Untersuchung des Nutzens von Schimmelpilzen und Hefen

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Schimmelpilze und Hefen allgemein
2.1 Systematische Einordnung von Schimmelpilzen und Hefen
2.2 Bedeutung in der Biotechnologie
2.2.1 von Schimmelpilzen
2.2.2 von Hefen
2.3 Vermehrung und Fortpflanzung von Schimmelpilzen und Hefen
2.4 Ökologie von Schimmelpilzen und Hefen

3. Alkoholische Gärung
3.1 Hefen bei der alkoholischen Gärung
3.2 Abiotische Einflussfaktoren auf die alkoholische Gärung

4. Mikrobiologische Arbeitsweisen/Auswertung des Praktikums

5. Schlussteil
5.1 Zusammenfassung
5.2 Literaturverzeichnis
5.3 Anhang

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 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.

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 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]

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]

[...]

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

^[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

^[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)

^[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.

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