Die Herstellung und Veredelung von

Lebensmitteln durch Mikroorganismen

Hausarbeit im Rahmen

der Ersten Staatsprüfung für das

Lehramt an Gymnasien

vorgelegt von

Ulrike Jenß

Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald

29.03.2008

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I

Inhaltsverzeichnis

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Abkürzungsverzeichnis III

1 Einleitung 1

2 Biotechnologisch bedeutende Mikroorganismen 2

2.1 BAKTERIEN 2

2.1.1 Milchsäurebakterien 2

2.1.2 Essigsäurebakterien 7

2.1.3

Bacillus, Brevibacterium, Propionibacterium, Kocuria, Micrococcus

und

Staphylococcus

9

2.2 PILZE 11

2.2.1 Hefepilze 11

2.2.2 Schimmelpilze 12

3 Der Einsatz von Starterkulturen 14

4 Die Herstellung pflanzlicher Lebensmittel mit Hilfe von Mikroorganismen 16

4.1 SAUERGEMÜSE 16

4.1.1 Sauerkraut 17

4.1.2 Salzgurken und andere fermentierte Gemüsearten 19

4.2 BACKWAREN 21

4.2.1 Hefeteig 21

4.2.2 Sauerteig 22

4.3 ALKOHOLISCHE GÄRPRODUKTE 25

4.3.1 Bier 25

4.3.2 Wein 30

4.3.3 Schaumwein 34

4.3.4 Sherry 34

4.3.5 Ethanolherstellung 35

4.4 FERMENTATIONSPRODUKTE AUßEREUROPÄISCHER HERKUNFT 36

4.4.1 Asiatische Starterkulturen 37

4.4.2 Miso 38

4.4.3 Tempeh 39

4.4.4 Gimchi 42

4.4.5 Sojasoße 42

4.4.6 Sufu 43

4.4.7 Hamanatto und Ang-kak 45

4.4.8 Oncom 46

4.4.9 Sake 46

4.4.10 Afrikanische Fermentationsprodukte 48

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II

4.5 ALKALOIDHALTIGE LEBENSMITTEL 49

4.5.1 Kaffee 49

4.5.2 Kakao 51

4.6 DIE HERSTELLUNG ORGANISCHER SÄUREN 53

4.6.1 Citronensäure 53

4.6.2 Speiseessig 55

4.7 DER TEEPILZ KOMBUCHA 58

4.8 BIONADE ALS NEUARTIGES FERMENTATIONSPRODUKT 60

4.9 WASSER-KEFIR 63

5 Die Herstellung tierischer Lebensmittel mit Hilfe von Mikroorganismen 64

5.1. MILCHPRODUKTE 64

5.1.1 Sauerrahmbutter und Buttermilch 67

5.1.2 Sauermilch- und Joghurtprodukte 68

5.1.3 Die Käseherstellung 77

5.1.4 Probiotische Kulturen in Milchprodukten 88

5.2 FLEISCHPRODUKTE 92

5.2.1 Roh- und Kochpökelware 92

5.2.2 Rohwurst 94

5.2.3 Der Einsatz von Schimmelpilzen 97

5.3 FISCHPRODUKTE 99

6 Das Einzellerpotein als Eiweißquelle 101

6.1 HEFEN UND BAKTERIEN 102

6.2 DAS MYCOPROTEIN 105

6.3 PHOTOTROPHE MIKROORGANISMEN 108

7 Zusammenfassung 110

8 Literaturverzeichnis 111

9 Abbildungsverzeichnis 118

10 Tabellenverzeichnis 123

11 Anhang 124

I Übersicht über außereuropäische Lebensmittel 124

II Auswahlkriterien für probiotische Mikroorganismen 127

III Die Käseherstellung 128

IV Einfache Anleitungen zur Lebensmittelherstellung 129

12 Danksagung 138

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III

Abkürzungsverzeichnis

Abb.

Abbildung

ATP

Adenosintriphosphat

bar

Einheit für den Druck

biovar.

Biovarietät, Mikroorganismen gleicher Art mit biochemischen Unterschieden

C-Quelle Kohlenstoff-Quelle

C6H12O6

Glucose

ca.

circa

CO2

Kohlenstoffdioxid

ggf.

gegebenenfalls

et al.

(lat.) und andere

h

Stunde

H+

Wasserstoff-Ionen

H2

Wasserstoff

H2O

Wasser

kg

Kilogramm

l

Liter

mind.

mindestens

mg

Milligramm

NaCl

Natriumchlorid

N-Quelle

Stickstoff-Quelle

pH

negativ dekadisch logarithmierte Konzentration an H2-Ionen in einer wässrigen Lösung

pp.

(engl.) Seiten

ssp.

Subspezies (Unterart)

spp.

Spezies (Plural), mehrere Arten

Tab.

Tabelle

u.a.

und andere

u.U.

unter Umständen

v.a.

vor allem

Vol-%

Maß für den Anteil eines Stoffes in einem Gemisch bezogen auf das Volumen

z.B.

zum Beispiel

var.

Varietät einer Art

°C

°Celsius (Maß für die Temperatur)

°Oe

Grad Oechsle, Maßeinheit für das Mostgewicht des Traubenmostes

%mas

Maß für den Anteil eines Stoffes in einem Gemisch bezogen auf die Masse

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1

1 Einleitung

Zahlreiche Lebensmittel des täglichen Gebrauchs wie Brot, Bier, Käse und Wurst werden

mit Hilfe von Bakterien, Pilzen, Zellkulturen und bestimmten Enzymen hergestellt oder

veredelt. Organische Verbindungen werden dabei durch Fermentationsprozesse abgebaut.

Ursprünglich wurden mit dem Begriff ,,Fermentation" nur anaerobe Prozesse assoziiert,

während man in der modernen Biotechnologie auch aerobe Prozesse wie die

Essigsäurebildung einbezieht. (Fuchs & Schlegel, 2007).

Seit Jahrtausenden werden Mikroorganismen aus der natürlichen Umgebung in vielen

Regionen genutzt, um verschiedene Produkte herzustellen. An diesen Fermentationen sind

u.a. Hefen, Milchsäurebakterien, Essigsäurebakterien und Propionsäurebakterien beteiligt

(Krämer, 2002)

Meist werden gezüchtete Hochleistungsstämme dieser Organismen in der modernen

großindustriellen Herstellung eingesetzt, die mit Hilfe spezieller Verfahren kontinuierlich

optimiert werden. Diese kontrollierte Nutzung der Mikroorganismen ist auch entscheidend

für die Produktqualität und ­sicherheit. Außerdem müssen bei der jeweiligen Fermentation

physikalische, biologische und thermische Bedingungen exakt eingehalten werden, um das

gewünschte Produkt zu erhalten (Reiß, 1987).

In Bezug auf Lebensmittel erfüllen die Mikroorganismen unterschiedliche Funktionen. So

erhöhen sie z.B. die Verdaubarkeit der Substrate, verringern die Garzeit, verzögern den

Verderb von Lebensmitteln und fördern ein angenehmes Aroma. Das Substrat wird

teilweise mit erwünschten Nährstoffen, z.B. Vitaminen, angereichert und unerwünschte

Substratbestandteile werden entfernt. Fermentationen beanspruchen auf der anderen Seite

aber auch mehr Zeit, den Einsatz spezieller Geräte, höhere Arbeitskosten und einen

Substanzverlust durch die Abbauprozesse. Dennoch spielen die mikrobiellen Prozesse auch

in Ländern mit einem Nahrungsmangel eine große Rolle.

Das Anliegen dieser Arbeit besteht darin, einen allgemeinen Überblick über die

Herstellung von Lebensmitteln mit Hilfe von Mikroorganismen zu geben. Die Vielzahl der

Organismen, Prozesse sowie die technologischen Verfahren werden dabei aufgezeigt,

wobei v.a. auf neuartige und exotische Produkte wie Bionade, Kombucha und Tempeh

näher eingegangen wird.

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2

2

Biotechnologisch bedeutende Mikroorganismen

2.1

Bakterien

2.1.1 Milchsäurebakterien

Vor allem Milchsäurebakterien sind bei der Lebensmittelherstellung von Bedeutung. Sie

sind eine Gruppe morphologisch uneinheitlicher grampositiver, vorwiegend unbeweglicher

und katalasenegativer Bakterien, die als obligate Gärer Milchsäure ausscheiden. Man

unterscheidet stäbchenförmige

Lactobacillus

-Arten oder kokkenförmige Vertreter der

Gattungen

Enterococcus, Streptococcus

und

Leuconostoc

. Vorwiegend findet man

mesophile Milchsäurebakterien, aber einige können auch bei Temperaturen von 4°C oder

45°C wachsen (Bamforth, 2005). Mit Ausnahme von

Sporolactobacillus

bilden sie keine

Sporen (Krämer, 2002).

Milchsäurebakterien sind aerotolerante Anaerobier, deren Energiegewinnung auf der

homo- oder heterofermentativen Milchsäuregärung basiert (Fritsche, 1999). Sie sind als

obligate Gärer auf Zucker als Substrat angewiesen und enthalten in der Regel keine

Hämine, damit auch keine Cytochrome, Peroxidasen oder Katalasen (Fuchs & Schlegel,

2007). Des Weiteren säuern sie das Medium während der Gärung an (pKa der Milchsäure:

3,7). Dieser saure pH-Wert verhindert das Wachstum schädlicher Bakterien, die um Zucker

konkurrieren (Fuchs & Schlegel, 2007). Milchsäurebakterien bevorzugen dementsprechend

einen pH-Wert von 4 bis 4,5, aber manche Stämme tolerieren auch pH-Werte von 9 oder

3,2 (Bamforth, 2005).

Sie sind von besonderer Bedeutung für die Herstellung verschiedener Molkereiprodukte

sowie zur Konservierung pflanzlicher Materialien (Fritsche, 1999). Milchsäurebakterien

werden meist als GRAS (Generally Recognised as Safe) eingestuft (Bamforth, 2005).

Sie sind besonders an nähr- und wuchsstoffreiche Standorte, z.B. an sich zersetzende

Pflanzen sowie Darm und Schleimhäute von Tieren, angepasst, so dass sie Aminosäuren,

Vitamine und andere Stoffe nicht mehr selbst synthetisieren können. Sie benötigen Purine,

Pyrimidine, Aminosäuren und bestimmte Vitamine (Krämer, 2002).

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3

2.1.1.1 Systematik der Milchsäurebakterien

Abbildung 1

Phylogenie einiger Milchsäurebakterien im Vergleich zu anderen Bakterien (Nestlé, 2002)

Die verschiedenen Gattungen der Milchsäurebakterien sind auf der Grundlage ihrer

Zellgestalt, der Basenzusammensetzung ihrer DNA, ihrer Phylogenie (Abb. 1) und dem

Gärungsstoffwechsel klassifiziert worden (Madigan & Parker, 2006). Alle

Milchsäurebakterien gehören zum Phylum

Firmicutes

und sie können den Familien

Lactobacillaceae, Streptococcaceae, Leuconostocaceae

sowie

Carnobacteriaceae,

Aerococcaceae

und

Enterococcaceae

zugeordnet werden.

Die sieben Gattungen

Lactobacillus, Lactococcus, Leuconostoc, Pediococcus,

Streptococcus

und

Tetragenococcus

werden bevorzugt in der Lebensmittelherstellung

verwendet. Auch Vetreter der Gattung

Enterococcus

wie

Enterococcus faecalis

werden

teilweise in fermentierter Nahrung gefunden und tragen u.a. zum Aroma von

Weißschimmelkäse bei. Es gibt jedoch ebenso Varianten von

E. faecalis

, die als Pathogene

Krankheiten wie die Endokarditis auslösen.

Aerococcus, Vagococcus

und

Weissella

gehören zwar ebenso zu den Milchsäurebakterien, werden jedoch kaum in Lebensmitteln

gefunden. Ihre Bedeutung ist noch unklar (Hutkins, 2006).

Zur Gattung

Lactococcus

gehören nichtbewegliche, homofermentative Bakterien, die

optimal bei Temperaturen um 30°C wachsen. Vor allem

Lactococcus lactis

wird oft in der

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4

Lebensmittelherstellung verwendet, so z.B. bei der Produktion von Käse und Joghurt

(Bamforth, 2005).

Streptokokken sind hauptsächlich pathogene und oral vorkommende Bakterien. Eine

Ausnahme ist

S. thermophilus,

ein Bakterium, das in der Joghurtproduktion und in der

Käseherstellung verwendet wird (Bamforth, 2006). Sie sind meist homofermentativ

(Madigan & Parker, 2006).

In der Gattung

Leuconostoc

sind v.a. heterofermentative Kokken zusammengefasst. Diese

Stämme bilden z.B. die Aromastoffe Diacetyl und Acetonin durch den Citratkatabolismus

und werden so auch in der Milchwirtschaft eingesetzt (Madigan & Parker, 2006). In der

Sauerkrautherstellung sind sie in den frühen Phasen beteiligt, um den pH-Wert zu

erniedrigen, und in der Käseherstellung sind sie für die CO2-Produktion verantwortlich

(Bamforth, 2005).

Oenococcus

ist eine Gattung, deren Bedeutung sich hauptsächlich auf die Herstellung von

Wein beschränkt. Die Bakterien haben die Fähigkeit, die Apfelsäure im Wein zu

Milchsäure zu decarboxylieren und sie tolerieren einen niedrigen pH-Wert sowie eine hohe

Alkoholkonzentration (Hutkins, 2006).

Pediokokken sind obligat heterofermentativ und fakultativ anaerob. Sie wachsen optimal

bei 25°C bis 40°C, teilweise auch bei 50°C. Sie werden bei der Sauerkrautherstellung, aber

auch bei der Fleischfermentation, verwendet. Kennzeichnend ist die extreme Toleranz

gegenüber Salz (>18%[w/v]), so dass diese Bakterien auch bei der Herstellung von

Sojasoße eingesetzt werden (Bamforth, 2006). Auf der anderen Seite können sie aber Bier

und Wein verderben.

Lactobazillen sind in der Regel stäbchenförmig und homofermentativ. Sie kommen meist

in Milchprodukten vor. Im Allgemeinen sind sie resistenter gegenüber Säure als andere

Milchsäurebakterien und wachsen auch noch bei einem pH-Wert von 4 gut. Diese

Bakterien sind daher meist für die Endstadien der meisten Milchsäuregärungen

verantwortlich und nur selten pathogen. Sie gehören außerdem zu den Starterorganismen in

der Käse- und Joghurtherstellung (Hutkins, 2006).

Auch die Gattung

Bifidobacterium

bildet Milchsäure. Diese Mikroorganismen sind Y- oder

V-förmig und gehören der Ordnung

Actinomycetales

an (Krämer, 2002). Bis in die 1970er

Jahre hinein wurden Bifidobakterien fälschlich dem Genus

Lactobacillus

zugeordnet, da

sie Zucker über ihren Energiestoffwechsel zu Milchsäure und Essigsäure abbauen. Sie sind

Gram-positiv, überwiegend anaerob und sehr bedeutend für die Lebensmittelherstellung.

Sie werden v.a. aufgrund ihrer probiotischen Funktion Milchprodukten wie Joghurt

---

5

beigefügt. Ihr Temperaturoptimum liegt zwischen 37°C und 41°C und das pH-Optimum

zwischen 6,5 und 7,0. In Bezug auf das Nährstoffangebot sind sie anspruchsvoll, da sie

Vitamine und andere Verbindungen zum Wachstum benötigen (Hutkins, 2006).

Entscheidend ist, dass die meisten Milchsäurebakterien auch in Gegenwart von Luft

wachsen können, da Sauerstoff für sie nicht toxisch ist. Nur Bifidobakterien sind anaerob

und haben ihr Optimum in einer mit CO2 10%[v/v] angereicherten Atmosphäre.

2.1.1.2 Die Milchsäuregärung

In Bezug auf die Gärung können die Milchsäurebakterien in eine homo- und eine

heterofermentative Gruppe unterschieden werden.

Die homofermentativen Mikroorganismen bauen Zucker nahezu gänzlich, über den

Fructosebiphosphat-Weg, d.h. die Glykolyse, zu Milchsäure ab (Dietrich, 1999). Aus 1

Mol Glucose werden 2 Mol Pyruvat und zusätzlich 2 Mol ATP gebildet. Der Wasserstoff,

der durch die Dehydrogenierung entstanden ist, wird auf Pyruvat übertragen, so dass

Milchsäure entsteht (Abb.2).

Abbildung 2

Homofermentative Milchsäuregärung (Krämer, 2002)

Milchsäurebakterien, die heterofermentativ wirken, besitzen keine Aldolase und keine

Triosephosphat-Isomerase. Aufgrunddessen bauen sie den Zucker über den

Pentosephosphat-Weg ab (Abb.3).

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6

Abbildung 3

Heterofermentative Milchsäuregärung (Krämer, 2002)

Die Endprodukte variieren je nach Bakterienart. So bildet

Leuconostoc mesenteroides

Milchsäure, Ethanol und Kohlendioxid:

C H O

CH

CHOH

COOH

CH

CH OH

CO

1

ATP

6

12

6

3

3

2

2

Lactobacillus brevis

bildet hingegen aus Acetyl-Phosphat Essigsäure bei Gewinn von 1

Mol ATP. Fructose oder Glucose übernehmen dabei die Funktion des

Wasserstoffakzeptors, wodurch Mannit entsteht.

)

1

(

C H O

Milchsäure

Essigsäure

CO

NADH

2

ATP

6

12

6

2

2

( )

2

NADH

Fructose

Mannit

NAD

2

Bei der Tätigkeit des

Bifidobacterium bifidum

entstehen durch den Abbau der Glucose

Essigsäure und Milchsäure:

2

C H O

2

Milchsäure

3

Essigsäure

6

12

6

Die Milchsäure, die gebildet wird, kann unterschiedliche Strukturen haben (Abb.4). Man

unterscheidet die linksdrehende D(-)-Milchsäure, die im menschlichen Körper schwerer

abbaubar ist, und die rechtsdrehende leicht verwertbare L(+)-Milchsäure (Krämer, 2002).

Es handelt sich um zwei stereoisomere Moleküle, die auch als Enantiomere bezeichnet

werden.

Einige Arten von

Lactococcus

und

Bifidobacterium

bilden bis zu 100%[v/v] L (+)-

Milchsäure, während

Lactobacillus delbrueckii ssp. bulgaricus

,

ssp. lactis

sowie einige

Leuconostoc

-Arten 100%[v/v] D(-)-Milchsäure produzieren (Dietrich, 1999). Bei der

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