Eigenschafts-Funktions-Interaktionen zwischen exogenen Heteropolysacchariden von Milchsäurebakterien und Proteinen in Milchgelen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Unsere Projekte resultierten in einer umfassenden Erkenntniserweiterung zu von MSB gebildeten EPS. Zwischen der EPS-Menge und der Viskosität sowie Gesamtzellzahl konnten stammspezifische Zusammenhänge aufgestellt werden. Weiterhin ist es uns gelungen, die in situ EPS-Bildung bei Kultivierung im Bioreaktor mit hohen spezifischen Wachstumsraten derart zu steigern, dass eine anschließende Isolierung verschiedener EPS- Fraktionen (fEPS, cEPS, gEPS, zellhaltige Isolate) im Liter-Maßstab mit Isolatreinheiten von bis zu 89% entwickelt werden konnte. Die Einzelschritte des Isolierungsverfahrens wurden dabei untersucht und so angepasst, dass die makromolekularen Eigenschaften der EPS, insbesondere die Molekülmasse, durch diese nicht beeinflusst wurden. Durch eine umfassende Untersuchung der makromolekularen Eigenschaften der EPS in wässriger Lösung konnte ein Zusammenhang zu Eigenschaften fermentierter Produkte hergestellt werden. Es zeigte sich, dass fadenziehende EPS zu einer höheren intrinsischen Viskosität als nichtfadenziehende EPS führten. Von praktischer Bedeutung ist ebenfalls die Erkenntnis, dass die intrinsische Viskosität nicht von der Isolatreinheit und damit auch nicht vom gewählten Isolierungsverfahren abhängt. Dies eröffnet die Möglichkeit, mikrobielle HePS ökonomisch sinnvoll als Ersatz für pflanzliche Hydrokolloide in nichtfermentierten Lebensmitteln einzusetzen. In Zusammenarbeit mit Prof. Daniel Wefers (MLU Halle) konnten Strukturen ausgewählter EPS neu beschrieben oder bestätigt werden. Dies bildet eine exzellente Grundlage für weitere Untersuchungen zum Zusammenhang zwischen definierten Strukturmerkmalen und der Technofunktionalität der EPS. Bei Scherbehandlung wässriger EPS-Lösungen konnte ein linearer Zusammenhang zwischen Viskosität und Molekülmasse, unabhängig vom Schersystem, bei gleichbleibender chemischer Struktur aufgestellt werden. Dies ermöglicht uns zukünftig die Scherung als Tool zur gezielten Einstellung der Molekülmasse oder Viskosität zu nutzen. In Bezug auf die in der Literatur bisher wenig untersuchten cEPS gelang es uns, diese neben der standardmäßigen Tuschefärbung im Lichtmikroskop auch in größerer Auflösung in einem ESEM zu visualisieren, sowie deren Einfluss auf die Zelloberfläche zu analysieren. Dazu zählen eine Verringerung der Hydrophobizität, Erhöhung der Wasserbindung sowie ein höheres (negatives) Zeta-Potential. Die Versuche konnten mittels EPS-negativem Mutanten sowie Zellen, deren cEPS abgeschert wurden ohne Verringerung der Zellvitalität, validiert werden. Zur Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen EPS und Milchprotein in wässrigen Modellsystemen diente die Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie. Nach der erfolgreichen Etablierung von Anbindungs-, Reinigungs- und Regenerationsprotokollen zeigten sich deutlich stärkere Wechselwirkungen zwischen geladenen EPS und κ-Casein als für ungeladene EPS, deren Interaktion stark pH-abhängig war und ein Maximum bei pH 5 aufwies. Durch den Zusatz von EPS-Isolaten zu milchbasierten Modellgelen wurde erstmals eine deutliche Konzentrationsabhängigkeit der Gelfestigkeit sowie des pHonset für ein spezifisches EPS nachgewiesen. Für eine vergleichbare Gelfestigkeit mit kommerziellem Dextran sind deutlich geringere Mengen an HePS erforderlich. Die Technofunktionalität der EPS ist nicht von der Reinheit des Isolats, sondern nur von der absolut eingesetzten EPS-Menge abhängig. Auch Zellen mit gebundenen cEPS erhöhen im Gegensatz zu Zellen ohne cEPS die Gelfestigkeit. Auf Basis unserer bisherigen Erkenntnisse stehen nun umfassend analysierte und charakterisierte EPS zur Verfügung, die fundierte Zusammenhänge zwischen einzelnen Strukturmerkmalen, der intrinsischen Viskosität und der Technofunktionalität ermöglichen. Dazu ist es notwendig, die ausgewählten EPS Proben unter bestimmten Bedingungen zu produzieren und/oder nach der Synthese gezielt zu modifizieren, sodass die sich bei gleicher Molekülmasse in definierten Strukturmerkmalen unterscheiden. Dies wird in einem neuen Antrag genauer dargestellt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2013) Addition of purified exopolysaccharide isolates from S. thermophilus to milk and their impact on the rheology of acid gels. Food Hydrocolloids, 32, 178-185
Mende S, Peter M, Bartels K, Rohm H, Jaros D
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2012.12.011) - (2013) Concentration dependent effects of dextran on the physical properties of acid milk gels. Carbohydrate Polymers, 98, 1389-1396
Mende S, Peter M, Bartels K, Dong T, Rohm H, Jaros D
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2013.07.072) - (2014) Physicochemical characterisation of the exopolysaccharides of Streptococcus thermophilus ST-143. International Journal of Food Science and Technology, 49, 1252-1263
Mende S, Dong T, Rathemacher A, Rohm H, Jaros D
(Siehe online unter https://doi.org/10.1111/ijfs.12505) - (2016) Influence of exopolysaccharides on the structure, texture, stability and sensory properties of yoghurt and related products. International Dairy Journal, 52, 57–71
Mende S, Rohm H and Jaros D
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2015.08.002) - (2018) Impact of shear treatment on rheological and molecular properties of microbial exopolysaccharides. Annual Transactions of the Nordic Rheology Society 26, 191-195, ISBN 978-91-639-8101-2
Nachtigall C, Berger C, Kovanovic T, Wefers D, Jaros D, Rohm H
- (2019) Shear induced molecular changes of exopolysaccharides from lactic acid bacteria. Food Hydrocolloids, 97, 105181
Nachtigall C, Berger C, Kovanovic T, Wefers D, Jaros D, Rohm H
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2019.105181) - (2019) Test parameters and cell chain length of Streptococcus thermophilus affect the microbial adhesion to hydrocarbons assay: a methodical approach. FEMS Microbiology Letters, 366, fnz150
Nachtigall C, Weber C, Rothenburger S, Jaros D, Rohm H
(Siehe online unter https://doi.org/10.1093/femsle/fnz150) - (2020) Dextran modulates physical properties of rennet-induced milk gels. International Journal of Science and Technology, 55, 1407-1415
Mende S, Jaros D, Rohm H
(Siehe online unter https://doi.org/10.1111/ijfs.14288) - (2020) Production and molecular structure of heteropolysaccharides from two lactic acid bacteria. Carbohydrate Polymers, 236, 116019
Nachtigall C, Surber G, Herbi F, Wefers D, Jaros D, Rohm H
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.116019) - (2022): Lactic Acid Bacteria: Exopolysaccharides. In: Encyclopedia of Dairy Sciences: Elsevier, S. 160–167
Mende S, Rohm H, Jaros D
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100596-5.22982-X)
