DD287530A5

DD287530A5 - METHOD OF OBTAINING YEAST BIOMASS

Info

Publication number: DD287530A5
Application number: DD33230089A
Authority: DD
Inventors: Eberhard Lippert; Utta Kretzschmar; Dieter Haferburg
Original assignee: Humboldt-Universitaet Zu Berlin,De; Karl-Marx-Universitaet,De
Priority date: 1989-09-01
Filing date: 1989-09-01
Publication date: 1991-02-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Hefebiomasse. Sie beschreibt ein Verfahren zur Gewinnung von SCP fuer die tierische und menschliche Ernaehrung durch Kultivierung von Hefen auf Mischsubstraten, die neben herkoemmlichen Kohlenstoffquellen mikrobielle Lipide enthalten. Diese Lipide fallen bei der Proteinisolatgewinnung aus Hefen als Nebenprodukt an und ihre Wiederverwendung als Kohlenstoffquelle im Fermentationsprozesz gestattet eine Verbesserung der OEkonomie des Gesamtverfahrens. Mit der Erfindung konnte die Faehigkeit von Hefezellen zur Verwendung von mikrobiellen Lipiden fuer die Synthese von Zellipiden und Nichtlipid-Zellsubstanz sowie fuer die Deckung des Energiebedarfs in einem Mischsubstratsystem mit hohen Lipidverwertungs- und Lipidwirkungsgraden nachgewiesen werden.{Hefebiomasse; mikrobielle Lipide; Proteinisolatgewinnung; SCP; menschliche und tierische Eiweiszernaehrung; Fermentation; Mischsubstrate; Lipidverwertungsgrad}The invention relates to a method for obtaining yeast biomass. It describes a method of obtaining SCP for animal and human nutrition by cultivating yeasts on mixed substrates containing microbial lipids in addition to conventional carbon sources. These lipids are by-produced in the protein isolate recovery from yeasts and their reuse as a carbon source in the fermentation process allows for an improvement in the economy of the overall process. The invention has demonstrated the ability of yeast cells to utilize microbial lipids for the synthesis of cell lipids and non-lipid cell substance as well as to meet the energy demand in a mixed substrate system with high lipid utilization and lipid efficiencies. microbial lipids; Proteinisolatgewinnung; SCP; human and animal protein nutrition; Fermentation; Mixed substrates; Lipid utilization degree}

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von mikrobiellen Biomassen für die tierische und menschliche Ernährung.The invention relates to a method for obtaining microbial biomass for animal and human nutrition.

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

In der Literatur gibt es nur wenige Angaben zur Ausnutzung von Lipiden als Kohlonstoffquelle bei der Biomassegewinnung. Es handelt sich dabei ausschließlich um pflanzliche oder tierische Fette.In the literature, there is little information on the use of lipids as a carbon source in biomass production. These are exclusively vegetable or animal fats.

In DO 105002 wird ein für die menschliche Ernährung oder als Viehfutter geeignetes Eiweißkonzentrat hergestellt, indem Hefen auf tierischen oder pflanzlichen Fetten als Energie- und Kohlenstoffquelle kultiviert werden. Die Fette sollen im Nährmedium, das außerdem noch NH₄- und PO₄-Salze, anorganische Ionen und Hefeextrakt enthält, bei 3CMO⁰C und einer Konzentration von 1-3% emulgierbar sein. Die Fermentation bei pH4,5~5,0,30-40°C, 50-30Om³ Luft/h · Fermentorgrundfläche ergibt Biomassen mit 50% Protein i. TS, 7-9% Lipide i. TS und einer Ausbeute von 0,7-0,8kg Hefetrockensubstanz/kg Fett.In DO 105002, a protein concentrate suitable for human or livestock feed is produced by cultivating yeasts on animal or vegetable fats as an energy and carbon source. The fats should be emulsifiable at 3CMO ⁰ C and a concentration of 1-3% in the nutrient medium, which also contains NH ₄ and PO ₄ salts, inorganic ions and yeast extract. The fermentation at pH 4.5 ~ 5.0, 30-40 ° C, 50-30Om ³ air / h · fermentor base area yields biomasses with 50% protein i. TS, 7-9% lipids i. TS and a yield of 0.7-0.8 kg of yeast dry matter / kg fat.

KOH et al. (Agric. Biol. Chem. 47,1983,1207-1212) kultivieren Torulopsis Candida Y-128 auf einem Nährmedium, das 2% Palmöl als einzige Kohlenetoffquelle enthält, weiterhin NH₄-, PO₄- u.a. Salze und 0,01 % natürliche Nährstoffe wie Hefeextrakt, PeptonKOH et al. (Agric., Biol. Chem. 47, 1883, 1207-1212) cultivate Torulopsis Candida Y-128 on a nutrient medium containing 2% palm oil as sole carbon source, further NH ₄ , PO ₄ , salts, and 0.01% natural Nutrients such as yeast extract, peptone

o. ä. Zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften des Nährmediums wird dieses unter Zugabe nichtionischer oberflächenaktiver Substanzen (Fettsäure-Zucker-Ester) emulgiert. Die Kultur wird im Schüttelbad bei pH 5,5 und 30 durchgeführt. Ausbeuteangaben werden nicht gemacht. Die Mikroorganismen enthalten 45% Protein i. TS und sind für den Einsatz in der menschlichen Ernährung gedacht.o. Ä. To improve the physical properties of the nutrient medium, this is emulsified with the addition of non-ionic surface-active substances (fatty acid-sugar esters). The culture is carried out in a shaking bath at pH 5.5 and 30. Yield data are not made. The microorganisms contain 45% protein i. TS and are intended for use in human nutrition.

KOSTOV et al. (Acta Biotechnol. β 1986,281-285) weisen nach, daß durch eine gemischte Kultur von Candida sp. (assimiliert tierische Fette) und Candida scottii (assimiliert reduzierende Zucker) die simultane Verwertung eines komplexen Nährmediums, bestehend aus Holzhydrolysat und Schweinefett, realisiert werden kann. Die Hefetrockensubstanz-Ausbeute beträgt dabei 70-80% im Vergleich zu 57%, wenn ein Kontrollmedium ohne Fettzusatz verwendet wird. Die Protein- und Lipidgehalte der Biomasse des komplexen Nährmediums sind unverändert gegenüber den Werten unter Verwendung des Kontrollmediums ohne Fett.KOSTOV et al. (Acta Biotechnol., 1986, 281-285-285) show that by a mixed culture of Candida sp. (assimilated animal fats) and Candida scottii (assimilated reducing sugars) the simultaneous utilization of a complex nutrient medium, consisting of wood hydrolyzate and lard, can be realized. The yeast dry matter yield is 70-80% compared to 57% when a control medium without added fat is used. The protein and lipid contents of the biomass of the complex nutrient medium are unchanged from those using the control medium without fat.

Weiterhin wurde die Biokonvertierung von Na- und NH₄-Salzen von Fettsäuren in Hefe-SCP für Nahrungszwecke und als Futtermittel untersucht (MARTINET et al., Biotechnology letters 4,1982,9-12). In einer Schüttelkultur (22-32⁰C, pH 6,5) kann mit Candida iipoiytica auf oinem Medium mit 0,5% der Stearin-Fraktion von Palmöl in Form der NH₄-Seifcn und unter Zusatz von Yeast Nitrogon Base und Ammoniumsulfat eine Trockensubstanzausbeute von max. 1,23 pro g aufgenommenen Substrats erreicht werden. Der Proteingehalt der Hefe liegt bei 56%. Allgemein werden bei den untersuchten Hefen Trockensubstanzausbeuten von 0,75-1,0 pro g Substrat erzielt. Es ist auch möglich, bei pH3,5 zu arbeiten und damit die Notwendigkeit der Sterilisation zu umgehen.Furthermore, the bioconversion of Na and NH ₄ salts of fatty acids in yeast SCP for food and as feed was investigated (MARTINET et al., Biotechnology letters 4,1982,9-12). In a shake culture (22-32 ⁰ C, pH 6.5) can with Candida iipoiytica on oinem medium with 0.5% of the stearic fraction of palm oil in the form of NH ₄ -Seifcn and with the addition of Yeast Nitrogon Base and ammonium sulfate one Dry substance yield of max. 1.23 per g of substrate received can be achieved. The protein content of the yeast is 56%. Generally, in the yeasts tested, dry matter yields of 0.75-1.0 per gram of substrate are achieved. It is also possible to work at pH3.5 to avoid the need for sterilization.

Für die Ausnutzung mikrobieller Lipide als Kohlenstoff- und Energiequelle in Fermentationsprozessen gibt es keine Beispiele.There are no examples of the use of microbial lipids as carbon and energy source in fermentation processes.

Lediglich ihre Anwendung als Fermentationshilfsmittel wird beschrieben. In DD 212978 werden mit lipophilen Lösungsmitteln aus Mikroorganismen extrahierte öllösliche Produkte (= Gemische aus Triglyceriden, Phosphatiden, Fettsäuren, Fettsäureestern) in Mineralsäuren eingebracht und dienen dann als Schauminhibitor bei Prozessen der technischen Mikrobiologie und Wasserwirtschaft.Only their use as fermentation aids is described. In DD 212978 oil-soluble products (= mixtures of triglycerides, phosphatides, fatty acids, fatty acid esters) extracted with lipophilic solvents from microorganisms are introduced into mineral acids and then serve as a foam inhibitor in processes of industrial microbiology and water management.

DD 151575 beschreibt die Anwendung eines bei der extraktiven Reinigung von auf flüssigen Kohlenwasserstoffen kultivierten Mikroorganismen anfallenden Biolipidextraktes (10-45% Phosphatide) als Fermentations- und Trennhilfsmittel bei der Kohlenwasserstoff-Utilisation durch Hefen bzw. Bakterien. Die Autoren geben an, daß die zugesetzten Phosphatide bzw.DD 151575 describes the use of a obtained in the extractive purification of microorganisms cultured on liquid hydrocarbons Biolipidextraktes (10-45% phosphatides) as a fermentation and separation aids in the hydrocarbon utilization by yeasts or bacteria. The authors state that the added phosphatides or

Biolipidextrakte im Fermentationsprozeß nicht verbraucht werden.Biolipid extracts are not consumed in the fermentation process.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Die Erfindung verfolgt das Ziel, die bei der Proteinextraktion aus Hefen anfallenden Hefelipide als Kohlenstoff- und Energiequelle bei der mikrobiellen Zellsubstanzsynthese einzusetzen und damit eine Verbesserung der Ökonomie der SCP-Erzeugung zu erreichen.The aim of the invention is to use the yeast lipids obtained in the protein extraction from yeasts as carbon and energy source in the microbial cell substance synthesis and thus to achieve an improvement in the economics of SCP production.

-2- 287 530 Darlegung des Wesens der Erfindung-2- 287 530 Explanation of the nature of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bsi der Gewinnung mikrobieller Proteinisolate oder -konzentrate anfallenden Lipide als Rohstoffquelle für die SCP-Produktion nutzbar zu machen.The object of the invention is to make it possible to utilize the lipids arising from the recovery of microbial protein isolates or concentrates as a source of raw material for SCP production.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß Candida- oder Saccharomyces-Hefen in einem Nährmedium, welches neben Ethanol bzw. Glucose mikrobielle Lipide im Mischsubstratsystem enthält und ergänzt wird mit Ammoniumsulfat als Stickstoffquelle, Phosphorsäure als Phosphorquolle, Biotin und Nährsalzen, bei etwa 32⁰C, pH4,6-4,8 kultiviert werden. Die Fermentation erfolgt entweder nach dem Prinzip einer fed-batch-Kultivierung durch stündliche Zugabe der Nährlösung entsprechend einem Hefezuwachsfaktor von H - 1,2 über eine Zeit von 8 h, oder es erfolgt die Fermentation nach dem Prinzip der kontinuierlichen Kultivierung mit D-Werten im Bereich von 0,15-0,3Oh"'. Die Lipide wirken dabei gleichzeitig als Entschäumer. Die mikrowellen Lipide sind Hefelipide. Bei der chemischen Extraktion der Proteine aus Mikroorganismen fallen Zellreste an, in denen die Lipide auf einen Gehalt von 15-20% i. TS aufkonzentriert sind. Sie lassen sich leicht mit Lipid-lösungsmitteln, aber auch mit Ethanol oder einem Methanol/Chloroform-Gemisch extrahieren. Die Zusammensetzung der nach Lösungsmittelentfernung gewonnenen Lipidextrakte beträgt im Durchschnitt: 45-50% Phosphatide, 10-15% freie Fettsäuren, 12% Triglyceride, 15% Sterole. Die mikrobiellen Lipide können dem Nährmedium in komplexer oder hydrolysierter Form zugesetzt werden.According to the invention, the object is achieved in that Candida or Saccharomyces yeasts in a nutrient medium, which contains in addition to ethanol or glucose microbial lipids in the mixed substrate system and is supplemented with ammonium sulfate as a nitrogen source, phosphoric acid as phosphorus, biotin and nutrient salts, at about 32 ⁰ C. , pH4.6-4.8. The fermentation is carried out either on the principle of a fed-batch cultivation by adding the nutrient solution hourly corresponding to a yeast growth factor of H - 1,2 over a period of 8 h, or the fermentation is carried out according to the principle of continuous cultivation with D values in The lipids act as defoamers at the same time.The microwell lipids are yeast lipids.The chemical extraction of the proteins from microorganisms, cell residues occur in which the lipids to a content of 15-20% They can be extracted easily with lipid solvents, but also with ethanol or a methanol / chloroform mixture The composition of the lipid extracts obtained after solvent removal is on average: 45-50% phosphatides, 10-15% free Fatty acids, 12% triglycerides, 15% sterols The microbial lipids can be added to the nutrient medium in complex or hydrolyzed form.

Im Mischsubstrat wird ein Ethanol- bzw. Glucose-Kohlenstoff/Lipid-Kohlenstoff-Verhältnis von 80:20 bis 40:60 eingestellt. Bei Kohlenstoff-Verhältnissen von 80:20 werden Lipidverw6rtungsgrade von 80-93% und Hefetrockensubstanz-Ausbeuten YjjpMa von 1,00-1,09g/g verwerteter Lipide erzielt. Dagegen liegen die Hefetrockensubstanz-Ausbeuten bei Kohlenstoff-Verhältnissen von 40:60 bei 0,56-0,79. Generell wird ein besserer Wirkungsgrad erreicht, wenn die Lipide komplex vorliegen, der Lipid-Kohlenstoff in geringeren Anteilen vorliegt und die Hefen an das Medium adaptiert wurden.In the mixed substrate, an ethanol or glucose-carbon / lipid-carbon ratio of 80:20 to 40:60 is set. At 80:20 carbon ratios, lipid efficiencies of 80-93% and YjjpMa yeast dry matter yields of 1.00-1.09g / g of recovered lipids are achieved. By contrast, yeast dry matter yields at 40:60 carbon ratios are 0.56-0.79. In general, a better efficiency is achieved when the lipids are complex, the lipid carbon is present in smaller proportions and the yeasts have been adapted to the medium.

Wie Bilanzierungsversuche zeigen, werden die aufgenommenen Lipide nicht nur zur Lipidsynthese in den Zellen, sondern auch zur Synthese von Nichtlipid-Zellsubstanz und/oder zur Deckung des Energiebedarfs verwendet.As balancing experiments show, the ingested lipids are not only used for lipid synthesis in the cells, but also for the synthesis of non-lipid cell substance and / or to cover the energy requirement.

Man erhält Biomassen, die nach entsprechenden Aufarbeitungsschri"«n für die menschliche Ernährung geeignet sind, da sie auf toxikologisch unbedenklichen Substraten kultiviert wurden und sich durch hohen Reinproteingehalt auszeichnen. Außerdem wird durch die Verwertung der bei der Proteinextraktion als Nebenprodukt anfallenden Lipide eine Rohstoffeinsparung bei der SCP-Herstellung erreicht und damit die Ökonomie des Verfahrens verbessert.This yields biomass which, after appropriate processing steps, is suitable for human consumption since it has been cultivated on toxicologically harmless substrates and is characterized by a high purity of protein content Achieved SCP production and thus improves the economics of the process.

Ausführungsbelsplele

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe wird mit den folgenden Beispielen näher erläutert, ohne jedoch auf diese Beispiele beschränkt zu sein.The solution of the problem of the invention will be explained in more detail with the following examples, but without being limited to these examples.

Exercise booklet 1

Candida utilis wird somikontinuierlich in einem 31-Rührfermentor kultiviert. Die Nährlösung wird entsprechend einem Hefezuwachsfaktor von H = 1,2 und damit in definierten Anteilen stündlich zugegeben. Die Ausgangsbiomasse beträgt 10,0g Hefetrockensubstanz. 11 Nährlösung hat folgende Zusammensetzung:Candida utilis is somehow cultured in a 31-stirred fermentor. The nutrient solution is added hourly according to a yeast growth factor of H = 1.2 and thus in defined proportions. The starting biomass is 10.0 g of yeast dry matter. 11 nutrient solution has the following composition:

4,24 g Hefelipide 24,3g Ethanol4.24 g of yeast lipids 24.3 g of ethanol

6,2Ig(NH₄I₂SO₄ 6.2Ig (NH ₄ I ₂ SO ₄

0,52 ml H₃PO₄ 17,88Mg Biotin sowie K₂SO₄, MgSO₄, ZnSO₄, FeSO₄, CuSO₄, MnSO₄ als Nährsalze.0.52 ml H ₃ PO ₄ 17.88 μg biotin and K ₂ SO ₄ , MgSO ₄ , ZnSO ₄ , FeSO ₄ , CuSO ₄ , MnSO ₄ as nutrient salts.

Thus, an ethanol-carbon / lipid-carbon ratio of 80:20 is realized. The pH adjustment to 4.6-4.8 is carried out with KOH or H ₂ SO ₄ . The fermentation temperature is 32 ^° C. The oxygen partial pressure in the fermentation solution is After 8h fermentation period, a yeast with 49% pure protein i. TS to be harvested. Ethanol and lipids were 88% and

93% verwertet. Die Hefetrockensubstanzausbeute Yfipw pro g verwerteter Lipide beträgt 1,01.93% recycled. The yeast dry matter yield Yfipw per g of recovered lipids is 1.01.

This biomass or the proteins obtained therefrom can be prepared after appropriate processing steps

von Nahrungsmitteln eingesetzt werden.used by food.

Implementation Example 2 The process of Biomassezunungung is analogous Ex. 1 with the change that in the nutrient medium

3,76g Häfelipide und 18,7 g Glucose pro I3.76 g of Häfelipide and 18.7 g of glucose per liter

als Kohlenstoffquello enthalten sind, was einem Glucose-Kohlenstoff/Lipid-Kohlenstoff-Verhältnis von 80:20 entspricht. Nach 7 h Fermentationsdauer werden Verwertungsgrade für Glucose bzw. Lipide von 97 % bzw. 80% erreicht. Die Hefe hat einen Reinproteingeha't von 48% i. TS. Die Hefetrockensubstanzausbeute Ytpjd pro g verwerteter Lipide beträgt 1,03.as carbon source, which corresponds to a glucose-carbon / lipid-carbon ratio of 80:20. After 7 h Fermentationsdauer degrees of utilization for glucose or lipids of 97% and 80% are achieved. The yeast has a pure protein content of 48% i. TS. The yeast dry matter yield Ytpjd per g of recovered lipids is 1.03.

Audiobooks 3

Der Prozeß der Biomassekultivierung, geführt entweder mit Candida utilis oder Saccharomyces cerevisiae, erfolgt mit einer Nährlösungszusammensetzung entsprechend Ausführungsbeispiel 1 oder 2 nach dem Prinzip der kontinuierlichen Kultivierung mit Verdünnungsgeschwindigkoiten im Bereich von D = 0,15-0,3Oh"¹. Die Yjj_pi<rWerte liegen zwischen 0,9-1,1.The process of biomass cultivation, performed with either Candida utilis or Saccharomyces cerevisiae, is carried out with a nutrient solution composition according to embodiment 1 or 2 according to the principle of continuous cultivation with Verdünnungsgeschwindigkoiten in the range of D = 0,15-0,3Oh ^'1. The yjj _p i <r values are between 0.9-1.1.

Claims

1. A method for obtaining yeast biomass, characterized in that yeasts are fermented in a nutrient medium, which in addition to the conventional carbon sources still microbial lipids in this mixed substrate system at about 30-4O ⁰ C, pH about 4-5 under aerobic conditions.

2. The method according to claim 1, characterized in that the microwave lipids are yeast lipids.

3. The method according to claim 1-2, characterized in that the microbial lipids are added in complex or hydrolyzed form to the nutrient medium.

4. The method according to claim 1-3, characterized in that the proportion of the lipid carbon in the mixed substrate between 10 and 80% of the total carbon supply is variable.

5. The method according to claim 1-4, characterized in that the carbon sources used in addition to the microbial lipids in the mixed substrate system ethanol and / or glucose.