Facharbeit zur Untersuchung des Nutzens von Schimmelpilzen und Hefen

Eingereicht von:

Felix Musiol

Kleinmachnow, den 11.03.2007

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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 Eukaryoten1, 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

Basidiomycota5.6

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 Myzel7 bilden und sich überwiegend ungeschlechtlich durch Sporen8 oder

sexuell durch sehr kleine Fortpflanzungsorgane vermehren. Nach dieser Definition9 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

Mutagenen11, 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 Enzyme13 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 verbessert14.

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 Proteolyse15 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 Proteasen16 und Lipasen17 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-Phase21,

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 Wachstumsphase22, 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 Konidie24 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 Ascus26 gekennzeichnet. In

diesem verschmelzen die Zellkerne der in Kleistothecien zu diploiden Zellen. Innerhalb

dieser Kleistothecien entstehen danach so genannte meiotische27 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 Basidie28. 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

Basidiosporen29 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 anaerob33.34

Für die alkoholische Gärung, auch Ethanol-Gärung genannt, bedeutet dies, dass energiereiche

Kohlenhydrate, vor allem Glucose, Fructose, Saccharose, Maltose und Maltotriose35, 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 Katalysators39 Hexokinase und verläuft nach der allgemeinen

Reaktionsgleichung C6H12O6+ATP C6H11O6PO(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 C6H11O6PO(OH)2+ATP C6H10O6(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 isomerisiert42 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 CH2OH-CO-

CH2O-PO(OH)2

CHO-CHOH-CH2O-PO(OH)2 geschieht.

Die nachfolgende Reaktion benötigt einen bestimmten Katalysator, die Glycerinaldehyd-3-

phosphat-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-CH2O-PO(OH)2 + Pi + NAD+ PO(OH)2-CH2O-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-CH2O-CHOH-COO-

PO(OH)2 + ADP PO(OH)2-CH2O-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 umwandelt46. 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-CH2O-CHOH-COO-

CH2-COPO(OH)2-COO- + H2O das

auch zur ATP-Sythese genutzte Phospho-Enol-Pyruvat.47

Dieses Zwischenprodukt reagiert nun mit ADP, wobei Pyruvatkinase48 als Katalysator genutzt

wird. Das PEP49 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 CH2-COPO(OH)2-COO- + ADP

CH3-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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Acetaldehyd51 und Kohlenstoffdioxid nach der Gleichung CH3-CO-COO-

+ H+ CH3CHO + CO2.

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 CH3CHO + H+ + NADH CH3CH2OH + 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.

Dieses katalysiert die fortlaufende Reaktion so, dass Pyruvat vollständig zu CO 54

2 oxidiert

wird. Als Nebenprodukt entsteht Acetyl-CoA55, 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 CO2 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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19

Abbildung 4

Abbildung 5

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20

Abbildung 6

Abbildung 7

Abbildung 8

Abbildung 9

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