Biotechnologische Konversion von Nebenströmen der Lebensmittelindustrie zu hochwertigen Aromastoffen durch Basidiomyceten

Abstract

29 Basidiomyceten wurden hinsichtlich der Bildung von natürlichen Aromastoffgemischen in Substrat-supplementierten Submerskulturen untersucht. Als Substrate dienten Karottenschalen, Blattspinat, Sellerietrester, Zwiebelschalen, Lauchtrester und Zitruspellets, die als Reststoffe in der lebensmittelverarbeitenden Industrie anfallen. Die Geruchseindrücke von 61 Biotransformationen wurden im Vergleich zu den Substrat- und Pilz-Blindwerten beurteilt und die Reproduzierbarkeit der ansprechendsten Biotransformationen überprüft. Die vielversprechendsten Geruchseindrücke wurden durch die Biotransformationen von Karottenschalen durch die essbaren Basidiomyceten Lentinula edodes und Wolfiporia cocos erhalten. Der Geruchseindruck der Transformation durch W. cocos wurde als Orange, fruchtig, blumig, Nivea-Creme und frisch beschrieben. Die Analyse der gebildeten flüchtigen Verbindungen erfolgte mittels Gaschromatographie-Massenspektrometrie und Gaschromatographie-Olfaktometrie.In der Biotransformation durch W. cocos wurden von elf olfaktometrisch detektierten Verbindungen durch Aromaextrakt-Verdünnungsanalyse für Linalool (FD-Faktor 64, 70 µg/L) und 2 Phenylethanol (FD-Faktor 64, 560 µg/L) die höchsten FD-Faktoren ermittelt. Das zur Biotransformation verwendete Medium wurde in Bezug auf die Kosten bei gleichbleibendem Geruchseindruck optimiert. Auf zusätzliche Stickstoffquellen in Form von Ammoniumnitrat oder Natriumaspartat konnte vollständig verzichtet werden. Ebenso war die Zugabe einer Vitamin-Lösung zur Bildung des Geruchseindrucks nicht notwendig. Die Kosten des Mediums wurden durch diese Maßnahmen um circa 98% gesenkt. Drei beta-Carotin-Abbauprodukte beta-Ionon, 5,6-Epoxy-beta-ionon und Dihydroactinidiolid wurden in der Biotransformation massenspektrometrisch detektiert. beta-Ionon wurde in der Biotransformation und im Substrat-Blindwert auch olfaktometrisch wahrgenom¬men. Die Dihydroactinidiolid-Konzentration wurde von ca. 240 müg/L im Substrat-Blindwert auf ca. 440 müg/L in der Biotransformation gesteigert. Eine Maßstabsvergrößerung des optimierten Systems um den Faktor 30 zeigte einen identischen Geruchseindruck und vergleichbare Gehalte der olfaktometrisch detektierten Verbindungen und bestätigte damit die Möglichkeit einer Anwendung im technischen Maßstab. Die Spaltung von beta-Carotin durch die DyP-type -Peroxidase MsP1 zu beta-Ionon, beta-Cyclocitral, 5,6-Epoxy-beta-ionon und Dihydroactinidiolid im geschlossenen System wurde optimiert und ein Abbau von 97% beta-Carotin erreicht. Die Ausbeute der gebildeten Norisoprenoide betrug ca. 15 mol%. Die Transformation unbehandelter Karottenschalen mit MsP1 in einem Ein-Enzym-System führte im Vergleich zu einem Blindwert nicht zu einem gesteigerten beta-Carotin-Abbau. To produce natural flavor mixtures, 29 basidiomycetes were cultivated in submerged culture with six different industrial by-products as sole carbon-source. Carrot peels, spinach leaves, celeriac pomace, bulb peels, leek pomace and citrus pulpe pellets served as substrates. The odor impressions were examined considering the substrate blanks and the fungus blanks. The most pleasant aroma was obtained with the biotransformation of carrot peels by Wolfiporia cocos. The odor impression was described as orange, creamy, fruity and fresh . The volatile compounds were analyzed by means of gas chromatography-mass spectrometry and gas chromatography-olfactometry. By means of aroma extract dilution analysis, linalool (FD-factor 64, 70 myg/L) and 2 phenylethanol (FD-factor 64, 560 myg/L) were found to have the highest flavor dilution factor. With regard to the costs, the biotransformation medium was optimized while maintaining the flavor impression. The addition of ammonium nitrate and sodium aspartate as nitrogen-sources was not necessary. Likewise, the addition of the vitamine solution could be omitted. Finaly, the total costs of the medium were reduced by approximately 98%. Three degradation products of beta-carotene beta-ionone, 5,6-epoxy-beta-ionone and dihydroactinidiolide were detected by means of gas chromatography-mass spectrometry. beta-Ionone was olfactometrically detected in the biotransformation as well as in the substrate blank. An increase of the concentration of dihydroactinidiolide from about 240 µg/L in the blank to about 440 µg/L in the biotransformation with W. cocos was determined. A scale-up of the optimized system by a factor of 30 with comparable yields of the same olfactometrically detected compounds confirmed the possibility of using an industrial scale. The cleavage of beta-carotene by the DyP-type peroxidase MsP1 was studied in an enclosed system. beta-Ionone, beta-cyclocitral, 5,6-epoxy-beta-ionone and dihydroactinidiolide were detected as degradation products. Under optimized conditions, 97% of the beta-carotene were degrade. The yields of the norisoprenoid compounds amounted to 15 mol%. The differences between biotransformation in submerged culture and transformation of carrot peels in a single-enzyme-system were examined. The gas chromatographic-mass spectrometric analysis of the transformation with MsP1 showed no differences to the blank-system without enzyme. MsP1 was not able to degrade beta-carotene in a complex matrix like carrot peels.