DD287530A5 - Verfahren zur gewinnung von hefebiomasse - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Hefebiomasse. Sie beschreibt ein Verfahren zur Gewinnung von SCP fuer die tierische und menschliche Ernaehrung durch Kultivierung von Hefen auf Mischsubstraten, die neben herkoemmlichen Kohlenstoffquellen mikrobielle Lipide enthalten. Diese Lipide fallen bei der Proteinisolatgewinnung aus Hefen als Nebenprodukt an und ihre Wiederverwendung als Kohlenstoffquelle im Fermentationsprozesz gestattet eine Verbesserung der OEkonomie des Gesamtverfahrens. Mit der Erfindung konnte die Faehigkeit von Hefezellen zur Verwendung von mikrobiellen Lipiden fuer die Synthese von Zellipiden und Nichtlipid-Zellsubstanz sowie fuer die Deckung des Energiebedarfs in einem Mischsubstratsystem mit hohen Lipidverwertungs- und Lipidwirkungsgraden nachgewiesen werden.{Hefebiomasse; mikrobielle Lipide; Proteinisolatgewinnung; SCP; menschliche und tierische Eiweiszernaehrung; Fermentation; Mischsubstrate; Lipidverwertungsgrad}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von mikrobiellen Biomassen für die tierische und menschliche Ernährung.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

In der Literatur gibt es nur wenige Angaben zur Ausnutzung von Lipiden als Kohlonstoffquelle bei der Biomassegewinnung. Es handelt sich dabei ausschließlich um pflanzliche oder tierische Fette.

In DO 105002 wird ein für die menschliche Ernährung oder als Viehfutter geeignetes Eiweißkonzentrat hergestellt, indem Hefen auf tierischen oder pflanzlichen Fetten als Energie- und Kohlenstoffquelle kultiviert werden. Die Fette sollen im Nährmedium, das außerdem noch NH₄- und PO₄-Salze, anorganische Ionen und Hefeextrakt enthält, bei 3CMO⁰C und einer Konzentration von 1-3% emulgierbar sein. Die Fermentation bei pH4,5~5,0,30-40°C, 50-30Om³ Luft/h · Fermentorgrundfläche ergibt Biomassen mit 50% Protein i. TS, 7-9% Lipide i. TS und einer Ausbeute von 0,7-0,8kg Hefetrockensubstanz/kg Fett.

KOH et al. (Agric. Biol. Chem. 47,1983,1207-1212) kultivieren Torulopsis Candida Y-128 auf einem Nährmedium, das 2% Palmöl als einzige Kohlenetoffquelle enthält, weiterhin NH₄-, PO₄- u.a. Salze und 0,01 % natürliche Nährstoffe wie Hefeextrakt, Pepton

o. ä. Zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften des Nährmediums wird dieses unter Zugabe nichtionischer oberflächenaktiver Substanzen (Fettsäure-Zucker-Ester) emulgiert. Die Kultur wird im Schüttelbad bei pH 5,5 und 30 durchgeführt. Ausbeuteangaben werden nicht gemacht. Die Mikroorganismen enthalten 45% Protein i. TS und sind für den Einsatz in der menschlichen Ernährung gedacht.

KOSTOV et al. (Acta Biotechnol. β 1986,281-285) weisen nach, daß durch eine gemischte Kultur von Candida sp. (assimiliert tierische Fette) und Candida scottii (assimiliert reduzierende Zucker) die simultane Verwertung eines komplexen Nährmediums, bestehend aus Holzhydrolysat und Schweinefett, realisiert werden kann. Die Hefetrockensubstanz-Ausbeute beträgt dabei 70-80% im Vergleich zu 57%, wenn ein Kontrollmedium ohne Fettzusatz verwendet wird. Die Protein- und Lipidgehalte der Biomasse des komplexen Nährmediums sind unverändert gegenüber den Werten unter Verwendung des Kontrollmediums ohne Fett.

Weiterhin wurde die Biokonvertierung von Na- und NH₄-Salzen von Fettsäuren in Hefe-SCP für Nahrungszwecke und als Futtermittel untersucht (MARTINET et al., Biotechnology letters 4,1982,9-12). In einer Schüttelkultur (22-32⁰C, pH 6,5) kann mit Candida iipoiytica auf oinem Medium mit 0,5% der Stearin-Fraktion von Palmöl in Form der NH₄-Seifcn und unter Zusatz von Yeast Nitrogon Base und Ammoniumsulfat eine Trockensubstanzausbeute von max. 1,23 pro g aufgenommenen Substrats erreicht werden. Der Proteingehalt der Hefe liegt bei 56%. Allgemein werden bei den untersuchten Hefen Trockensubstanzausbeuten von 0,75-1,0 pro g Substrat erzielt. Es ist auch möglich, bei pH3,5 zu arbeiten und damit die Notwendigkeit der Sterilisation zu umgehen.

Für die Ausnutzung mikrobieller Lipide als Kohlenstoff- und Energiequelle in Fermentationsprozessen gibt es keine Beispiele.

Lediglich ihre Anwendung als Fermentationshilfsmittel wird beschrieben. In DD 212978 werden mit lipophilen Lösungsmitteln aus Mikroorganismen extrahierte öllösliche Produkte (= Gemische aus Triglyceriden, Phosphatiden, Fettsäuren, Fettsäureestern) in Mineralsäuren eingebracht und dienen dann als Schauminhibitor bei Prozessen der technischen Mikrobiologie und Wasserwirtschaft.

DD 151575 beschreibt die Anwendung eines bei der extraktiven Reinigung von auf flüssigen Kohlenwasserstoffen kultivierten Mikroorganismen anfallenden Biolipidextraktes (10-45% Phosphatide) als Fermentations- und Trennhilfsmittel bei der Kohlenwasserstoff-Utilisation durch Hefen bzw. Bakterien. Die Autoren geben an, daß die zugesetzten Phosphatide bzw.

Biolipidextrakte im Fermentationsprozeß nicht verbraucht werden.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel, die bei der Proteinextraktion aus Hefen anfallenden Hefelipide als Kohlenstoff- und Energiequelle bei der mikrobiellen Zellsubstanzsynthese einzusetzen und damit eine Verbesserung der Ökonomie der SCP-Erzeugung zu erreichen.

-2- 287 530 Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bsi der Gewinnung mikrobieller Proteinisolate oder -konzentrate anfallenden Lipide als Rohstoffquelle für die SCP-Produktion nutzbar zu machen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß Candida- oder Saccharomyces-Hefen in einem Nährmedium, welches neben Ethanol bzw. Glucose mikrobielle Lipide im Mischsubstratsystem enthält und ergänzt wird mit Ammoniumsulfat als Stickstoffquelle, Phosphorsäure als Phosphorquolle, Biotin und Nährsalzen, bei etwa 32⁰C, pH4,6-4,8 kultiviert werden. Die Fermentation erfolgt entweder nach dem Prinzip einer fed-batch-Kultivierung durch stündliche Zugabe der Nährlösung entsprechend einem Hefezuwachsfaktor von H - 1,2 über eine Zeit von 8 h, oder es erfolgt die Fermentation nach dem Prinzip der kontinuierlichen Kultivierung mit D-Werten im Bereich von 0,15-0,3Oh"'. Die Lipide wirken dabei gleichzeitig als Entschäumer. Die mikrowellen Lipide sind Hefelipide. Bei der chemischen Extraktion der Proteine aus Mikroorganismen fallen Zellreste an, in denen die Lipide auf einen Gehalt von 15-20% i. TS aufkonzentriert sind. Sie lassen sich leicht mit Lipid-lösungsmitteln, aber auch mit Ethanol oder einem Methanol/Chloroform-Gemisch extrahieren. Die Zusammensetzung der nach Lösungsmittelentfernung gewonnenen Lipidextrakte beträgt im Durchschnitt: 45-50% Phosphatide, 10-15% freie Fettsäuren, 12% Triglyceride, 15% Sterole. Die mikrobiellen Lipide können dem Nährmedium in komplexer oder hydrolysierter Form zugesetzt werden.

Im Mischsubstrat wird ein Ethanol- bzw. Glucose-Kohlenstoff/Lipid-Kohlenstoff-Verhältnis von 80:20 bis 40:60 eingestellt. Bei Kohlenstoff-Verhältnissen von 80:20 werden Lipidverw6rtungsgrade von 80-93% und Hefetrockensubstanz-Ausbeuten YjjpMa von 1,00-1,09g/g verwerteter Lipide erzielt. Dagegen liegen die Hefetrockensubstanz-Ausbeuten bei Kohlenstoff-Verhältnissen von 40:60 bei 0,56-0,79. Generell wird ein besserer Wirkungsgrad erreicht, wenn die Lipide komplex vorliegen, der Lipid-Kohlenstoff in geringeren Anteilen vorliegt und die Hefen an das Medium adaptiert wurden.

Wie Bilanzierungsversuche zeigen, werden die aufgenommenen Lipide nicht nur zur Lipidsynthese in den Zellen, sondern auch zur Synthese von Nichtlipid-Zellsubstanz und/oder zur Deckung des Energiebedarfs verwendet.

Man erhält Biomassen, die nach entsprechenden Aufarbeitungsschri"«n für die menschliche Ernährung geeignet sind, da sie auf toxikologisch unbedenklichen Substraten kultiviert wurden und sich durch hohen Reinproteingehalt auszeichnen. Außerdem wird durch die Verwertung der bei der Proteinextraktion als Nebenprodukt anfallenden Lipide eine Rohstoffeinsparung bei der SCP-Herstellung erreicht und damit die Ökonomie des Verfahrens verbessert.

Ausführungsbelsplele

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe wird mit den folgenden Beispielen näher erläutert, ohne jedoch auf diese Beispiele beschränkt zu sein.

Ausführungsbelsplel 1

Candida utilis wird somikontinuierlich in einem 31-Rührfermentor kultiviert. Die Nährlösung wird entsprechend einem Hefezuwachsfaktor von H = 1,2 und damit in definierten Anteilen stündlich zugegeben. Die Ausgangsbiomasse beträgt 10,0g Hefetrockensubstanz. 11 Nährlösung hat folgende Zusammensetzung:

4,24 g Hefelipide 24,3g Ethanol

6,2Ig(NH₄I₂SO₄

0,52 ml H₃PO₄ 17,88Mg Biotin sowie K₂SO₄, MgSO₄, ZnSO₄, FeSO₄, CuSO₄, MnSO₄ als Nährsalze.

Damit ist ein Ethanol-Kohlenstoff/Lipid-Kohlenstoff-Verhältnis von 80:20 realisiert. Die pH-Einstellung auf 4,6-4,8 erfolgt mit KOH bzw. H₂SO₄. Die Fermentationstemperatur beträgt 32⁰C. Der Sauerstoffpartialdruck in der Fermentationslösung beträgt Nach 8h Fermentationsdauer kann eine hefe mit 49% Reinprotein i. TS geerntet werden. Ethanol und Lipide wurden zu 88% bzw.

93% verwertet. Die Hefetrockensubstanzausbeute Yfipw pro g verwerteter Lipide beträgt 1,01.

Diese Biomasse bzw. die daraus gewonnenen Proteine können nach entsprechenden Aufarbeitungsschritten zur Herstellung

von Nahrungsmitteln eingesetzt werden.

Ausführungsbeisplel 2 Der Prozeß der Biomassegowinnung erfolgt analog Bsp. 1 mit der Veränderung, daß im Nährmedium

3,76g Häfelipide und 18,7 g Glucose pro I

als Kohlenstoffquello enthalten sind, was einem Glucose-Kohlenstoff/Lipid-Kohlenstoff-Verhältnis von 80:20 entspricht. Nach 7 h Fermentationsdauer werden Verwertungsgrade für Glucose bzw. Lipide von 97 % bzw. 80% erreicht. Die Hefe hat einen Reinproteingeha't von 48% i. TS. Die Hefetrockensubstanzausbeute Ytpjd pro g verwerteter Lipide beträgt 1,03.

Auoführungsbelsplel 3

Der Prozeß der Biomassekultivierung, geführt entweder mit Candida utilis oder Saccharomyces cerevisiae, erfolgt mit einer Nährlösungszusammensetzung entsprechend Ausführungsbeispiel 1 oder 2 nach dem Prinzip der kontinuierlichen Kultivierung mit Verdünnungsgeschwindigkoiten im Bereich von D = 0,15-0,3Oh"¹. Die Yjj_pi<rWerte liegen zwischen 0,9-1,1.

Claims (5)

1. Verfahren zur Gewinnung von Hefebiomasse, gekennzeichnet dadurch, daß Hefen in einem Nährmedium, welches neben den herkömmlichen Kohlenstoffquellen noch mikrobielle Lipide in diesem Mischsubstratsystem enthält, bei etwa 30-4O⁰C, pH ca. 4-5 unter aeroben Bedingungen fermentiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 ,gekennzeichnet dadurch, daß die mikrowellen Lipide Hefelipide sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1-2, gekennzeichnet dadurch, daß die mikrobiellen Lipide in komplexer oder hydrolysierter Form dem Nährmedium zugesetzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1-3, gekennzeichnet dadurch, daß der Anteil des Lipidkohlenstoffs im Mischsubstrat zwischen 10 und 80% vom Gesamtkohlenstoffangebot variierbar ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1-4, gekennzeichnet dadurch, daß die neben den mikrobiellen Lipiden eingesetzten Kohlenstoffquellen im Mischsubstratsystem Ethanol und/oder Glucose sind.