ο. ¹ developed complex medium (MRS medium), the following Ingredients Contains: pop tone, meat extract, yeast extract, Tweon 80, sodium acotate, triammonium citrate, magnesium sulfate, mannan sulfate and dipotassium hydrogen phosphate.

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.For the industrial production of lactic acid, however, this medium is not suitable, the complex main components of which are too great and usually are not available in the quantities required for them in a consistently high quality. It is therefore necessary to complete the composition of sugar beet molasses or corn steep liquor (DE-OS 1642738) or brewer's yeast (DE-OS 31260211) or use the growth substance content of additions which are necessary for the process (eg of darmalt as enzyme carrier for the hydrolysis of pure potato starch All of these options require additional cost and often lead to unbalanced relationships between substrate concentration, proliferation and bacterial cell filtration, which inevitably results in greatly reduced cell viability, moderately long fermentation times, and incomplete substrate utilization also very sensitive to contamination by foreign microorganisms, so that also by unwanted by-product formation (acetic acid, butyric acid) hedingto quality reductions of the produced raw milk acid not seldom sin d.

Ziel der ErfindungObject of the invention

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.The Ziol clor Er'indung is a complex \ <il ·. medium for the growth of lactic acid-producing bacteria to develop a process for bacterial lactone acid production on the Bpais oinos cost complex complex, which allows a reduction in the fermentation time, oinon long-term use of immobilized bacterial cells and leads to a raw lactic acid with a low by-product content.

Wesen der ErfindungEssence of the invention

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,The invention is based on the object of providing a nutrient medium which, in addition to the fermentable sugar, contains all the necessary nutrients and growth substances in such a ratio that unbalanced relations between substrate concentration, nutrient availability and bacterial cell concentration are avoided. According to the invention, this ziol is obtained by comminuting potatoes having a favorable starch / growth ratio, subjecting the resultant mixture to hydrolysis and using the hydrolyzate in the lactic acid fermentation as a substrate,

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 derIt has been found that when using potatoes with a starch content of about 10%, both an optimal for the lactic acid glucose concentration of about 100g / l and a sufficient amount of growth factors in the hydrolyzate are present. The substantial higher starch levels by no means also inhibit larger growth factors in the potatoes are less suitable in this connection for starchy potatoes, because with the necessary dilution of the hydrolysates to the optimum sugar concentration, there is inevitably also a significant depletion of the starch

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.The hydrolysis may be carried out enzymatically by the use of glucoamytases and / or related enzymes and / or by the action of mineral acid according to known methods, in such a way that slots also complete the hydrolyzate is ensured with respect to the essential Narusalzkompononton (NHJ, POi ").

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.The potato hydrolyzate obtained in this way can be used directly in the fermentation on the one hand, or it can be freed beforehand from the solid residues which remain in it with potassium chloride (filtrate, separation, etc). While the latter may be pre-wetted as a feed additive, the claerro solution then serves as a Na'hr substrate for the Mollchsäurebaktorlen that can be cultivated as froio or as immobilized cells in discontinuous, semi-continuous or continuous mode of operation.

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.In order to ensure a storable and transportable substrate, the filtered clear hydrolyzate may have been evaporated by gentle thermal treatment (eg in vacuo) to glucose concentration of about 50%.

AusführungsbelsploleAusführungsbelsplole

Das Wosen der Erfindung wird durch die nachfolgenden Ausführungs- und Verglelchsboispiole verdeutlicht:The Wosen the invention is illustrated by the following execution and Verglelchsboispiole:

Ausführungsuelspidl 1Embodiment 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.1 kg of potatoes with a starch content of 10.5% were mechanically comminuted, filled up with tap water to a volume of 11 and then saccharified with alpha-amines and glucoamylase according to known methods. On top of the hydrolyzate, a clear mash with a glucose content of 110 g / l was obtained after boiling down the filtrate.

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.A gassing set for the dioxontinuous milk dairy production contained 11 of the above-characterized mash, 75 g of chalk and 50 ml of growth medium with a cell composition of 2 x 10 ⁹ cells / ml. As a gut microorganism, a strain Lactobacillus spec was used. The fermentation was carried out at a temperature of 50 ° C. in a laboratory stirred fermentor. After 4 days, the lactic acid image was attached. Dio lactic acid conversion was 97.5 g / l and the vitality of the bacterial culture was still 25%. As Nebonprodukt only 0.5g / l acetic acid was found.

Vorgleichsbelsplol 1Vorgleichsbelsplol 1

Zum Vergleich wurde reine Kartoffelstärke mit Darrmalz verzuckert und das dabei entstandene Hydrolysat mit dem gleichen Stamm wie Im Ausführungsbeispiel 1 vergoren.For comparison, pure potato starch was saccharified with Darrmalz and fermented the resulting hydrolyzate with the same strain as in Example 1.

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,For one batch kamon 127, Gg potato starch (water content: 20%), 6 g of malt and 11 Loitungswasserzum used. After saccharification, 0.7 g of superphosphate, 1.5 g of ammonium sulfate and 75 g of chalk were added to the hydrolyzate. Inoculation was again carried out with 50 ml culture medium containing 2 × 10 ⁹ cells / ml. At the same fermentation temperature of 50 ° C the process was finished after 10 days. The final lactic acid conversion was 92 g / L and the percentage of live counts in the biomass was below 1%. As undesirable by-products, 10 g / l acetic acid and 3.5 g / l butyric acid were detected,

Ausführungsbolspiel 2Execution game 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.In a tempered agitator, 5 "g of poctinate gel and 220 ml of potato hydrolyzate with a glucose content of 115 g / l boi were taken in at a temperature of 45 ° C and in one." ^l . value of 6.0 (pH control with 6 η NaOH) fermented. The poctinate gel used contained active cells of a strain Streptococcus spec, in an amount corresponding to a total bacterial solids of 0.7 g. The gelantoi. in the working volume of the Formontor was 19% and the starting concentration of glucose in the culture medium Ing at 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.After a fermentation time of 50 hours, the formation of lactic acid was terminated. A lactic acid concentration of 81 g / l was achieved. After the separation phase of the liquid phase, a weltaror discontinuous experiment was carried out with new potato hydrolyzate and the process was repeated a total of 15 times.

Ausführungsboispiel 3Exemplary embodiment 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.To complete the nutrient salt supply of the bacteria, the enzymatic saccharification was modified. Thus, the pH of the mash after gelatinization of the starch in the presence of alpha-amylase with conc. Phosphoric acid adjusted to a value of 4.5. Dio readjustment of the pH to the final value of 6.0 was carried out after complete saccharification with ammonia solution.

Claims

1. A process for the microbial production of lactic acids, characterized in that one uses as a substrate potato hydrolyzate, which is obtained by enzymatic and / or acidic hydrolysis of potatoes with a starch content of 8-13%, preferably 9-11%.

2. The method according to claim 1, characterized in that a concentrate dos potato hydrolyzate is used as a substrate.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the completion of the potato hydrolyzate used with inorganic Nahrsalzen in the context dor basic operation of the hydrolysis takes place.