DE10050088A1 - Verfahren zur Herstellung von Hefeextrakten - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von HefeextraktenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hefeextrakten durch Behandlung von Hefesuspensionen oder -pasten und Abtrennung der unlöslichen Bestandteile, wobei man die Hefesuspesionen oder -pasten elektrischen Hochspannungsimpulsen aussetzt.
Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von
Hefeextrakten.
Hefeextrakte sind zusammen mit Fleischextrakt, Sojasaucen,
Fischsaucen und den durch Salzsäure-Hydrolyse hergestellten
Speisewürzen wichtige geschmacksgebende Ingredienzien in der
Lebensmittelindustrie. Sie werden allein verwendet, häufig auch
in Kombination unter Zusatz weiterer geschmacksgebender
und/oder geschmacksverstärkender Komponenten wie z. B.
Speisesalz, Zucker, Natriumglutamat.
Hefeextrakte sind darüber hinaus auch der
aminostickstoffhaltige Reaktionspartner in Reaktionsaromen, die
unter Zusatz einer Zuckerkomponente über die bekannte
Maillardreaktion hergestellt werden.
Auf diese Weise sind Hefeextrakte Bestandteil zahlreicher
Lebensmittel. In analoger Weise werden sie in der Tierernährung
eingesetzt.
Aufgrund des hohen Gehaltes an freien Aminosäuren mit ähnlicher
Zusammensetzung wie im Fleischextrakt wurden Hefeextrakte auch
in der Medizin in der von Abderhalden eingeführten sogenannten
Aminosäuretherapie eingesetzt.
Von besonderer Bedeutung ist die Verwendung von Hefeextrakten
in Lebensmitteln als Geschmacks- und Aroma-gebender
Bestandteil.
Große Bedeutung hat auch der Einsatz von Hefeextrakten für
Nährböden in der Mikrobiologie bzw. der Biotechnologie, wo sie
die von L. Pasteur eingeführte Fleischbouillon als Nährboden
ersetzen.
Bei der Herstellung von Hefeextrakten sind die Zusammensetzung
der Extrakte und die Extraktausbeute von entscheidender
Bedeutung. Dabei sind Hefeextrakte streng genommen gar keine
Extrakte, d. h. allein durch Extraktion gewonnene Produkte.
Aus lebenden Hefezellen, bei denen die Zellwand ohnehin schon
etwa 1/3 des Trockengewichts ausmacht, lässt sich praktisch
nichts extrahieren. Das gelingt grundsätzlich erst nach einer
Abtötung, bei der aber die endogenen Enzymsysteme nicht
inaktiviert werden dürfen. Die in diesem Sinne zur Herstellung
von Hefeextrakten eingesetzten Verfahren sind die Autolyse und
die Plasmolyse. Daneben sind jedoch auch Verfahren bekannt, bei
denen die hefeeigenen Enzyme vollständig inaktiviert werden und
die Extrakte durch zugesetzte Enzyme wie Proteasen und Zellwand
abbauende Glucanasen erhalten werden.
Ein solches Verfahren beschreibt die EP 354 610 A1, wobei durch
Abbau der Hefe zunächst mit proteolytischen Enzymen unter
anaeroben Bedingungen und anschließend mit RNA spaltenden
Enzymen unter oxidierenden Bedingungen insbesondere 5'-
Ribonucleotide erhalten werden.
Die Autolyse kann auf natürliche Weise am Ende der stationären
Wachstumsphase beginnen. Die Autolyse kann gefördert werden
durch physikalische Induktoren wie Änderung der Temperatur,
Änderung des osmotischen Drucks (Plasmolyse), Bestrahlung mit
Röntgenstrahlen und mechanische Zerkleinerung, oder durch
chemische Induktoren (Babayan et al. "Autolysis in Yeasts" Acta
Biotechnol. 5 (1985) 2, 129-136). Sie wird in der Regel jedoch
durch ein mildes Erhitzen auf 45-60°C, bzw. bei der Plasmolyse
durch Zugabe von Kochsalz oder Ca-chlorid eingeleitet. Die auf
diese Weise nicht inaktivierten, zelleigenen Enzyme, vor allem
Proteasen, Nucleasen und Glucanasen bewirken eine Spaltung der
in den Hefen enthaltenen Proteine, Kohlenhydrate und
Nucleinsäuren zu Oligopeptiden, Aminosäuren, Nucleotiden und
Zuckern. Die ohne Abtrennung der Zellwandfragmente erhaltenen
Produkte werden als Autolysate bezeichnet, die nach Abtrennung
erhaltenen als Extrakte.
Zur Erhöhung der Ausbeute werden in der Regel sogenannte
"Autolysepromoter" zugesetzt, wie z. B. Äthylacetat,
Isopropanol, Chitosan oder Detergentien. Auch zugesetzte
Enzyme, insbesondere Proteasen (z. B. Pepsin, Pankreatin)
erhöhen die Ausbeute, ebenso wie ein mechanischer Aufschluss
der Zellen, z. B. durch eine Hochdruck-Homogenisation. Jedes
dieser Verfahren erhöht die Extraktausbeute, verändert jedoch
auch die Zusammensetzung der löslichen Stoffe im Extrakt.
Als Hefen werden überwiegend Bäcker- und Brauhefen eingesetzt.
Grundsätzlich sind jedoch alle Hefen geeignet. Je nach Art der
eingesetzten Hefe und dem angewendeten Herstellverfahren
unterscheiden sich Hefeextrakte im Geschmack und in der Farbe.
Erwünscht ist in der Regel ein milder, Fleischbrühe-artiger
Geschmack und Aroma.
Um dies zu gewährleisten, ist die vollständige Abtrennung auch
der sehr feinen unlöslichen Bestandteile nach der Autolyse
erforderlich, wobei neben Zentrifugen oder Separatoren oft
zusätzlich Filter und Filterhilfsmittel eingesetzt werden
müssen.
Ein speziell auf die Erhöhung der geschmacksverstärkenden
Wirkung ausgerichtetes Verfahren verwendet das Enzym 5'-
Phosphodiesterase zur Spaltung der bei der Autolyse
freigesetzten RNA (US-P 4303680). Von den auf diese Weise
erhaltenen 5'-Nucleotiden besitzen allerdings nur das 5'-
Guanosylmonophosphat (5'-GMP) und das 5'-Inosinmonophosphat
(5'-IMP) eine geschmacksverstärkende Wirkung, nicht dagegen das
5'-Adenosylmonophosphat (5'-AMP). In einer Variante des obigen
Verfahrens wird deshalb eine AMP-Deaminase eingesetzt, so daß
aus dem zunächst erhaltenen 5'-AMP dann 5'-IMP gebildet wird
(Lee et al. Korean Journal of Applied Microbiology and
Bioengineering, 21(3) 276-280, 1993).
Geeignete Hefen sind beispielsweise Saccharomyces species, wie
beispielsweise Saccharomyces cerevisiae strain yUR470094
hinterlegt beim Central Bureau voor Schimmelcultures, Baarn,
Niederlande unter der Nummer CBS 270.89; ferner Kluyveromyces
species, Candida Species, Torula species, Fusarium species,
Zymomonas species und Pychia species, insbesondere
Saccharomyces cerevisiae, Kluyveromyces lactis, Kluyveromyces
fragilis, Kluyveromyces marxianus, Candida utilis.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein weiteres, leicht
einsetzbares, von den bisher bekannten Verfahren völlig
verschiedenes Verfahren zur Verfügung zu stellen, ein
Verfahren, mit dem sich Hefeextrakte ohne die sonst
erforderliche Autolyse oder Plasmolyse herstellen lassen oder
die Ausbeuten bei der Autolyse verbessert werden können,
insbesondere aber Hefeextrakte mit gänzlich anderer
Zusammensetzung und anderem Eigenschaftsprofil zur Verfügung zu
stellen.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß man die
Hefesuspensionen oder -pasten elektrischen
Hochspannungsimpulsen aussetzt.
Die Behandlung mit elektrischen Hochspannungsimpulsen ist
grundsätzlich bekannt.
Die Erzeugung von Elektroimpulsen und die diesbezüglich
erforderliche apparative Ausrüstung sowie das Grundprinzip der
Elektroporation mit der daraus resultierenden
Membranpermeabilisierung beschreiben Barsotti et al. (Food
Review International, 15, 2, 1999 163-180; 181-213).
Unter dem Begriff "Elektrotransformation" oder
"Elektroporation" wird dieses Verfahren in der Gentechnologie
benutzt, um Plasmide in Mikroorganismen zu transferieren. In
den letzten Jahren wird diese Technologie zunehmend untersucht
im Hinblick auf die Abtötung von Mikroorganismen als
schonendes, nicht thermisches Pasteurisationsverfahren.
So berichten Heinz et al., in Food Biotechnology 13(2) 155-168
(1999) über die Inaktivierung von Bacillus subtilis bei
Raumtemperatur. Bei Wouters et al., Food Biotechnology 11(3)
193-229 (1997) findet sich eine Zusammenfassung über den
Einfluß der einzelnen elektrischen Parameter (Feldstärke,
Pulsbreite, -frequenz, -anzahl) sowie den Einfluß des Mediums
(Zusammensetzung, Leitfähigkeit usw.) auf die Abtötung
verschiedener Mikroorganismen. Ein Überblick über die Wirkung
von Elektroimpulsen auf verschiedene Mikroorganismen u. a. auch
Hefen, findet sich in Barbosa-Canovas et al., ("PEF
Inactivation of Vegetative Cells, Spores, Enzymes in Foods" in
Preservation of Foods with Pulsed Electric Fields, Academic
Press, New York 1999) sowie in "Kinetics of Microbial
Inactivation for Alternative Food Prozessing Technology"
(http:/ /vm.cfsan.fda.gov/~comm/ June 2th, 2000).
Nach Angersbach, Heinz und Knorr "Elektrische Leitfähigkeit als
Maß des Zellaufschlußgrades von zellulären Materialien durch
Verarbeitungsprozesse" (42 (1997) 4 LVT 195-200) eignet sich
die Messung der elektrischen Leitfähigkeit zur Quantifizierung
der Zellschädigung in biologischem Material wie sie bei der Be-
und Verarbeitung von Obst, Gemüse, Fleisch oder Hefesuspension,
z. B. nach mechanischer Beanspruchung (Pressen, Zerkleinern
usw.) Gefrieren, Blanchieren, zunehmender Reife usw. auftritt.
Die Untersuchungen von Geulen (u. a.: "Zellaufschluß durch
elektrische Hochspannungsimpulse" ZFL 45/1994) Nr. 7/8, 24-27)
zeigen, daß durch eine Behandlung mit elektrischen
Hochspannungsimpulsen die Saftausbeute bei Karottenpresssäften
verbessert werden kann.
Bisher resultieren keine Erkenntnisse darüber, ob und inwieweit
die Ergebnisse dieser Untersuchungen praktisch angewendet
werden können, insbesondere bei der Herstellung von
Hefeextrakten.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Hefesuspension mit
Hochspannungsimpulsen behandelt, im folgenden kurz als
Elektroimpuls-Behandlung bezeichnet. Es wurde gefunden, daß die
Hefezellen durch diese Behandlung nicht zerstört werden,
sondern es wird angenommen, daß durch die Hochspannungsimpulse
im wesentlichen die Membranen bis zu einem Energieeintrag
zunächst reversibel permeabilisiert und bei entsprechend hohem
Energieeintrag dann auch irreversibel denaturiert werden.
Der Grad der Permeabilisierung kann über den sogenannten Zp-
Wert bestimmt werden, der aus der Messung der Leitfähigkeit bei
hoher und niedriger Frequenz bestimmt werden kann.
b = Faktor zur Berücksichti
gung der Temperatur
abhängigkeit der
Leitfähigkeit
K = Leitfähigkeit
K0 = Ausgangsprobe
KP = behandelte Probe
HF = Hochfrequenzbereich (3-100 MHz)
NF = Niederfrequenzbereich (1-10 kHz)
K = Leitfähigkeit
K0 = Ausgangsprobe
KP = behandelte Probe
HF = Hochfrequenzbereich (3-100 MHz)
NF = Niederfrequenzbereich (1-10 kHz)
Elektroimpulse, die eine Permeabilisierung der Membranen
bewirken, sind Hochspannungsimpulse im Bereich von KV/cm mit
einer Pulslänge im µsec bis msec-Bereich.
Im allgemeinen trägt man eine spezifische Energie von 5-150 kJ/kg,
vorzugsweise 60-120 kJ/kg ein.
Man arbeitet im allgemeinen bei einer Feldstärke von mindestens
2 kv/cm, vorzugsweise von 6-10 kV/cm.
Zur Anwendung kommen im allgemeinen Pulsbreiten im nsec-msec
Bereich, vorzugsweise 0,1-0,6 msec, bei einer Pulsanzahl von 1-
100 Pulsen, vorzugsweise 10 bis 50 Pulsen.
Die eingesetzte Hefesuspension bzw. Hefepaste besitzt im
allgemeinen einen Trockensubstanzgehalt von 15-40 Gew.-%,
vorzugsweise von 20-30 Gew.-%.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können ohne Anwendung
einer Autolyse oder Plasmolyse Extrakte gewonnen werden, die
sich von bekannten Extrakten durch eine unterschiedliche
Zusammensetzung und unterschiedliche Eigenschaften auszeichnen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch vorzugsweise der
bekannten Autolyse oder Plasmolyse vorgeschaltet werden, oder
gleichzeitig mit ihr eingesetzt werden. Dabei werden sehr gute
Extraktausbeuten erreicht auch ohne Autolysepromotoren,
obgleich Autolysepromotoren wie üblich mitverwendet werden
können. Das Arbeiten ohne Autolysepromotoren besitzt jedoch den
Vorteil, daß eine Entfernung der hierfür verwandten
Lösungsmittel unterbleiben kann und keine Zusätze wie Chitosan
im Extrakt verbleiben.
Enzymzusätze sind nicht erforderlich, können jedoch in
bekannter Weise und mit gleichen Ergebnissen eingesetzt werden.
Die durch die Hochspannungsimpulse eingebrachte Energie geht
nicht verloren, sondern die daraus resultierende
Temperaturerhöhung kann für die anschließende Autolyse genutzt
werden, bzw. der Energieeintrag kann so gesteuert werden, daß
durch die Hochspannungsimpulsbehandlung die Autolysetemperatur
erreicht wird.
Die Autolyse wird im allgemeinen bei einer Temperatur von 30-
75°C, vorzugsweise 40-60°C durchgeführt. Die erhöhte Temperatur
verbessert auch die Filtrierbarkeit des Extraktes.
Das erfindungsgemäß eingesetzte Hochspannungsimpuls-Verfahren
bedeutet keinen zeitaufwendigen und apparativ aufwendigen
zusätzlichen Prozeßschritt, sondern kann ohne wesentliche
Änderung in die bestehenden Prozesse integriert werden.
Die besondere Bedeutung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt
nicht nur in der Ausbeutesteigerung, sondern insbesondere
darin, daß man durch dieses Verfahren die chemische
Zusammensetzung des Extraktes und damit das Geschmacks und das
Eigenschaftsprofil insgesamt verändern kann. Dieser Befund ist
völlig überraschend und wird durch die Veränderung der
Permeabilität der Zellwände allein nicht erklärt. Durch die
Anwendung des Elektroimpuls-Verfahrens können also Hefeextrakte
mit neuartiger Zusammensetzung sowie neuartigem Geschmacks- und
Eigenschaftsprofil erhalten werden.
Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Erfindung und zeigen
die durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen zu erzielenden
Effekte, nämlich
- - daß eine für die Extraktgewinnung ausreichende Ausbeute ohne entsprechende Autolyse nur mit Hilfe der Elektroimpulsbehandlung erzielt werden kann (Beispiel 1)
- - daß in Kombination mit einer Autolyse bereits bei geringen Zp-Werten eine Ausbeutesteigerung erzielt wird (Beispiel 2)
- - daß bei Anwendung der Impulsbehandlung mit anschließender Autolyse 1.) bereits nach kürzeren Zeiten höhere Ausbeuten und 2.) eine insgesamt höhere Ausbeute erzielt wird (Beispiel 4 und 5)
- - daß die direkte Extraktion nach der Elektroimpulsbehandlung Extrakte völlig anderer Zusammensetzung ergibt im Vergleich zu den in üblicher Weise durch Autolyse gewonnenen (Beispiel 3).
- - daß die Extraktionsrückstände nach der Elektroimpulsbehandlung in gewohnter Weise einer Autolyse unterworfen werden können und Extrakte der bekannten Zusammensetzung ergeben (Beispiel 3).
500 ml einer Suspension von Bäckerhefe (Saccharomyces
cerevisiae) in Wasser mit einem TS-Gehalt von 21% wurde einer
Elektroimpuls-Behandlung bei 4 verschiedenen Bedingungen
unterworfen:
Unter diesen Bedingungen wurden Zp-Werte von 0,23, 0,43, 0,60
und 0,74 erreicht.
Die Suspension wurde nach der Behandlung zentrifugiert, der
klare Überstand abgetrennt, der Rückstand 2× mit Wasser
gewaschen, und in den vereinten klaren Lösungen die
Extraktausbeute bestimmt (Trockenschrank-Methode, Quarzsand,
105°C, über Nacht).
Die folgende Tabelle 1 zeigt, daß die Extraktausbeute (Extrakt-
Trockensubstanz bezogen auf eingesetzte Hefe-Trockensubstanz)
mit zunehmenden Zp-Werten ansteigt.
Der Proteingehalt des Extraktes (N × 6,25) betrug 29,4%. Der
Gehalt an freien Aminosäuren 16% und der an 5'-Nucleotiden 13,5 g/kg
(davon 5'-GMP und 5'-IMP 4,7%).
Das Beispiel zeigt, daß die Extraktausbeute durch eine
vorhergehende Behandlung mit Hochspannungsimpulsen auf mehr als
das 7fache gesteigert werden kann.
Eine Suspension von Bäckerhefe wurde in gleicher Weise und
unter den gleichen Bedingungen mit Hochspannungsimpulsen
behandelt, jedoch anschließend einer Autolyse ohne
Autolysepromotoren unterworfen (24 h bei 50°C). Die Abtrennung
des Extraktes und die Ausbeutebestimmung erfolgte wie in
Beispiel 1.
Die folgende Tabelle 2 zeigt einerseits, daß auch hier mit
steigenden Zp-Werten höhere Extraktausbeuten erhalten werden,
vor allem aber daß in Kombination mit der Autolyse bereits bei
niedrigen Zp-Werten eine deutliche Ausbeutesteigerung erzielt
wird.
Der Proteingehalt des Extraktes betrug 60%, der Gehalt an
freien Aminosäuren 31,1%. Der Gehalt an 5'-Nucleotiden 4,9 g/kg.
Suspensionen von Bäckerhefe wurden bei 8,7 KV/cm und 20 Pulsen
bzw. einem Gesamtenergieeintrag von 70,4 kJ/kg einer
Elektroimpulsbehandlung unterworfen und danach halbiert. Ein
Teil wurde einer Autolyse (24 h, 50°C) ohne Zusatz von
Promotoren unterworfen. Der andere Teil wurde zentrifugiert,
der Überstand abgetrennt und der Zentrifugenrückstand durch
Zufügen von Wasser nochmals extrahiert, und der nach erneutem
Zentrifugieren erhaltene Extrakt mit dem Erstextrakt vereint.
Der so extrahierte Rückstand wurde in gleicher Weise wie die
Suspension einer Autolyse unterworfen. Die Extrakte aus der
Autolyse von Suspension und Rückstand wurden wiederum durch
Abzentrifugieren des unlöslichen Restes gewonnen.
Die folgende Tabelle 3 zeigt die erhaltenen Ausbeuten an
Trockensubstanz (TS), Protein-, Asche- und freien
Aminsosäuren:
Die charakteristischen Unterschiede der 3 Extrakte zeigen Tab.
4 und 5.
In dem direkt nach der Elektroimpulsbehandlung gewonnenen
Extrakt dominieren die 3 Aminosäuren Glutaminsäure, Ornithin
und Alanin, insbesondere ist die als Geschmacksverstärker
wirkende Glutaminsäure Hauptbestandteil. Dem gegenüber werden
bei der Autolyse andere Aminosäuren freigesetzt und zwar aus
den unlöslichen Bestandteilen der Hefezelle wie die
Zusammensetzung des aus dem Zentrifugenrückstand erhaltenen
Autolysats zeigt (Tab. 4).
Ebenso unterschiedlich ist die Zusammensetzung der Nucleotide
(Tab. 5).
Während im Extrakt direkt nach der Elektroimpulsbehandlung die
5'-Nucleotide dominieren, darunter das mit Hilfe des Enzyms 5-
AMP-desaminase in das geschmacksverstärkende Nucleotid 5'-IMP
zu überführende 5'-AMP als Hauptbestandteil, werden aus dem
unlöslichen Anteil der Hefe verstärkt 3'-Nucleotide
freigesetzt, die damit in dem in üblicherweise gewonnenen
Autolysat dominieren.
Beispiel 3 zeigt damit in eindrucksvoller Weise, daß durch
Anwendung von Elektroimpulsen Extrakte völlig anderer
Zusammensetzung, insbesondere solche mit hohen Gehalten an
geschmacksverstärkenden Aminosäuren und 5'-Nucleotiden gewonnen
werden.
500 ml einer Suspension von Bäckerhefe (Saccharomyces
cerevisiae) in Wasser mit einem TS-Gehalt von 21% wurden einer
Elektroimpuls-Behandlung unterworfen (E = 8,9 kV/cm, 20 Pulse,
Q = 31,6 kJ/kg, Zp = 0,71) und anschließend einer Autolyse bei
50°C unterworfen.
500 ml einer Suspension von Bäckerhefe (Saccharomyces
cerevisiae) in Wasser mit einem TS-Gehalt von 21% wurde einer
Elektroimpuls-Behandlung unterworfen (E = 6,5 kV/cm, 20 Pulse,
Q = 26,5 kJ/kg, Zp = 0,75), jedoch der pH Wert durch Zugabe von
30%iger Natronlauge konstant gehalten.
Die Beispiele 4 und 5 zeigen, daß erstens nach kürzerer Zeit
und 2.) eine insgesamt höhere Ausbeute durch eine der Autolyse
vorgeschaltete Elektroimpulsbehandlung erzielt wird.
Claims (9)
1. Verfahren zur Herstellung von Hefeextrakten durch Behandlung
von Hefesuspensionen oder - pasten und Abtrennung der
unlöslichen Bestandteile, dadurch gekennzeichnet, daß man die
Hefesuspensionen oder - pasten elektrischen
Hochspannungsimpulsen aussetzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man
eine spezifische Energie von 5-150 kJ/kg, vorzugsweise 60-120 kJ/kg
einträgt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß man bei einer Feldstärke von mindestens 2 kV/cm,
vorzugsweise von 6-10 kV/cm arbeitet.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß man bei einer Pulsbreite von 0,1-0,6 msec
arbeitet.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß man eine Pulsanzahl von 1-100 Pulsen,
vorzugsweise 10-50 Pulsen anwendet.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß man eine Hefesuspension mit einem
Trockensubstanzgehalt von 15-40 Gew.-%, vorzugsweise von 20-30 Gew.-%
einsetzt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß man anschließend an die Behandlung mit
elektrischen Hochspannungsimpulsen die Suspension einer
Autolyse unterwirft.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man
die Autolyse bei einer Temperatur von 30-75°C, vorzugsweise 40-
60°C durchführt.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,
daß man Autolysepromotoren und/oder Enzyme zusetzt.
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