Untersuchung des Nutzens von Schimmelpilzen und Hefen

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Inhaltsverzeichnis

1.  Einleitung  2

2.  Schimmelpilze und Hefen allgemein  2

2.1  Systematische Einordnung von Schimmelpilzen und Hefen  2

2.2  Bedeutung in der Biotechnologie  3

2.2.1  von Schimmelpilzen  3

2.2.2  von Hefen  6

2.3  Vermehrung und Fortpflanzung von Schimmelpilzen und Hefen  6

2.4  Ökologie von Schimmelpilzen und Hefen  8

3.  Alkoholische Gärung  10

3.1  Hefen bei der alkoholischen Gärung  10

3.2  Abiotische Einflussfaktoren auf die alkoholische Gärung  13

4.  Mikrobiologische Arbeitsweisen/Auswertung des Praktikums  14

5.  Schlussteil  14

5.1  Zusammenfassung  14

5.2  Literaturverzeichnis  16

5.3  Anhang  18

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1. Einleitung

In dieser Facharbeit werde ich eine systematische Einordnung der Schimmelpilze und Hefen vornehmen und außerdem Bedeutung in der Biotechnologie, Vermehrung, Fortpflanzung und Ökologie dieser erläutern und darstellen.

Zudem werde ich die alkoholische Gärung erklären, wobei ich besonders auf die Bedeutung von Hefen eingehen werde und auf den Einfluss abiotischer Faktoren bei der Gärung. Zudem werde ich mein vom 30.01.2007 bis zum 01.02.2007 durchgeführtes Praktikum zu Schimmelpilz-, Hefe- und Bakterienkulturen auswerten.

Es ist anzunehmen, dass es nicht eindeutig möglich ist, Schimmelpilze und Hefen einzuordnen, da es extrem viele und unterschiedliche Arten von ihnen gibt. Zudem werden die Bedeutungen in der Biotechnologie vermutlich vielfältig sein und nicht alle in dieser Facharbeit fassbar. Darum werde ich mich auf die Lebensmittelherstellung, speziell auf Käse und Wurst, beschränken.

Auch die Ökologie der Schimmelpilze und Hefen wird eine viel zu große Informationsbreite darstellen, als dass ich alle abiotischen Umweltfaktoren behandeln könnte. Somit werde ich mich auch dort auf einige wenige Einflussfaktoren beschränken.

Ich werde allerdings auch versuchen, den großen Komplex der alkoholischen Gärung so weit wie möglich zu erläutern und auch dort die abiotischen Einflussfaktoren zu nennen und zu erklären.

Das Praktikum werde ich in der Form von Protokollen auswerten.

2. Schimmelpilze und Hefen allgemein

2.1 Systematische Einordnung von Schimmelpilzen und Hefen

Die systematische Einordnung der Pilze und Hefen erwies sich in der Wissenschaft schon immer als schwierig. Da sie große morphologische Ähnlichkeit mit einigen Pflanzen besitzen und außerdem eine sessile Lebensweise vollziehen, wurden Pilze lange Zeit in das Reich der Pflanzen eingeteilt und in botanischer Form behandelt. Seit 1969 jedoch werden die Pilze nach Whittaker in einem eigenen Reich klassifiziert.

So gehören die Pilze zu den Eukaryoten ¹ , sind aber mehr mit den Tieren als mit den Pflanzen

verwandt, wie man mit der 18S-rRNA-Analyse festgestellt hat. Sie werden in vier große

¹ Organismen mit echtem Zellkern (Vgl. Der Brockhaus multimedial 2007 Premium, Suchbegriff: Eukaryoten)

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Gruppen eingeteilt. So gibt es die Chytridio- ² , die Zygo- ³ , die Asco- ⁴ , und die Basidiomycota ⁵ . 6

Schimmelpilze sind keine eigene systematische wissenschaftliche Einheit. Ihre Bezeichnung bezieht sich nur aus dem allgemeinen Sprachgebrauch, in welchem wir als Schimmelpilze die samtigen oder flockigen, teils auffällig gefärbten Beläge von Nahrungsmitteln, welche auf ihren Verderb hinweisen, bezeichnen. So umfassen Schimmelpilze im allgemeinen Pilze, welche im Boden oder konzentrierten Nährstofflösungen leben, saprophytisch leben können, ein typisches Myzel ⁷ bilden und sich überwiegend ungeschlechtlich durch Sporen ⁸ oder sexuell durch sehr kleine Fortpflanzungsorgane vermehren. Nach dieser Definition ⁹ gehören

viele Pilzarten, wie z.B. viele Schlauchpilze, einige Ständerpilze und wenige Brandpilze, zu den Schimmelpilzen.

Als Hefen werden hingegen alle Pilze bezeichnet, die in einer einzelligen Form vorliegen, keine Hyphen bilden und sich durch Sprossung oder Teilung vermehren. So umfasst die Bezeichnung Hefe häufig Schlauchpilze, aber auch einige Ständerpilze. 10

2.2 Bedeutung in der Biotechnologie

2.2.1 von Schimmelpilzen

Schimmelpilze und andere Mikroorganismen wie Bakterien wurden schon seit langer Zeit für die Lebensmittelherstellung verwendet. So wurden vor allem in den westlichen europäischen Ländern die Bakterien meist gezielt eingesetzt, Schimmelpilze aber waren immer schon von untergeordneter Bedeutung, wurden dafür aber in den asiatischen Ländern schon sehr lange für die Lebensmittelherstellung genutzt. Außerdem werden viele wichtige organische Stoffe aus Schimmelpilzen gewonnen. Seit einigen Jahren werden sie auch zur Herstellung von krankheitsmildernen Stoffen genutzt.

² Töpfchenpilze (Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Pilze, 06.12.2006, 19:26 Uhr)

³ Jochpilze (Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Pilze, 06.12.2006, 19:26 Uhr)

⁴ Schlauchpilze (Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Pilze, 06.12.2006, 19:26 Uhr)

⁵ Basidienpilze (Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Pilze, 06.12.2006, 19:26 Uhr)

⁶ Vgl. Munk, Katharina: Grundstudium Mikrobiologie, Spektrum-Akademischer Verlag, Berlin, 2000, S. 5-1)

⁷ Gesamtheit der Hyphen eines Pilzes, welches das Pilzgeflecht bildet (Vgl. Der Brockhaus multimedial 2007 Premium, Suchbegriff: Myzel)

⁸ Der ungeschlechtlichen Fortpflanzung dienende Keimzellen (Vgl. Der Brockhaus multimedial 2007 Premium, Suchbegriff: Sporen)

⁹ Nach DELITSCH(1943)

¹⁰ Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Hefen, 05.12.2006, 15:33 Uhr

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Bei der Herstellung von organischen Produkten in der großtechnischen Industrie muss man die Schimmelpilze in zwei wichtige Gruppen einteilen: die Primärmetabolite und die Sekundärmetabolite.

Als Primärmetabolite bezeichnet man die Stoffe, die beim Grund- oder Primärstoffwechsel der Schimmelpilze gebildet werden und somit notwendige Stoffe für Wachstum und Entwicklung der Schimmelpilze sind, wie z.B. die niedermolekularen Bestandteile der Zelle, wie Aminosäuren, Vitamine oder Nucleotide, oder die Zwischenprodukte des Intermediären Stoffwechsels, wie beispielsweise die Säuren des Citronensäurezyklus. Da aber in Zellen immer nur genau so viele Primärmetabolite gebildet werden, wie auch gerade benötigt werden, werden in der Industrie die Regulationsmechanismen der Zelle umgangen oder gestört, sodass man eine industriell verwendbare Ausbeute erhält. Durch den Zusatz von Mutagenen ¹¹ , wie UV-Strahlen oder chemischen Stoffe, können so Mutanten mit bis zu 10.000facher Ausbeute an Primärmetaboliten hergestellt werden.

Sekundärmetabolite sind jedoch schwerer herzustellen als Primärmetabolite, da sie nicht in jeder Zelle verbreitet sind, sondern meist nur auf einige Arten beschränkt sind und nur in stark begrenzten Entwicklungsphasen der Organismen gebildet werden, ohne dass sie für die Zelle selbst einen weiteren Nutzen darstellen. Im Gesamtorganismus besitzen sie aber wichtige Eigenschaften, wie z.B. als Träger der chemischen Abwehr. ¹² Durch den Primär- und Sekundärstoffwechsel werden organische Säuren, wie z.B. die Citronensäure für die Getränkeindustrie oder die Itaconsäure für Weichmacher, hergestellt. Diese werden meist aus der der Gattung Aspergillus, aus Abteilung der Ascomycota, gewonnen, da diese in der Lage sind, organische Säuren in großen Mengen an ihr Nährsubstrat abzugeben, sodass man diese industriell isolieren und nutzen kann. Außerdem werden Enzyme ¹³ von den Schimmelpilzen in das Nährsubstrat abgegeben, damit sie die Nährstoffe aus dem Substrat nutzen können.

Ein weiteres wichtiges organisches Produkt, welches man durch Schimmelpilze gewinnen kann, sind Antibiotika. Diese sind aber bis heute nur auf vorbehandelten Nährsubstanzen und nicht im natürlichen Boden nachgewiesen uns gezüchtet worden, sodass diese in der Natur gar nicht oder nur in sehr abgeschwächter Form vorhanden sind. Auch Duft- und Aromastoffe für die Lebensmittelindustrie können gewonnen werden, da einige Schimmelpilze Beta-Ketosäuren-2-Alkanole ausbilden, welche einen fruchtigen bis

¹¹ Natürliche, synthetische Stoffe und Strahlen, welche Mutationen hervorrufen können (Vgl. Der Brockhaus multimedial 2007 Premium, Suchbegriff: Mutagene)

¹² Vgl. Reiß, Jürgen: Schimmelpilze-Lebensweisen, Nutzen, Schaden, Bekämpfung, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 1998, S. 84ff

¹³ In den Zellen gebildete hochmolekulare Proteine, die als Biokatalysatoren den Stoffwechsel von Organismen steuern (Vgl. Der Brockhaus multimedial 2007 Premium, Suchbegriff: Enzyme)

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pilzigen Geruch haben. Diese Aromastoffe werden aber bis jetzt in der Bundesrepublik Deutschland nach dem geltenden Lebensmittelgesetz nur schwer bis gar nicht eingesetzt.

Bei der Herstellung von Lebensmitteln wurden Schimmelpilze bis jetzt nur wenig im Vergleich zu Bakterien oder Hefen verwendet. Man muss allerdings bei Lebensmitteln unterscheiden, ob die Schimmelpilze zusammen mit ihrem Wachstumssubstrat verzehrt werden, wie z.B. bei Käse- oder Fleischwaren, oder allein.

Der direkte Verzehr von Kleinpilzen wird zur Tiernahrungszubereitung besonders in Finnland genutzt, da dort der Pilz Paecilomyces varioti auf Sulfidablauge kultiviert wird und zu einem Lebensmittel mit ca. 50% Eiweiß-Gehalt verarbeitet wird. Dieses wird aufgrund seines sehr strengen Geschmackes unter Zusatz von schwefelhaltigen Verbindungen nur an Tiere verfüttert und heißt Pekilo.

Schimmelpilze können Nahrungsmittel allerdings auch fermentieren, d.h. sie setzen diese Materialen um. Meist wird dadurch eine Verbesserung der Nahrungsmittel im Geschmack erreicht, sie werden haltbarer gemacht oder der Geruch des Nahrungsmittels wird verbessert ¹⁴ . So wird Blauschimmelkäse mit Sporen des Pilzes Penicillium roqueforti versetzt, sodass sich mit Zusatz von Sauerstoff in den Hohlräumen des Käses ein Mycel bilden kann, welches den Bruch erweicht und durch Proteolyse ¹⁵ einen besonderen Geschmack hervorruft. Durch Eiweiß-, Aminosäuren-, Milchfett- und Fettsäurenabbau werden Methylketone, welche den typischen scharfen Geschmack des Käses hervorrufen, und Aromastoffe hergestellt. Am Ende des Prozesses bleibt der Schimmelpilz einfach im Käse zurück und wird mit ihm verzehrt. Bei anderen Käsesorten können die Pilze auch auf die Oberfläche des Käses gegeben werden, sodass diese Proteasen ¹⁶ und Lipasen ¹⁷ bilden, welche in den Käse wandern und ihn dort reifen lassen.

Bei Fleischwaren erfolgt fast dasselbe Prinzip: es wird ein Schimmelpilz, wie z.B. Penicillium nalgiovensis, auf die Wurst gegeben, sodass dieser dort einen trockenen, weißlich-grauen Belag bildet, der insbesondere Geruch, Geschmack, Haltbarkeit und die Feuchtigkeitsverteilung in der Wurst positiv beeinflusst. 18

¹⁴ Vgl. Der Brockhaus multimedial 2007 Premium(Suchbegriff: Fermentierung)

¹⁵ Hydrolytische Aufspaltung von Proteinen (Vgl. Der Brockhaus multimedial 2007 Premium, Suchbegriff: Proteolyse)

¹⁶ Zu den Hydrolasen zählende Enzyme (Vgl. Der Brockhaus multimedial 2007 Premium, Suchbegriff: Proteasen)

¹⁷ Zu den Hydrolasen zählende Enzyme (Vgl. Der Brockhaus multimedial 2007 Premium, Suchbegriff: Lipasen)

¹⁸ Vgl. Reiß, Jürgen: Schimmelpilze-Lebensweisen, Nutzen, Schaden, Bekämpfung, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 1998, S. 89ff.

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2.2.2 von Hefen

Hefen gelten als die wichtigsten kommerziell genutzten Mikroorganismen, da sie schon vor tausenden von Jahren zur Gärung von Wein und Bier genutzt wurden und auch heute weiterhin zur Produktion von Wein, Bier, Spirituosen, Lebensmitteln und zu medizinischen Zwecken Verwendung finden. Aber auch zur Brotherstellung werden insbesondere Zuckerhefen genutzt.

Zudem haben Hefen eine wichtige Rolle in der Mikrobiologie eingenommen, da sie sich leicht kultivieren lassen, leicht genetisch veränderbar sind und außerdem sehr gut untersuchen

lassen. Dadurch haben sie eine einzigartige Stellung als Modellorganismen eingenommen. 19

2.3 Vermehrung und Fortpflanzung von Schimmelpilzen und Hefen

Schimmelpilze und Hefen sind sehr weit verbreitet. Dies liegt vor allem daran, dass sie nur geringe Lebensansprüche besitzen. So können sie auf vielen Nährsubstraten wachsen, die aus den unterschiedlichsten Stoffen zusammengesetzt sein können. Zudem wird das Wachstum durch die umliegenden Temperatur, dem pH-Wert des Substrates, Licht und dem Anteil an freiem Wasser in der Umgebung bestimmt. All diese Faktoren können sich gegenseitig positiv, sowie negativ beeinflussen.

Schimmelpilze sowie Hefen vermehren sich allgemein mithilfe zweier verschiedener Prozesse, der Sprossung und der Bildung von Sporen.

Die Sprossung der Schimmelpilze und Hefen wird immer dann aktiv, wenn der jeweilige Organismus in einer wachstumsbegünstigenden Umgebung vorliegt. Das heißt, dass alle abiotischen Umweltfaktoren günstig einwirken sind und auch der Nährboden genug Nährstoffe für den Organismus bereitstellen kann.

Die Sprossung setzt ein, wenn eine Mutterzelle eine bestimmte Größe erreicht hat. Das Wachstum wird dann nur noch an einer einzigen Stelle weitergeführt, an der eine neue Zelle entsteht. So ist aus entsteht nach und nach aus einer Mutterzelle eine weitere Tochterzelle, die nach erreichen einer bestimmten Größe auch wieder anfängt, Sprossung zu betreiben. Das

Wachstum der Organismen erfolgt exponentiell. 20

Wenn Schimmelpilze oder Hefen auf einem Wachstumsbegünstigenden Substrat liegen,

erfolgt ihr Wachstum im Allgemeinen in sechs Phasen: Anlauf-Phase ²¹ ,

¹⁹ Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Hefen, 15.01.07, 17:54 Uhr

²⁰ Vgl. Munk, Katharina: Grundstudium Mikrobiologie, Spektrum-Akademischer Verlag, Berlin, 2000, S. 5-9f.

²¹ Lag-Phase

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Beschleunigungsphase, Exponentielle Wachstumsphase ²² , Verzögerungsphase, Stationäre Phase und Absterbephase. 23

Wenn Schimmelpilze oder Hefen jedoch ihre Nahrungsquelle aufgebraucht haben oder nahrungsarme Zeiten überdauern wollen, pflanzen sie sich weitgehend durch die Bildung von Sporen fort. Es gibt zwei verschiedene Sporenarten, die mitotischen, asexuellen Sporen und die meiotischen, sexuellen Sporen. Die meisten Schimmelpilze sind sogar in der Lage beide Sporenarten zu bilden, wie z.B. der Schimmelpilz A. nidulans, welcher saprotroph wächst und organisches Material aus seiner Umgebung umsetzt.

Die Entwicklung der asexuellen Sporen beginnt mit der Bildung eines Stielchens aus dem Hyphenkompartiment des Schimmelpilzes. Dieses bildet sich genau senkrecht zum Pilz aus und schwillt kurz darauf an, sodass es an seiner Oberfläche Zellen bildet, welche Metulae genannt werden. Diese wiederum bilden eine weitere Lage von Zellen, welche Phialide genannt werden und die eigentlichen Sporen bildenden Zellen darstellen. Erst jetzt beginnt die eigentliche Bildung der Sporen, indem die Phialide Konidie ²⁴ bilden.

Die älteste produzierte Spore ist an diesen Konidien immer an deren Spitze zu finden. Die grüne Pigmentierung der Konidien verleiht den Schimmelpilzen ihr typisches Aussehen, wenn sie beispielsweise auf Lebensmitteln wachsen.

Die hauptsächlich benötigten Stoffe zur Bildung der asexuellen Sporen sind Licht, Wasser und Luft, wobei die Luft nur durch den Wind garantiert, dass die Sporen verbreitet werden können. 25

Die sexuelle Fortpflanzung der Schimmelpilze lässt sich zunächst in zwei Gruppen einteilen: die sexuelle Fortpflanzung der Ascomyceten und die sexuelle Fortpflanzung der Basidiomyceten. Beide Arten sind jedoch bedingt durch eine Selbstbefruchtung innerhalb eines Pilzstammes oder durch eine Befruchtung zweier verschiedener Pilzstämme. Diese Befruchtung erfolgt mithilfe einer Fusion der jeweils gebildeten Hyphen. Die Fortpflanzung der Ascomyceten ist durch die Bildung eines Ascus ²⁶ gekennzeichnet. In

diesem verschmelzen die Zellkerne der in Kleistothecien zu diploiden Zellen. Innerhalb dieser Kleistothecien entstehen danach so genannte meiotische ²⁷ Ascosporen. Diese Sporen

²² Log-Phase

²³ Siehe Abbildung 1

²⁴ Lange Ketten von Sporen(Vgl. ebd.)

²⁵ Vgl. ebd., S. 5-11f.

²⁶ Schlauches(vgl. ebd., S. 5-15)

²⁷ sexuelle

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sind nicht zur Übersiedlung in ein anderes Gebiet gedacht, so wie die asexuellen Sporen, sondern bleiben am Schimmelpilz bis zu mehreren Jahrzehnten im Boden vorhanden, sodass der Pilz sich bei einer Verbesserung der Umweltverhältnisse neu bilden kann. Eine andere Art der sexuellen Fortpflanzung der Ascomyceten erfolgt durch die Befruchtung eines „weiblichen“ Organs, des Ascogons, mithilfe eines „männlichen“ Organs, der Trychogyne. Der weitere Ablauf bleibt jedoch derselbe.

Basidiomyceten bilden anders als Ascomyceten jedoch ihre sexuellen Sporen nicht in einem Ascus, sondern sie entstehen an einer Basidie ²⁸ . In dieser Basidie verschmelzen vorerst zwei Zellkerne zu einem diploiden Zellkern, sodass hinterher die Meiose ausgeführt werden kann. Bei der Meiose kommt es zur Bildung von vier Ausstülpungen, an denen dann die Basidiosporen ²⁹ entstehen. Diese Sporen besitzen je einen haploiden Zellkern. 30

2.4 Ökologie von Schimmelpilzen und Hefen

Schimmelpilze und Hefen haben viele unterschiedliche Ansprüche an ihre abiotische sowie ihre biotische Umwelt. Zum einen benötigen sie einen geeigneten Nährboden als Energiequelle, sie leben aber auch in Abhängigkeit von verschiedenen chemischen und physikalischen Umweltbedingungen. So können sie nur optimal wachsen, wenn alle diese Ansprüche vollständig erfüllt sind, sonst wird das Wachstum dieser Mikroorganismen gehemmt oder gar eingestellt. Dabei ist jedoch zu beachten, dass all diese Faktoren nicht unabhängig voneinander wirken, sondern sich alle gegenseitig beeinflussen. So reicht es nicht nur aus, einen Einfluss ins Optimum zu bringen und die andern unbeachtet zu lassen, sondern alle Faktoren müssen gleichermaßen berücksichtigt und aufeinander abgestimmt werden. 31

Einen wichtigen abiotischen Faktor stellt der pH-Wert dar.

So gibt es neben den normalen Umweltbedingungenen bei relativ neutralem pH-Wert zwischen fünf und neun auch Standorte, an denen saure oder alkalische Bedingungen herrschen.

Ein Großteil der Schimmelpilze und Hefen kann am besten bei einem pH-Wert von 7 gedeihen und wird deswegen neutrophil genannt.

Es gibt jedoch auch einige Ausnahmen, die aufgrund von Anpassungen in ihrem Stoffwechsel oder ihrer Membranzusammensetzung auch bei extrem sauren Bedingungen unter fünf oder

²⁸ Diploide Zelle der Basidiomyceten(vgl. ebd., S. 5-15)

²⁹ sexuelle Sporen der Basidiomyceten

³⁰ Vgl. ebd., S. 5-11ff.

³¹ Vgl. ebd., S. 7-1f.

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gar bei einem pH-Wert von zwei optimal wachsen können. Solche in extrem sauren Milieus wachsenden Organismen werden als acidophil bezeichnet. Zusätzlich ist zu sagen, dass es auch Pilze und Hefen gibt, die das saure Milieu um sie herum selbst durch die Bildung von Säuren, wie z.B. der Schwefelsäure, hervorrufen, da dieses deren Funktionen, z.B. als Eisenoxidierer, unterstützt.

Aber auch hohe pH-Werte können von manchen Schimmelpilzen und Hefen toleriert werden, diese werden dann Alkalophil genannt.

Sauerstoff nimmt sehr unterschiedlichen Einfluss auf die Pilze und Hefen. Sie werden in drei große Gruppen eingeteilt: aerob, anaerob und fakultativ anaerob lebende Schimmelpilze oder Hefen.

Aerob wachsende Organismen benötigen Sauerstoff zum wachsen und werden zudem in obligat aerobe und Microaerophile eingeteilt. Obligat aerobe Organismen können nicht ohne Sauerstoff leben, da sie ihn für ihre Zellatmung benötigen. Es besteht jedoch ein Unterschied zu Microaerophilen, da diese zwar auch Sauerstoff zum Wachstum benötigen, aber nur unter einer Konzentration von 21% überleben können, also nur unter dem normalen Sauerstoffgehalt der Luft.

Anaerobe Pilze und Hefen können im Unterschied zu aeroben Organismen auch beim Nichtvorhandensein von Sauerstoff wachsen, da sie die Fähigkeit entwickelt haben, andere Stoffe außer Sauerstoff aus ihrer Umgebung als Elektronenakzeptoren für ihre Zellatmung zu nutzen. Sie werden in aerotolerante und obligat anaerobe Organismen eingeteilt, wobei zwischen den Lebensweisen der beiden Arten erhebliche Unterschiede bestehen. So können aerotolerante Pilze und Hefen zwar in sauerstoffhaltiger Umgebung wachsen, ihn aber nicht für ihren Stoffwechsel nutzen, sie müssen andere organische oder anorganische Elektronenakzeptoren finden. Obligat anaerobe können hingegen nur unter dem direkten Ausschluss von Sauerstoff wachsen, da er sonst eine toxische Wirkung auf ihren Organismus hätte.

Die fakultativ anaeroben Pilze und Hefen können sowohl mit als auch ohne Sauerstoff leben. Wenn er vorhanden ist, setzen sie die Zellatmung in Gang, wenn nicht, dann nutzen sie wieder organische oder anorganische Stoffe.

Zum Sauerstoffgehalt und dem pH-Wert der Wachstumsumgebung der Pilze und Hefen spielt die vorherrschende Temperatur eine große Rolle. Jeder dieser Mikroorganismen hat eine spezifische optimale Temperatur, bei der die Wachstumsrate des jeweiligen Pilzes oder der jeweiligen Hefe am höchsten ist. Bei Temperaturen, die um diese optimale Temperatur herum schwanken, können die Organismen auch wachsen, jedoch nur in gehemmter Weise. Wenn

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sie aber eine Maximal-, bzw. Minimaltemperatur erreichen, erreichen sie eine totale Wachstumssperre, von der an sie gar nicht mehr gedeihen können. Auch diese Temperaturen sind von Organismus zu Organismus unterschiedlich. Zudem werden sie in vier große Gruppen eingeteilt.

Die mesophilen Organismen gedeihen am besten bei Temperaturen von 20 bis 42°C, psychrophile Organismen bei unter 20°C, thermophile bei über 40°C und die extrem thermophilen Schimmelpilze und Hefen erreichen gar erst bei über 65°C ihre optimale Wachstumstemperatur. 32

3. Alkoholische Gärung

3.1 Hefen bei der alkoholischen Gärung

Bei dem Prozess der Gärung werden organische Substanzen in Stoffwechselprozessen in Energie und andere Nebenprodukte umgewandelt. Dieser Prozess verläuft immer anaerob ³³ . ³⁴ Für die alkoholische Gärung, auch Ethanol-Gärung genannt, bedeutet dies, dass energiereiche Kohlenhydrate, vor allem Glucose, Fructose, Saccharose, Maltose und Maltotriose ³⁵ , unter Ausschluss von Sauerstoff zu Energie, Ethanol und Kohlenstoffdioxid umgewandelt werden. Insgesamt wird die Gärung in zwei große Schritte eingeteilt: die Glykolyse und die weitere Umwandlung des Pyruvats in Ethanol. Dazu werden jedoch Mikroorganismen benötigt, wie z.B. verschiedene Hefe-Arten. 36

Die Hefen werden gebraucht, da sie über ihren Stoffwechsel Kohlenhydrate in für sie benötigte Energie umwandeln. Zudem beinhaltet die normale Hefezelle in ihrer Zellmembran, ihrem Zellplasma, in der Vakuole und in ihrem Zellkern die zur Gärung benötigten Enzyme, wie z.B. Hydrolasen, Transferasen, Oxidoreduktasen, Lyasen, Isomerasen, und Ligasen. Die Kohlenhydrate werden dann von der Hefezelle in ihr Inneres, bzw. zu bestimmten Zellorganellen, wie der Zellwand oder der Zellmembran, geleitet und dort vergoren. ³⁷ Zu Beginn der alkoholischen Gärung, und damit dem Beginn der Glykolyse, wird als erstes, um die Reaktion zum laufen zu bringen, Energie benötigt. So reagiert ATP mit Glucose zu Glucose-6-phosphat und ADP, wobei am Glucosemolekül am sechsten Kohlenstoffatom eine

³² Vgl. ebd., S. 7-6f.

³³ Unter Ausschluss von Sauerstoff (Vgl. Der Brockhaus Multimedial 2007 Premium, Suchbegriff: anaerob)

³⁴ Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/G%C3%A4rungen, 15.01.07, 18:17 Uhr

³⁵ Vgl. http://www.alkoholischegaerung.de/, 04.02.2007, 10:53 Uhr

³⁶ Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Alkoholische_G%C3%A4rung, 22.01.2007, 17:34 Uhr

³⁷ Vgl. http://www.alkoholischegaerung.de/, 04.02.2007, 11:02 Uhr

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Hydroxilgruppe durch ein Phosphat-Ion ersetzt wird. ³⁸ Die Reaktion erfolgt unter der Verwendung des Katalysators ³⁹ Hexokinase und verläuft nach der allgemeinen

Reaktionsgleichung C 6 H 12 O 6 +ATP C 6 H 11 O 6 PO(OH) 2 +ADP.

Der nächste Schritt der Gärung beinhaltet die Umwandlung von Glucose-6-phosphat durch die Verwendung von Phosphoglucose-Isomerase zu Fructose-6-phosphat. ⁴⁰ Diese Reaktion

bestimmt nur die Veränderung der Struktur des Moleküls, hat aber keine besondere Funktion zur energetischen Steigerung des Moleküls. Die veränderte Struktur des Glucose-6-phosphats zum Fructose-6-phosphat ermöglicht dem Molekül statt nur eines Phosphat-Ions am sechsten Kohlenstoffatom auch noch weiteres am ersten Kohlenstoffatom aufzunehmen. Dies geschieht in der Reaktion von Fructose-6-phosphat mithilfe von ATP und Phosphofructokinase zu Fructose-1,6-diphosphat. ⁴¹ Die allgemine Reaktionsgleichung für

diese Reaktion lautet C 6 H 11 O 6 PO(OH) 2 +ATPC 6 H 10 O 6 (PO(OH) 2 ) 2 +ADP. Es wurde wieder Energie benötigt, um die Reaktion voran zu treiben, insgesamt schon zwei ATP-Moleküle. Um weiter reagieren zu können, muss das Atom nun isomerisiert ⁴² werden. Dabei wird die

Ringform des Fructose-1,6-diphosphatatoms zwischen dem Ring-Sauerstoff-Atom und dem zweiten Kohlenstoffatom gespalten. ⁴³ Die Hydoxilgruppe des Kohlenstoffatoms gibt hierbei

ein Wasserstoffatom ab und bildet eine Doppelbindung ihrem dazugehörigen Kohlenstoffatom ein. Das abgespaltene Wasserstoffatom lagert sich am ehemaligen Ring-Sauerstoff-Atom an, bildet dort eine neue Hydroxilgruppe und es entsteht das kettenförmige Isomer des Fructose-1,6-diphosphats. Nachdem das Isomer entstanden ist, befindet es sich jedoch in einem stark instabilen Zustand, welcher durch die Phosphatgruppen hervorgerufen wird. Diese besitzen eine so stark negative Ladung, dass die gesättigte Bindung zwischen dem dritten und vierten Kohlenstoffatom geschwächt und anschließend gespalten wird. Es liegen insgesamt betrachtet aber immer nur 11% der Fructose-1,6-diphosphatmoleküle in dieser gespaltenen Form und davon wiederum 96% als Dihydroxyaceton-Phosphate und 4% als Glycerinaldehyd-3-Phosphate vor. Zur Weiterreaktion wird dabei jedoch nur das Glycerinaldehyd-3-Phosphat benötigt. Es ist bei dieser Reaktion zu beachten, dass die Dihydroxyaceton-Phosphate und die Glycerinaldehyd-3-Phosphate ineinander umgewandelt werden können, die stärkere Teilchenkonzentration aber immer auf der Seite der Dihydroxyaceton-Phosphate liegt. Durch die immer fortlaufende Weiterreaktion und somit

³⁸ Abbildung 2

³⁹ Stoff, der eine chemische Reaktion ermöglicht, beschleunigt oder in eine bestimmte Richtung lenkt (Vgl. Der Brockhaus multimedial 2007 Premium, Suchbegriff: Katalysator)

⁴⁰ Abbildung 3

⁴¹ Abbildung 4

⁴² Umlagerung chemischer Verbindungen in Isomere (Vlg. Der Brockhaus multimedial 2007 Premium, Suchbegriff:Isomerie)

⁴³ Abbildung 5

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durch die immer weiter fortlaufende Entfernung der Glycerinaldehyd-3-Phosphate, werden die Dihydroxyaceton-Phosphate, unter Zuhilfenahme der Triosephosphat-Isomerase, immer weiter in Glycerinaldehyd-3-Phosphate umgewandelt, was nach der Gleichung CH 2 OH-CO-CH 2 O-PO(OH) 2 CHO-CHOH-CH 2 O-PO(OH) 2 geschieht.

Die nachfolgende Reaktion benötigt einen bestimmten Katalysator, die Glycerinaldehyd-3phosphat-Dehydrogenase. Es werden nun die vorher entstandenen Glycerinaldehyd-3-Phosphate unter Zuhilfenahme des Katalysators oxidiert, wobei sie immer ein Wasserstoff-Atom und ein weiteres Elektron an ein NAD+ ⁴⁴ -Ion abgeben. Dies hat zur Folge, dass das NAD ⁺ -Ion zu einem NADH-Atom reduziert wird. Hinzu kommt ein weiteres Phosphat-Ion, welches sich am dritten Kohlenstoff-Atom platziert und so das Zwischenprodukt 1,3-Diphosphat-Glycerat bildet. Für diese Reaktion gilt die allgemeine Reaktionsgleichung CHO-CHOH-CH 2 O-PO(OH) 2 + P i + NAD ⁺ PO(OH) 2 -CH 2 O-CHOH-COO-PO(OH) 2 + NADH. Dieses extrem instabile Atom gibt nun wieder mithilfe der Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase ein Phosphat-Ion an ein ADP-Ion ab, sodass dieses zu ATP umgewandelt wird. Diese Reaktion erfolgt nach der Gleichung PO(OH) 2 -CH 2 O-CHOH-COO-PO(OH) 2 + ADP PO(OH) 2 -CH 2 O-CHOH-COO ^- + H ⁺ + ATP. ⁴⁵ Dadurch entsteht aus dem 1,3-Diphosphat-Glycerat das 3-Phosphoglycerat, welches eine Carboxylgruppe besitzt und sich sofort in eines seiner Isomere, das Glycerat-2-Phosphat umwandelt ⁴⁶ . Diese Umwandlung ist notwendig um die Bildung einer Doppelbindung zwischen dem zweiten und dem dritten Kohlenstoff-Atom zu ermöglichen. Bei der Bildung der Doppelbindung entsteht nach der Gleichung PO(OH) 2 -CH 2 O-CHOH-COO ^- CH 2 -COPO(OH) 2 -COO ^- + H 2 O das auch zur ATP-Sythese genutzte Phospho-Enol-Pyruvat. 47

Dieses Zwischenprodukt reagiert nun mit ADP, wobei Pyruvatkinase ⁴⁸ als Katalysator genutzt wird. Das PEP ⁴⁹ gibt sein Phosphat-Ion ab, das ADP nimmt es auf und es entstehen ATP und Pyruvat. ⁵⁰ Durch das hinzugewonnene ATP ist für die Hefe wieder Energie entstanden, sodass sich die alkoholische Gärung für sie auszahlt. Diese Rektion erfolgt nach der Reaktionsgleichung CH 2 -COPO(OH) 2 -COO ^- + ADP CH 3 -CO-COO ^- + ATP. Damit ist die Glykolyse abgeschlossen und das Pyruvat reagiert weiter.

Der nächste Schritt zur Vollendung der Gärung ist die Versetzung des Pyruvats mit einem Wasserstoff-Ion, wobei das Enzym Pyruvat-Decarboxylase verwendet wird. Es entstehen

⁴⁴ Nicotinsäurreamid-adenin-dinucleotid (Vgl. Der Brockhaus multimedial 2007 Premium, Suchbegriff: NAD)

⁴⁵ Abbildung 6

⁴⁶ Abbildung 7

⁴⁷ Abbildung 8

⁴⁸ Enzym, das die letzte Teilreaktion der Glykolyse katalysiert (Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Pyruvatkinase,

28.01.07, 17:11)

⁴⁹ Phospho-Enol-Pyruvat

⁵⁰ Abbildung 9

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Acetaldehyd ⁵¹ CH 3 -CO-COO ^- und Kohlenstoffdioxid nach der Gleichung + H ⁺ CH 3 CHO + CO 2 .

Der nun letzte Schritt beinhaltet die Reaktion von Acetaldehyd zu Ethanol. Dazu wird das Ethanal mit einem Wasserstoff-Ion und NADH versetzt. Zusätzlich ist eine Alkohol-Dehydrogenase erforderlich, um eine reduzierende Wirkung hervorzurufen. Das Acetaldehyd nimmt zwei Wasserstoff-Atome auf und es entstehen Ethanol und NAD ⁺ . Für diese Reaktion gilt die allgemeine Reaktionsgleichung CH 3 CHO + H ⁺ + NADH CH 3 CH 2 OH + NAD ⁺ .

Damit ist die alkoholische Gärung abgeschlossen und es ist Ethanol, Kohlenstoffdioxid und Energie in Form von ATP entstanden. 52

3.2 Abiotische Einflussfaktoren auf die alkoholische Gärung

Verschiedene abiotische Umweltfaktoren haben erheblichen Einfluss auf die alkoholische Gärung. So können diese Faktoren die Gärung beispielsweise in Schnelligkeit, Ausbeutung an Ethanol oder Reinheit positiv oder auch negativ beeinflussen.

Als wichtigster abiotischer Einflussfaktor ist die Luft oder auch die Sauerstoffzufuhr zu nennen. Meist wird die alkoholische Gärung unter anaeroben Bedingungen gehalten, da so eine bessere Ausbeute an Ethanol hervorgerufen werden kann. Man kann jedoch auch, bei Problemen des Startes des Gärungsvorganges, eine so genannte Angärung unter Verwendung von Sauerstoff hervorrufen. 53

Zudem ist die Anwesenheit oder die Abwesenheit von Luft am Ende der Glykolyse von entscheidender Bedeutung. Die Glykolyse verläuft immer gleich, egal ob Sauerstoff an- oder abwesend ist, es entsteht am Ende immer Pyruvat. Nun spielt Sauerstoff die entscheidende Rolle für die Weiterreaktion des Pyruvats.

Bei der Anwesenheit von Sauerstoff wird das Enzym Pyruvat-Dehydrogenase gebildet.

⁵⁴ oxidiert Dieses katalysiert die fortlaufende Reaktion so, dass Pyruvat vollständig zu CO ² wird. Als Nebenprodukt entsteht Acetyl-CoA ⁵⁵ , welches im Citratzyklus letztendlich zu

Oxalacetat reagiert.

Bei Abwesenheit von Sauerstoff jedoch kann das Enzym Pyruvat-Dehydrogenase nicht gebildet werden und es wird die Pyruvat-Decarboxylase genutzt um das Pyruvat reagieren zu

⁵¹ Ethanal, Aldehyd des Ethanols (Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Acetaldehyd, 27.02.2007, 15:38 Uhr)

⁵² Vgl. http://www.hausarbeiten.de/faecher/hausarbeit/che/20414.html , 11:03 Uhr

⁵³ Vgl. http://www.wzw.tu-muenchen.de/blm/alt/bmeier/pages/43einfl.htm

⁵⁴ Kohlenstoffdioxid

⁵⁵ Acetyl-Coenzym A(Vgl. Der Brockhaus multimedial 2007 Premium, Suchbegriff: Acety-CoA)

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lassen. Dabei wird es vollständig zu CO 2 und Acetaldehyd umgesetzt. Dieses reagiert dann wie oben beschrieben weiter bis Ethanol entsteht. 56

Neben dem Sauerstoffgehalt der Luft spielt auch die Temperatur eine wichtige Rolle, da sie ein Optimum erreicht haben muss, damit die Gärung die maximale Geschwindigkeit erreicht. Obwohl jede Gärung, wie z.B. die Biergärung oder die Weingärung, verschiedene Optima in ihrer Temperatur haben, kann man allgemein sagen, dass Temperaturen von 22°C bis 27°C ein Optimum für die meisten Gärungen darstellen. Bei Temperaturen über 40°C erfolgt jedoch schon eine Einstellung der Vermehrung der Hefen, bei über 65°C sterben die Hefen sogar schon nach wenigen Minuten ab, sodass die Gärung schlecht bis gar nicht mehr stattfinden kann. Wenn die Temperaturen unter 3°C erreichen, gehen die Hefen in eine Art Ruhezustand über, wobei sie ihr Wachstum und auch die Gärung einstellen. Druck, pH-Wert, Zuckergehalt und ausreichende Nährstoffe für die Hefen stellen weitere Faktoren dar, die auf die alkoholische Gärung Einfluss nehmen.

4. Mikrobiologische Arbeitsweisen/Auswertung des Praktikums

Um mit Schimmelpilzen arbeiten zu können, müssen diese kultiviert und in geeigneter Form behandelt werden. Um dies zu ermöglichen, gibt es verschiedene Methoden, die in Labors oder auch in der Industrie verbreitete Verwendung finden. Zudem wurden verschiedene Methoden entwickelt, um Schimmelpilze oder andere Mikroorganismen bestimmen zu können und sie zu differenzieren.

Ich habe in meinem Praktikum, welches vom 30.01. bis zum 01.02.2007 in der Universität Potsdam statt fand, einen kleinen Einblick in die mikrobiologischen Arbeitsweisen bekommen können.

Meine Aufgaben und Experimente habe ich im Anhang unter den Protokollen 1-3 zusammengefasst.

5. Schlussteil

5.1 Zusammenfassung

Wie in der Einleitung vermutet, war eine Darstellung jeder einzelnen Verwendung nicht möglich. Schimmelpilze umfassen ein extrem weites Feld an Organismen, da es sich bei

⁵⁶ Vgl. Munk, Katharina: Grundstudium Mikrobiologie, Spektrum-Akademischer Verlag, Berlin, 2000, S. 8-59

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diesem Begriff nur um einen mündlich gebräuchlichen Begriff handelt. So war eine eindeutige systematisch wissenschaftliche Einordnung nicht möglich, jedoch habe ich den Begriff der Schimmelpilze weitgehend auf wenige Pilzklassen eingeengt. Das Wachstum, sowie die Sporenbildung der Schimmelpilze haben sich als abhängig von abiotischen Umweltfaktoren erwiesen, welche auf die wichtigsten eingeschränkt und erläutert habe.

Aber auch die alkoholische Gärung ist stark abhängig von abiotischen Umweltfaktoren, wie Luft, Temperatur oder pH-Wert. Es konnten waren zwar keine eindeutigen optimalen Werte genannt werden, jedoch konnte ich die ungefähren Grenzen der Einflussfaktoren herausfinden.

Es ist dringend notwendig, weiter mit Schimmelpilzen und Hefen zu arbeiten und die Technologie weiterhin auf sie abzustimmen. Sie stellen mit die wichtigsten Stoffe zur Herstellung von Lebensmitteln und auch Antibiotika dar.

So würde eine weitere Entwicklung der Biotechnologie mit Schimmelpilzen und Hefen den Menschen viele weitere Vorteile und Nutzen bereithalten. Womöglich könnte man sogar aus einigen Kulturen Antibiotika gegen heute noch unheilbare Krankheiten wie Krebs oder AIDS gewinnen.

Aber auch wenn man die Schimmelpilze und Hefen nur so weiternutzen kann, wie es heutzutage schon geschieht, werden sie weiterhin eine zentrale Rolle für die Menschen und deren Leben darstellen.

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5.2 Literaturverzeichnis

Bücher:

Munk, Katharina: Grundstudium Mikrobiologie, Spektrum-Akademischer Verlag, Berlin, 2000

Reiß, Jürgen: Schimmelpilze-Lebensweisen, Nutzen, Schaden, Bekämpfung, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 1998

Fritsche, Wolfgang: Mikrobiologie, Gustav Fischer Verlag, Jena, 1990

Held, Andreas: Prüfungstrainer Mikrobiologie, Spektrum-Akademischer Verlag, München, 2004

Roth, Frank: Giftpilze, Pilzgifte: Schimmelpilze, Mykotoxine; Vorkakommen, Inhaltsstoffe, Pilzallergien, Nahrungsmittelvergiftungen, ecomed verlagsgesellschaft mbH, 1990

Schröder, Helga: Mikrobiologisches Praktikum, Volk und Wissen Verlag GmbH, Berlin, 1991

Internet:

http://www.hausarbeiten.de/faecher/hausarbeit/che/20414.html http://www.wzw.tum.de/blm/alt/bmeier/pages/43einfl.htm http://de.wikipedia.org/wiki/Hauptseite

Lexika:

Bibliographisches Institut & F.A. Brockhaus AG: Der Brockhaus Multimedial 2007 Premium, Mannheim, 2007, Krieger, Zander & Partner GmbH München

Bildquellen:

http://www.hausarbeiten.de/faecher/hausarbeit/che/20414.html

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Munk, Katharina: Grundstudium Mikrobiologie, Spektrum-Akademischer Verlag, Berlin,

2000

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5.3  Anhang  

  Abbildung  1

  Abbildung  2

  Abbildung  3

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  Abbildung  4

  Abbildung  5

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  Abbildung  6

  Abbildung  7

  Abbildung  8

  Abbildung  9