BCFF – Ergebnisse

Im Projekt „BCFF“ wurden wissenschaftliche Grundlagen für die Nutzung biokatalytischer Eigenschaften von Lebensmittelrohstoffen zur Herstellung natürlicher Aroma- und Geschmacksstoffe entwickelt. Dabei standen insbesondere biokatalytische Reaktionen zur Herstellung aromarelevanter Verbindungen wie Vanillin oder geschmacks- und geruchsaktiver Fettaldehyde im Fokus.

Zu Beginn des Projekts wurden geeignete Rohstoffquellen identifiziert und analysiert. Dabei zeigte sich, dass Nebenströme aus der Verarbeitung von Vanilleschoten nutzbare Vorstufen für Aromastoffe enthalten. Aus diesen Nebenströmen konnten unter anderem Protocatechusäure und Vanillinsäure gewonnen werden, wobei sich ein Wasser-Ethanol-Gemisch im Verhältnis 1:1 als besonders geeignetes Extraktionssystem erwies. Parallel dazu wurden mikrobiologische und enzymatische Systeme untersucht, um diese Vorstufen effizient in aromarelevante Zielverbindungen umzuwandeln.

Ein wichtiger Schwerpunkt lag auf der Untersuchung von Pilzen als Biokatalysatoren. Submers kultivierte Basidiomyceten wie Lentinula edodes, Dichomitus squalens und Pycnoporus cinnabarinus zeigten dabei eine hohe Aktivität für verschiedene enzymatische Reaktionen. Insbesondere konnte gezeigt werden, dass das Myzel von Lentinula edodes die O-Methylierung von Protocatechusäure zu Vanillinsäure katalysiert. In einem weiteren Reaktionsschritt ermöglichten Dichomitus squalens und Pycnoporus cinnabarinus die Reduktion von Vanillinsäure zu Vanillin mit Ausbeuten von bis zu 65 %. Auf dieser Basis wurde eine biokatalytische Reaktionskaskade etabliert, bei der Protocatechusäure zunächst zu Vanillinsäure und anschließend zu Vanillin umgesetzt wird.

Ergänzend wurden enzymatische Systeme auf molekularer Ebene untersucht. Dabei konnten zwei Carbonsäurereduktasen (DsCAR1 und DsCAR2) aus Dichomitus squalens identifiziert, heterolog in Escherichia coli exprimiert und biochemisch charakterisiert werden. Parallel dazu wurde die Produktion des Cofaktors S-Adenosylmethionin (SAM) untersucht. Ein Screening verschiedener Hefestämme zeigte, dass Saccharomyces cerevisiae sake K6 eine besonders hohe SAM-Akkumulation aufweist und sich daher als geeigneter Cofaktor-Lieferant für biokatalytische Reaktionen eignet.

Neben diesen Arbeiten wurde auch untersucht, inwieweit Lebensmittelpflanzen selbst als Quelle für biokatalytische Aktivitäten genutzt werden können. In Reiskeimlingen konnte die Aktivität einer α-Dioxygenase nachgewiesen werden, die zur Bildung geschmacks- und geruchsaktiver Fettaldehyde beiträgt. Experimente mit verschiedenen Oryza sativa-Varietäten zeigten dabei Unterschiede zwischen spezifischer Enzymaktivität und Biomasseproduktion in unterschiedlichen Kultivierungssystemen. Eine tiefergehende Skalierungsanalyse machte jedoch deutlich, dass eine industrielle Umsetzung auf Basis von Reiskeimlingen aufgrund des sehr hohen Flächen- und Saatgutbedarfs wirtschaftlich nicht tragfähig ist. Die Ergebnisse zeigen daher, dass für eine großtechnische Produktion insbesondere fermentative oder rekombinante biotechnologische Systeme deutlich effizienter sein können.

Darüber hinaus wurden auch geeignete Substrate für biokatalytische Reaktionen bereitgestellt. In einer 200-Liter-Pilotfermentation von Conidiobolus heterosporus konnten methylverzweigte Fettsäuren als Substrate erzeugt werden, wobei sich Ethylacetat als besonders effizientes Extraktionssystem erwies. Insgesamt bestätigt das Projekt im Ansatz, dass Lebensmittelrohstoffe und deren Nebenströme als Ausgangsmaterial für biokatalytische Prozesse zur Herstellung natürlicher Aromastoffe unter bestimmten Voraussetzungen eingesetzt werden können. Gleichzeitig liefern die Ergebnisse wichtige Erkenntnisse darüber, unter welchen Bedingungen solche Konzepte technisch und wirtschaftlich realisierbar sind und wann moderne biotechnologische Verfahren eine effizientere Alternative darstellen können.