Fort sc hri tt s beric h t

\ t i , Clem Institut fiir Giirungschcmie und -technologic der Humboldt-L'niversitat zu Berlin (Komm. Leiter: Dr. 0. M ~ ~ K E )

Neuere biochemische Aufgaben bei der grol3technischen Zuchtung und Nutzung von Hefen'

E. BERGANDER und E. LIPPERT

DK 663.132 Hefezuchtung, grol3technisch

Durch besonders in den letzten 15 Jahren intensivierte zellkonstitutive Forschungen 5ind weitere wissenschaftliche Grundlagen fur eine effektivere Verwertbarkeit der do- minierenden Stoffwechselvorgange der Hefezelle unter technologischen Bedingungen (Brauerei. Backhefeproduktion) gewonnen worden. Fur die Umsetzung in den groB- technischen MaBstab bringen kontinuierliche Verfahren oft biochemische und okonomi- sche Vorteile gegeniiber der gegenwartig noch vorherrschenden periodischen Arbeits- weise. Da die notwendige Automatisierung des Verfahrensablaufes auf einer detaillier- ten Programmierung der biochemischen ProzeSkomponenten beruht, miissen hierfiir ncue Parameter und Kennziffern erarbeitet werden. An Versuchsbeispielen wird die kontinuierliche Einstellbarkeit eiues gewiinschten Hefe/Wthanol-Verhaltnisses sowie die ebenfalls kontinuierlich reproduzierbare Stabilisierung der oft recht labilen , ,physiologi- schen" Eigenschaften - Triebkraft, Haltbarkeit - einer Backhefe erlautert. Ab- schlieBend wird auf Untersuchungen finnischer Garungsfachleute iiber biochemische 1-nterschiede von Hefen aus verschiedenen Garstufen der industriellen Backhefefabri- kation hingeeiesen.

Das Tagungsthema , ,Biochemische Probleme in der Lebensmittelchemie" gibt Gelegenheit, auf einige neuere biochemische Aufgaben hinzuweisen, die bei der groDtechnischen , , Kultivie- rung" von Hefen und ihrer Nutzung auftreten; stehen doch zahlreiche Hefen der Gattung Saccharomyces durch ihre Verwendung (Bier-, Wein- und Sektherstellung, Teiglockerung) in mger Beziehung zu Lebens- und GenuDmitteln und damit zur Lebensmittelchemie.

Basis vieler biochemischer Forschungsrichtungen sind seit etwa 15 Jahren sehr differenzierte I~ntcrsuchungen iiber zellkonstitutive Probleme. Die Aufgabe besteht dariu, das bisher mehr otirr meniger summarische oder nur qualitative \\'issen iiber Zellinhaltsstoffe quantitativ zu erfasscn untl dadurch den Schliissel fur ihre moglichst optimale Nutzbarmachung in die Hand zu bekommen. J e detaillierter vor allem die spezifischen Enzymaktivitaten bekannt sind, um s o klarer wird das Bild der Energetik und Kinetik des Stoffwechsels unter den verschiedenen biologischen Bedingungen der einzelnen Produktionszweige reproduzierbar sein. Durch wis- senschaftliche Laborarbeit sind also die Grundlagen dafiir zu schaffen, daO die Vorgange im Mikrobezirk der Hefezelle kiinftig praziser und wirksamer technologisch venvertbar werden.

1 Sach einem Vortrag bei der Vortragstagung des Fachverbandes Lebensmittelchemie der (. bcmischen Gesellschaft in der DDR ..Biochemische Probleme in der Lebensmittelchemie" in Berlin, 11./13. Dezember 1967.

3 2 Die Nahrung, 11. Jhg.. Heft z

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Fur die Garungstechnologie ist dabei innerhalb des ublichen mechanisch-technischen Produk- tionsablaufs der spezielle bi ochemische Verfahrenskomplex von vorrangiger Bedeutung.

Bekanntlich haben die Saccharomyceshefen z Moglichkeiten, ihre Lebensweise den Um- weltbedingungen anzupassen: i n anaeroben, kohlenhydrathaltigen Milieu durch die alkoholi- sche Garung, in Gegenwart von Sauerstoff durch Atmung. meist beides simultan. Man hat in Hefen bisher an die 70 Enzyme differenzieren konnen. Sie sind weder art- noch massemaDig gleichmanig in den verschiedenen Hefegattungen verteilt, auch nicht innerhalb des relativ kleinen Kreises der sogenannten Industriehefen, von denen hier ausschlieBlich die Rede sein soll. Die Unterschiede sind teils genetisch begriindet, teils aber auch nur milieu- oder verfah- rensbedingt (,,adaptive" oder .,induzierte" Enzyme). Die angedeutete Beeinflussung erstreckt sich sinngemall auch auf die Enzymkomponenten, also z. B. auf die Coenzyme sowie auf das EnzymeiweiD nach seiner Aminosaurenskala und -anordnung.

Die fur bestimmte Zwecke herangezogenen Hefepilze bediirfen bekanntlich einer Lenkung durch den Menschm. Heute wissen wir, daD derartige MaDnahmen um so zweckmainigcr ge- staltet werden konnen, jc besser der Metabolismus des Hefeorganismus erforscht ist, urn von dieser Seite her die diskontinuierlichen, periodischen durch die wirtschaftlicheren kontinuier- lichen Verfahren ablosen zu konnen. In der Garungsindustrie betrifft das vor allem die Bier- und die Backhefeherstellung. Das okonomische Ziel kann dabei nur durch die technische MaDnahme der Automatisierung der Verfahrenssteuerung erreicht und dies wiederum nur auf der Basis einer detaillierten Programmierung der biochemischen Vorgange in die Praxis umgesetzt werden. Neue Parameter, Kennziffern und Richtwerte auf wissenschaftlicher Grundlage sind erforderlich. In vielen Landern, auch in der DDR. sind Arbeitskreise an der Losung derartiger Komplexaufgaben tltig.

Die Bedeutung der kontinuierlichen Kulturmethode liegt darin, daD sie den Moglichkeiten und Bedurfnissen der sich vermehrenden Zellen besser entspricht als die diskontinuierlichc ,,Batchkultur". Es bieten sich dabei giinstigere Aspekte fur das Studiurn aller physiologischen Prozesse.

Eine kontinuierliche Kultur ist - als offenes System - durch ein thermodynamisches Un- gleichgewicht charakterisiert, durch das ,,FlieIJglcichgewicht", den ,,Steady state". In solchen stabilisierten Durchlaufprozessen kommt es iiber langere Zeit zur Konstanthaltung dominierender Parameter, insbesondere

I . zu konstanter Umsatzgeschwindigkeit des verwertbaren Substrats, 2. zur Konstanz der Bildungsrate von mikrobieller ,,Biomasse" und/oder chemischem ,.Pro-

3. zu konstanten aktuellen Konzentrationen an den Stoffwechsel fordernden bzw. hemmenden dukt" (z. B. Garungsalkohol) ;

Faktoren, z. B. Wuchsstoffen, gewissen Nebenprodukten usw.

Abb. I zeigt den Verlauf einer kontinuierlichen Kultivierung von Sacch. ccrevisiae auf Me- lassebasis in einem Einstrom-Einbottich-System. Das Arbeitsvolumen des Fermenters be- trug 4000 ml. Die Hefekonzentration wurde mit 14,s g Frischhefe je 1000 ml Wurze einge- stellt und ein Hefe/Athanol-Ausbeuteverhaltnis von 25% zu 75'7" erwartet. Danach muDtc die aktuelle Konzentration von Saccharose - auf Grund des von FRANZ [I] gefundenen KM- Wertes von 2.5 g Saccharose und eines V=,-Wertes. d. h. einer [Jmsatzgeschwindigkeit von 3.2 g Saccharose - den Betrag von 2,66 g aufweisen.

Fiir obiges Verhaltnis von 25 : 75 errechnete sich eine stiindliche Umsatzgeschwindigkeit von I ,65 g Saccharose/g Hefetrockensubstanz (HTS) und eine mittlere kthanol-Bildungsgeschwin- digkeit von o,g ml/g HTS. Die absolute Athanolbildung wurde mit 14,4 ml ermittelt. Als spezifische Zunachsrate der Hefe wurde ein W-Wert von 0,223 zugrunde gelegt.

Nach Abb. z wurde das geplante Ausbeuteverhaltnis mit nahezu I O O ; ~ erreicht, berechnet auf Basis der Melasse-Einsatzfaktoren von I g fur I g Frischhefezuwachs mit 270/b TS (FHZ) und 2,75 g fur I ml Athanol [z].

Bekanntlich sind die hier im Versuch verwendeten Sacch. cerevisiae der Prototyp der Back- hcfen. Ihre Herstellung zeitigt interessante biochemische Situationen, weil die Zellen sich selbst quasi als lebenden Massenartikel produzieren miissen. an den fur den weitcren Verbrauch bestimmte , ,physiologische" Anforderungen gestellt werden, die handelsiiblich als ,,Trieb-

GroBtechnische Ziichtung von Hefen 481

2 : 16

3

- 0 1

g o -\hb. I . Verlauf einer kontinuierlichen

cerevisiae in Melassewiirze mit einem geplanten Ausbeuteverhaltnis von

aerobcn Ihltivierung von Sacch. :T f 2 q 1 0 9 O N

Hefe zu .%than01 wie z5y0 : 757;. - 2 E FI-I I Frischhefe mit 27O; TS; & 20 Z = Zuwachs 10

0 10 20 30 40 50 60 t hl

kraft" und ,,Haltbarkrit" (d. i. Lagerfestigkeit) bezeichnet werden. Leider unterliegt die aus- reichende Bildung und Stabilisierung dieser beiden fur die Backereipraxis so wichtigen Wert- mcrkmale gegensatzlichen biochemischen Optimalbedingungen bei der Produktion der Back- hefe ; sie lassen sich besonders in der heute noch vorherrschenden Batchkultur nicht befriedi- gend miteinander technologisch akkomodieren. Hier bietet, wie Versuche beweisen [z], die kontinuierliche Verfahrenstechnik bessere Chancen.

I m Hinblick auf die Anforderungen an das Fertigprodukt Backhefe hinsichtlich Triebkraft untf Haltbarkeit sowie zur Erhohung der Ausbeute wurde das Einbottich-System durch ein zweites und drittes KultivierungsgefaO erganzt, in denen sich die Hefe ohne gleichzeitige .Ifthanolbildung vermehrte, allerdings rnit geringerer Zuwachsgeschwindigkeit. Aullerdem wurde zur Sicherung der Hefehaltbarkeit eine stufenweise Verringerung des Rohprotein- und I'hosphatgehalts auf 38 bis 40% bzw. 2.8 bis 3,0% angestrebt und auch erzielt. Der vierte Fermenter des Systems diente lediglich zum ,,Ausreifen" der Hefezellen im ,,Stationary state".

Fur das Gar- oder Triebvermogen von Backhefe im Teig ist neben anderen Faktoren die Maltaseaktivitiit ansschlaggebend. Abb. 3 zeigt an dem Vergleich einer wie ublich periodisch produzierten Betriebsbackhefe mit einer wahrend go h kontinuierlich gefiihrten Versuchshefe, da13 aus den manometrisch ermittelten pl COJmg HTS auf eine im zweiten Falle deutlich ver- besserte Maltaseaktivitat gegeniiber der Betriebshefc geschlossen werden darf [2].

Hinsichtlich biochemischer Unterschiede von Hefen, die wahrend der industriellen Produk- tion in den einzelnen Garstufen anfallen. wurden im Institut des Staatiichen ,4lkoholmonopols in Helsinki aufschluflreiche Versuche angestellt, besonders von SUOMALAINEN, OURA und MARTIMO. Auf einem Kolloquium des Instituts fur Garungschemie und -technologic der Hum- boldt-Universitat berichtete OURA kiirzlich iiber einige Ergebnisse. So wurde u. a. gefunden, daR sich der DNS-Gehalt von Hefen mit steigender Beliiftung erhoht. der RNS-Gehalt ver-

Abb. 2. Ausbeutekurven zu dem in Abb. I dargestellten Versuchs-

verlauf

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ringcrt. \Venn die hlenge der Nucleinsauren in Beziehung zur Anzahl dcr Zellen gesetzt wurdc. ergab sich, daO die DNS-Menge wahrend der gesamten Kultivierung fast unverandert blieb; fur RNS konnte dagegen eine signifikante Korrelation nicht festgestellt wcrden.

Des weiteren galt die Rufmerksamkeit u. a. dem Cytochronisystem. Es wurde nachgewiesen, dal3 der Gehalt der Hefcn an Cytochromen von einigen Kultivierungsbedingungen abhangig ist. Er stieg z. B. mit zunehmend aerobem Stoffwechsel. Ferner war speziell die Menge der C’ytochromoxydase um so grtioer, je geringer der Verbrauch an Zucker oder die Athanolbildung in der Wurze war. Einer von uns (LIPPERT) hatte im Sommer 1967 als Gast ties finnischen Instituts eine Zeitlang Gelegenheit, solche Untersuchungswege und -methodm an Ort und Stelle kennen zu lernen, wofur auch in diesem Zusammenhange gedankt sei. Wir sind jedoch nicht autorisiert, naheres uber die .4rbciten in Helsinki mitzuteilen, die noch nicht veroffent- licht sind. Diese bestatigen und erweitern aber zweifellos unsere Vorstellungen iiber die Bc-

Xbb. 3. Yergleich der Maltaseaktivitat einer perio- disch produzierten Betriebsbackhefe ( I ) und einer

kontinuierlich gefuhrten Versuchshefe ( I I). HTS = Hefetrockensubstanz

t [min]

deutung der konstitutiven Veranderungen in den Hcfezellen als wichtige Parameter fur die Gestaltung garungstechnologischer, insbesondere kontinuierlicher Produktionsverfahren.

Fur die angewandte Biochemie ergeben sich interessante Aspekte, z. B. fur das analytische Betatigungsfeld wie auch fur die Ausarbeitung neuer Analysenmethoden. Uns lag es heute vor allem daran, darauf hinzuwciscn, dal3 die Kontrolle dcr dominierenden zellkonstitutiven hlomente Einblicke in die stoffregulatorischen S-organge in Abhangigkeit von Milieu- und Verfahrensbedingungen vermi ttclt und dadurch zur Realisierung optimaler Kultivierungsmog- lichkeiten und guter, gleichbleibender Qualitat der groBtechnischen Endprodukte (Backhrfc. Biere) beitragen wird.

L i t e r a t u r

[ I ] FRANZ, B. : Untersuchung uber die Kinetik und Energetik des Zellzuwachses. F. A-For- schungsinstitut fur die Garungsindustrie, Enzymologie und technische Illikrobiologic, 1 0 1 7 Berlin), S. 107 (1961). 121 LIPPERT, E., Unveroffentlicht.

Prof. Dr. E. BERGANDER, 1404 Borgsdorf, Falkenstr. 51 , und Dip1.-Ing. E. LIPPERT, I 1 3 Berlin, Erich-Iiuttner-Str. 7.

Eingegangen 9. I . 1968.