Fermentation von Biertrebern mittels Basidiomyceten

Abstract

Aufgrund der wachsenden Weltbevölkerung und dem damit einhergehenden, stetig steigenden Bedarf an Nahrung, ist eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft anzustreben. Diese gewährleistet eine optimale Ressourcennutzung und reduziert Verschwendung. Daher sollten auch die Nebenprodukte aus der Lebensmittelherstellung für die menschliche Ernährung nutzbar gemacht werden. Biertreber ist mengenmäßig der wichtigste Nebenstrom der Bierbrauindustrie. Er verfügt über gute Nährwerte und 𝘧𝘰𝘰𝘥-𝘨𝘳𝘢𝘥𝘦 Qualität. Derzeit ist er allerdings nur begrenzt in Lebensmitteln einsetzbar und wird hauptsächlich als Tierfutter verwendet. Im Rahmen dieser Arbeit sollte Biertreber durch die Fermentation mit Basidiomyceten aufgewertet und als Lebensmittelzutat im Hinblick auf den Einsatz als Fleischersatzprodukt für die Lebensmittelindustrie nutzbar gemacht werden. Durch die Grundanalytik der Treber wurden die bereits in der Literatur beschriebenen Nährwerte bestätigt. Die Durchschnittswerte betrugen für den Reinproteingehalt 15 g (100 g)⁻¹, für den Gesamtfettgehalt 12 g (100 g)⁻¹ und den Aschegehalt 3 g (100 g)⁻¹. In einem Screening in Emerskultur wurden 144 Basidiomyceten auf Agar-Platten kultiviert, deren einzige Nährstoffquelle die Treber von Weizenbier, Pilsener und Schwarzbier waren. Aufgrund ihres schnellen Wachstums, dichtem Myzel oder würzigen Geruchs wurden 27 Basidiomyceten für ein Screening in Submerskultur ausgewählt. Aus dem Screening in Submerskultur wurde die Kombination von 𝘗𝘭𝘦𝘶𝘳𝘰𝘵𝘶𝘴 𝘰𝘴𝘵𝘳𝘦𝘢𝘵𝘶𝘴 und Schwarzbiertreber (SBT) ausgewählt, da die Fermentation einen hohen Rohproteingehalt von 6 g L⁻¹ lieferte und es sich bei 𝘗. 𝘰𝘴𝘵𝘳𝘦𝘢𝘵𝘶𝘴 um einen bekannten Speisepilz handelt. Durch eine Supplementierung von 20 g L⁻¹ Bierwürze zum SBT-Medium fand unter initial neutralem pH-Wert Pilzwachstum in der Vorkultur statt. Die Verwendung einer solchen Vorkultur stellt eine Alternative zur Vorkultur in Malzextraktmedium dar. Die Fermentation von SBT mit 𝘗. 𝘰𝘴𝘵𝘳𝘦𝘢𝘵𝘶𝘴 wurde im 1 L- und 5 L-Maßstab erfolgreich in den Bioreaktor übertragen und optimiert. Die Optimierung erfolgte mit statistischer Versuchsplanung (DOE) und zielte auf die Maximierung des Ergosterolgehaltes [mg g⁻¹] und [mg L⁻¹] ab. Gleichzeitig sollte das Inokulumvolumen minimiert werden, um Kosten einzusparen. Die Modelle wurden durch Bestätigungsläufe validiert und lieferten 1,23 mg g⁻¹ und 15,54 mg L⁻¹ Ergosterol unter optimierten Bedingungen mit 4,4% (v/v) Inokulum. Um Kosten einzusparen und die Fermentation weiter zu optimieren, wurden semi-kontinuierliche Fermentationsstrategien angewendet. Hierbei wurde ein Teil der Fermentationsbrühe als Inokulum für folgende Kulturen verwendet oder der Kulturüberstand als Wasserersatz in frischen Medien verwendet. In jeweils vier aufeinanderfolgenden Generationen wurden keine negativen Auswirkungen auf das Pilzwachstum festgestellt. Außerdem wurde durch die Fütterung von Würze während der Kultivierung im Bioreaktor das Pilzwachstum verbessert. Der Ergosterolgehalt betrug 3,39 mg g⁻¹ im Vergleich zu 1,96 mg g⁻¹ bei Fermentationen ohne Fütterung. Durch die Fermentation wurde der Reinproteingehalt in der Biomasse im Vergleich zum Treber von 16 g (100 g)⁻¹ auf 20 g (100 g)⁻¹ gesteigert und der Gesamtfettgehalt von 10 g (100 g)⁻¹ auf 4 g (100 g)⁻¹ gesenkt. Die biologische Wertigkeit wurde von 88 auf 94 verbessert, was annähernd der biologischen Wertigkeit von Myzel ohne Nebenstrom entsprach. Vor der Fermentation waren Tryptophan und Lysin limitierend, während nach der Fermentation Methionin, Cystein und Lysin limitierend waren. Für Lysin stiegen die chemical scores von 78,3 auf 92,4 an. Durch die Fermentation wurde der Anteil der ungesättigten Fettsäuren von 66% auf 70% erhöht. Die Hauptfettsäuren in der Biomasse waren Linol-, Palmitin- und Ölsäure. Mittels Kopfraum-Festphasenmikroextraktion (HS-SPME) wurden die Aromastoffe aus SBT, Myzel von 𝘗. 𝘰𝘴𝘵𝘳𝘦𝘢𝘵𝘶𝘴 und dem fermentierten Treber extrahiert. Mittels Gaschromatographie mit Tandemmassenspektrometrie und Olfaktometrie (GC-MS/MS-O) wurden in allen Proben Hexanal, 1-Octen-3-on und (𝘌)-2-Octenal nachgewiesen. Nach der Fermentation wurden Furfural, (𝘌)-2-Nonenal, 2-Furanmethanol und 2-Phenylethanol nicht mehr nachgewiesen. Dafür wurden 3-Methylbutanal, 3-Octanon, 1-Octen-3-ol und Benzaldehyd nachgewiesen. 1-Octen-3-on war in allen Proben der Aromastoff mit dem höchsten Aromaverdünnungs- (FD-)Faktor. In beiden Myzelien wurde ein FD-Faktor von ≥ 256 bestimmt. Durch ein Panel wurde der Geruch der aufgetauten Biomasse aus SBT und P. ostreatus als würzig und leicht pilzartig und geröstet beschrieben. Aufgrund der Konsistenz wurde die aufgetaute Probe der nicht zuvor eingefrorenen vorgezogen. Durch die Fermentation mit 𝘗. 𝘰𝘴𝘵𝘳𝘦𝘢𝘵𝘶𝘴 wurde der Schwarzbiertreber innerhalb von vier Tagen im Hinblick auf den Reinproteingehalt, die biologische Wertigkeit und die Fettsäureverteilung aufgewertet. Der fermentierte Treber stellt ein Ausgangsprodukt für die Extraktion von Mykoprotein oder die Entwicklung eines Fleischersatzproduktes dar. Die Ergebnisse aus den semi-kontinuierlichen Kulturführungen über mehrere Generationen und den Fed-Batch Experimenten suggerieren weiteres Optimierungspotential der Fermentation. Aus dem Screening geht hervor, dass neben der Kombination von 𝘗. 𝘰𝘴𝘵𝘳𝘦𝘢𝘵𝘶𝘴 und SBT weitere Pilz-Treber-Kombinationen zur Aufwertung von weiterem Biertreber geeignet sind. Durch die Vergrößerung des Prozesses in einen Industrie-Maßstab und weitere Optimierung könnte sämtlicher in der Brauerei anfallender Biertreber fermentiert und für die Lebensmittelindustrie zugänglich gemacht werden.