2014 6 Expertenwissen Prebiotika

DLG-Expertenwissen 6/2014
Prebiotika aus Molke–
Neuer Weg zur Herstellung
von Galactooligosacchariden
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PrEbiOtika auS MOlkE
Neuer Weg zur Herstellung von Galactooligosacchariden
1. Einleitung
Im vergangenen Jahrzehnt haben sogenannte funktionelle
Lebensmittel, d. h. Lebensmittel mit gesundheitlichem Zusatznutzen, beim Verbraucher zunehmend an Bedeutung gewonnen. Ein Hauptziel von funktionellen Lebensmitteln ist die
positive Beeinflussung des Gastrointestinaltraktes. Dazu gehört
auch der Aufbau einer gesunden Darmflora. Hierbei können
Galactooligosaccharide (kurz: GOS) nützlich sein. Als GOS
werden Mehrfachzucker bezeichnet, welche aus einer Reihe
von Galactosemolekülen und optional einem endständigen
Glucosemolekül bestehen (siehe Abbildung 1).
abbildung 1: Struktur von Galactooligosacchariden
das Wachstum von Bifidobakterien (z. B. Boehm et al. 2002,
Knol et al. 2005, Ben et al. 2008) als auch von Lactobazillen
(Ben et al. 2004) und hemmen gleichzeitig pathogene Keime,
wie Clostridien (Vivatvakin et al. 2010). Durch Zusatz von GOS
gleichen sich die Anzahl und die Art der kurzkettigen Fettsäuren
von nicht gestillten (Flaschen-) Säuglingen denen der gestillten
Säuglinge an (Bakker-Zierikzee et al. 2005, Ben et al. 2004).
Auswirkungen auf die Stuhlfrequenz und -konsistenz wurden
ebenfalls von zahlreichen Autoren beschrieben (z. B. Nakamura
et al. 2009). Zudem gab es positive Effekte im Hinblick auf die
Vermeidung von Atemwegsinfektionen (Bruzzese et al. 2009,
Puccio et al. 2007, Rivero et al. 2005) und eine verbesserte
Mineralstoffaufnahme (Sako et al. 1999, Van Den Heuvel et
al. 2000).
Der bifidogene Effekt konnte auch bei Erwachsenen bestätigt
werden (Ito 1990, Davis et al. 2010), wobei der Effekt stark
von der täglichen Dosis abhängig ist (getestet wurden 2,5 bis
10 g pro Tag). Werden Galactooligosaccharide während der
Schwangerschaft konsumiert, ist der bifidogene Effekt jedoch
nur bei der werdenden Mutter und nicht beim Fötus nachweisbar (Shadid et al. 2007).
2.2 Weitere Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten
GOS kommen natürlicherweise in der humanen Muttermilch vor (Bruzzese et al. 2006) und sind maßgeblich für den
bifidogenen Effekt der Muttermilch verantwortlich (González
et al. 2008). Wenn Mütter nicht ausreichend Milch bereitstellen
können, kann Säuglingsergänzungsnahrung auf Kuhmilchbasis
die Versorgung mit lebenswichtigen Nährstoffen sicherstellen.
Allerdings enthält Kuhmilch deutlich weniger Oligosaccharide
(Martinez-Ferez et al. 2006), sodass es vorteilhaft für Säuglinge
ist, wenn Oligosaccharide zugefügt werden. An eine Isolierung
humaner Oligosaccharide – bisher wurden ca. 130 von über
1000 verschiedenen Oligosacchariden identifiziert – für kommerzielle Zwecke ist selbstredend nicht zu denken. An Stelle
humaner Oligosaccharide werden daher bovine Galactooligosaccharide als wertvoller und geeigneter Ersatz angesehen
(Schwab und Gänzle 2011). Diese sind zum Teil auch in der
humanen Muttermilch vorhanden (Tzortzis und Vulevic 2009).
2. Eigenschaften von Galactooligosacchariden
2.1 Prebiotische Wirkung
Nach einer Definition von Gibson & Roberfroid 1995 werden
als Prebiotika unverdauliche Lebensmittelbestandteile bezeichnet, die selektiv das Wachstum und/oder die Aktivität ein oder
mehrerer Bakterien des Dickdarms fördern und demnach die
Gesundheit des Wirts verbessern. Sie werden auch als „BifidusFaktor“ bezeichnet.
Die prebiotische Wirkung von Galactooligosacchariden wurde bereits in zahlreichen Studien bestätigt. Sie fördern sowohl
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Neben ihrem positiven gesundheitlichen Effekt, besitzen
GOS weitere nützliche Eigenschaften, welche ihren Einsatz
in Lebensmitteln interessant machen. Aufgrund ihrer Struktur
können sie von den Enzymen im Mund, den a-Amylasen, nicht
verstoffwechselt werden. Das hat zur Folge, dass GOS keine Karies verursachen (Splechtna et al. 2001). Der Einsatz als Zuckeraustauschstoff in Kaugummi oder Konfekt ist daher naheliegend
(Suter 2010). Sie gelangen demnach unverdaut in den Magen,
den sie aufgrund ihrer guten Stabilität im sauren Milieu, unverändert passieren. Diese Eigenschaft macht auch den Einsatz in
Fruchtsäften denkbar (Ito 1990). Auch besitzen GOS eine sehr
hohe thermische Stabilität (keine Veränderung nach 10 Min. bei
160 °C und pH 7 (Sako et al. 1999)) und ein hohes Wasserbindevermögen, was den Einsatz in Brot und anderen Backwaren
ermöglicht (Sonoike et al. 1994). Die Viskosität ist mit der von
Fruktosesirup vergleichbar und trägt zu einem verbesserten
Mundgefühl bei (Tzortzis und Vulevic 2009). Weiterhin haben
GOS einen niedrigen Kalorienwert (1,73 kcal/g, entspricht ca.
50 % des Kalorienwertes von Haushaltszucker (Saccharose)),
da sie den Dünndarm passieren ohne verdaut zu werden. Dies
macht GOS wiederum geeignet für Diabetikernahrung. Auch
die Süßkraft entspricht je nach Zusammensetzung nur 30 bis
60 % der Süßkraft von Saccharose.
3. Produkte mit GOS
Zunächst muss unterschieden werden zwischen reinen
GOS-Produkten und zwischen Lebensmitteln, denen Galactooligosaccharide zugesetzt werden.
1
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Im Bereich der reinen GOS-Erzeugnisse gibt
abbildung 2: Enzymatische Synthese von Galactooligosacchariden
es weltweit einige Produzenten, so z. B. Nissin
Sugar Manufacturing Company und Yakult Pharmaceutical Industry Co. Ltd. in Japan, GTC Nutrition in den USA, Dairygold Food Ingredients
in Irland, First Milk Ingredients und Clasado Inc.
in Großbritannien oder Friesland Campina in
den Niederlanden. Die Produkte sind meist als
Sirup erhältlich und als Zwischenprodukt zur
Weiterverarbeitung in der Lebensmittelindustrie bestimmt. Einzig bei dem Produkt Bimuno
von Clasado Inc. handelt es sich um ein verbrauchsfertiges Produkt. Es wird als Pulver in
Sachets oder als Kaukapseln angeboten. Von
den enthaltenen Zuckern sind jedoch nur ca.
48 % GOS, die eine Kettenlänge von zwei bis
fünf Monomeren aufweisen (Torres et al. 2010).
Der Rest entfällt auf Glucose (18 %), Galactose
Galactosyl-Rest verbleibt dabei zunächst am aktiven Zentrum
(12 %) und Lactose (22 %). Die meisten der GOS-Produkte entdes Enzyms und wird anschließend auf einen Akzeptor mit
halten 50 bis 70 % GOS, einzig PurimuneTM von GTC Nutrition
einer OH-Gruppe übertragen. Dabei können zwei mögliche
enthält 90 bis 92 % GOS (Torres et al. 2010). Der hohe GOSReaktionen ablaufen: Ist der Akzeptor Wasser, findet lediglich
Anteil wird jedoch nicht während der Synthese erzielt, sondern
eine Spaltung (Hydrolyse) statt, und es entsteht freie Galactose.
durch eine nachträgliche chromatographische Aufreinigung der
Ist jedoch ein anderes Zuckermolekül der Akzeptor, so entstehen
Mischung, bei der der Großteil der Monosaccharide Glucose
neue Zucker, die Galactooligosaccharide. Diese Reaktion nennt
und Galactose (Rest: 0 bis 1 %) und der überwiegende Teil der
man Transgalactosylierung. Bei diesem „anderen“ ZuckermoLactose (Rest: 7 bis 10 %) abgetrennt werden.
lekül kann es sich um alle in der Reaktionslösung vorhandenen
Der Einsatz von Galactooligosacchariden in verschiedenen
Zucker handeln, d. h. sowohl Lactose, als auch die aus der
Produkten der Lebensmittelindustrie nimmt stetig zu. Von
Hydrolysereaktion entstandenen Monosaccharide Galactose
2005 bis 2011 ist die Anzahl der weltweit neuentwickelten
und Glucose, aber auch bereits entstandene GOS. Dadurch
Produkte pro Jahr um das 12-fache gestiegen (Staley und Mallee
kommt es zur Kettenverlängerung, und es entstehen Oligosac2012). 2011 kam im Durchschnitt an jedem 3. Tag ein neues
charide, die bis zu neun Monomere aufweisen können. Die
GOS-enthaltendes Produkt auf den Markt. Der Großteil dieser
entstandenen GOS unterscheiden sich neben der Kettenlänge
Produkte fällt in den Bereich der Säuglings- (Anfangsnahrung,
auch in der Art der Verknüpfung. Weit verbreitet sind bspw. die
Folgenahrung) und Kleinkindnahrung (Früchteprodukte, Desβ-1,6-verknüpfte Allolactose (Disaccharid aus Glucose und Gaserts, Getränke). Aber auch Milchprodukten (Joghurts, aromalactose) oder auch Galactosyl-Lactosen, welche aus Lactose und
tisierte Milch, Milchdesserts) und Getränken (Energy-Drinks,
einem zusätzlich β-1,6- oder β-1,3- angekoppelten GalactoseFruchtsäfte) werden GOS zugesetzt.
Molekül bestehen. Bereits entstandene Galactooligosaccharide
Europa ist neben dem asiatischen Raum der weltweit zweitsind einerseits Akzeptor für weitere Galactosyl-Reste, können
größte Markt für GOS-Produkte. Von 2001 bis 2011 stammten
jedoch andererseits auch wieder hydrolysiert werden. Die Aus38 % der Produktneueinführungen mit GOS aus Europa (57%
beute und Zusammensetzung von GOS hängt damit wesentlich
aus Asien). In Deutschland wurden in diesem Zeitraum insvon der Reaktionszeit ab und lässt sich nur schwer vorhersagen.
gesamt 25 Produkte mit GOS eingeführt (Staley und Mallee
2012). Der Einsatz von GOS beschränkt sich hierzulande v.a.
4.2 Einflussfaktoren
auf Säuglings- und Folgenahrung (z. B. Aptamil von Milupa).
Einige europäische Länder haben bereits GOS-Produkte jenseits
Neben der Reaktionszeit beeinflussen zahlreiche andere
des Baby- und Kleinkindnahrungssektors auf dem Markt. In
Faktoren die GOS-Ausbeute. Ein wichtiger Parameter ist die
Finnland gibt es beispielsweise einen prebiotischen Joghurt von
Enzymquelle, d. h. der Mikroorganismus aus welchem die
Valio Ltd., in Italien verschiedene Kekse, Cracker und Getränke
Lactase gewonnen wurde. Je nach Enzymquelle ist die Transunter der Marke Alixir.
galactosylierung stärker oder schwächer ausgeprägt. Weiterhin
4. Synthese von Galactooligosacchariden
kann die im Verlauf der Reaktionen freigesetzte Glucose das
Enzym hemmen, dessen Ausmaß jedoch auch von der jeweili4.1 Prinzip
gen Enzymquelle abhängig ist.
Ein weiterer wichtiger Faktor ist die anfängliche LactoseDie Abbildung 2 zeigt schematisch die Synthese von
konzentration, wobei mit zunehmender Lactosekonzentration
Galactooligosacchariden aus Lactose (bestehend aus den
auch die GOS-Ausbeute steigt (z. B. Albayrak und Yang 2002).
Monomeren Glucose und Galactose) mit Hilfe des Enzyms
Grund dafür ist, dass bei höherer Zuckerkonzentration folglich
β-Galactosidase (EC 3.2.1.23, auch: Lactase). Zunächst wird
weniger Wassermoleküle für eine Hydrolysereaktion zur Verein Lactose-Enzym-Komplex gebildet. Das Enzym bewirkt die
fügung stehen und demnach die Wahrscheinlichkeit, dass der
Spaltung der Lactose und die Freisetzung der Glucose. Der
Akzeptor ein Zuckermolekül ist, steigt.
2
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Die technisch
technisch mögliche
mögliche Anfangskonzentration
Anfangskonzentration hängt
hängt
Die
natürlich auch
auch von
von der
der Löslichkeit
Löslichkeit der
der Lactose
Lactose ab,
ab, welche
welche bebenatürlich
kanntermaßen temperaturabhängig
temperaturabhängig ist.
ist. Die
DieArbeitstemperatur
Arbeitstemperatur
kanntermaßen
kann jedoch
jedoch nicht
nicht beliebig
beliebig gesteigert
gesteigert werden,
werden, da
da sie
sie durch
durch
kann
die je
je nach
nach Enzymquelle
Enzymquelle unterschiedliche
unterschiedliche Thermostabilität
Thermostabilität
die
der Lactasen
Lactasen begrenzt
begrenzt ist.
ist. Auch
Auch der
der zulässige
zulässige pH-Wert
pH-Wert ist
ist
der
durch die
die jeweiligen
jeweiligen Aktivitäten
Aktivitäten und
und Stabilitäten
Stabilitäten des
des Enzyms
Enzyms
durch
im sauren
sauren oder
oder basischen
basischen Milieu
Milieu begrenzt.
begrenzt. Weiterhin
Weiterhin spielt
spielt
im
auch die
die Reinheit
Reinheit des
des Enzyms
Enzyms eine
eine Rolle,
Rolle, ob
ob ganze
ganze Zellen
Zellen zur
zur
auch
Syntheseeingesetzt
eingesetztwerden
werdenoder
oderob
obdas
dasEnzym
Enzymbzw.
bzw.die
dieZellen
Zellen
Synthese
frei oder
oder immobilisiert
immobilisiert (d.
(d.h.
h. an
an einen
einen Träger
Träger gebunden)
gebunden) vorvorfrei
liegen.
liegen.
4.3
4.3 Synthese
Synthese in
in lactoselösungen
lactoselösungen
Der
Der Großteil
Großteil der
der Publikationen
Publikationen beschäftigt
beschäftigt sich
sich mit
mit der
der
Synthese
Synthese von
von GOS
GOS aus
aus reinen
reinen Lactoselösungen.
Lactoselösungen. Dabei
Dabei wurden
wurden
β-Galactosidasen
β-Galactosidasen aus
aus Pilzen
Pilzen (z.
(z.B.
B. Aspergillus,
Aspergillus, Penicillium,
Penicillium,
Kluyveromyces),
Kluyveromyces),Bakterien
Bakterien(z.
(z.B.
B.Bifidobakterien,
Bifidobakterien,Lactobazillen)
Lactobazillen)
und
und Archaeen
Archaeen (z.
(z.B.
B. Sulfolobus)
Sulfolobus) eingesetzt.
eingesetzt. Aus
Aus der
der letztgeletztgenannten
nannten Gruppe
Gruppe sind
sind zwei
zwei Mikroorganismen
Mikroorganismen bekannt,
bekannt, deren
deren
β-Glycosidasen
β-Glycosidasenhyperthermophile
hyperthermophileEigenschaften
Eigenschaftenaufweisen
aufweisenund
und
die
die zur
zur GOS-Synthese
GOS-Synthese eingesetzt
eingesetzt wurden:
wurden: Sulfolobus
Sulfolobus solfatarisolfataricus
cus und
und Pyrococcus
Pyrococcus furiosus.
furiosus. Die
Die maximale
maximale Ausbeute
Ausbeute lag
lag bei
bei
ca.
ca. 45
45 bis
bis 52
52 %
% (Park
(Park et
et al.
al. 2008,
2008, Boon
Boon et
et al.
al. 1998).
1998).
Aus
Aus der
der Gruppe
Gruppe der
der Bakterien
Bakterien ist
ist der
der Einsatz
Einsatz sowohl
sowohl von
von
mesophilen
mesophilenals
alsauch
auchvon
vonthermophilen
thermophilenEnzymen
Enzymenbekannt.
bekannt. Eine
Eine
Vielzahl
Vielzahlvon
vonAutoren
Autorenverwendeten
verwendetenEnzyme
Enzymeaus
ausBifidobakterien
Bifidobakterien
(z.
(z.B.
B.Rabiu
Rabiuet
etal.
al.2001,
2001,Tzortzis
Tzortziset
etal.
al.2005,
2005,Goulas
Goulaset
etal.
al.2007).
2007).
Die
Die höchste
höchste Ausbeute
Ausbeute mit
mit diesen
diesen Enzymen
Enzymen lag
lag bei
bei ca.
ca. 63
63 %
%
und
und wurde
wurde mit
mit einem
einem isolierten
isolierten und
und aufgereinigten
aufgereinigten Enzym
Enzym von
von
B.
B. infantis
infantis bei
bei 30
30 %-iger
%-iger Anfangskonzentration
Anfangskonzentration an
an Lactose,
Lactose,
60
60 °C,
°C, pH
pH 7,5
7,5 nach
nach 15
15 hh erreicht.
erreicht.
Auch
Auch Enzyme
Enzyme verschiedener
verschiedener Spezies
Spezies von
von Lactobazillen
Lactobazillen (L.
(L.
acidophilus,
acidophilus, L.
L. reuterii,
reuterii, L.
L. sakei,
sakei, L.
L. pentosus,
pentosus, L.
L. plantarum)
plantarum)
wurden
wurden auf
auf ihre
ihre Eignung
Eignung zur
zur GOS-Synthese
GOS-Synthese getestet.
getestet. Bei
Bei einer
einer
Lactosekonzentration
Lactosekonzentration von
von ca.
ca. 20
20 %
% lag
lag die
die Ausbeute
Ausbeute stets
stets um
um
die
die 40
40 %
% bei
bei einem
einem Hydrolysegrad
Hydrolysegrad (Lactosespaltung)
(Lactosespaltung) von
von ca.
ca.
80
80%
%(u.a.
(u.a.Iqbal
Iqbalet
etal.
al.2010,
2010,Maischberger
Maischbergeret
etal.
al.2010,
2010,Splechtna
Splechtna
et
et al.
al. 2006,
2006, Nguyen
Nguyen et
et al.
al. 2007).
2007).
Zur
Zur Eignung
Eignung von
von β-Galactosidasen
β-Galactosidasen aus
aus Pilzen
Pilzen wurden
wurden v.a.
v.a.
verschiedene
verschiedene Aspergillus-,
Aspergillus-, PenicilliumPenicillium- und
und KluyveromycesKluyveromycesArten
Arten untersucht.
untersucht. Lactase
Lactase aus
aus Aspergillus
Aspergillus niger
niger katalysiert
katalysiert
vor
vor allem
allem die
die Spaltung
Spaltung der
der Lactose.
Lactose. Die
Die GOS-Ausbeute
GOS-Ausbeute ist
ist
mit
mit 16
16 %
% recht
recht niedrig,
niedrig, der
der Lactosehydrolysegrad
Lactosehydrolysegrad mit
mit 85
85 %
%
jedoch
jedoch sehr
sehr hoch
hoch (bei
(bei 30
30 %
% Anfangslactose)
Anfangslactose) (Toba
(Toba und
und AdaAdachi
chi 1978).
1978). Mit
Mit Aspergillus
Aspergillus oryzae
oryzae als
als Enzymquelle
Enzymquelle wurden
wurden
ähnliche
ähnliche Ausbeuten
Ausbeuten von
von 18
18 %
% bereits
bereits bei
bei einem
einem niedrigen
niedrigen
Lactosegehalt
Lactosegehalt von
von 7,5
7,5 %
% erhalten
erhalten (Toba
(Toba und
und Adachi
Adachi 1978).
1978).
Der
Der Hydrolysegrad
Hydrolysegrad war
war mit
mit 37
37 %
% zudem
zudem deutlich
deutlich niedriger.
niedriger.
Das
Das Enzym
Enzym aus
aus A.
A. oryzae
oryzae verfügt
verfügt offensichtlich
offensichtlich über
über ein
ein höhöheres
heres Transgalactosylierungsvermögen
Transgalactosylierungsvermögen als
als jenes
jenes aus
aus A.
A. niger.
niger.
Innerhalb
Innerhalbder
derEnzyme
Enzymeaus
ausPenicillium-Arten
Penicillium-Artenwurde
wurdedie
diehöchste
höchste
Ausbeute
Ausbeute mit
mit P.
P. dupontii
dupontii erzielt:
erzielt: Bei
Bei einem
einem Hydrolysegrad
Hydrolysegrad von
von
90
90%
%betrug
betrugdie
dieGOS-Ausbeute
GOS-Ausbeute50
50%
%nach
nach88hh(Nakkharat
(Nakkharatet
etal.
al.
2006).
2006). Lactasen
Lactasen aus
aus Kluyveromyces
Kluyveromyces fragilis
fragilis besitzen
besitzen vorrangig
vorrangig
hydrolytische
hydrolytische Aktivität:
Aktivität: Bei
Bei 5%-iger
5%-iger LactoseanfangskonzenLactoseanfangskonzentration
tration gelang
gelang nur
nur eine
eine Ausbeute
Ausbeute von
von 22
22 %,
%, gleichzeitig
gleichzeitig lag
lag
der
der Hydrolysegrad
Hydrolysegrad jedoch
jedoch bei
bei 100
100 %
% (Roberts
(Roberts und
und Pettinati
Pettinati
1957).
1957).
DLG-Expertenwissen
DLG-Expertenwissen Sensorik
Sensorik 06/2014
06/2014
4.4
4.4 Synthese
Synthese in
in Molkenpermeat
Molkenpermeat
Nur
Nur wenige
wenige Publikationen
Publikationen gibt
gibt es
es zur
zurVerwendung
Verwendung anderer
anderer
Substrate
Substrate wie
wie Molke
Molke oder
oder Molkenpermeat.
Molkenpermeat. Dieses
Dieses enthält
enthält neneben
ben Lactose
Lactose auch
auch Milchsalze,
Milchsalze, welche
welche die
die Enzyme
Enzyme inhibieren,
inhibieren,
aber
aberauch
auchaktivieren
aktivierenkönnen.
können.Vor
Vorallem
allemCalcium
Calciumist
istals
alsInhibitor
Inhibitor
bekannt,
bekannt, Magnesium
Magnesium wirkt
wirkt in
in vielen
vielen Fällen
Fällen aktivierend.
aktivierend. Über
Über
das
das Zusammenspiel
Zusammenspiel verschiedener
verschiedener Ionen
Ionen auf
auf Lactasen
Lactasen finden
finden
sich
sich jedoch
jedoch kaum
kaum Aussagen.
Aussagen.
Bei
Bei Verwendung
Verwendung von
von Lactose-supplementiertem
Lactose-supplementiertem UF-MolUF-Molkenpermeat
kenpermeat (Enzym
(Enzym aus
aus K.
K. lactis)
lactis) sank
sank bei
bei einer
einer Steigerung
Steigerung der
der
Anfangslactosekonzentration
Anfangslactosekonzentrationvon
von10
10%
%auf
auf30
30%
%die
dieGOS-AusGOS-Ausbeute
beute von
von 13,7
13,7 %
% auf
auf ca.
ca. 10
10 %
% (Adamczak
(Adamczak et
et al.
al. 2009).
2009). Bei
Bei der
der
Synthese
Synthesein
inreinen
reinenLactoselösungen
Lactoselösungenist
istdie
dieAbhängigkeit
Abhängigkeitgenau
genau
entgegengesetzt
entgegengesetzt(Albayrak
(Albayrakund
undYang
Yang2002).
2002).Mit
Miteiner
einerAspergillus
Aspergillus
oryzaeoryzae-Lactase
Lactasewurde
wurdein
inunsupplementiertem
unsupplementiertemMolkenpermeat,
Molkenpermeat,
welches
welchesdemzufolge
demzufolgenur
nureine
einegeringe
geringeLactosekonzentration
Lactosekonzentrationvon
von
66 %
% besitzt,
besitzt, nur
nur eine
eine GOS-Ausbeute
GOS-Ausbeute von
von 99 %
% erreicht
erreicht (Lopez
(Lopez
Leiva
Leiva und
und Guzman
Guzman 1995).
1995). Bei
Bei konzentriertem
konzentriertem Molkenpermeat
Molkenpermeat
mit
mithohen
hohenLactosekonzentrationen
Lactosekonzentrationenvon
von40
40%
%konnte
konnteaber
aberauch
auch
mit
mitEnzymen
Enzymenaus
ausA.
A.oryzae
oryzaeeine
einerecht
rechthohe
hoheAusbeute
Ausbeutevon
von25
25%
%
erzielt
erzielt werden
werden (Valero
(Valero und
undYang
Yang 2005).
2005).
Die
Die mit
mit ca.
ca. 38
38 %
% höchste
höchste GOS-Ausbeute
GOS-Ausbeute mit
mit LactoseLactosesupplementiertem
supplementiertem Molkenpermeat
Molkenpermeat als
als Substrat
Substrat konnte
konnte mit
mit
Enzymen
Enzymenaus
ausBifidobacterium
Bifidobacteriumbifidum
bifidumerreicht
erreichtwerden
werden(Goulas
(Goulas
et
et al.
al. 2007).
2007).
5.
5. aktuelle
aktuelle Forschung
Forschung an
an der
der Hochschule
Hochschule anhalt
anhalt
zur
zur thematik
thematik GOS
GOS
5.1
5.1 Molke
Molke
Allein
Allein in
in Deutschland
Deutschland fallen
fallen jährlich
jährlich ca.
ca. 12,5
12,5 Mio.
Mio. Tonnen
Tonnen
Molke
Molke an.
an. Die
Die Suche
Suche nach
nach neuen
neuen lukrativen
lukrativen VerwertungsVerwertungsmöglichkeiten,
möglichkeiten, die
die über
über eine
eine Verwertung
Verwertung der
der Molkenproteine
Molkenproteine
hinausgehen,
hinausgehen, ist
ist daher
daher stets
stets von
von großem
großem Interesse.
Interesse.
Je
Je nach
nach Art
Art der
der Casein-Fällung
Casein-Fällung werden
werden verschiedene
verschiedene Arten
Arten
von
von Molke
Molke unterschieden.
unterschieden. Bei
Bei der
der Käseherstellung
Käseherstellung erfolgt
erfolgt die
die
Fällung
Fällungmit
mitLab-Enzymen.
Lab-Enzymen.Die
Diedaraus
darausresultierende
resultierendeMolke
Molkewird
wird
Süßmolke
Süßmolkeoder
oderauch
auchLabmolke
Labmolkegenannt.
genannt.Bei
Beider
derFrischkäseFrischkäse-und
und
Quarkproduktion
Quarkproduktion wird
wird mit
mit Milchsäurebakterien
Milchsäurebakterien gefällt,
gefällt, wowodurch
durchdie
diesogenannte
sogenannteSauermolke
Sauermolkeentsteht.
entsteht.Die
DieZusammensetZusammensetzung
zung der
der verschiedenen
verschiedenen Molkearten
Molkearten ist
ist in
inTabelle
Tabelle 11 dargestellt.
dargestellt.
Während
Während der
der Trockenmasse-,
Trockenmasse-, LactoseLactose- und
und Fettgehalt
Fettgehalt ähnlich
ähnlich
ist,
ist, sind
sind zum
zum Teil
Teil erhebliche
erhebliche Unterschiede
Unterschiede beim
beim AscheAsche- und
und
Proteingehalt
Proteingehaltersichtlich.
ersichtlich.Mit
Mit0,75
0,75%
%enthält
enthältSüßmolke
Süßmolkemehr
mehrals
als
doppelt
doppeltso
soviel
vielProtein
Proteinwie
wieSauermolke.
Sauermolke.Der
Derhöhere
höhereAschegehalt
Aschegehalt
der
derSauermolke
Sauermolkeim
imVergleich
Vergleichzu
zuSüßmolke
Süßmolkekann
kannmaßgeblich
maßgeblichauf
auf
den
den höheren
höheren Anteil
Anteil von
von Calciumphosphat
Calciumphosphat zurückgeführt
zurückgeführt werwerden.
den. Ursache
Ursache ist
ist die
die Ionisierung
Ionisierung der
der Calciumphosphatbrücken
Calciumphosphatbrücken
bei
bei der
der Säurefällung
Säurefällung des
des Caseins,
Caseins, wodurch
wodurch Calciumphosphat
Calciumphosphat
von
von den
den Caseinmicellen
Caseinmicellen in
in die
die Molke
Molke übergeht.
übergeht. Weiterhin
Weiterhin
enthält
enthältSauermolke
Sauermolkeca.
ca.0,4
0,4%
%fermentativ
fermentativerzeugte
erzeugteMilchsäure.
Milchsäure.
Die
DieVerwendung
Verwendung von
von Molke
Molke als
als lactosehaltiges
lactosehaltiges Substrat
Substrat für
für
die
dieSynthese
Synthesevon
vonGOS
GOSwürde
würdeeine
eineWertsteigerung
Wertsteigerungdes
desProduktes
Produktes
Molke
Molkemit
mitsich
sichbringen.
bringen.Es
Esergäben
ergäbensich
sichvielfältige
vielfältigeneue
neueApplikaApplikationsmöglichkeiten
tionsmöglichkeiten und
und Produktideen
Produktideen von
von lactoseabgereicherlactoseabgereicherten
ten Molkeprodukten
Molkeprodukten bis
bis hin
hin zu
zu Molkedrinks
Molkedrinks mit
mit prebiotischer
prebiotischer
Wirkung.
Wirkung. Die
Die GOS-Synthese
GOS-Synthese in
in Molke
Molke ist
ist jedoch
jedoch nicht
nicht trivial.
trivial.
Eine
Eine Übertragung
Übertragung der
der Erkenntnisse,
Erkenntnisse, welche
welche aus
aus der
der Synthese
Synthese in
in
33
De
GOS
molke
nder.
e Tri,2 %
) und
twas
nzym
einer
aride
4 %).
egen
) als
ldet.
ke ist
dass
ndes
von
aus
molke
n aus
den-
den,
actongere
nden
scht,
tose,
f auf
ishe-
e
und
5
EE
DLGDLGxpErtEnwissEn
xpErtEnwissEn
GaLactooLiGosacchariDe
GaLactooLiGosacchariDe
Enzym/Substrat-Verhältnis
betrug 50 Units pro Gramm
tabelle 1:
tabelle
Zusammensetzung
2: Zusammensetzung
von Süß-der
undgebildeten GOS zum
Zeitpunkt maximaler GOS-ausbeute
Lactose. Die Reaktion wurde in einem Schüttelwasserbad
Sauermolke (Quelle: Milchindustrieverband)
GOS-Zusammensetzung
in %
von 300 ml-Schliffkolben
(Füllmenge:
GOS-ausbeute unter Verwendung
Hydrolysegrad
Enzym
Substrat
bestandteil
Süßmolke
Sauermolke
in %
100 Disaccharide
ml) durchgeführt.trisaccharide
Die Probenahme
(1,5 ml) erfolgte in %*
tetrasaccharide
(pH 6,1)
(pH 4,6)
einen
von
4 (optilactase
LX2)
8 Stunden32,69 +/- 0,14
Lactose
10,91 +/- 0,01 über 6,27
+/-Zeitraum
0,15
87,25
+/- 0,16
6,48bzw.
+/- 0,37
optilactase A
Trockenmasse
[%] )
6,20
5,70
(optilactase A). Zur Enzymdenaturierung wurden die Proben
(A. oryzae
Süßmolke
10,93 +/- 0,18
4,71 +/- 1,31
88,97 +/- 0,07
6,32 +/- 0,27
33,31 +/- 0,02
Lactose [%]
4,80
4,60
in einem Thermoschüttler bei 95°C für 10 Min. erhitzt und
Sauermolke
11,32
+/0,59
8,10
+/2,34
82,19
+/1,88
9,71
+/1,01
41,79 +/- 0,30
Protein [%]
0,75
0,30
anschließend mittels HPLC analysiert. Alle Versuche wurden
Lactose
10,93
+/0,26
58,42
+/2,69
41,58
+/0,45
0,00
+/0,00
91,37
+/- 0,76
optilactase
LX2
Fett [%]
0,05
< 0,01
in Doppelbestimmung durchgeführt.
(K. lactis)
Süßmolke
4,30 +/- 0,17
34,45
+/- 4,05 3 zeigt
65,55den
+/- zeitlichen
0,01
0,00
+/- 0,00
Asche [%]
0,60
0,80
Die
Abbildung
Verlauf
der GOS-21,64 +/- 0,03
in den
PEM-Puffer,
Sauermolke
10,56 +/- 0,41 Ausbeute
48,09 +/3,95Medien
51,91
+/- 0,10 Süßmolke
0,00 +/- und
0,00 Sauer-70,04 +/- 0,53
reinen Lactoselösungen
gewonnen wurden, ist nicht ohne
molke bei Verwendung des Enzym optilactase LX2 aus K.
* bei maximaler GOS-ausbeute
Weiteres möglich, wie verschiedene Publikationen zeigen.
lactis. Während in PEM-Puffer ein sehr schneller Anstieg der
Autoren:
M.Sc. Christin
Fischer
([email protected].
rige Ausbeute
zu steigern,
durch eine
Konzentrierung
der
Beispielsweise
spielen die
in Molkewas
enthaltenen
Salze
und/
GOS-Konzentration
zu beobachten
ist, ist
die GOS-Bildung
de) und
Prof. Dr.
Thomas Kleinschmidt
(t.kleinschmidt@bwp.
Molken
gelingen
könnte. Es bleibt
jedoch abzuwarten,
die Molken
oder Proteine
eine
Rolle hinsichtlich
der Inhibierung
der
inob
beiden
deutlich
verlangsamt.
In PEM-Puffer
wurhs-anhalt.de),
Hochschule
Anhalt,
Bernburger
damit thermophilus-β-Galactosidase
gleichzeitig stattfindende Konzentrierung
Streptococcus
(Greenberg eventueller
de die maximale
GOS-Ausbeute
von 10,93
% schon
nach Str. 55, 06366
KöthenAllerdings ist mit zunehmender Zeit ein
Hemmstoffe
auf dieser
den Prozess
auswirkt.30
AnMin.
der erreicht.
und Mahoney
1984). sich
Die nachteilig
Anwesenheit
Stoffe kann
Hochschule
Anhalt wird zudem
nach anderen
Enzymquellen
sich jedoch
je nach Enzymquelle
auch positiv
auswirken.
schneller Abbau zu beobachten, sodass nach 1,5 Stunden
gesucht, welche
eine hohe
Toleranz gegenüber
Das Vorhandensein
von bovinem
Serumalbumin
bewirktMilchsalzen
60 % der zuvor gebildeten GOS bereits wieder abgebaut
aufweisen,
um so die GOS-Ausbeute
weiterstearozu verbessern.
zum Beispiel
eine Enzymstabilisierung
bei Bacillus
waren. In Süßmolke ist die GOS-Ausbeute mit 4,3 % nach
thermophilus (Goodman & Pederson 1976).
30 Min. deutlich geringer. Es konnte gezeigt werden, dass
das Enzym in diesem Milieu bereits nach ca. 30 Min. naheWeiterführende literatur:
ADAMCZAK, M.,in
CHARUBIN,
NAKAMURA,
N. et ist,
al. (2009)
Molecular
ecological
analysis ofnoch
fecal bacterial populations
zumedium
vollständig
inaktiviert
sodass
weder
Hydrolyse
5.2 GOS-Synthese
MolkeD. & BEDNARSKI, W. (2009) Influence of reaction
composition on enzymatic synthesis of galactooligosaccharides and lactulose from lactose
from term infants fed formula supplemented with selected blends of prebiotics, Applied and
Transgalactosylierung
ablaufen
können.
Zur4,GOS-Bildung
in
concetrates prepared from whey permeate, Chemical Papers, Vol. 63, No. 2, 111-116.
Envi-ronmental
Microbiology,
Vol. 75, No.
1121-1128.
ALBAYRAK, N. & YANG, S. T. (2002) Production of galacto-oligosaccharides from lactose by
NAKKHARAT, P. et al. (2006) Formation of galacto-oligosaccharides during lactose hydrolysis
Süßmolke
ist dieses
Enzym
daher ungeeignet.
In thermophilic
Sauermolke
Die Hochschule
beschäftigt immobilized
sich im Rahmen
einesBiotechnology
AspergillusAnhalt
oryzae beta-galactosidase
on cotton cloth,
and
by a novel
beta-galactosidase
from the moderately
fungus Talaromyces therBioengineering, Vol. 77, No. 1, 8-19.
mophilus, Biotechnology Journal, Vol. 1, No. 6, 633-638.
hingegen
istNGUYEN,
das
Enzym
stabilerand
(Inaktivierung
Forschungsprojektes
mitA. M.
der
Produktion
BAKKER-ZIERIKZEE,
et al.kostengünstigen
(2005) Effects of infant formula
containing a mixture
of galactoT. H. et wesentlich
al. (2007) Characterization
molecular cloning of a heterodimeric
and fructo-oligosaccharides or viable Bifidobacterium animalis on the intestinal microflora
β-galactosidase from the probiotic strain Lactobacillus acidophilus R22, FEMS Microbiology
nach
ca.
2
Stunden).
Demzufolge
können
ähnliche
Ausvon Galactooligosacchariden
aus
Molke.
Hierzu
wurden
during the first 4 months of life, British Journal of Nutrition, Vol. 94, No. 5, 783-790.
Let-ters, Vol. 269, No. 1, 136-144.
BEN, X. M. et al. (2004) Supplementation of milk formula with galacto-oligosaccharides
PARK, H. Y. et al. (2008) Galactooligosaccharide production by a thermostable β-galactosidase
beuten
(10,56
%)
erzielt
werden
wie
im
Vergleichsmedium
zunächst zwei
kommerziell
erhältliche
Lactasen
(optilactase
im-proves intestinal micro-flora and fermentation interm infants, Chinese Medical Journal,
from Sulfolobus solfataricus, World Journal of Microbiology and Biotechnology, Vol. 24,
Vol. 117, No. 6, 927-931.
No. 8, 1553-1558.
PEM-Puffer. PUCCIO,
Dennoch
wird das Enzym durch Inhaltsstoffe
LX2 aus Kluyveromyces
lactis und optilactase A (PulverlacBEN, X. M. et al. (2008) Low level of galacto-oligosaccharide in infant formula stimulates
G. et al. (2007) Clinical evaluation of a new starter formula for infants containing live
growth
of
intestinal
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and
Lactobacilli,
World
Journal
of
Gastroenterology,
Bifidobacterium
longum
prebiotics, Nutrition,deutlich
Vol. 23, No. 1, 1-8.
der
Sauermolke
gehemmt,
daBL999
die and
GOS-Synthese
tase) aus Aspergillus
oryzae
von
optiferm
GmbH)
eingesetzt.
Vol. 14, No. 42, 6564-6568.
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G. et al.
(2002)jeweiligen
SupplementationTemperaturof a bovine milk formula
charides by β-Galactosidases from Bifidobacterium Species, Applied and Environmental
verzögert stattfindet.
Die Reaktion
wurde
beim
und with
pH-an oligosaccharide
mixture increases counts of faecal bifidobacteria in preterm infants, Archives of Disease in
Microbiology, Vol. 67, No. 6, 2526-2530.
Childhood:
Fetal
and°C
Neonatal
Vol.für
86, optilactase
No. 3, F178-F181.
RIVERO, es
M. et
al. (2005)
new infantoptilactase
formula enriched
Anders verhält
sich
beiEffect
demof aEnzym
Awith
ausprebiotics, probiotics,
Optimum der
Enzyme
(45
undEdition,
pH 6,5
LX2,
BOON, M. A. et al. (1998) Synthesis of oligosaccharides catalyzed by thermostable
nucleotides and LC-PUFA on recovery after infection, Advances in Experimental Medicine
β-glucosidase
Pyrococcus furiosus,
Applied Biochemistry
Biotechnology
- Part A
and Biology,
Vol. 569, No.
186-187.
A. oryzae
(siehe
Abbildung
4).-,Im
Gegensatz zum Enzym
55 °C und pH
4,5 für from
optilactase
A) durchgeführt.
Dieand
MolEnzyme Engineering and Biotechnology, Vol. 75, No. 2-3, 269-278.
ROBERTS, H. R. & PETTINATI, J. D. (1957) Concentration effects in the enzymatic conversion
aus
K. lactis, verläuft
GOS-Bildung
allen Substraten
kepulver (Süßmolkenpulver,
Sauermolkenpulver)
wurden
soand Liver
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of prebiotics on human health,
Digestive
Disease,
of lactose todie
oligosaccharides,
Journal ofin
Agricultural
and Food Chemistry, Vol. 5, No. 2,
Vol. 38, No. Suppl. 2, S283-S287.
130-134.
ähnlich,
das Enzym
wird nicht
durchR.die
inRecent
den Molken
rekonstituiert,
dassE.sich
eineAAnfangslactosekonzentration
BRUZZESE,
et al. (2009)
formula containing galacto- and fructo-oligosaccharides
pre- d.h.SAKO,
T., MATSUMOTO,
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of non-digestible galacto-oligosaccharides, International Dairy Journal, Vol. 9,
vorhandenen cations
Salze
oder Proteine inhibiert. Im Gegenteil:
von 39 g/Liter
Vergleich wurde eine 39 g/Liter
Vol.ergab.
28, No. 2,Zum
156-161.
No.
1, 69-80.
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Während es SCHWAB,
inoligosaccha-ride
Lactoselösung
undhuman
Süßmolke
keinen UnterLactoselösung
inintestinal
destilliertem
Wasser
(optilactase
A) bzw.
on the
microbiota of
healthy adults,
International Journal
of Food Microbiology,
components,
milk oligosaccharides
and galactooligosaccharides,
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144, No. 2, 285-292.
FEMS
MicrobiologyGOS-Ausbeute
Letters, Vol. 315, No. 2,(10,9
141-148.%) gibt, ist
schied
bei
der
maximalen
PEM-PufferGIBSON,
(optilactase
LX2)
untersucht.
Das
verwendete
G. R. & ROBERFROID, M. B. (1995) Dietary modulation of the human colonic microSHADID, R. et al. (2007) Effects of galactooligosaccharide and long-chain fructooligosacbiota: Introducing the concept of prebiotics, Journal of Nutrition, Vol. 125, No. 6, 1401-1412.
charide supplementation
during pregnancysogar
on maternal
neonatal microbiota and
in Sauermolke
eineand
leichGREENBERG, N. A. & MAHONEY, R. R. (1984) The activity of lactase (Streptococcus thermoimmunity - A randomized, double-blind, placebo-controlled study, American Journal of
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whey, Food
Chemistry,
Vol. 15, No. 4,in
307-313.
Clinical Nutrition, Vol.
86,
No. 5, 1426-1437.
abbildungGONZÁLEZ,
3:
Zeitlicher
Verlauf
der
GOS-Synthese
PEM-Puffer
(rot),
Süßmolke
te
Ausbeutesteigerung
(11,3
%)
R. et al. (2008) Differential transcriptional response of Bifidobacterium longum
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and galactooligosaccharide,
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from beobachten.
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of Agricultural and Food Chemistry,
(gelb) und Sauermolke
(blau)
dem Enzym optilactase
lX2 aus k. lactis
Unterschiede
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auch
imandAbbau
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GOS
sichtbar:
Innerhalb
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Ausbeute
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ca.
43,5
%,
in
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molke
ca. 37,6Vol.
%68,
und
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TZORTZIS, G. & VULEVIC,
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Kapitel
7, 29,6
GalactoOligosaccharide
selösung
ca.
%
der
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Vol. 19, No. 4,mit
473-480.
1-2, 23-30.
A. oryzae deutlich langsamer
abläuft als mit optilactase LX2
aus K. lactis (vgl. Abbildung 3
DLG e.V., Ausschuss Sensorik
und 4). Demnach scheint die
Eschborner Landstraße 122, 60489 Frankfurt am Main
Affinität zu Lactose bei dem
Telefon: 069/24788-360 , Fax: 069/24788-8360
Aspergillus-Enzym weniger stark
E-Mail: [email protected]; Internet: www.DLG.org/sensorikausschuss.html
ausgeprägt.
4
6
DLG-Expertenwissen
Sensorik 06/2014
DLG-Expertenwissen
Sensorik 06/2014
EE
DLGDLGxpErtEnwissEn
xpErtEnwissEn
GaLactooLiGosacchariDe
GaLactooLiGosacchariDe
abbildung 4: Zeitlicher Verlauf der GOS-Synthese in lactoselösung (rot), Süßmolke (gelb) und Sauermolke (blau) mit dem Enzym optilactase a aus a. oryzae
die Zusammensetzung der GOS
in Lactoselösung und Süßmolke
nicht wesentlich voneinander.
Lediglich in Sauermolke ist die Trisaccharid-Fraktion mit ca. 82,2 %
zugunsten der Di- (ca. 8,1 %) und
Tetrasaccharide (ca. 9,7 %) etwas
das Wachstumvermindert.
von Bifidobakterien
(z. B. Boehm et al. 20
Beim K. lactis-Enzym
1. Einleitung
Knol et al. 2005,
Ben bei
et al.Verwendung
2008) als auch
von Lactobazi
stellen
reiner
(Ben et al. 2004)
und hemmen
pathogene Kei
Lactoselösung
diegleichzeitig
Disaccharide
Im vergangenen Jahrzehnt haben sogenannte funktionelle
wie Clostridien
(Vivatvakin
et al. 2010).
Durch
Zusatz von G
die
größte Fraktion
dar (58,4
%).
Lebensmittel, d. h. Lebensmittel mit gesundheitlichem Zusatzgleichen sich die
und die
Art derhingegen
kurzkettigen Fettsäu
In Anzahl
Süßmolke
werden
nutzen, beim Verbraucher zunehmend an Bedeutung gewonvon nicht gestillten
(Flaschen-)
Säuglingen
deutlich
mehr Tri(65,5 %)denen
als der gestil
nen. Ein Hauptziel von funktionellen Lebensmitteln ist die
Säuglinge an Disaccharide
(Bakker-Zierikzee
al. gebildet.
2005, Ben et al. 20
(34,5et %)
positive Beeinflussung des Gastrointestinaltraktes. Dazu gehört
AuswirkungenDas
aufVerhältnis
die Stuhlfrequenz
und -konsistenz
wur
in Sauermolke
ist
auch der Aufbau einer gesunden Darmflora. Hierbei können
ebenfalls von zahlreichen
Autoren beschrieben (z. B. Nakam
nahezu ausgeglichen.
Galactooligosaccharide (kurz: GOS) nützlich sein. Als GOS
et al. 2009). Zudem gab es positive Effekte im Hinblick au
werden Mehrfachzucker bezeichnet, welche aus einer Reihe
Vermeidung von
5.3Atemwegsinfektionen
Zusammenfassung(Bruzzese et al. 20
von Galactosemolekülen und optional einem endständigen
Puccio et al. 2007, Rivero et al. 2005) und eine verbess
Glucosemolekül bestehen (siehe Abbildung 1).
Mineralstoffaufnahme
(Sako et al.zeigen,
1999, Van
Die Ergebnisse
dassDen Heuve
al. 2000).
abbildung 1: Struktur von Galactooligosacchariden
Molke ein vielversprechendes
Der bifidogene
Effektfür
konnte
bei Erwachsenen
best
Substrat
die auch
Synthese
von
werden (Ito 1990,
DavisWährend
et al. 2010),
wobei
Die Abbildung 5 gibt die GOS-Ausbeute beider EnzymGalactooligosacchariden
darstellt.
Enzyme
ausder Effekt s
von dersowohl
täglichen
Dosisals
abhängig
(getestet wurden 2,5
präparate in Abhängigkeit des Lactosehydrolysegrads wieder.
Aspergillus oryzae
in Süßauch in ist
Sauermolke
10 g pro
Werden Galactooligosaccharide
Daraus lässt sich erkennen, inwiefern die Enzyme zur Hydroeinsetzbar wären,
ist Tag).
die GOS-Synthese
mit Enzymen aus während
Schwangerschaft
konsumiert,
ist derzufriedenbifidogene Effekt jed
lyse oder zur Transgalactosylierung neigen. Der Unterschied
Kluyveromyces
lactis lediglich
in Sauermolke
nur bei der werdenden Mutter und nicht beim Fötus nachw
zwischen beiden Enzymen ist klar ersichtlich: Vergleicht man
stellend möglich.
bar (Shadid
et al. 2007).
die Daten der Reaktion in reiner Lactoselösung, so konnte
Die konkrete
Applikation
wird darüber entscheiden,
mit der Lactase aus K. lactis (offene Symbole) ein Hydrolywelches der Enzyme bevorzugt einzusetzen ist. Da Galactosegrad von 100 % erreicht werden. Der Lactoseabbau mit
2.2 Weitere
Eigenschaften und
oligosaccharide
je nach Zusammensetzung
eineEinsatzmöglichkei
geringere
dem A. oryzae-Enzym (geschlossene Symbole) liegt in der
Süßkraft als Lactose besitzen können, ist unter Umständen
doppelten Zeit
beikommen
nur ca. 60natürlicherweise
%. Die hydrolytische
Aktivität
Neben ihrem
gesundheitlichen
hohe Spaltungsaktivität
derpositiven
K. lactis- Lactase
erwünscht,Effekt, besi
GOS
in der
humanen die
Mutterder K. lactis-Lactase
ist demnach
ausgeprägt.
GOS weitere
nützliche
Eigenschaften,
welche ihren Ein
Süßkraft
von Glucose
und Galactose,
milch vor (Bruzzese
et deutlich
al. 2006)stärker
und sind
maßgeblichum
für mit
dender stärkeren
Die Fähigkeit
zur Transgalactosylierung
ist jedoch
bei beiden (González
in Lebensmitteln
interessant machen.
Aufgrund ihrer Stru
den Geschmack
an Verbraucherwünsche
anzupassen.
bifidogenen
Effekt der Muttermilch
verantwortlich
Präparaten
gleichermaßen
ähnliche Ausbeukönnen sie
von den
Enzymen
im Mund, den a-Amylasen,
n
Nichtsdestotrotz
besteht
weiterer
Forschungsbedarf
auf
et al.
2008). Wennvorhanden,
Mütter nichtda
ausreichend
Milch bereitstellen
ten erzieltkönnen,
wurdenkann
(siehe
auch Tabelle 2).
verstoffwechselt
werden.
Das hat zur Folge,
dass GOS keine
diesem Gebiet.
Es ist zum einen
wünschenswert,
die bisheSäuglingsergänzungsnahrung
auf Kuhmilchbasis
Vergleicht
man die verschieries verursachen (Splechtna et al. 2001). Der Einsatz als Zuc
die Versorgung
mit lebenswichtigen Nährstoffen sicherstellen.
denen Substrate
5: GOS-ausbeute
in abhängigkeit
vom in
lactosehydrolysegrad
der
austauschstoff
Kaugummi oder Konfekt
ist daher nahelieg
Allerdingsuntereinander,
enthält Kuhmilch abbildung
deutlich weniger
Oligosaccharide
so zeigt (Martinez-Ferez
sich bei beidenet Enzya. oryzae (Suter
(geschlossene
und optilactase
a aus
2010). SieSymbole)
gelangen demnach
unverdaut in den Ma
al. 2006),Enzyme
sodass esoptilactase
vorteilhaft für
Säuglinge
men, dass
Verwendung
von zugefügt
k. lactis
Symbole) inden
lactoselösung
(rot),guten
Süßmolke
(gelb)
und Milieu, un
lX2 auswerden.
sie aufgrund ihrer
Stabilität
im sauren
ist,bei
wenn
Oligosaccharide
An(offene
eine Isolierung
Sauermolke
als Synthesemedium
(blau)
ändert passieren. Diese Eigenschaft macht auch den Einsa
humaner
Oligosaccharide –Sauermolke
bisher wurden
ca. 130 von über
anstatt reiner
Fruchtsäften denkbar (Ito 1990). Auch besitzen GOS eine
1000Lactoselösung,
verschiedenen das
Oligosacchariden identifiziert – für komReaktionsgleichgewicht
zur Transhohe thermische Stabilität (keine Veränderung nach 10 Min
merzielle Zwecke
ist selbstredend nicht zu denken. An Stelle
galactosylierung
verschoben werden daher bovine Galactooli160 °C und pH 7 (Sako et al. 1999)) und ein hohes Wasser
humanerhin
Oligosaccharide
ist. Dies gosaccharide
zeigt sich daran,
dass
devermögen, was den Einsatz in Brot und anderen Backwa
als wertvoller
und geeigneter Ersatz angesehen
bei gleichem
Hydrolysegrad
eine
ermöglicht (Sonoike et al. 1994). Die Viskosität ist mit der
(Schwab
und Gänzle
2011). Diese sind zum Teil auch in der
höhere Ausbeute
wird. vorhanden (Tzortzis und Vulevic 2009).
Fruktosesirup vergleichbar und trägt zu einem verbesse
humanenerzielt
Muttermilch
Auch im Hinblick auf die
Mundgefühl bei (Tzortzis und Vulevic 2009). Weiterhin ha
2. Eigenschaften
von Galactooligosacchariden
Zusammensetzung
der gebildeGOS einen niedrigen Kalorienwert (1,73 kcal/g, entsprich
ten Galactooligosaccharide gibt
50 % des Kalorienwertes von Haushaltszucker (Saccharo
2.1 Prebiotische
es Unterschiede
zwischen Wirkung
den
da sie den Dünndarm passieren ohne verdaut zu werden. D
verwendeten Medien und Enmacht GOS wiederum geeignet für Diabetikernahrung. A
Nach
einer Definition
zymen (siehe
Tabelle
2). Wäh- von Gibson & Roberfroid 1995 werden
die Süßkraft entspricht je nach Zusammensetzung nur 30
Prebiotika
Lebensmittelbestandteile bezeichrend die als
Lactase
aus unverdauliche
A. oryzae
60 % der Süßkraft von Saccharose.
selektiv
Wachstum und/oder die Aktivität ein oder
vorrangignet,
Tri-die
und
sogardas
einige
3. Produkte mit GOS
mehrerer
Bakterien
des Dickdarms fördern und demnach die
Tetrasaccharide
bildet,
bestehen
Gesundheit des Wirtsder
verbessern. Sie werden auch als „Bifidusdie Galactooligosaccharide
Zunächst muss unterschieden werden zwischen rei
Faktor“ bezeichnet.
K. lactis-Lactase
ausschließlich
GOS-Produkten und zwischen Lebensmitteln, denen Gala
prebiotische Wirkung
von Galactooligosacchariden wuraus Di- undDie
Trisacchariden.
Bei
oligosaccharide zugesetzt werden.
de A
bereits
in zahlreichen
optilactase
unterscheidet
sich Studien bestätigt. Sie fördern sowohl
PrEbiOtika auS MOlkE
Neuer Weg zur Herstellung von Galactooligosacchariden
DLG-Expertenwissen
DLG-Expertenwissen
Sensorik Sensorik
06/2014 06/2014
5
DLG
ExpErtEnwissEn GaLactooLiGosacchariDe
tabelle 2: Zusammensetzung der gebildeten GOS zum Zeitpunkt maximaler GOS-ausbeute
GOS-Zusammensetzung in %
Enzym
Substrat
GOS-ausbeute
in %
Disaccharide
trisaccharide
tetrasaccharide
Hydrolysegrad
in %*
optilactase A
(A. oryzae)
Lactose
10,91 +/- 0,01
6,27 +/- 0,15
87,25 +/- 0,16
6,48 +/- 0,37
32,69 +/- 0,14
Süßmolke
10,93 +/- 0,18
4,71 +/- 1,31
88,97 +/- 0,07
6,32 +/- 0,27
33,31 +/- 0,02
Sauermolke
11,32 +/- 0,59
8,10 +/- 2,34
82,19 +/- 1,88
9,71 +/- 1,01
41,79 +/- 0,30
Lactose
10,93 +/- 0,26
58,42 +/- 2,69
41,58 +/- 0,45
0,00 +/- 0,00
91,37 +/- 0,76
Süßmolke
4,30 +/- 0,17
34,45 +/- 4,05
65,55 +/- 0,01
0,00 +/- 0,00
21,64 +/- 0,03
Sauermolke
10,56 +/- 0,41
48,09 +/- 3,95
51,91 +/- 0,10
0,00 +/- 0,00
70,04 +/- 0,53
optilactase LX2
(K. lactis)
* bei maximaler GOS-ausbeute
rige Ausbeute zu steigern, was durch eine Konzentrierung der
Molken gelingen könnte. Es bleibt jedoch abzuwarten, ob die
damit gleichzeitig stattfindende Konzentrierung eventueller
Hemmstoffe sich nachteilig auf den Prozess auswirkt. An der
Hochschule Anhalt wird zudem nach anderen Enzymquellen
gesucht, welche eine hohe Toleranz gegenüber Milchsalzen
aufweisen, um so die GOS-Ausbeute weiter zu verbessern.
Autoren: M.Sc. Christin Fischer ([email protected].
de) und Prof. Dr. Thomas Kleinschmidt (t.kleinschmidt@bwp.
hs-anhalt.de), Hochschule Anhalt, Bernburger Str. 55, 06366
Köthen
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DLG e.V., Ausschuss Sensorik
Eschborner Landstraße 122, 60489 Frankfurt am Main
Telefon: 069/24788-360 , Fax: 069/24788-8360
E-Mail: [email protected]; Internet: www.DLG.org/sensorikausschuss.html
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DLG-Expertenwissen Sensorik 06/2014