Biotechnologische Produktion von Basidiomyceten-Proteinen auf industriellen Nebenströmen zur Herstellung von Nahrungsmitteln

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurden insgesamt sieben Basidiomyceten mit vier verschiedenen industriellen Nebenströmen als alleiniger Kohlenstoffquelle submers kultiviert. Drei verschiedene Pilz-Substrat-Kombinationen (Lentinula edodes auf Karottentrester (6 Tage, 1,92 g Protein L-1), Pleurotus sajor-caju (4 Tage, 3,37 g Protein L-1) und Pleurotus sapidus (5 Tage, 2,87 g Protein L-1) auf Isomaltulose-Melasse) stellten sich in Anbetracht von Kultivierungsdauer und Proteingehalt als vielversprechend dar. Neben der Kultivierung im Schüttelkolben wurde eine Maßstabsvergrößerung auf 7,5 L bzw. 150 L-Fermenter erfolgreich umgesetzt. Das zur Submerskultivierung verwendete M2 Medium wurde in Bezug auf die Kosten so optimiert, dass auf eine günstige Stickstoffquelle wie Hefeextrakt anstelle des teureren Mono-Natrium-L-Aspartats zurückgegriffen werden konnte.Das gefriergetrocknete Mycel wurde mit gängigen lebensmittelchemischen Methoden analysiert. Neben der Feuchte wurden der Asche-, Rohprotein- Rohfett- und Kohlenhydratgehalt der verschiedenen Pilz-Substrat-Kombinationen bestimmt. Parallel wurden alle Substrate hinsichtlich der gleichen Parameter analysiert. Zur weiteren Nährwertbestimmung wurde die Kohlenhydratfraktion näher betrachtet und die einzelnen Zucker chromatographisch und enzymatisch bestimmt. Zudem wurde der Gehalt an Gesamtglucanen und Chitin ermittelt. Die Fettsäurezusammensetzung wurde mittels GC-FID und GC-MS ermittelt. Dabei konnten vier Fettsäuremethylester als Hauptfettsäuren quantifiziert (Linol-, Palmitin-, Stearin- und Ölsäure) werden. Der Mineralstoffgehalt wurde mittels optischer Emissionsspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma analysiert. Die Pilz-Substrat-Kombinationen stellten sich als gute Phosphor-, Kalium- und Calcium-Quellen heraus. Darüber hinaus wurden die Mycelien auf Vorhandensein von Schwermetallen wie Blei und Cadmium spektroskopisch analysiert. Es wurde keine Schwermetallbelastung ermittelt. Zur Beurteilung der Qualität des Proteins wurde der Aminosäuregehalt bestimmt und die biologischen Wertigkeiten sowie die limitierenden Aminosäuren berechnet. Ein neuer interner Proteinumrechnungsfaktor wurde anhand des Stickstoff-Gehalts (Kjeldahl und Aminosäuren) berechnet.Um Ergosterol zu Vitamin D2 zu transformieren, wurden die Lyophilisate mit UV-B-Strahlung belichtet und mittels HPLC auf den Vitamin D2-Gehalt hin analysiert. Eine Belichtungszeit von wenigen Sekunden reichte aus, um hinreichende Mengen an Vitamin D2 zu bilden. Durch Hitzebehandlung des Mycels konnte der Nukleinsäuregehalt um bis zu 99% reduziert und damit gewährleistet werden, dass der Puringehalt im Pilzmycel gering ist.

In the present study a total of seven basidiomycetes were submerged cultivated with four different industrial side streams as the only carbon source . Three different fungus-substrate combinations (Lentinula edodes with carrot peels (6 d, 1.92 g Protein L-1), Pleurotus sajor-caju (3 d, 3.37 g Protein L-1) und Pleurotus sapidus with molasses (5 d, 2.87 g Protein L-1)) were very promising considering cultivation time and protein content. In addition to the cultivation in shake flasks, a scale up to 7.5 L and 150 L fermenters was successfully implemented. The M2 medium used for submerged cultivation was optimized in terms of costs so that a favorable source of nitrogen such as yeast extract could be used instead of the more expensive mono-sodium L-aspartate.The freeze dried mycelium was analyzed by standard methods of food chemistry. In addition to the moisture, the ash, protein, fat and carbohydrate contents of the various fungus-substrate combinations were determined. In parallel, all substrates were analyzed in the same way. For further determination of the nutritional value, the carbohydrate fraction was examined in detail and the individual sugars were determined chromatographically and enzymatically. Furthermore, the content of total glucans and chitin were determined. The fatty acid composition was determined by use of GC-FID and GC-MS, whereby four fatty acid methyl esters could be quantitated as main fatty acids. The mineral content was analyzed by means of optical emission spectroscopy with inductively coupled plasma. The fungus-substrate combinations turned out to be rich sources of phosphorus, potassium and calcium. In addition, the absence of the heavy metals lead and cadmium was demonstrated by means of spectroscopy. To assess the quality of the protein, the amino acid content was determined and the biological values as well as the limiting amino acids were calculated. A new nitrogen to protein conversion factor was calculated on the basis of the nitrogen content (Kjeldahl, amino acids).To transform ergosterol into vitamin D2, the freeze dried mycelia were exposed to UV-B radiation and analyzed for vitamin D2 content by HPLC. Just a few seconds of exposure time was sufficient to form sufficient amounts of vitamin D2. The problem of gout caused by purine-rich foods could be reduced by heating the mycelium. By this method, the nucleic acid content could be reduced by 99%.