Synthese von Wirkstoffen für Lebensmittel durch degradative Enzyme aus Basidiomycota

Research output: Thesis › Doctoral thesis

Authors

  • Thorben Günther

Research Organisations

View graph of relations

Details

Original languageGerman
QualificationDoctor rerum naturalium
Awarding Institution
Supervised by
  • Ralf Günter Berger, Supervisor
Date of Award19 Apr 2021
Place of PublicationHannover
Publication statusPublished - 2021

Abstract

The growing industrialisation of food production goes hand in hand with the increasing addition of active compounds such as dyes, preservatives, and flavours to improve the products’ properties. In such additives, consumers prefer the classification “natural”, which can be achieved by enzymatically catalysed synthesis. A suitable source of such enzymes are destruents like Basidiomycota, as they produce a broad variety of potent but not well described degrading enzymes. This work was focussed on the natural production of the smoke flavour compound 4 vinylguaiacol (4-VG) and the potential preservative 2,6-dimethoxybenzoquinone (DMBQ) via degrading basidiomycetous enzymes. In a first study, a ferulic acid decarboxylase from Schizophyllum commune (ScoFAD) was successfully identified as the first of its kind in Basidiomycota and was heterologously produced in the food-grade host Komagataella phaffii. In contrast to homologous bacterial and ascomycetous enzymes, ScoFAD offered the highest described affinity of 0.16 mmol L 1 towards its only substrate, ferulic acid. Further, its catalytic efficiency of 4,779 L s 1 mmol-1 exceeded the next best known enzyme by more than a factor of 50. The enzyme was covalently immobilised on AminoLink Plus Agarose and showed activity for several days in a continuous process. This enzymatic synthesis of natural 4-VG as a key compound of smoke paves the way for a new generation of sustainable and safe smoke flavours. The compound DMBQ offers anti-bacterial and anti-fungal activities and was identified as an oxidation product of malvidin in previous studies. In a second study, comparative analysis of the DMBQ content of different wine beverages were performed for the first time. The quinone was solely found in malvidin containing wines with concentrations ranging from 28 to 137 µg L-1, indicating that DMBQ formation also takes place in vivo. Formation kinetics in anthocyanin-rich fruits were recorded and demonstrated that quinone formation is triggered by cell decompartmentalisation. Further, a bioprocess was established enabling the production of natural DMBQ from wine pomace via a laccase of Pleurotus pulmonarius with yields of 94 % and 65 mg DMBQ/100 g wine pomace.

Sustainable Development Goals

Cite this

Synthese von Wirkstoffen für Lebensmittel durch degradative Enzyme aus Basidiomycota. / Günther, Thorben.
Hannover, 2021. 96 p.

Research output: Thesis › Doctoral thesis

Günther, T 2021, 'Synthese von Wirkstoffen für Lebensmittel durch degradative Enzyme aus Basidiomycota', Doctor rerum naturalium, Leibniz University Hannover, Hannover. https://doi.org/10.15488/10891
Günther T. Synthese von Wirkstoffen für Lebensmittel durch degradative Enzyme aus Basidiomycota. Hannover, 2021. 96 p. doi: 10.15488/10891
Download
@phdthesis{fbb24c9e688f4abab6f731d5b615fbe9,
title = "Synthese von Wirkstoffen f{\"u}r Lebensmittel durch degradative Enzyme aus Basidiomycota",
abstract = "Mit zunehmender Industrialisierung der Lebensmittelproduktion werden Produkten vermehrt Wirkstoffe wie Farb-, Konservierungs- und Aromastoffe zugesetzt, um sie aufzuwerten. Hierbei wird von Konsumenten das Pr{\"a}dikat „nat{\"u}rlich“ bevorzugt, das beispielsweise durch die enzymatische Produktion dieser Wirkstoffe erhalten wird. Hier bieten sich Basidiomycota als Genspender an, da sie als Hauptdestruenten von Pflanzenresten ein breites jedoch bisher nur unzureichend beschriebenes Spektrum an potenten degradativen Enzymen bieten. In dieser Arbeit wurde an der nat{\"u}rlichen Produktion der Raucharomakomponente 4 Vinylguajakol (4 VG) sowie dem potentiellen Konservierungsstoff 2,6-Dimethoxychinon (DMBQ) durch degradative basidiomycetische Enzyme gearbeitet. In einer ersten Studie wurde eine Ferulas{\"a}uredecarboxylase aus Schizophyllum commune (ScoFAD) als erstes Enzym seiner Art aus Basidiomycota identifiziert und erfolgreich im lebensmittelgeeigneten Expressionswirt Komagataella phaffii heterolog produziert. Im Vergleich mit bakteriellen und ascomycetischen Enzymen zeigte die ScoFAD mit 0,16 mmol L 1 die h{\"o}chste Affinit{\"a}t zu ihrem einzigen Substrat Ferulas{\"a}ure. Die katalytische Effizienz {\"u}bertraf die homologer Enzyme mit 4.779 L s-1 mmol-1 um mehr als den Faktor 50. Die ScoFAD wurde kovalent auf AminoLink Plus Agarose immobilisiert und zeigte in einem kontinuierlichen Prozess {\"u}ber mehrere Tage Aktivit{\"a}t. So wurde mit der Synthese von nat{\"u}rlichem 4-VG als Schl{\"u}sselkomponente des Raucharomas der Weg f{\"u}r neue, nachhaltige und sichere Raucharomen geebnet. DMBQ besitzt antibakterielle und antifungale Eigenschaften und wurde in vorangegangenen Arbeiten als in-vitro-Oxidationsprodukt von Malvidin nachgewiesen. In einer zweiten Studie wurden erstmals komparative Analysen des DMBQ-Gehalts verschiedener Weine durchgef{\"u}hrt. Das Chinon wurde lediglich in den malvidinhaltigen Proben mit Konzentrationen zwischen 28 und 137 µg L 1 nachgewiesen, was auf das Vorhandensein des gleichen Bildungsweges in vivo hindeutete. Es konnten erstmals in-vivo-Bildungskinetiken in homogenisierten roten Fr{\"u}chten aufgenommen werden, die eine Zelldekompartementalisierung als Ausl{\"o}ser der DMBQ-Bildung zeigten. Zudem wurde ein Bioprozess etabliert, der die Produktion des Chinons unter food-grade-Bedingungen mit Ausbeuten von 94 % und 65 mg DMBQ/100 g Weintrester mittels einer Laccase aus Pleurotus pulmonarius erm{\"o}glicht.",
author = "Thorben G{\"u}nther",
note = "Dissertation",
year = "2021",
doi = "10.15488/10891",
language = "Deutsch",
school = "Gottfried Wilhelm Leibniz Universit{\"a}t Hannover",

}

Download

TY - BOOK

T1 - Synthese von Wirkstoffen für Lebensmittel durch degradative Enzyme aus Basidiomycota

AU - Günther, Thorben

N1 - Dissertation

PY - 2021

Y1 - 2021

N2 - Mit zunehmender Industrialisierung der Lebensmittelproduktion werden Produkten vermehrt Wirkstoffe wie Farb-, Konservierungs- und Aromastoffe zugesetzt, um sie aufzuwerten. Hierbei wird von Konsumenten das Prädikat „natürlich“ bevorzugt, das beispielsweise durch die enzymatische Produktion dieser Wirkstoffe erhalten wird. Hier bieten sich Basidiomycota als Genspender an, da sie als Hauptdestruenten von Pflanzenresten ein breites jedoch bisher nur unzureichend beschriebenes Spektrum an potenten degradativen Enzymen bieten. In dieser Arbeit wurde an der natürlichen Produktion der Raucharomakomponente 4 Vinylguajakol (4 VG) sowie dem potentiellen Konservierungsstoff 2,6-Dimethoxychinon (DMBQ) durch degradative basidiomycetische Enzyme gearbeitet. In einer ersten Studie wurde eine Ferulasäuredecarboxylase aus Schizophyllum commune (ScoFAD) als erstes Enzym seiner Art aus Basidiomycota identifiziert und erfolgreich im lebensmittelgeeigneten Expressionswirt Komagataella phaffii heterolog produziert. Im Vergleich mit bakteriellen und ascomycetischen Enzymen zeigte die ScoFAD mit 0,16 mmol L 1 die höchste Affinität zu ihrem einzigen Substrat Ferulasäure. Die katalytische Effizienz übertraf die homologer Enzyme mit 4.779 L s-1 mmol-1 um mehr als den Faktor 50. Die ScoFAD wurde kovalent auf AminoLink Plus Agarose immobilisiert und zeigte in einem kontinuierlichen Prozess über mehrere Tage Aktivität. So wurde mit der Synthese von natürlichem 4-VG als Schlüsselkomponente des Raucharomas der Weg für neue, nachhaltige und sichere Raucharomen geebnet. DMBQ besitzt antibakterielle und antifungale Eigenschaften und wurde in vorangegangenen Arbeiten als in-vitro-Oxidationsprodukt von Malvidin nachgewiesen. In einer zweiten Studie wurden erstmals komparative Analysen des DMBQ-Gehalts verschiedener Weine durchgeführt. Das Chinon wurde lediglich in den malvidinhaltigen Proben mit Konzentrationen zwischen 28 und 137 µg L 1 nachgewiesen, was auf das Vorhandensein des gleichen Bildungsweges in vivo hindeutete. Es konnten erstmals in-vivo-Bildungskinetiken in homogenisierten roten Früchten aufgenommen werden, die eine Zelldekompartementalisierung als Auslöser der DMBQ-Bildung zeigten. Zudem wurde ein Bioprozess etabliert, der die Produktion des Chinons unter food-grade-Bedingungen mit Ausbeuten von 94 % und 65 mg DMBQ/100 g Weintrester mittels einer Laccase aus Pleurotus pulmonarius ermöglicht.

AB - Mit zunehmender Industrialisierung der Lebensmittelproduktion werden Produkten vermehrt Wirkstoffe wie Farb-, Konservierungs- und Aromastoffe zugesetzt, um sie aufzuwerten. Hierbei wird von Konsumenten das Prädikat „natürlich“ bevorzugt, das beispielsweise durch die enzymatische Produktion dieser Wirkstoffe erhalten wird. Hier bieten sich Basidiomycota als Genspender an, da sie als Hauptdestruenten von Pflanzenresten ein breites jedoch bisher nur unzureichend beschriebenes Spektrum an potenten degradativen Enzymen bieten. In dieser Arbeit wurde an der natürlichen Produktion der Raucharomakomponente 4 Vinylguajakol (4 VG) sowie dem potentiellen Konservierungsstoff 2,6-Dimethoxychinon (DMBQ) durch degradative basidiomycetische Enzyme gearbeitet. In einer ersten Studie wurde eine Ferulasäuredecarboxylase aus Schizophyllum commune (ScoFAD) als erstes Enzym seiner Art aus Basidiomycota identifiziert und erfolgreich im lebensmittelgeeigneten Expressionswirt Komagataella phaffii heterolog produziert. Im Vergleich mit bakteriellen und ascomycetischen Enzymen zeigte die ScoFAD mit 0,16 mmol L 1 die höchste Affinität zu ihrem einzigen Substrat Ferulasäure. Die katalytische Effizienz übertraf die homologer Enzyme mit 4.779 L s-1 mmol-1 um mehr als den Faktor 50. Die ScoFAD wurde kovalent auf AminoLink Plus Agarose immobilisiert und zeigte in einem kontinuierlichen Prozess über mehrere Tage Aktivität. So wurde mit der Synthese von natürlichem 4-VG als Schlüsselkomponente des Raucharomas der Weg für neue, nachhaltige und sichere Raucharomen geebnet. DMBQ besitzt antibakterielle und antifungale Eigenschaften und wurde in vorangegangenen Arbeiten als in-vitro-Oxidationsprodukt von Malvidin nachgewiesen. In einer zweiten Studie wurden erstmals komparative Analysen des DMBQ-Gehalts verschiedener Weine durchgeführt. Das Chinon wurde lediglich in den malvidinhaltigen Proben mit Konzentrationen zwischen 28 und 137 µg L 1 nachgewiesen, was auf das Vorhandensein des gleichen Bildungsweges in vivo hindeutete. Es konnten erstmals in-vivo-Bildungskinetiken in homogenisierten roten Früchten aufgenommen werden, die eine Zelldekompartementalisierung als Auslöser der DMBQ-Bildung zeigten. Zudem wurde ein Bioprozess etabliert, der die Produktion des Chinons unter food-grade-Bedingungen mit Ausbeuten von 94 % und 65 mg DMBQ/100 g Weintrester mittels einer Laccase aus Pleurotus pulmonarius ermöglicht.

U2 - 10.15488/10891

DO - 10.15488/10891

M3 - Dissertation

CY - Hannover

ER -