DE3586346T2 - Mikrobielle herstellung von propionsaeure in mischkultur. - Google Patents

Mikrobielle herstellung von propionsaeure in mischkultur.

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Description

    Technisches Anwendungsgebeit der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Milchsäure oder ihrer Salze und Propionsäure und/oder Essigsäure oder ihrer Salze durch den Abbau von Kohlenhydrat-Einsatzstoffen unter Verwendung eines gleichzeitig ablaufenden zweistufigen bakteriellen Fermentationsprozesses. In einer ersten Stufe werden die Kohlenhydrate zu Milchsäure umgewandelt, beispielsweise durch ein saccharolytisches Bakterium wie, Lactobacillus casei der Unterart rhamnosus. In einer zweiten Stufe wird die entstehende Milchsäure durch ein zweites Bakterium, welches zum Wachsen in der Gegenwart des ersten Bakteriums angepaßt ist, beispielsweise ein Milchsäure abbauendes Bakterium wie, Veillonella criceti, zu Propion- und Essigsäure, Kohlendioxid und Wasserstoff fermentiert.
  • Stand der Technik
  • Propionsäure wird kommerziell als ein Veresterungsmittel für die Herstellung von Cellulosepropionat (einem Thermoplasten) und als ein natürlich vorkommender Fermentations-Metabolit in Käse und anderen Molkereiprodukten verwendet. Salze der freien Säure, beispielsweise Calcium- oder Natriumpropionat, werden als Konservierungsstoffe in Lebensmitteln zur Verhinderung von Pilzwachstum und auch zur Herstellung von Ester-Lösungsmitteln, Fruchtaromen und Parfüm-Grundstoffen verwendet.
  • Traditionelle Herstellungsmethoden mittels bakterieller Fermentation verwendeten Stämme der Gattung Propionibacterium, beispielsweise beschrieben in U.S.-Patentschriften 1.459.959, 1.865.146, 1.875.401, 1.898.329, 1.913.346, 1.932.755 und 3.067.107. In den letzten 30 bis 40 Jahren haben sich chemische Verfahren, wie beispielsweise die Kondensation von Kohlenmonoxid und Ethylen oder Ethanol, als ökonomisch durchführbar erwiesen. Jedoch haben die jüngsten Preissteigerungen für petrochemische Grundstoffe zu einer Überprüfung der biologischen oder landwirtschaftlichen Grundstoffe zur Herstellung vieler Chemikalien einschließlich der Propionsäure geführt.
  • Propionibakterien der Gattung Propionibacterium wurden traditionell zur Herstellung von Propionsäure durch bakterielle Fermentation benutzt. Jedoch führte die Verwendung von Propionibacterium- Arten in Monokulturen oder in Mischkulturen mit Stämmen von Lactobacillus im allgemeinen entweder zu geringeren Ausbeuten an Propionsäure oder zu langen Fermenter-Verweilzeiten oder zu beidem. Diese Einschränkungen dürften auf eine lange Verzögerungsperiode, die dem Wachstum von Propionibacteria vorausgeht, auf die Behinderung des Wachstums von Propionibacteria durch Propionsäure oder, im Falle der Mischkultivierung mit Milchsäure produzierenden Arten von Lactobacillus, auf den bevorzugten Abbau von Kohlenhydraten durch Propionibacterium- Arten bei der Fermentation von Milchsäure zur Propionsäure zurückzuführen sein.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Dementsprechend ist eine hauptsächliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur mikrobiologischen Herstellung in Mischkultur von Propionsäure in hohen Ausbeuten zu schaffen.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, welches hohe Ausbeuten in dramatisch kürzerer Fermenter-Verweilzeit liefert.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein solches Verfahren bereitzustellen, worin das metabolische Produkt Milchsäure eines Mikroorganismus als Nahrungsquelle für die Herstellung von Propionsäure durch einen zweiten Mikroorganismus dient.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein solches Verfahren bereitzustellen, welches einen Hauptteil der Milchsäure aus einer Vielzahl von Nahrungsquellen in Propionsäure umwandelt.
  • Eine besondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue Mischkultur von Mikroorganismen bereitzustellen, welche in solchen Verfahren verwendet werden.
  • Bei der Prüfung der Verfahrensbeschreibung und der beigefügten Patentansprüche werden weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung denen offenbar, die auf dem die Erfindung betreffenden Gebiet fachkundig sind.
  • Beste Ausführungsart der Erfindung
  • Kurz gesagt werden die oben angeführten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung unter dem Gesichtspunkt erreicht, daß ein Verfahren zur Verfügung gestellt wird für die in vitro-Herstellung von Milchsäure durch Fermentation einer Wachstums-Nahrungsquelle, die eine assimilierbare Kohlenhydrat-Quelle enthält, mit einem ersten Mikroorganismus, der in der Lage ist, die Kohlenhydrate unter nährenden Wachstumsbedingungen in Milchsäure umzuwandeln, wobei die Fermentation in der zusätzlichen Gegenwart eines zweiten Mikroorganismus ausgeführt wird, der für das Wachsen in einer Mischkultur mit dem ersten Mikroorganismus angepaßt ist, und der den Hauptteil des Milchsäure-Fermentationsproduktes in eine Verbindung überführt, die aus der Gruppe von Propionsäure, Essigsäure , ihren Salzen und ihren Gemischen besteht.
  • Geeignete Nahrungsquellen für die mikrobielle Herstellung von Milchsäure sind wohlbekannt in der Technik und umfassen die in den vorgenannten U.S.-Patentschriften und in zahlreichen anderen Publikationen beschriebenen Beschickungen, vgl. beispielsweise M. Brin, Biochem. Prepn. 3: 61 (1953); S.C. Prescott et al., Industrial Microbiology (McGraw-Hill, New York, 3. Auflage, 1959) Seiten 304-331; Andersen et al., Ind. Eng. Chem 34: 1522 (1942); und M. Brin et al., Ann. N.Y. Acad. Sci. 119: 851-1165 (1965). Für kommerzielle Anwendungen sind im allgemeinen Nahrungsquellen, wie beispielsweise Molke, Maisstärke, Kartoffeln und Melasse bevorzugt. Die erfindungsgemäß bevorzugten Nahrungsquellen umfassen Vollmolke oder ein abgeschlämmtes Milchmolke-Lactosepermeat, insbesondere wie es beschrieben und beansprucht ist in der PCT Internationalen Veröffentlichungsnummer WO 84/01104, veröffentlicht am 29. März 1984, deren Inhalt durch diesen Verweis hiermit eingefügt wird.
  • Die Auswahl eines Mikroorganismus zur Herstellung von Milchsäure zur erfindungsgemäßen Verwendung hängt natürlich von der besonderen Nahrungsquelle ab, die zu Milchsäure umgewandelt werden soll, wobei viele geeignete Mikroorganismen in der Technik wohlbekannt sind. Da die besonders bevorzugte Nahrungsquelle zur erfindungsgemäßen Verwendung abgeschlämmtes Milchmolken-Lactosepermeat ist, ist Lactobacillus casei der bevorzugte Mikroorganismus für die erste Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesonders bevorzugt ist Lactobacillus casei subs. rhamnosus. Stämme dieser Art sind wohlbekannt und für Fachkundige leicht erhältlich, wie beispielsweise von der American Type Culture Collection (ATCC), 12301 Parklawn Drive, Rockville, Maryland, USA.
  • Die Auswahl eines zweiten Mikroorganismus zur Umwandlung der Milchsäure-Metabolisierungsprodukte des ersten Mikroorganismus in Propionsäure erfordert die Auswahl eines Mikroorganismus mit der Fähigkeit, Milchsäure in Propionsäure oder andere Endprodukte umzuwandeln. Mehrere solcher Bakterien sind wohlbekannt und leicht erhältlich für diese Zwecke, wie beispielsweise beschrieben im GB-PS 1.251.483, in den U.S.-Patenten 3.857.971 und 4.138.498 und von Huber et al. in Am. J. Vet. Res. 37(5): 611-613 (1976). Solche Bakterien sind wohlbekannt und für Fachkundige leicht erhältlich und sind beispielsweise Megasphaera elsdenii, Peptococcus asaccharolyticus, Selenomonas ruminatium oder Veillonella criceti. Besonders geeignet für die erfindungsgemäße Verwendung sind solche Mikroorganismen, die vorzugsweise Milchsäure als Quelle assimilierbarer Kohlenhydrate verwenden. Besonders bevorzugt ist Veillonella criceti, da sie diese vorgenannten Eigenschaften zeigt (mit der Ausnahme von Fruktose ist V. criceti nicht in der Lage Kohlenhydrate direkt zu fermentieren, vermutlich wegen des Fehlens der Hexokinase-Enzyme, und verwendet daher Monocarbonsäuren, wie beispielsweise Milchsäure, als Wachstums-Substrat) und sie keine lange, der schnellen Wachstumsphase in vitro vorausgehende Verzögerungsphase zeigt.
  • Die sequentielle Behandlung von Nahrungsquellen zuerst zur Bildung von Milchsäure und dann zur Bildung von Propionsäure leidet unter einer Reihe von innewohnenden Schwierigkeiten. In der ersten Stufe verlangsamt möglicherweise die Accumulation von Milchsäure die Umwandlung der Nahrungsquellen wegen der Beeinflussung durch Massenausgleichswirkungen und des Absenkens des pH-Wertes. Während letzterer eingestellt werden kann, mit dem Risiko von Kontaminationen, hat hingegen die Entfernung der Milchsäure-Produkte sowohl das Entfernen von sowohl unumgesetzter Nahrungsquellen, als auch der umsetzenden Mikroorganismen zu Folge. In der zweiten Stufe verbleibt eine unerwünschte Lactat-Konzentration, wenn der pH-Wert nicht überwacht wird, und das Zuführen unumgesetzter Nahrungsquellen birgt die Möglichkeit für die Mikroorganismen, einen Metabolisierungsweg zu beschreiten, der zur Bildung unerwünschter Produkte führt.
  • Erfindungsgemäß wurde gefunden, daß obige und andere Schwierigkeiten dadurch überwunden werden können, daß zum Abbau von Kohlenhydraten ein gleichzeitig ablaufender zweistufiger bakterieller Fermentationsprozeß verwendet wird. In der ersten Stufe werden Kohlenhydrate durch das saccharolytische Bakterium L. casei subs. rhamnosus in Milchsäure umgewandelt. In der zweiten Stufe wird die entstehende Milchsäure durch V. criceti zu Propion- und Essigsäure, Kohlendioxid und Wasserstoff fermentiert. Die so gebildeten Propionate (und Lactate) können erhalten werden durch Verwendung eines geeigneten Lösungsmittel- Extraktions-Systems, einen destillativen Isolierungsprozeß, eine kationische Salzbildung mit Ausfällung oder durch Konzentration und Trockung der Fermentations-Kulturlösung (mit oder ohne Entfernung der Bakterien-Zellen).
  • Herstellung der Mischkultur
  • Elternstämme von CLS917 (Lactobacillus casei subspecies rhamnosus) und 1218 (Veillonella criceti) wurden getrennt auf spontane antibiotisch resistente Kolonien, die auf Streptomycin und Rifampicin (im Falle L. casei) oder Rifampicin allein (im Falle von V. criceti) wachsen, ausgewählt. Diese Mutantenstämme von L. casei und V. criceti, welche genetische Markierungen tragen (i.e. Resistenz gegen bestimmte Antibiotika), wurden dann untersucht auf Säure-Produkte aus Metabolisierung in einer Trypton-Nährlösung der folgenden Zusammensetzung (die Werte geben die Endkonzentrationen auf Basis der Gewichtsprozente an): Trypton (1,0%), Hefeextrakt (1,0%), Natriumlactat (2,0%), Cysteinhydrochlorid (0,5%) und Natriumhydrogencarbonat (0,5%). Es wurden die Mutantenstämme (CLS917 und 1218) ausgewählt, welche die größte Säureproduktion zeigten.
  • Die Brutkulturen wurden 24 Stunden lang anaerob bei verschiedenen Temperaturen inkubiert, um das Optimum stabilen Wachstums beider Stämme zu ermitteln. Als optimale Temperatur wurde 38 ºC durch Bestimmung der Anzahl lebender Zellen jedes Stammes ermittelt.
  • Lebende und gesunde Bakterienzellen beider Mutantenstämme wurden zu einer Hackfleisch-Kulturnährlösung gegeben. Die Herstellung der Nährlösung ist beschrieben von Holdeman und Moore, Anaearobe Laboratory Manual, 4. Auflage, Department of Anaerobic Microbiology, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, Virginia, 24061, USA. Reihendurchlauf der Mischkulturen unter Überführung und Subkultivierung in 24-Stunden-Abschnitten innerhalb einer dreitägigen Periode zeigten eine stabil gemischte Bakterienkultur mit zwei Mitgliedern (vgl.Tabelle 1). Die Stabilität der Mischkultur wurde durch Zählung beider Bakterien-Populationen für jede Hackfleisch-Kulturlösung bestimmt. Dies wurde erreicht durch Verwendung der Standard-Technik des Animpfens fester Nährböden mit Reihenverdünnungen der Brutkulturen. Der feste Nährboden enthielt die zuvor beschriebene Trypton-Nährlösung unter Zusatz von Agar- Agar zu einer Endkonzentration von 1,5%. Der pH-Wert des Bodens wurde vor der Dampfsterilisation auf 7,0 eingestellt (nach der Sterilisation wurde ein pH-Wert von 6,8 bis 7,0 beobachtet). Das Verdünnungsmittel zur Herstellung der Reihenverdünnungen wurde im Anaearobe Laboratory Manual, 4. Auflage, beschrieben. Die Subkulturen wurden 24 Stunden lang vor Zählung der Population inkubiert. Die Mischkultur wird als stabil angesehen, wenn das Verhältnis der beiden Organismen innerhalb der experimentellen Fehlergrenzen konstant bleibt, wodurch gezeigt wird, daß keiner der Organismen den anderen verdrängt. TABELLE 1 STABILITÄT DER MISCHKULTUREN Population von Stamm Verhältnis (Zahlenwerte entsprechen 10&sup5; Zellen/ml) Nummer der Subkultur-Übertragung (Startimpfung)
  • Die Größe der lebenden Zellpopulation der L. casei Stämme CLS917 bei der Impfung am Beginn des Experimentes war etwa halb so groß, wie die Zellpopulation der V. criceti Stämme 1218. Am Ende jeder dreitägigen Periode war das Verhältnis der beiden Populationen verhältnismäßig konstant. Die weitere Verwendung einer einzelnen Hackfleisch-Nährlösung-Mischkultur als Impfmittel für 15 getrennte 3-Liter Chargen-Fermentationen über einen Zeitraum von 2 Monaten führte zu Mischpopulationen von ähnlichen Lebendzellen-Verhältnissen.
  • Aufbewahrung der Mischkultur
  • Die Mischkulturen können in versiegelten Fläschchen in Aliquoten von 0,2 ml mit gleichen Volumina von sterilem Glycerin und Trypton-Nährlösung (zuvor beschrieben) bei einer Temperatur von -80 ºC aufbewahrt werden. Jedes Aliquot sollte die gleiche Anzahl beider Stämme (etwa jeweils 100 Millionen Bakterien-Zellen), die zuvor von gesunden wachsenden Kulturen geerntet wurden, enthalten. Diese Mischkultur von Lactobacillus casei subs. rhamnosus und Veillonella criceti wurde bei der American Type Culture Collection am 8. April 1984 hinterlegt und mit ATCC Deposit No. 39.662 bezeichnet. Die Stämme können nach der Lagerung wiederbelebt werden durch Impfung des Inhaltes in Trypton- oder Hackfleisch-Nährlösung und 24- bis 48-stündiger Inkubation unter anaeroben Bedingungen bei 38 ºC.
  • Herstellung und Verwendung der Metabolisierungsprodukte
  • Die Metabolisierung fermentierbarer Kohlenhydrate in einer geeigneten Nährlösung durch Stämme von Lactobacillus führt zur Bildung geringer Spiegel an Acetat und hoher Spiegel an Lactat. Das Lactat wird dann schnell von den in der Mischkultur anwesenden Veillonella zu Propionat, Acetat, Kohlendioxid und Wasserstoff metabolisiert. Tabelle 2 zeigt einen Teil der Gruppe von Kohlenhydrat- Substraten, die zu Propionat, Acetat, Kohlendioxid, Wasserstoff und Lactat durch Mischkultivierung von Stämmen aus Lactobacillus und Veillonella fermentiert werden können. TABELLE 2 SÄUREPRODUKTION (MG/ML) NACH 72 STUNDEN KULTIVIERUNG * V. criceti (1218) L. casei (CLS917) MISCHKULTUR KOHLENHYDRAT: Kontrolle(Wasser) CELLOBIOSE FRUCTOSE GALACTOSE GLUCOSE GLUCONAT LACTOSE MANNIT RHAMNOSE SORBIT TREHALOSE * Die metabolischen Säureprodukte sind wie folgt bezeichnet: ACET = Essigsäure, PROP = Propionsäure und LACT = Milchsäure NN = nicht nachweisbar (weniger als 0,01 mg/ml)
  • Flüchtige und nichtflüchtige Fettsäuren werden durch gasflüssig-chromatographische Methoden bestimmt, wie beschrieben von Holdeman und Moore, Anaearobe Laboratory Manual, 4. Auflage, Department of Anaerobic Microbiology, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, Virginia, 24061, USA.
  • Die erfindungsgemäß bevorzugte beste Ausführungsart ist die Kultivierung der beiden Bakterienstämme in einem nahrhaften Wachstumsmedium, welches ausreichend ist, um eine stabile Mischkultur zu erzeugen unter Verwendung der beiden zuvor beschriebenen Kulturmedien oder in den Medien der nachfolgend beschriebenen Beispiele.
  • Insbesondere wird eine Mischkultur zweier Bakterienstämme L. casei CLS917 und V. criceti 1218 in einem Wachstumsmedium kultiviert, welches ein Kohlenhydrat-Substrat enthält, welches der Stamm CLS917 fermentieren kann. Solche Substrate sind beispielsweise Mono- und Disaccharide und komplexe Polysaccharide. Bevorzugt sind ferner Wachstumsmedien, die außerdem Vitamin- und/oder Aminosäure-Quellen enthalten, welche in einer 0,1 bis 2,0 %igen Lösung des Extraktes aus Hefezellen enthalten sind. Bevorzugt wird eine niedrige Konzentration eines nichtinhibierenden, nichttoxischen Kohlensäuresalzes zu einer Endkonzentration von 60 Millimol hinzugefügt.
  • Die Bedingungen für die Fermentation umfassen: Einen Temperaturbereich zwischen etwa 20-40 ºC, vorzugsweise 35-40 ºC; eine Vorrichtung zum Rühren der Fermentationslösung mit Geschwindigkeiten bis zu 400 Umdrehungen pro Minute, vorzugsweise im Bereich von 150-250 Umdrehungen pro Minute; und einen pH-Wert im Bereich von 4,0 bis 9,0, vorzugsweise im Bereich von 5,5 bis 6,0 für optimale Propionsäure-Produktion. Außerdem sollte gelöster Sauerstoff aus der Wachstumslösung durch Ausschluß von Luftzutritt oder Gasaustausch verhindert sein, welcher zu einem Ansteigen des Gehalts an gelöstem Sauerstoff führen kann und dadurch mit dem anaeroben Metabolismus interferiert. Im allgemeinen beträgt die Fermentationsgeschwindigkeit des Substrates etwa 1 bis 10 Millimol pro Stunde, bei vorzugsweise mindestens 5 Millimol pro Stunde.
  • Es wird angenommen, daß jeder Fachmann ohne weitere komplizierte Ausarbeitung unter Benutzung der vorausgehenden Beschreibung die vorliegende Erfindung in vollem Umfang nutzen kann. Die folgenden bevorzugten spezifischen Beschreibungen sind deshalb lediglich erläuternd und nicht in irgendeiner Weise beschränkend auf die übrige Offenbarung aufzufassen. In den folgenden Beispielen sind die Temperaturen unkorrigiert in Grad Celsius angegeben; wenn nicht anders erwähnt, sind alle Mengen und Prozentangaben Gewichtsgrößen.
  • Beispiel 1 pH-Wert-Kontrolle der Fermentation
  • Der pH-Wert der Fermentation muß grundsätzlich im Bereich von pH 5,0 bis 9,0 gehalten werden oder vorzugsweise zwischen 5,3 und 7,3. Jede der verschiedenen Verbindungen die als Lewis-Base reagiert, kann für diesen Zweck verwendet werden. Hydroxide von Ammonium (dies beinhaltet Ammoniak-Gas, welches in wässrigen Lösungen hydratisiert und Ammoniumhydroxid bildet), Natrium-, Calcium- oder Kalium-Salze können ohne schädlichen Einfluß auf die Fermentation benutzt werden. Jedoch scheinen die divalenten anorganischen Metalloxide, wie beispielsweise Calciumhydroxid (und die korrespondierenden Oxide, die in wässrigen Lösungen hydratisieren und die entsprechenden Hydroxide bilden), besser als pH-Wert-Regelungsmittel zu wirken als die monovalenten Kationenhydroxide.
  • In diesem Experiment wurden die zwei Stämme (CLS917 und 1218) in drei Litern eines Mediums mit folgender Zusammensetzung kultiviert (als Endkonzentration bezogen auf das Medium): Lactose, (2%), erhalten entweder aus Vollmolke oder aus ultrafiltriertem Molkenpermeat; Hefeextrakt, (1,0%); und 60 millimolaren Carbonatpuffer mit dem gleichen Kation wie im Hydroxid enthalten (mit Ausnahme im Falle von Ammoniumhydroxid und Ammoniak-Gas, wobei Calciumcarbonat verwendet wurde). Die Bedingungen für die Fermentation beinhalten eine Temperatur von 38 ºC, Einhaltung des pH-Wertes zwischen 5,5 und 6,0 durch automatische oder manuelle Zugabe des pH-Wert-Reglers und kontinuierliches Rühren in einem New Brunswick Fermenter bei einer Geschwindigkeit von 200 Umdrehungen pro Minute. Aliquote wurden zu Beginn der Fermentation und nach 4, 8, 12, 24 und 48 Stunden während der Fermentation entnommen. Diese Proben wurden auf Essig- (ACET), Propion- (PROP) und Milchsäure unter Verwendung der zuvor beschriebenen Methode untersucht. Die Konzentrationen (in mg/ml) dieser metabolischen Säuren aus den 24-Stunden-Proben sind in Tabelle 3 wiedergegeben. TABELLE 3 MISCHKULTIVIERUNG DER STÄMME CLS917 UND 1218 ACET PROP LACT VERWENDETE LEWIS-BASE ZUR PH-WERT-REGELUNG (Einheiten in mmol) Einheiten in mg/ml AMMONIUMHYDROXID AMMONIAK-GAS CALCIUMHYDROXID KALIUMHYDROXID NATRIUMHYDROXID
  • Beispiel 2 Erhaltung der Anaerobiose
  • Beide Stämme CLS917 (L. casei) und 1218 (V. criceti) sind anaerobe Bakterien, die nicht (1218) oder gut in der Gegenwart von Sauerstoff wachsen. Jedoch läßt sich unter den allgemeinen Fermentationsbedingungen, bei denen ein frisch dampfsterilisiertes Medium vor der Impfung mit Mikroorganismen auf die Fermentationstemperatur äquilibriert wird, der Sauerstoff effektiv ausschließen. Daher ist ein Reduktionsmittel, eine chemische Verbindung, die den gelösten Sauerstoff zu komplexieren vermag, für die effektive Fermentation von Lactose-Substraten zu Propionsäure nicht erforderlich. Außerdem ist die Verwendung eines Inertgases (beispielsweise Stickstoff, Helium oder Kohlendioxid) zum Füllen des Kopfraumes (des Raumes zwischen der Oberfläche des Fermentationsmediums und dem Gefäßdeckel) nicht erforderlich, um das Lösen von atmosphärischem Sauerstoff im Fermentationsmedium zu verhindern. Inertgas ist während der Fermentation dieser beiden Stämme nicht erforderlich, da der Stamm 1218 normalerweise 1,5 Mol Kohlendioxid pro Mol fermentiertes Disaccharid (und 0,75 Mol pro Mol Monosaccharid) produziert. Da der Stamm 1218 (V. criceti) ein strenger Anaerobier ist, muß dafür gesorgt werden das Fermentationsmedium nicht durch Einsprühen oder oder Einblasen von Luft oder Sauerstoff zu oxidieren.
  • In diesem Experiment wurden die zwei Stämme (CLS917 und 1218) in drei Litern eines Mediums aus Lactose, (2%), entweder als Vollmolke oder ultrafiltriertes Molkenpermeat zugeführt; Hefeextrakt, (1,0%); und 60 millimolares Calciumcarbonat kultiviert. Die Bedingungen für die Fermentation beinhalten eine Temperatur von 38 ºC, Beibehaltung des pH-Wertes zwischen 5,5 und 6,0 durch automatische oder manuelle Zugabe des pH-Wert-Reglers und kontinuierliches Rühren in einem Zell-Rührgefäß (Bellco Glass Co.) bei einer Geschwindigkeit von 200 Umdrehungen pro Minute. Aliquote wurden zu Beginn der Fermentation und nach 4, 8, 12, 24 und 48 Stunden entnommen. Diese Proben wurden auf Essig- (ACET), Propion- (PROP) und Milchsäure unter Verwendung der zuvor beschriebenen Methode untersucht. Die Konzentrationen dieser metabolischen Säuren aus den 24-Stunden-Proben, bei denen entweder ein Reduktionsmittel oder ein Inertgas oder keines von beiden verwendet wurde, sind in Tabelle 4 aufgeführt. Aus diesen Daten ist offensichtlich, daß Standardfermentationsmethoden unter den angewendeten Bedingungen ausreichend sind, um toxische Konzentrationen an gelöstem Sauerstoff im Fermentationsmedium aus zuschließen. TABELLE 4 WIRKUNG DES SCHUTZES VOR SAUERSTOFF AUF DIE METABOLISCHE SÄUREPRODUKTION ACET PROP LACT Einheiten in mg/ml SAUERSTOFFSCHUTZ Cysteinhydrochlorid (0,05% Endkonzentration) und Verwendung von Kohlendioxid zur Füllung des Kopfraumes Cysteinhydrochlorid allein (0,05% Endkonzentration) Kein Cysteinhydrochlorid oder Kohlendioxid
  • Beispiel 3 Fermentationsparameter mit Einfluß auf die metabolischen Säureprodukte
  • Stämme von V. criceti zeigen eine Empfindlichkeit gegenüber einem niedrigen pH-Wert, gelöstem Sauerstoff oder Temperaturen über 40 ºC im Fermentationsmedium. So hindert beispielsweise eine Einstellung des pH-Wertes auf Werte unterhalb von etwa 5,3 bis 5,5, entweder durch Zugabe einer Lewis-Säure oder durch einen Fehler, den pH- Wert auf Werten oberhalb von 5,3 bis 5,5 zu halten, den Metabolismus der Veillonella-Stämme an der weiteren Oxidation von Milchsäure zu Propionsäure und Essigsäure unter Bildung von Kohlendioxid und Wasserstoff. Unter Bedingungen, bei denen die Mischkultur pH-Werten kleiner als etwa 5,3 bis 5,5, Temperaturen oberhalb 40 ºC oder gelöstem Sauerstoff ausgesetzt ist, setzt der Lactobacillus die Fermentation der Kohlenhydratsubstrate zur Milchsäure fort aber die Veillonella sind nicht in der Lage die Milchsäure zu zusätzlichen Produkten zu oxidieren.
  • Jedes gewünschte Verhältnis von Propionsäure zu Milchsäure kann durch Veränderung der Bedingungen der Fermentation mit oder ohne die nachfolgende Einbeziehung zusätzlicher Substrate hergestellt werden. Dieses Beispiel zeigt die Wirkung der Variation des pH-Wertes auf die Herstellung von metabolischen Säureprodukten. In diesem Experiment wurden die zwei Stämme (CLS917 und 1218) in drei Litern eines Mediums mit Lactose, (2%), eingesetzt als Vollmolke; Hefeextrakt, (1,0%); und 60 millimolarer Calciumarbonat enthaltend eingesetzt. Die Bedingungen für die Fermentation beinhalten eine Temperatur von 38 ºC, Beibehaltung des pH-Wertes zwischen 5,5 und 6,0 während der ersten 24-Stunden-Periode durch automatische oder manuelle Zugabe von Ammoniumhydroxid und kontinuierliches Rühren in einem New Brunswick Fermenter bei einer Geschwindigkeit von 200 Umdrehungen pro Minute. Aliquote wurden zu Beginn der Fermentation und nach 8, 24, 32 und 48 Stunden während der Fermentation entnommen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 zusammengefaßt: TABELLE 5 EINFLUSS DES PH-WERTES AUF DIE METABOLISCHEN SÄUREPRODUKTE ACET PROP LACT Zeitpunkt der Probenahme (Stunden) (Zugabe von weiterem Lactose-Substrat; pH-Wert fiel auf 5,1) (nachfolgende Propion- und Essigsäure werden in geringeren Mengen gebildet als ursprünglich beobachtet) (das Endverhältnis von Propion- zu Milchsäure ist 0,14, verglichen mit 48,8 unter optimalen Bedingungen wie in Beispiel 4 gezeigt)
  • Beispiel 4 Verwendung von Süßvollmolke als Substrat
  • Käse-Süßvollmolke wurde in einem Fermentationsmedium verwendet, welchem die beiden Stämme CLS917 1218 hinzugefügt wurden. In 250 Litern eines Mediums sind Lactose, (4%), eingebracht als Vollmolke (5%, wovon 2,5% zum Beginn der Fermentation und 2,5% nach 24 Stunden zugegeben wurden); Hefeextrakt, (1%) und 60 millimolares Calciumcarbonat enthalten. Die Bedingungen für die Fermentation beinhalten eine Temperatur von 38 ºC, Einstellung des pH-Wertes zwischen 5,5 und 6,0 durch automatische oder manuelle Zugabe von Calciumhydroxid und kontinuierliches Rühren in einem New Brunswick Fermenter bei einer Geschwindigkeit von 200 Umdrehungen pro Minute. Aliquote wurden zu Beginn der Fermentation und nach 16, 24, 32 und 48 Stunden während der Fermentation entnommen. Diese Proben wurden auf Essig- (ACET), Propion- (PROP) und Milchsäure unter Verwendung der zuvor beschriebenen Methode untersucht. Die Konzentrationen dieser metabolischen Säuren aus der 24- Stunden Probe sind in Tabelle 6 wiedergegeben. TABELLE 6 FERMENTATION VON LACTOSE IN SÜSSVOLLMOLKE ACET PROP (mg/ml) LACT Zeitpunkt der Probenahme (Stunden) (Anfangskonzentration von Lactose 2%) (zusätzliche Lactose 2%)
  • Beispiel 5 Industrielle Herstellung von Propionaten aus Süßvollmolke
  • Eine Versuchsbetriebsproduktion von Calciumpropionat durch Fermentation von Süßvollmolke wurde in folgendem Medium ausgeführt: Lactose, (4%), eingebracht als Süßvollmolke anfänglich zugegen mit 2,5% und zusätzlichen Hinzugabe von 2,5% nach 16 Stunden; Hefeextrakt (Amber 510), (1,0%) und Calciumcarbonat (Huber-Carb S- 3 ), (0,6%). Die Fermentationsbedingungen umfaßten: Halten des pH-Wertes zwischen 5,5 und 5,7 durch manuelle Zugabe von CalCiumhydroxid nach Bedarf; Temperatur von 38 ºC (± 1,0 ºC); Rührung mit etwa 200 Umdrehungen pro Minute. Die Fermentation wurde in rostfreien, stationär sterilisierten Stahlfermentern mit 35 Litern Arbeitsvolumen durchgeführt.
  • Nach der Fermentation wurden die Bakterienzellen durch Mikrofiltration durch eine Romican Hohlfasermembran mit einer Ausschlußporengröße von 50.000 Dalton entfernt und das Permeat wurde mit einer Aktivkohleaufschlämmung entfärbt, durch Entspannungsverdampfung konzentriert und in einem Schachttrockner (Lufteinlaßtemperatur 150 - 160 ºC; Luftauslaßtemperatur 90 - 100 ºC) zu einem rieselfähigen, fast weißen Pulver getrocknet. Die chemischen und physikalischen Daten dieses Fermentationsproduktes sind in Tabelle 7 dargestellt. TABELLE 7 TYPISCHE ANALYSE FÜR EIN FERMENTATIONSPRODUKT Schüttdichte (Gramm/Kubikcentimeter) Feuchtigkeit pH-Wert einer 1 %-gen Lösung Löslichkeit (Gramm/100 ml Wasser) bei 25 ºC Löslichkeit (Gramm/200 ml Wasser) bei 70 ºC Rohfasergehalt (%) sauer auswaschbarer Fasergehalt (%) Asche (%) Rohfett (%) Rohprotein (%) Zwischensumme Kohlenhydrate (Differenzbildung) (%) lösliche Kohlenhydrate (durch Gas-Flüssig-Chromatographie) (%) Fruktose Glukose Galaktose Lactose Saccharose kurzkettige Fettsäuren (flüchtig) Calciumacetat (bestimmt als Essigsäure) (%) Calciumpropionat (als Propionsäure) (%) kurzkettige Fettsäuren (nichtflüchtig) Calciumlactat (als Milchsäure) (%) Calciumsuccinat (als Bernsteinsäure) (%) Vitamine (Milligramm/100 Gramm) Thiamin Riboflavin Pyridoxin Cobalamin Niacin Mineralstoffe (%) Calcium Phosphor Natrium Magnesium Zwischensumme Mineralstoffe (parts per million) Aluminium Barium Bor Chrom Kupfer Eisen Mangan Strontium Zink
  • Beispiel 6 Fermentation ultrafiltrierter Süßmolke
  • Die in ultrafiltrierter Süßmolke vorhandene Lactose wurde ebenfalls für die Fermentation zur Propionsäure durch eine Mischkultur der Stämme CLS917 und 1218 verwendet. Eine Fermentation wurde in folgendem Medium durchgeführt: Lactose (2%) eingebracht von getrocknetem Süßmolkenpermeat (Ultrafilterausschlußgröße von 30.000 Dalton); Hefeextrakt (1,0%); Calciumcarbonat (0,6%). Die Fermentationsbedingungen umfaßten eine Temperatur von 38 ºC, Halten des pH-Wertes zwischen 5,5 und 6,0 durch automatische oder manuelle Zugabe von Ammoniumhydroxid und kontinuierliches Rühren in einem New Brunswick Fermenter bei einer Geschwindigkeit von 200 Umdrehungen pro Minute. Aliquote wurden zu Beginn der Fermentation und nach 4, 8, und 24 Stunden während der Fermentation entnommen. Diese Proben wurden auf Essig- (ACET), Propion- (PROP) und Milchsäure unter Verwendung der zuvor beschriebenen Methode untersucht. Die Konzentrationen dieser metabolischen Säuren aus den 24-Stunden Proben sind in Tabelle 8 wiedergegeben. TABELLE 8 PRODUKTION VON PROPIONSÄURE AUS ULTRAFILTRIERTER SÜSSMOLKE ACET PROP (mg/ml) LACT Zeitpunkt der Probenahme
  • Beispiel 7 Verwendung von Cellobiose als Nahrungsquelle
  • Während Lactose ein besonders bevorzugtes Substrat zur erfindungsgemäßen Verwendung ist, können viele andere Kohlenhydrate als Substrate für die Herstellung von metabolischen Säureprodukten dienen. Ein solches Kohlenhydrat aus nicht-milchwirtschaftlicher Quelle welches häufig in der Natur gefunden wird, ist Cellobiose, ein Disaccharid, welches bei der unvollständigen Verdauung von Cellulose entsteht. Den allgemeinen Verfahren in Bezug auf die Tabelle 2 beschrieben folgend zeigt die Mischkultivierung von Stämmen CLS917 und 1218 an Cellobiose gleichzeitige begleitende Produktion von Propion-, Essig- und Milchsäure. Die Ergebnisse sind in Tabelle 9 zusammengefaßt. Propionsäure wird in signifikanten Konzentrationen nicht von einem Stamm allein produziert. TABELLE 9 FERMENTATION VON CELLOBIOSE DURCH CO- KULTIVIERUNG V. Criceti L.casei MISCHKULTUR ACET PROP LACT KOHLENHYDRAT: Kontrolle(Wasser) CELLOBIOSE
  • Beispiel 8 Verwendung von propionathaltigen Fermentationsprodukten in Untersuchungen an Backwaren
  • Calciumpropionat wurde traditionell für Brot und andere Backwaren zur Verlängerung der Haltbarkeit durch die Inhibition des Wachstums von Schimmel verwendet. Ein Fermentationsprodukt von Süßvollmolke, aus welchem die Zellen entfernt und das verbleibende Filtrat analog dem Verfahren in Beispiel 4 konzentriert und sprühgetrocknet wurde, diente zur Bestimmung der Inhibitionswirkung des Calciumpropionat-Gehaltes auf das Wachstum von Schimmelkontaminationen. In dieser Untersuchung wurde das sprühgetrocknete und rieselfähige Pulver in zwei Backrezepturen verwendet. In einer Rezeptur wurde das getrocknete Produkt einem Brotteig zu einer Endkonzentration von (0,5%) (bezogen auf das Mehlgewicht) zugemischt, welches zu einer Endkonzentration an Calciumpropionat von etwa 0,25% führte. Weitere enthaltene Wirkstoffe waren 0,1% Monocalciumphosphat und 0,9% Teklac (ein lebensmittelreines Lactoseprodukt). Die zweite Rezeptur enthielt nur das Fermentationsprodukt in einer Endkonzentration von 0,5% bei einer Calciumpropionat-Konzentration von etwa 0,25% als einzigem Wirkstoff. Ein dritter Teig wurde als Kontrolle hergestellt und enthielt keinerlei Wirkstoffe.
  • Die Ergebnisse der Untersuchung zeigten, daß das getrocknete Fermentationsprodukt wirksam war, das Wachstum von Schimmelkontaminationen zu verhindern, wenn es in Konzentrationen bezogen auf Calciumpropionat verwendet wurde, die traditionell in Rezepten von Brotteigen benutzt werden. Das erste und zweite Rezept lieferte Brotlaibe, die nach einer Lagerung unter Standardbedingungen nach Ende von 30 Tagen, nach denen die Untersuchung abgebrochen wurde, kein Schimmelwachstum zeigten. Die dritte, als Kontrolle für die Untersuchung dienende Rezeptur, lieferte Brotlaibe, welche nach 7 bis 10 Tagen Lagerung Schimmelwachstum zeigten.
  • Durch dieses Beispiel wird offensichtlich, daß die erfindungsgemäße Fermentation von in Süßvollmolke enthaltener Lactose durch die Mischkultivierung der Stämme CLS917 (L. casei subspecies rhamnosus) und 1218 (V. criceti) zur Produktion von Calciumpropionat führt. Das Fermentationsprodukt, welches bei Calciumpropionat-Konzentration von 0,25% (Endkonzentration bezogen auf das Mehlgewicht) verwendet wird (entweder in der getrockneten oder in der flüssigen Form), inhibiert wirksam das Wachstum von Schimmelkontaminationen im Brot unter Standardlagerungsbedingungen.
  • Die vorstehenden Beispiele können mit vergleichbarem Erfolg, unter Ersatz der allgemein oder insbesondere beschriebenen Reaktanten und/oder Versuchsbedingungen dieser Erfindung für die speziell in den Beispielen verwendeten Bedingungen, durchgeführt werden. Aus der vorhergehenden Beschreibung kann ein Fachmann auf dem die Erfindung betreffenden Gebiet die wesentlichen Kennzeichen derselben ermitteln und ohne den Geist oder Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen vielfältige Veränderungen und Einschränkungen machen, um sie verschiedenen Verwendungen und Bedingungen anzupassen.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Wie aus der vorliegenden Beschreibung und den Beispielen ersichtlich wird, ist die vorliegende Erfindung industriell verwendbar zur Bereitstellung einer Methode zur Herstellung von Calciumpropionat, welches eine Reihe von bekannten industriellen Anwendungen besitzt.

Claims (14)

1. Gleichzeitig ablaufendes sequentielles anaerobes Fermentierungsverfahren für die in vitro-Herstellung von Propionsäure und Essigsäure, dadurch gekennzeichnet, daß
a) eine stabile, obligatorisch aus zwei Komponenten bestehende Mischkultur ausgewählt wird, welche ein konstantes Verhältnis von Speciespopulationen über zahlreiche Durchgänge beibehält, wobei die Mischkultur besteht aus
i) einer ersten Lactobacillus-Komponente, welche homofermentativ eine Hexose in ein erstes metabolisches Produkt überführt, welches aus Milchsäure besteht, und
ii) einer zweiten Mikroorganismen-Komponente der Gattung Veillonella, welche nicht in der Lage ist, metabolisch die Hexose zu assimilieren, und welche das metabolische Produkt des ersten Mikroorganismus, die Milchsäure, in ein zweites metabolisches Produkt überführt, welches aus Propionsäure und Essigsäure besteht,
b) die Mischkultur in eine mit assimilierbarem Nährstoff versehene Wachstums-Nahrungsquelle inoculiert wird, welche eine metabolisierbare Quelle der Hexose enthält,
c) die Nahrungsquelle anaerob mit der Mischkultur fermentiert wird mit einer Fermentierungsgeschwindigkeit von mindestens 5 Millimol pro Liter und pro Stunde für einen Zeitraum und unter Bedingungen, die hinreichend sind, um einen größeren Teil der Milchsäure in ein Fermentierungsprodukt zu überführen, welches aus Propionsäure, Essigsäure, Salzen und Gemischen davon besteht,
d) der pH-Wert des Fermentierungsgemisches so beibehalten wird, daß die Veillonella fortfährt, die Milchsäure zu fermentieren, welche vom ersten Mikroorganismus erzeugt wurde, für eine hinreichende Zeit, um das Fermentierungsprodukt anzusammeln, und
e) das angesamtnelte Fermentierungsprodukt gewonnen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hexose-Quelle ausgewählt ist aus der Gruppe von Glucose, Sucrose, Lactose und Gemischen davon.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hexose-Quelle Lactose ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nahrungsquelle Voll-Molke oder ein abgeschlämmtes Milchmolke-Lactosepermeat ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Mikroorganismus Lactobacillus ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Mikroorganismus ein Lactobacillus casei ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Mikroorganismus Lactobacillus casei subs. rhamnosus ist.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Veillonella die Veillonella criceti ist.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkultur diejenige der ATCC-Hinterlegungsnummer 39 662 oder ein Mutant davon ist, und in der Lage ist, Propionsäure und Essigsäure nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 herzustellen.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß fünf Mol Propionsäure aus jeweils acht Mol fermentierter Milchsäure erhalten werden.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner die Trocknung des erhaltenen Produktes bis zur Form eines frei schüttfähigen Pulvers umfaßt.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verbliebenen Mikroorganismen aus dem Produkt vor der Trocknung entfernt werden.
13. Biologisch reine, stabile in vitro-Mischkultur von zwei Mikroorgänismen, welche angepaßt sind, um unter anaeroben Bedingungen zusammen zu wachsen, während ein konstantes Verhältnis von Species-Populationen über zahlreiche Durchgänge beibehalten wird, so daß kein Mikroorganismus den anderen überwindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkultur besteht aus
i) einer ersten Lactobacillus-Komponente, welche homofermentativ eine Hexose in ein erstes metabolisches produkt überführt, welches aus Milchsäure besteht, und
ii) einer zweiten Mikroorganismus-Komponente der Gattung Veillonella, welche nicht in der Lage ist, metabolisch die Hexose zu assimilieren, und welche das metabolische Produkt des ersten Mikroorganismus. die Milchsäure, in ein zweites metabolisches Produkt überführt, welches aus Propionsäure und Essigsäure besteht,
wobei die Mischkultur angepaßt ist an die in vitro-Herstellung unter anaeroben Bedingungen von Propionsäure und Essigsäure nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1.
14. Biologisch reine in vitro-Mischkultur eines Lactobacillus-Mikroorganismus und eines Veillonella-Mikroorganismus ausgewählt aus der Gruppe bestehend unter der ATCC-Hinterlegungsnummer 39 622 und Mutanten davon, welche in der Lage sind, Propionsäure und Essigsäure nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 herzustellen.
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