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Die
Erfindung betrifft die Herstellung von Backhefe, und insbesondere
eine neue Backhefezusammensetzung, sowie ein Verfahren zur Herstellung
konzentrierter Hefefermentationsbrühe, die zur Verwendung als
neue Backhefezusammensetzung geeignet ist.
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BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK:
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Die
Herstellung von Backhefe ist bekannt und in der Literatur gut dokumentiert.
Gute Beispiele für
die Beschreibung der Backhefeherstellungspraxis sind z.B. S. Burrows
(1979), Baker's
yeast, Economic microbiology, Bd. 4 (A.H. Rose, Herausgeber, Seiten 31–64, Academic
Press, New York; G. Reed (1982), Production of baker's yeast, Prescott & Dunn's industrial microbiology,
4. Auflage (G. Reed, Herausgeber), Seiten 593–633; AVI, Westport, CT; S.L.
Chen und M. Chiger (1985), Production of baker's yeast, Comprehensive biotechnology,
Bd. 3 (H.W. Blanch, S. Drew und D.I.C. Wang, Herausgeber), Seiten 429–461; Pergamon-Press,
Oxford; N.B. Trivedi, G.K. Jacobson und W. Tesch (1986), Baker's yeast, Crit. Rev.
Biotechnol. 4, 75–110;
und R.F. Beudeker, H.W. van Dam, J.H. van der Plaat und K. Vellenga (1990),
Developments in Baker's
yeast production, Yeast (H. Verachtert und R. De Mot, Herausgeber), Seiten
103–146;
Marcel Dekker Inc., New York. Nachstehend wird bestimmten Aspekten
der Herstellung und Verwendung von Backhefe, die mit der in dieser
Beschreibung beschriebenen Erfindung verbessert werden kann, Aufmerksamkeit
gewidmet.
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Nach
der Herstellung von Saathefe in mehreren Schritten [S.L. Chen und
M. Chiger (1985), Production of baker's yeast, Comprehensive biotechnology,
Bd. 3 (H.W. Blanch, S. Drew und D.I.C. Wang, Herausgeber), Seiten
429–461;
Pergamon Press, Oxford] folgt die Herstellung der sogenannten kommerziellen
Hefe. In der Praxis erfolgt dies standardgemäss in Fed-Batch-Fermentationen,
wobei im wesentlichen Melasse als C-Substrat und Ammoniak oder Harnstoff
als Hauptstickstoffquelle verwendet wird. Die Substrate werden während der
Fermentation dem Fermenter zugeführt.
Andere Wachstumsvoraussetzungen, wie Phosphat, ein Anteil des Stickstoffs,
Salze und Vitamine, werden dem Fermenter zu Beginn der Fermentation
oder in den allerersten Stunden der Fermentation zugegeben. Melasse
wirkt ebenfalls als Quelle vieler Spurenelemente, die in ausreichender
Menge oder sogar im Überschuss durch
Zuführen
der Melasse als C-Quelle dosiert werden. Die Fermentation dauert
zwischen 10 und 20 Stunden und endet mit einer Brühe, die
zwischen 4 und 8 % trockene Hefefeststoffe enthält.
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Bevor
sie verwendet werden kann, muss die Melasse geklärt werden. Das bedeutet, dass
die Melasse zur Herabsetzung ihrer Viskosität und um die Melasse pumpbar
zu machen, aber auch um Sedimente (Sand, Schmutz, kolloidale Stoffe)
vor der Sterilisation und Einführung
in den Fermenter zu entfernen, verdünnt wird.
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Das
Zuführprogramm,
das für
die Melasse und die Stickstoffquelle verwendet wird, und in gewisser
Weise auch die anderen Wachstumsvoraussetzungen werden grundsätzlich als
essentielles Wissen betrachtet, und es ist nicht viel über die
tatsächlich
in industrieller Praxis verwendeten Verfahren veröffentlicht.
Es ist jedoch klar, dass die Programme von höchster Bedeutung für die erhaltene
Qualität der
Endhefe sind. Wie aus S. Burrows (1979), Baker's yeast; Economic microbiology, Bd.
4 (A.H. Rose, Herausgeber), Seiten 31–64; Academic-Press, New York,
und der früheren
Arbeit von B. Drew, H. von Specht und A.-M. Herbst (1962), Zur Züchtung von
Backhefe in konzentrierter Melassewürze, Die Branntweinwirtschaft
102, 245–247,
bekannt ist, führen
höhere
Melasse-Zuführprofile
zu aktiverer Hefe, und niedrigere Melasse-Fütterprofile
zu weniger aktiver Hefe mit einer längeren Lagerfähigkeit.
In heutiger Praxis wird die maximale Zuführrate einerseits durch die
Sauerstofftransferrate (OTR) des Fermenters und andererseits durch
die kritische Wachstumsrate der Hefe, oberhalb derer die Bildung
von Alkohol beginnt, limitiert. Die Bildung von Alkohol ist wegen der
erhaltenen schlecht bleibenden Qualität der Hefe und Ausbeuteverlust
an Kohlenstoffquelle unerwünscht.
Offensichtlich kann ein zu niedriges Melasse-Zuführprofil, bezogen auf die Menge
der Hefe in dem Fermenter, zu einer zu geringen Gasaktivität der Hefe
führen.
Daher wird in H.N. Sher (1962), Continuous process for the production
of yeast,
US-PS 3 032 476 ,
erwähnt,
dass die Wachstumsrate von Hefe über
0,05 h
–1 und
sogar über
0,075 h
–1 gehalten
werden sollte. Unter der Massgabe eines ökonomisch relevanten Inokulumprozentsatzes
bilden so die für eine
gute Gasleistung als notwendig erachtete, minimale Wachstumsrate
zusammen mit der maximalen Zuführrate,
die sich aus den Fermenter-Sauerstofftransferratenbeschränkungen
ergibt, die Basis für
die maximale Fermentationszeit von 20 Stunden, wie von S.L. Chen
und M. Chiger (1985), Production of baker's yeast, Comprehensive biotechnology,
Bd. 3 (H.W. Blanch, S. Drew und D.I.C. Wang, Herausgeber), Seiten
429–461;
Pergamon Press, Oxford, erwähnt.
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Nach
der Fermentation werden die Hefezellen durch wiederholte Konzentration
und Verdünnung gründlich gewaschen.
Typischerweise wird eine Zentrifugenkonzentration zu einer Suspension
von etwa 20 % Trockengehalt durchgeführt, und die Suspension wird
mindestens einmal auf mehr als 100 % des Originalvolumens verdünnt, was
in einer Nicht-Hefe-Trockenkonzentration in der freien Flüssigkeit
von weniger als 10 % der Konzentration in der freien flüssigen Phase
der Fermentationsbrühe
resultiert. So wird eine Rahmhefe (cream yeast) mit einer Hefetrockengehaltkonzentration
von 18 bis 22 % erhalten, die entweder direkt als Rahmhefe verkauft
wird oder zu Blockhefe oder granulierter Hefe (25 bis 36 % Trockengehalt)
verarbeitet oder getrocknet wird, um aktive Trockenhefe oder Instant-Trockenhefe
mit bis zu 97 % Hefetrockengehalt zu erhalten. Das extrazelluläre Wasser,
das von der Brühe
auf diese Weise entfernt wird, beträgt bis zu 50 % für Rahmhefe
und bis zu fast 100 % für
getrocknete Hefe. Zusammen mit dem Wasser, das zum Wegwaschen nicht-fermentierten
Feststoffs von der Melasse benötigt
wird, bildet dieses Wasser eine grosse Menge Schmutzwasser, das
gehandhabt werden muss. Heutzutage beinhaltet eine vollständige Schmutzwasserbehandlung eine
Verdampfungsanlage, die das Schmutzwasser konzentriert und Vinasse
ergibt. Unter hohem Energieeinsatz entfernt dieser Schritt etwa
80 bis 95 % des biologischen Sauerstoffbedarfs (BOD) aus dem Schmutzwasserstrom.
Der verbleibende BOD wird in einer anaeroben Schmutzwasserbehandlungsanlage und
anschliessend in einer aeroben Schmutzwasserbehandlungsanlage behandelt,
wieder zu erheblichen Kosten. Diese Kosten werden in Zukunft weiter steigen,
da Energie teurer wird und darüber
hinaus die Anforderungen an die Behandlung von Abfallstrom aus Umweltgründen steigen.
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EP-A-0 229 976 beschreibt
schnell agierende Hefesorten mit verbesserter Leistung in süssem, regulärem und
magerem Teig. Die Hefesorten werden in Standardverfahren unter Verwendung
von Melasse als Kohlenstoffquelle fermentiert.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG:
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Die
Erfindung betrifft die Herstellung von Backhefe, insbesondere eine
neue Hefezusammensetzung, und ein Verfahren zur Herstellung einer
konzentrierten Hefefermentationsbrühe, die zur Verwendung als
neue Backhefezusammensetzung geeignet ist.
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Erfindungsgemäss werden
ein Verfahren zur Herstellung und eine neue Backhefezusammensetzung
zur Herstellung einer konzentrierten Hefefermentationsbrühe, die
zur Verwendung als neue Backhefezusammensetzung geeignet ist und
einen Trockenhefefeststoffgehalt von 10 bis 22 %, bevorzugt 13 bis
22 %, noch bevorzugter 16 bis 22 %, und eine wässrige Phase mit den Fermentationskomponenten,
die aus Mediumkomponenten und Stoffwechselprodukten der Hefe bestehen,
beschrieben. Die erfindungsgemässe
Zusammensetzung ist eine Backhefezusammensetzung mit einer zellulären und extrazellulären Wasserphasenkomponente,
die durch ein Verfahren erhältlich
ist, das folgende Schritte umfasst: (a) das Starten der Fermentation
durch Zuführen
der Saathefe mit einer geeigneten Nicht-Melasse- Kohlenstoffquelle und einer Stickstoffquelle
und anderen Nährstoffen,
die für
das Hefewachstum essentiell sind, und (b) Fortführen der Fermentation bis der
Trockenhefefeststoffgehalt der Fermentationsbrühe 10 bis 22 % beträgt, worin
die Nicht-Melasse-Kohlenstoffzuführrate kontrolliert wird,
um Alkoholkonzentrationen von höher
als 1 % während
der Fermentation zu vermeiden, wobei die Zusammensetzung folgendes
enthält:
- – Backhefe,
die einen Trockenhefefeststoffgehalt von 10 bis 22 % aufweist, und
- – eine
extrazelluläre
Phase, die Hefestoffwechselprodukte und organische Verbindungen
und Salze mit einer Konzentration von 0,2 osmol/kg oder mehr enthält.
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Dies
erfolgt bevorzugt durch (a) das Starten einer (z.B. Fed Batch)-Fermentation
durch Zuführen der
Saathefe mit einer geeigneten Nicht-Melasse-Kohlenstoffquelle und
Stickstoffquelle und anderen Nährstoffen,
die für
das Hefewachstum essentiell sind, (b) Fortführen der Fermentation bis der
Trockenhefefeststoffgehalt der Fermentationsbrühe 10 bis 22 % beträgt, und
(c) eine optionale Konzentration der Brühe auf 16 bis 22 %, z.B. durch
Zentrifugieren und Verwenden der wässrigen Phase bei der Herstellung
einer folgenden Fermentation.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG:
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Das
neue Verfahren zur Fermentation und Herstellung von Backhefe im
industriellen Massstab beginnt mit einer geeigneten Saathefe, deren
Qualität
und Menge mehr oder weniger gleich zu konventionell verwendeter
Saathefe sein sollte. Insofern bestehen diesbezüglich keine speziellen Anforderungen.
Das erfindungsgemässe
Verfahren wird bevorzugt im industriellen Massstab durchgeführt. In
der Praxis werden 50 bis 300 m3-Fermentoren
für die
Fed Batch-Fermentation,
entweder mit Blasensäule
oder gerührt,
unter normalem oder erhöhtem
Druck verwendet, um adäquate
Sauerstofftransferraten zu erhalten, um die wachsende Hefe mit Sauerstoff
zu versorgen. Das erfindungsgemässe
Verfahren stellt konzentrierte Fermentationsbrühe in bekannten industriellen
Backhefefermentern her, ohne sehr hohe Sauerstofftransferkapazitäten zu benötigen. Mit
Backhefe ist kommerziell oder industriell hergestellter S. cerevisiae-Stamm
gemeint.
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Das
Wachstum im Fermenter wird durch Zuführen einer geeigneten Nicht-Melasse-Kohlenstoffquelle
(z.B. Glucose, Fructose, Saccharose, Maltose, Dextrine, Maltotriose,
Raffinose oder Alkohol oder jede Mischung hiervon) mit einer ausreichend
hohen Kohlenstoffkonzentration in der Zuführung verzögert. Die Konzentration in
der Zuführung
sollte ausreichend hoch sein, um die benötigte Trockenhefe-Feststoffkonzentration
zu erhalten, wobei das benötigte Startvolumen
des Fermenters in Betracht gezogen wird. Typischerweise beträgt die Zuckerkonzentration
in der Zuführung
250 g/l oder mehr, der einfachen Handhabung halber jedoch bevorzugt
zwischen 400 und 600 g/l Zucker.
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Die
Stickstoffquelle kann jede konventionelle Stickstoffquelle, die
normalerweise in der Backhefeherstellung verwendet wird, oder irgendeine C/N-Quelle,
die reich an hydrolysierten Proteinen ist (z.B. Casaminosäuren, Trypton,
Pepton, Sojamehl) oder eine Kombination hiervon sein. Die N-Dosis
sollte ausreichend hoch sein, um nicht-limitierend zu sein. Die
Gesamtzuführung
an konsumierbarem Stickstoff kann auf einer Elementarwaage (elemental balance)
bestimmt werden, um einen Proteingehalt (Kjeldahl N·6,25)
von 40 bis 60 % zu erhalten. Die genaue Konzentration ist weniger
essentiell als für
die Kohlenstoffquelle. Eine 25 %-ige Ammoniaklösung oder eine andere Stickstoffquelle
mit entsprechender Stickstoffkonzentration reicht üblicherweise
aus, aber andere Konzentrationen, bevorzugt höhere, können verwendet werden.
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Phosphat
und andere Nährstoffe,
wie Salze und Vitamine, und andere Verarbeitungshilfen in Lebensmittelqualität können gemäss gängiger Praxis, wie
in offen zugänglicher
Literatur beschrieben, verwendet werden, wobei darauf geachtet wird,
dass die Komponenten nicht überdosiert
werden.
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Alle
oben beschriebenen Nährstoffe
werden üblicherweise
in Form von relativ reinen Komponenten, wie Zuckersirupe, Ammoniak,
Phosphorsäure usw.,
zugegeben, können
aber ebenfalls in weniger reiner Form zugegeben werden, solange
die Zugabe keine Komponente enthält,
die herausgewaschen werden muss, um die erhaltene Hefe für die Anwendung
in Lebensmittel oder Nahrung geeignet zu machen. Die Komponenten
können
auf eine Art kombiniert werden, die die Abbauproduktzusammensetzung
der wässrigen
Phase der Fermentationsbrühe in
bezug auf Geschmack und Aroma des Produkts begünstigen.
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Das
Zuführen
zu dem Fermenter beginnt nach der Zugabe der Saathefe. Zumindest
die Kohlenstoff- und Stickstoffquellen werden der Fermentation zugeführt, mit
Ausnahme einer kleinen Portion, die beim Start der Fermentation
schubweise zugegeben werden kann. Die anderen Nährstoffe, wie die Phosphatquelle,
Salze und Vitamine, können
ebenfalls entweder in Teilen oder vollständig dem Fermenter zugeführt werden.
Die Zuführung
dieser Komponenten, entweder separat oder mit der Kohlenstoff- und/oder Stickstoffquelle
vermischt, hat den Vorteil, dass sehr hohe Konzentrationen zu Beginn
der Fermentation vermieden werden. Es ist jedoch möglich, diese
Nährstoffe
zu Beginn der Fermentation, insbesondere wenn die Kohlenstoff- und
Stickstoffquellen eine hohe Konzentration aufweisen, zuzugeben,
so dass ein relativ grosses Startvolumen des Fermenters ermöglicht wird.
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Das
Zuführprogramm
für die
Kohlenstoffquelle ist so, dass die anfängliche Zuführrate an die Rate angeglichen
wird, bei der die Saathefe zu wachsen beginnen kann (am bequemsten
ausgedrückt
in Wachstumsrate) und dann ansteigt, bis die maximale Zuführrate für die Kohlenstoffquelle
erreicht ist. Diese maximale Zuführrate
für die
Kohlenstoffquelle wird einerseits durch die maximale Sauerstofftransferrate des
Fermenters und andererseits durch die kritische Wachstumsrate der
Hefe, über
der die Produktion von Alkohol beginnt, bestimmt. Wenn letzteres
limitierend ist, kann die Zuführrate
natürlich
weiter aufgrund des Wachstums der Hefe exponentiell erhöht werden
bis die Sauerstofftransferrate des Fermenters limitierend wird.
Die Zuführrate
sollte streng genug kontrolliert werden, um Alkoholkonzentrationen von
mehr als 1 vorzubeugen, und bevorzugt sollte die Alkoholkonzentration
unter 0,5 bleiben. Nahe dem Ende der Fermentation kann die Zuführrate unter
den maximalen Wert verringert werden, um den Verbrauch schlecht
fermentierbaren C- und C/N-Substrats oder Alkohols zu erlauben.
Die Zuführrate
kann insgesamt für
eine gewisse Dauer am Ende der Fermentation gestoppt werden, um
die Zahl der Keimlinge (Reifen der Hefe) zu reduzieren.
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Die
Stickstoffzuführung
kann auf beliebige Art und Weise durchgeführt werden, z.B. um die Verwendung
von Chemikalien zur pH-Kontrolle zu verringern, unter der Massgabe,
dass der Stickstoff nicht für
das Wachstum der Biomasse limitierend wird. Ähnlich wie die Überfütterung
mit dem Kohlenstoffsubstrat führt
eine Unterfütterung
mit der Stickstoffquelle zu übermässiger Alkoholbildung.
Dies kann am leichtesten durch ein Zuführen der Stickstoffquelle proportional
zur Kohlenstoffquelle oder höher,
insbesondere in den frühen
Phasen der Fermentation, vermieden werden. Alternativ kann ein Teil
des Stickstoffs vor dem Impfen (seeding) hinzugegeben werden. Die
Stickstoffzuführung
wird beendet, wenn die insgesamt benötigte Menge Stickstoff dem
Fermenter zugeführt
wurde, was leicht mit der N-Waage (N-balance) über die Fermentation berechnet
werden kann. Dasselbe gilt für
die Zuführprogramme
der anderen Nährstoffe,
wie Phosphat, Salzen oder Vitaminen, wenn diese nicht vor dem Impfen
zugegeben werden.
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Die
Temperatur wird zwischen 20 und 45°C, bevorzugt zwischen 25 und
36°C, gehalten.
Der pH-Wert wird zwischen pH 3 und 8, bevorzugt zwischen pH 4 und
7, z.B. bei pH 5,5, gehalten.
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Die
Fermentation wird fortgeführt
bis die benötigte
Konzentration an Trockensubstanz erreicht ist, die 10 % oder bevorzugter
13 %, Trockenhefefeststoff oder mehr, bevorzugt 16 % Trockenhefefeststoff
oder mehr, ist. Mit den verwendeten Zuführraten bedeutet dies eine
Fermentationszeit von typischerweise über 20 Stunden, und noch typischer
wird eine Fermentationszeit von 30 bis 50 Stunden notwendig sein.
Spezifische Wachstumsraten gegen Ende der Fermentation fallen typischerweise
unter 0,05h–1 für eine verlängerte Zeitdauer
von mindestens 5 Stunden.
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Nach
der Fermentation wird die konzentrierte Brühe in ein Aufbewahrungsgefäss transferiert
und auf niedrige Temperaturen, bevorzugt 0 bis 10°C, und bevorzugter
0 bis 4°C,
gekühlt.
Wenn die Trockenmassekonzentration zwischen 10 und 16 % der Hefebiomasse
ist, kann ein Zentrifugenkonzentrationsschritt angewandt werden,
der zu einer konzentrierteren Fermentationsbrühe und einer wässrigen Phase
führt.
Die wässrige
Phase wird dann in der nächsten
Fermentation als Füllwasser
verwendet, so dass die Nährstoffkomponenten
gespart werden. Bevorzugt wird kein Waschschritt durchgeführt.
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Die
erhaltene konzentrierte Fermentationsbrühe ist das erfindungsgemässe neue
Backhefeprodukt und ist eine spezielle Rahmhefe, die vom Bäcker auf
die gleiche Art und Weise wie konventionelle Rahmhefe verwendet
werden kann. Der spezielle Rahm wird entweder direkt als normale
oder als stabilisierte spezielle Rahmhefe (
EP-A-461 725 ) verkauft oder
verwendet, um Blockhefe oder Trockenhefe, entweder aktive Trockenhefe
oder Instant-Trockenhefe, unter Verwendung eines beliebigen geeigneten
Verfahrens herzustellen.
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Das
erfindungsgemässe
Verfahren kann darüber
hinaus die Zugabe eines Stabilisators umfassen, um eine Hefezubereitung
zu erhalten, die für
die direkte Verwendung als stabilisierte Rahmhefe geeignet ist.
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Das
erfindungsgemässe
Verfahren kann darüber
hinaus das Verarbeiten, um Blockhefe oder granulierte Hefe zu erhalten,
oder das Trocknen, um aktive Trockenhefe oder Instant-Trockenhefe
zu erhalten, umfassen.
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Die
spezielle Rahmhefe, die durch das erfindungsgemässe Verfahren hergestellt wird,
kann jedoch einfach von konventioneller Rahmhefe unterschieden werden,
da die Zusammensetzung der extrazellulären Phase ziemlich verschieden
ist. In konventionellem Rahm mit 18 bis 22 % Hefetrockengehalt ist
die Gesamtkonzentration der gelösten
Feststoffe weniger als 0,1 osmol/kg (gemessen durch Gefrierpunkterniedrigung,
z.B. mit einem Osmomat 030 von Gonotex) und bevorzugt weniger als
0,025 osmol/kg (für
osmol siehe z.B. Webster's
new collegiate dictionary). Die Konzentration hängt stark von der Effizienz
des Waschschrittes der Rahmhefe ab, wobei ungewaschener Rahm hohe
Konzentrationen und extensiv gewaschene Rahmhefe sehr geringe Konzentrationen
enthält.
Typischerweise besteht die Zusammensetzung konventionellen Rahms
aus nicht-fermentierbaren
Komponenten der (Rüben)-Melasse
und durch die Zellen hergestellten oder aus den Zellen während der
Lagerung freigesetzten Abbauprodukten. Im wesentlichen werden Bernsteinsäure und
Essigsäure
zusammen mit kleinen Mengen Betain, Pyrrolidincarbonsäure und
Kalium- und Natriumsalzen und anderen Salzen in dem für die Zuführung und
den Verbrauch der Melasse durch Hefe typischen Verhältnis gefunden.
Eine besondere Rahmhefe, die durch das erfindungsgemässe Verfahren
erhalten wird, enthält
neben den Hefefeststoffen in der extrazellulären Fraktion eine Vielzahl
von organischen Substanzen, die von Hefeabbau abgeleitet sind, und
organische Substanzen und mineralische Komponenten, die ihren Ursprung
im Medium finden. Die Gesamtkonzentration gelöster Feststoffe beträgt über 0,2
osmol/kg, und bevorzugter über
0,4 osmol/kg. Ein Überschussgehalt
von Salzen, wie bei der Verwendung von Melasse gesehen, wird typischerweise
vermieden. Zusätzlich
zu nicht-konsumierten Salzen und anderen Verbindungen im Medium
werden viele Hefeabbauprodukte gefunden, die Geschmacks- und Aromaeigenschaften von
mit solcher Hefe hergestellten Brotprodukten positiv beeinflussen.
Diese Komponenten sind Produkte des Hefeabbaus, die vergleichbar
zu der Herstellung von Komponenten während der Fermentation von
Teig, wie Glycerin, Bernsteinsäure,
Isobuttersäure, α-Ketoglutarsäure, Aminosäuren, Essigsäure, Vitamine
usw., sind. Diese Komponenten können
Polysaccharide umfassen, die einfach, z.B. mittels NMR-Techniken,
detektiert werden können.
Die Konzentrationen dieser Komponenten liegen typischerweise im
Bereich von 0,1 bis 1 g/l wässriger
Phase oder höher
für Komponenten,
wie Bernsteinsäure und
Pyruvat.
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Der
eindeutige Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin,
dass es die Entstehung von Schmutzwasser bei der Herstellung von
Rahmhefe vollständig
vermeidet, und die Entstehung von Schmutzwasser für andere
Hefeformulierungen, wie Block-, granulierte oder Trockenhefe, mehr
als halbiert.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass keine Notwendigkeit zum Waschen
der Hefe aus dem Fermenter in den Separatoren besteht, im Gegensatz
zu üblicher
Praxis, wo mit Melasse hergestellte Hefe extensiv gewaschen wird,
um unerwünschte
Komponenten von der Melasse zu entfernen, die aus in der Zuckerfabrik
verwendeten Verfahren herrühren.
Dies führt
nicht nur zu einer weiteren Verringerung des Schmutzwassers, sondern
reduziert ausserdem wesentlich die Menge des für die Hefeproduktion benötigten Wassers
hoher Qualität.
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Dies
trägt zu
einer signifikanten Kosteneinsparung bei, da die Gesamtkosten, die
mit der Behandlung des Schmutzwassers und der Verwendung von Trinkwasser
zusammenhängen,
bis zu 25 % des Herstellungspreises von auf konventionelle Art und Weise
hergestellter Backhefe, je nach örtlichen
Gegebenheiten, betragen. Es ist wichtig, dass diese Kosteneinsparung
in Zukunft nur ansteigen wird, da sie auf Energieeinsparung und
Einsparung von sauberem (Trink-) Wasser beruht, wobei davon auszugehen
ist, dass beides in Zukunft knapper und teurer wird. Da auch die
Anforderungen an die Handhabung von Schmutzwasser aufgrund höherer Anforderungen
an die Reinheit von Wasser, das in die Umwelt abgelassen wird, ansteigen
werden, werden in Zukunft auch die mit der biologischen Behandlung
von Schmutzwasser in Verbindung stehenden Kosten zukünftig steigen.
Auch hier hilft das erfindungsgemässe Verfahren, das Ansteigen
der Kosten zu vermeiden, die einen substantiellen Einfluss auf die
Herstellung von Backhefe haben.
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Darüber hinaus
werden die aus der Literatur zu erwartenden Probleme durch das hier
beschriebene Verfahren überwunden.
So wurde überraschend gefunden,
dass das in dem erfindungsgemässen Verfahren
erhaltene Produkt nicht den Nachteil der geringen Gasaktivität (gassing
activity) aufgrund der langen Fermentationszeit bei niedriger Wachstumsrate
aufweist. Die neue Hefezusammensetzung, die am Ende der erfindungsgemässen Fermentation
erhalten wird, ist aktiv genug, um auf übliche Art und Weise vom Bäcker verwendet
zu werden. Die Aktivität
ist typischerweise grösser
als 10 ml Gas, hergestellt in 3 Stunden von einer Hefemenge, die
1 mg Kjeldahl-Stickstoff in einem normalen mageren Teig enthält (siehe
Beispiele). Bevorzugt ist die Gasaktivität einer solchen Hefezubereitung
vergleichbar mit der einer üblichen
Rahmhefezubereitung.
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Ein
weiteres Problem, dem Rechnung getragen werden kann, betrifft die
Versorungsenergie, die benötigt
wird, um die Integrität
der Hefe zu erhalten [D. Herbert (1959); Recent Progress in Microbiology (G.
Tunevall, Herausgeber), Seite 381; S.J. Pirt (1965), Proc. R. Soc.
Lond. Ser. B 163, 224). Wie die Energie für das Wachstum, wird sie vom
Kohlenstoffsubstrat abgeleitet, aber nicht für die Umsetzung des Kohlenstoffsubstrats
in Hefetrockensubstanz verwendet, sondern stattdessen, um die Einheit
der Hefezellen beizubehalten [D.W. Tempest und O.M. Neyssel (1984),
The status of YATP and maintenance energy as biologically interpretable
phenomena, An. Rev. Microbiol. 38, 459–486). Dies beinhaltet unter
anderem die zum Erhalt der Konzentrationsgradienten verschiedener
Salze zwischen Zellinterieur und -exterieur benötigte Energie. Ein Konzentrationsanstieg
der Biomasse in einem konventionellen Verfahren mit Melassen als
Substrat würde
zu einem signifikanten Ausbeuteverlust führen. Solch ein Ausbeuteverlust
wird nicht gefunden, da übermässige Salzkonzentrationen
vermieden werden.
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Ein
ebenfalls klarer Vorteil besteht darin, dass die in diesem Verfahren
erhaltene besondere Rahmhefe immer noch eine hohe Konzentration
an Hefeabbauprodukten, die in konventioneller Rahmhefe herausgewaschen
oder überhaupt
nicht produziert werden, enthält.
Diese im Produkt bewahrten Abbauprodukte verbessern den Nährwert und
auch den Geschmack und das Aroma der mit der Hefe hergestellten
Produkte.
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Die
Erfindung erstreckt sich nicht nur auf die besondere Rahmhefe, die
durch das erfindungsgemässe
Verfahren erhältlich
ist, sondern auch auf andere Hefezubereitungen, die von solch einer
besonderen Rahmhefe abgeleitet werden können (z.B. Blöcke, granulierte
Hefe, aktive Instant-Trockenhefe), Mehlteige,
die solche Hefezubereitungen enthalten, und hiervon abgeleitete
Backwaren.
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Die
erfindungsgemässe
Zusammensetzung kann zur Herstellung von Rahmhefe mit einem Rahmhefetrockengehalt
von 16 bis 22 % verwendet werden, und kann ebenfalls zur Herstellung
verdichteter Hefe mit einem Hefetrockengehalt von 26 bis 38 % verwendet
werden, oder sie kann zur Herstellung von Trockenhefe oder aktiver
Trockenhefe mit einem Hefetrockengehalt von 90 bis 98 verwendet
werden.
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BEISPIELE
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Im Fermentationsprozess verwendete Nährstoffe:
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Kohlenstoffquelle:
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Als
Kohlenstoffquelle kann eine 60 %-ige Glucoselösung verwendet werden. Alternativ
kann ein kommerzieller Zuckersirup verwendet werden, der 58 % Trockensubstanz
enthält,
von denen 47 % Glucose, 0,1 % Fructose, 5 % Disaccharide, 2 % Trisaccharide
und 4 % andere Komponenten sind.
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Stickstoffquelle:
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Als
Stickstoffquelle kann eine 50 %-ige Harnstofflösung oder auch eine 25 %-ige
Ammoniaklösung
oder eine Kombination einer 25 %-igen Ammoniaklösung und einer Tryptondosis
oder einer Mischung ausgewählter
Aminosäuren
verwendet werden.
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Phosphatquelle:
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Als
Phosphatquelle wird am zweckmässigsten
Phosphorsäure
oder auch Mono- oder Diammoniumphosphat verwendet.
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Salze, Spurenelemente und Vitamine:
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Für den Fall,
dass Kohlenstoffsubstrate (als Teil der gesamten Zuführung zur
Fermentation), die keine Salze, Spurenelemente oder Vitamine enthalten,
verwendet werden, müssen
diese zugegeben werden. In der Literatur ist reichlich Information über die
Zusammensetzung der Wachstumsmedien verfügbar. Die Zusammensetzung hängt grundsätzlich von
der Art und dem Verfahrenstyp ab, wobei darauf geachtet werden sollte,
die Zusätze
so gering wie möglich
zu halten, um Kosten zu sparen.
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Eine
nützliche
Zugabe pro kg Glucoseäquivalente
ist: 24 g K2SO4;
12 g MgSO4·7 aq; 1,6 g CaCl2·2 aq;
25 mg Vitamin B1; 1,25 mg Vitamin B2, 95 mg Vitamin B5; 12 mg Vitamin
B6; 0,5 mg Biotin; 5,8 mg p-Aminobenzoesäure; 40 mg Nikotinsäure; 40
mg Nikotinamid; 1,44 g Inositol; 1.025 mg Fe(NH4)2(SO4)2·6 aq;
192 mg ZnSO4·7 aq; 30 mg CuSO4·7 aq;
17 mg MnSO4·aq; 23 mg H3BO3; 23 mg Na2MoO4·2
aq; 11 mg KI; 43 mg Ribitol.
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Fermentationsrezept:
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Zugaben:
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Unter
Verwendung der oben genannten Medien kann eine Fermentation mit
folgenden Gesamtzugaben für
ein Endvolumen von 6 l entworfen werden: 55 g Trockenhefefeststoff-Saathefe;
2.950 g Glucoseäquivalente;
125 g N, 44,5 g P2O5-Äquivalente
mit Zusatz von Salzen, Spurenelementen und Vitaminen, wie oben beschrieben.
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Zuführprogramm:
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Die
Kohlenstoffquelle wird derart zugeführt, dass die spezifische Wachstumsrate
von 0,08 auf 0,21 h–1 über 6 Stunden Fermentation
ansteigt. Danach wird die Kohlenstoffquellenzuführrate exponentiell erhöht, bis
die maximale Zuführrate
zum Fermenter erreicht ist (abhängig
von der maximalen OTR des Fermenters). Von da an wird die Kohlenstoffzuführrate konstant
gehalten, bis die insgesamt benötigte Menge
Kohlenstoff zu dem Fermenter zugeführt wurde. In einem Standardfermenter
wird hierfür üblicherweise
40 bis 50 Stunden Fermentation benötigt.
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Der
Stickstoff wird im Verhältnis
zur Kohlenstoffzuführung
oder bei konstanter Zuführrate
bis zum Ende der Fermentation zugeführt. Wenn nötig, kann die Zuführung früher gestoppt
werden, wodurch die Möglichkeit
geschaffen wird, die Stickstoffkonzentrationen in der Brühe zu Beginn
der Fermentation zu erhöhen,
um die Stickstoffassimilation für
die Arten, die dies benötigen,
zu verbessern.
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Andere Fermentationsparameter:
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Der
pH wird konstant bei pH 5,5 gehalten, die Temperatur wird konstant
bei 32°C
gehalten. Die Belüftung
wird derart durchgeführt,
dass die Konzentration an gelöstem
Sauerstoff 2 % des Sättigungswertes
oder mehr beträgt.
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Fermentation mit einem Konzentrationsschritt:
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Das
Verfahren kann wie oben beschrieben durchgeführt werden. Die Zuführung wird über 20 Stunden
fortgeführt,
was zu 12 % Hefetrockengehalt führt.
Die Fermentationsbrühe
wird in einem Separator konzentriert, was zu einer besonderen Rahmhefe von
20 % Hefetrockengehalt und etwa 0,4 kg wässriger Phase führt. Die
wässrige
Phase wird in der nächsten
Fermentation als Startphase der Fermentation verwendet. Die Zugabe
der Komponenten des Mediums, insbesondere der Salze, kann mit den
bereits in der wässrigen
Phase des Separators vorhandenen Mengen erniedrigt werden. In einer
Serie aufeinanderfolgender Fermentationen wird die Zusammensetzung
des besonderen Rahmhefeprodukts im Gleichgewicht sein und etwa gleich
sein wie für
das Produkt ohne Trennungsschritt.
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Produktcharakterisierung:
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Zusammensetzung der extrazellulären Wasserphase:
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Die
chemische Zusammensetzung der Hefe ist normaler Backhefe sehr ähnlich.
Ein Trockengehalt von 16 % wurde erhalten. Die Zusammensetzung der
extrazellulären
Wasserphase ist jedoch deutlich verschieden, was z.B. im NMR-Spektrum des Überstandes
der besonderen Rahmhefe, die wie in diesem Beispiel beschrieben
hergestellt wurde, gesehen werden kann, wenn reine Glucose als Kohlenstoffsubstrat
in einem 45 Stunden-Fermentationsprozess
verwendet wird. Wir haben festgestellt, dass, im Gegensatz zu konventioneller
Rahmhefe, die Menge an Bernsteinsäure und Polysacchariden im erfindungsgemässen Produkt,
wie zuvor beschrieben, neben einer Vielzahl von Komponenten erhöht wurde.
Ein osmotischer Wert von 0,8 osmol/kg wurde, im Vergleich zu osmotischen
Werten von 0,025 osmol/kg oder weniger für Standardrahmhefe, erhalten.
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Gastest (gassing test) im Teig:
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Um
die Gasaktivität
(gassing activity) zu untersuchen, wurde ein normaler Magerteig
hergestellt. In bezug auf die Mehlmenge enthält der Teig 55 % Wasser, 2
% Salz und 0,45 % Trockenhefefeststoffe. Der Teig wird auf normale
Art und Weise vermischt, um einen richtig entwickelten Teig zu bekommen,
und dann in eine Vorrichtung zum Messen der Gasproduktion, wie im
wesentlichen von Burrows und Harrison (1959) beschrieben, bei 28°C gebracht,
und für bis
zu 3 Stunden inkubiert. Die Menge des entstandenen Gases wird zurückgerechnet
auf die Menge des Gases, die, wie nach Kjeldahl bestimmt, von einer Hefemenge
in 3 Stunden hergestellt wird, die 1 mg Stickstoff enthält. Nach
Rückrechnung
betrug die Gasmenge 14 ml. Die Gasmenge, die von regulärer Rahmhefe
unter diesen Bedingungen hergestellt wurde, beträgt 15 ml.