multiPS: Nachhaltige Wertschöpfung von Molkereinebenströmen – Innovative multienzymatische Präbiotika-Synthesen

Hintergrund
Galactooligosaccharide (GOS) entstehen in einer Nebenreaktion der Lactose-Hydrolyse durch das Enzym β-Galactosidase, indem der am aktiven Zentrum verbleibende Galactose-Rest nicht auf Wasser, sondern auf ein anderes Zuckermolekül übertragen wird (sog. Transgalactosylierung). Wie stark diese Transgalactosylierung ausgeprägt ist, hängt v. a. vom Herkunftsorganismus der β-Galactosidase sowie der anfängliche Lactosekonzentration ab. GOS gelten als Präbiotika und können ab 3 Monomeren als Ballaststoff ausgelobt werden (EU-VO Nr. 1169/2011). Durch die strukturelle Ähnlichkeit zu den humanen Muttermilcholigosacchariden, fördern GOS das Wachstum der positiven Darmflora (Bifidobakterien und Laktobazillen) bei Säuglingen und Erwachsenen gleichermaßen. Sie hemmen weiterhin pathogene Keime (Krebsschutz), fördern die Calcium-Resorption und verbessern die Stuhlkonsistenz. Durch ihre hohe pH- und Temperaturstabilität können GOS einer Vielzahl an Lebensmitteln zugesetzt werden (z.B. Fruchtsäfte, Backwaren, …).
Als eine mögliche Lactose-Quelle für die GOS-Synthese kann Molke dienen. Sie entsteht als Nebenprodukt bei der Käseherstellung, wobei aus 10 L Rohstoff (Milch) nur ca. 1 kg Produkt (Hartkäse) gewonnen wird, aber gleichzeitig ca. 9 L Molke anfallen. In Deutschland lag das Molkeaufkommen 2021 bei ca. 16,5 Mio. Tonnen mit steigender Tendenz. Allerdings werden ca. 60 % dieses Rohstoffs bisher nicht verwertet. Molke enthält neben Lactose auch Milchsalze und Molkenproteine. Die genaue Zusammensetzung hängt vom Produkt (Hartkäse, Weichkäse, Frischkäse, …) und von der konkreten Prozessführung in der Molkerei ab.
Es ist bekannt, dass diese weiteren Inhaltsstoffe der Molke (Salze, Proteine) zu einem veränderten Enzymverhalten (Aktivität, Stabilität, Transgalactosylierungsaktivität) der β-Galactosidase und damit veränderten GOS-Ausbeuten im Vergleich zu synthetischen Puffern führen können. Somit müssen die Synthesebedingungen ggf. angepasst werden, wenn ein Substratwechsel vom optimalen Puffer auf Realsysteme (Molke, Molkenpermeat) erfolgt.

Projektziel
Im Projekt soll eine Wertschöpfung und nachhaltige Nutzung von Molkereinebenströmen realisiert werden, indem die darin enthaltene Lactose mittels β-Galactosidase (β-Gal) zu präbiotischen Galactooligosacchariden (GOS) umgewandelt wird. Hierfür wird erstmals ein multi-Enzymsystem bestehend aus β-Galactosidase (β-Gal), Glucose-Oxidase (GOX), Lactose-Oxidase (LO) und Katalase (KAT) eingesetzt. Einerseits wird so eine Prozessintensivierung der Synthese durch den Entzug des Nebenproduktes Glucose erreicht (durch GOX/KAT), andererseits werden hochreine GOS-Produkte durch die Entfernung des restlichen Substrates Lactose erzeugt (durch LO/KAT). Aus der niedrigpreisigen Lactose werden somit drei Wertprodukte erhalten, welche Anwendung in der Lebensmittel- (GOS, Lactobion-, Gluconsäure) bzw. pharmazeutische Industrie (Lactobionsäure) finden.
Arbeitsplan
Nach Weiterentwicklung der GOS-Analytik und umfassenden Charakterisierung aller Enzyme (β-Gal, LO, GOX, KAT) zur Festlegung geeigneter Reaktionsparameter, erfolgen Untersuchungen zur Prozessgestaltung/-optimierung der Synthesen. Zunächst werden neuartige, kommerziell verfügbare β-Galactosidasen auf ihre Fähigkeit zur GOS-Synthese untersucht und etwaige Unterschiede hinsichtlich Gesamtausbeute und GOS-Zusammensetzung ermittelt. Anschließend erfolgt jeweils die Kombination von β-Galactosidasen aus unterschiedlichen Mikroorganismen mit GOX/KAT bzw. LO/KAT. Im Ergebnis wird eine Kombination β-Gal/GOX/KAT erhalten, welche die höchste Ausbeutesteigerung zeigt sowie eine Kombination β-Gal/LO/KAT, welche den geringsten GOS-Verlust zeigt. In Abhängigkeit der Ergebnisse werden verschiedene Verfahrensweisen zur Kombination aller Enzyme eruiert und das Produktdesign finalisiert. Zur Erhöhung der Prozesseffizienz wird das one-pot-Verfahren mit einem two-pot-Verfahren vergleichen, welches als Überführung in einen semi-kontinuierlichen Prozess dient. Im Ergebnis wird eine Roadmap erhalten, welche eine On-Demand-Produktion von GOS verschiedener Reinheit (mit/ohne Lactose und/oder Glucose) ermöglicht.
Zur Erreichung des Projektziels sind folgende 8 Arbeitspakete geplant, welche in untenstehender Abbildung visualisiert sind:

• AP1: Weiterentwicklung der GOS-Analytik hinsichtlich Trennung Lactose & Disaccharid-GOS
• AP2: Charakterisierung der Enzyme (β-Gal, GOX, LO, KAT)
• AP3: GOS-Synthese mittels neuartiger β-Galactosidasen
• AP4: Reaktorauslegung für effektiven Sauerstofftransport
• AP5: Simultane Glucosese-Oxidation auf verschiedenen GOS-Mischungen
• AP6: Lactoseoxidation auf verschiedenen GOS-Mischungen
• AP7: Synergetische Kombination von GOS-Synthese, Glucose- und Lactoseoxidation
• AP8: Produktaufreinigung/-design & Erstellung der Roadmap für die regionale Industrie