Heterologe Produktion bakterieller und basidiomycetischer Enzyme für die Anwendung in der Backindustrie

Research output: Thesis › Doctoral thesis

Authors

  • Kathrin Schulz

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Details

Original languageGerman
QualificationDoctor rerum naturalium
Awarding Institution
Supervised by
  • Ralf Günter Berger, Supervisor
Date of Award12 Dec 2018
Place of PublicationHannover
Publication statusPublished - 2018

Abstract

Die Brotherstellung ist eine der ältesten bekannten Biotechnologien. Die kontinuierliche Verbesserung dieses Prozesses vollzog sich parallel der Entwicklung zu einer modernen zivilisierten Gesellschaft. Um schwankende Rohstoffeigenschaften auszugleichen, der wachsenden Nachfrage nach speziellen Broterzeugnissen nachzukommen und die Verarbeitung des Teiges zu verbessern, nutzt die Industrie immer häufiger chemische und enzymatische Backmittel, wobei letztere in der heutigen Zeit als Lebensmitteladditiv unverzichtbar sind. Hierbei ist besonders bedeutend, dass eine Vielzahl der Enzyme während den thermischen Prozessen deaktiviert werden, somit nicht in ihrer aktiven Form im finalen Produkt vorliegen und folglich nicht gekennzeichnet werden müssen. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei potentielle Backenzyme aus mikrobiellen Kulturüberstanden isoliert, auf biochemischer und molekularer Ebene charakterisiert und für anschließende Applikationsstudien heterolog produziert. Eines der isolierten Enzyme, eine Ferulasäureesterase (FAE) aus Streptomyces werraensis (SwFAED) wurde heterolog mittels eines Kälte-Schock-Systems in Escherichia coli produziert. Eine nachfolgende Co-Expression der Chaperone groES-groEL erzielte eine Verdopplung der Enzymaktivität. SwFAED weist keinerlei Ähnlichkeit bezüglich der Aminosäuresequenz zu bisher bekannten FAEs auf. Das Substratprofil demonstrierte eine Präferenz für voluminöse, natürliche Substrate wie feruloylierte Saccharide. Bei der Behandlung von Weizenteig konnte durch den Zusatz einer geringen Aktivität von 0,3 U kg-1 in Kombination mit Polysaccharid-abbauenden Enzymen aus Aspergillus das Gebäckvolumen eines Weizenbrotes um annähernd 10 % gesteigert werden. Das Temperatur- sowie pHOptimum (40 °C, pH 7,5) ermöglichen eine Applikation in der Backindustrie. Darüber hinaus wurde eine prolylspezifische Endopeptidase (FvpP) aus Flammulina velutipes gereinigt und die katalytische Enzymaktivität mittels der heterologen Produktion in Aspergillus oryzae verifiziert. Durch den Zusatz von Fe2+ bzw. Fe3+ konnte die FvpP-Aktivität gesteigert werden, wobei die Zugabe von Cu2+, Mn2+, Zn2+, Ni2+, Co2+ und geringe Konzentrationen von Z-Pro-Prolinal die Enzymaktivität senkten. Das Enzym wurde bezüglich seiner Spaltstellenspezifität untersucht und katalysiert effizient die Hydrolyse von prolinreichen Peptiden wie Insulinkette B, Angiotensin I und β-Casein. Ferner wurden Hydrolyseprodukte der Zöliakie auslösenden Komponente in Weizengluten, α-Gliadin, sowie die Spaltstellen von toxischen Epitopen in silico identifiziert. Dies eröffnet den potentiellen Einsatz in der Lebensmittelindustrie für die Produktion glutenfreier Lebensmittel.

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Heterologe Produktion bakterieller und basidiomycetischer Enzyme für die Anwendung in der Backindustrie. / Schulz, Kathrin.
Hannover, 2018. 93 p.

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title = "Heterologe Produktion bakterieller und basidiomycetischer Enzyme f{\"u}r die Anwendung in der Backindustrie",
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year = "2018",
doi = "10.15488/4286",
language = "Deutsch",
school = "Gottfried Wilhelm Leibniz Universit{\"a}t Hannover",

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TY - BOOK

T1 - Heterologe Produktion bakterieller und basidiomycetischer Enzyme für die Anwendung in der Backindustrie

AU - Schulz, Kathrin

N1 - Dissertation

PY - 2018

Y1 - 2018

N2 - Die Brotherstellung ist eine der ältesten bekannten Biotechnologien. Die kontinuierliche Verbesserung dieses Prozesses vollzog sich parallel der Entwicklung zu einer modernen zivilisierten Gesellschaft. Um schwankende Rohstoffeigenschaften auszugleichen, der wachsenden Nachfrage nach speziellen Broterzeugnissen nachzukommen und die Verarbeitung des Teiges zu verbessern, nutzt die Industrie immer häufiger chemische und enzymatische Backmittel, wobei letztere in der heutigen Zeit als Lebensmitteladditiv unverzichtbar sind. Hierbei ist besonders bedeutend, dass eine Vielzahl der Enzyme während den thermischen Prozessen deaktiviert werden, somit nicht in ihrer aktiven Form im finalen Produkt vorliegen und folglich nicht gekennzeichnet werden müssen. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei potentielle Backenzyme aus mikrobiellen Kulturüberstanden isoliert, auf biochemischer und molekularer Ebene charakterisiert und für anschließende Applikationsstudien heterolog produziert. Eines der isolierten Enzyme, eine Ferulasäureesterase (FAE) aus Streptomyces werraensis (SwFAED) wurde heterolog mittels eines Kälte-Schock-Systems in Escherichia coli produziert. Eine nachfolgende Co-Expression der Chaperone groES-groEL erzielte eine Verdopplung der Enzymaktivität. SwFAED weist keinerlei Ähnlichkeit bezüglich der Aminosäuresequenz zu bisher bekannten FAEs auf. Das Substratprofil demonstrierte eine Präferenz für voluminöse, natürliche Substrate wie feruloylierte Saccharide. Bei der Behandlung von Weizenteig konnte durch den Zusatz einer geringen Aktivität von 0,3 U kg-1 in Kombination mit Polysaccharid-abbauenden Enzymen aus Aspergillus das Gebäckvolumen eines Weizenbrotes um annähernd 10 % gesteigert werden. Das Temperatur- sowie pHOptimum (40 °C, pH 7,5) ermöglichen eine Applikation in der Backindustrie. Darüber hinaus wurde eine prolylspezifische Endopeptidase (FvpP) aus Flammulina velutipes gereinigt und die katalytische Enzymaktivität mittels der heterologen Produktion in Aspergillus oryzae verifiziert. Durch den Zusatz von Fe2+ bzw. Fe3+ konnte die FvpP-Aktivität gesteigert werden, wobei die Zugabe von Cu2+, Mn2+, Zn2+, Ni2+, Co2+ und geringe Konzentrationen von Z-Pro-Prolinal die Enzymaktivität senkten. Das Enzym wurde bezüglich seiner Spaltstellenspezifität untersucht und katalysiert effizient die Hydrolyse von prolinreichen Peptiden wie Insulinkette B, Angiotensin I und β-Casein. Ferner wurden Hydrolyseprodukte der Zöliakie auslösenden Komponente in Weizengluten, α-Gliadin, sowie die Spaltstellen von toxischen Epitopen in silico identifiziert. Dies eröffnet den potentiellen Einsatz in der Lebensmittelindustrie für die Produktion glutenfreier Lebensmittel.

AB - Die Brotherstellung ist eine der ältesten bekannten Biotechnologien. Die kontinuierliche Verbesserung dieses Prozesses vollzog sich parallel der Entwicklung zu einer modernen zivilisierten Gesellschaft. Um schwankende Rohstoffeigenschaften auszugleichen, der wachsenden Nachfrage nach speziellen Broterzeugnissen nachzukommen und die Verarbeitung des Teiges zu verbessern, nutzt die Industrie immer häufiger chemische und enzymatische Backmittel, wobei letztere in der heutigen Zeit als Lebensmitteladditiv unverzichtbar sind. Hierbei ist besonders bedeutend, dass eine Vielzahl der Enzyme während den thermischen Prozessen deaktiviert werden, somit nicht in ihrer aktiven Form im finalen Produkt vorliegen und folglich nicht gekennzeichnet werden müssen. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei potentielle Backenzyme aus mikrobiellen Kulturüberstanden isoliert, auf biochemischer und molekularer Ebene charakterisiert und für anschließende Applikationsstudien heterolog produziert. Eines der isolierten Enzyme, eine Ferulasäureesterase (FAE) aus Streptomyces werraensis (SwFAED) wurde heterolog mittels eines Kälte-Schock-Systems in Escherichia coli produziert. Eine nachfolgende Co-Expression der Chaperone groES-groEL erzielte eine Verdopplung der Enzymaktivität. SwFAED weist keinerlei Ähnlichkeit bezüglich der Aminosäuresequenz zu bisher bekannten FAEs auf. Das Substratprofil demonstrierte eine Präferenz für voluminöse, natürliche Substrate wie feruloylierte Saccharide. Bei der Behandlung von Weizenteig konnte durch den Zusatz einer geringen Aktivität von 0,3 U kg-1 in Kombination mit Polysaccharid-abbauenden Enzymen aus Aspergillus das Gebäckvolumen eines Weizenbrotes um annähernd 10 % gesteigert werden. Das Temperatur- sowie pHOptimum (40 °C, pH 7,5) ermöglichen eine Applikation in der Backindustrie. Darüber hinaus wurde eine prolylspezifische Endopeptidase (FvpP) aus Flammulina velutipes gereinigt und die katalytische Enzymaktivität mittels der heterologen Produktion in Aspergillus oryzae verifiziert. Durch den Zusatz von Fe2+ bzw. Fe3+ konnte die FvpP-Aktivität gesteigert werden, wobei die Zugabe von Cu2+, Mn2+, Zn2+, Ni2+, Co2+ und geringe Konzentrationen von Z-Pro-Prolinal die Enzymaktivität senkten. Das Enzym wurde bezüglich seiner Spaltstellenspezifität untersucht und katalysiert effizient die Hydrolyse von prolinreichen Peptiden wie Insulinkette B, Angiotensin I und β-Casein. Ferner wurden Hydrolyseprodukte der Zöliakie auslösenden Komponente in Weizengluten, α-Gliadin, sowie die Spaltstellen von toxischen Epitopen in silico identifiziert. Dies eröffnet den potentiellen Einsatz in der Lebensmittelindustrie für die Produktion glutenfreier Lebensmittel.

U2 - 10.15488/4286

DO - 10.15488/4286

M3 - Dissertation

CY - Hannover

ER -