Para-k-Casein entsteht durch Hydrolyse des kappa-Caseins nach Zugabe proteolytischer Enzyme zur Milch. Untersuchungen an selbst erstellten Modellen unter Bedingungen, die die Käsereifung simulieren, zeigen, dass die Proteolyse des für die Käsereifung bedeutenden para-k-Caseins stark vom Wassergehalt abhängt. Mit Hilfe geeigneter Methoden (SDS-Elektrophorese, IEF, GPC, RP-HPLC, ESI-MS u.a.) konnte der Abbau des para-k-Caseins durch die industriell relevanten Milchgerinnungsenzyme Chymosin, Fromase und Suparen bei unterschiedlichem Wasserangebot verfolgt werden. Para-k-Casein wird bei einem käseüblichen Wassergehalt von 60 % innerhalb von 15 Wochen über wenig höhermolekulare Spaltprodukte überwiegend zu Peptiden mit Molmassen im Bereich von 400-1400 Da abgebaut. Wie elektrophoretische Untersuchungen zeigen, wird para-k-Casein auch im Sauermilchkäse abgebaut. Allerdings ist die Detektion der in sehr geringer Menge entstandenen Hydrolyseprodukte problematisch. / K-casein is one of the original casein components in milk. Model-experiments under cheese ripening conditions demonstrate the hydrolysis of para-k-Casein, which is the hydrophobic part of kappa-casein, by rennet and rennet substitutes fromase and suparen. Different water contents influences the dimension of hydrolysis of para-k-Casein. A water content of 60 % usual found in cheese results in a great number of hydrolysis products from para-k-Casein with molecular weights between 400-1400 Da. The hydrolyses was investigated for a time period of 15 weeks by several analytical methods (i.e RP-HPLC, ESI-MS, electrophoretic methods, and others). Investigations by electrophoresis of the ripening process of acid curd cheese demonstrated that para-k-Casein is also hydrolysed in this type of cheese, but the detection is quite difficult.

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Sauerstoffmangel in Pflanzenzellen führt durch Hemmung der mitochondrialen Atmung zur Akkumulation von NADH und zu ATP-Mangel. Reis kann, im Gegensatz zu Weizen oder Kartoffeln, längere Sauerstoffmangel-Perioden überstehen. Ziel dieser Promotionsarbeit war es, einige Aspekte des Primär-Stoffwechsels zu untersuchen, die für das Überleben solcher Stresssituationen verantwortlich sein können, wie die Ethanol-Gärung, die Photosynthese sowie die Nutzung alternativer Energiedonoren. Die Ethanol-Gärung ermöglicht es Pflanzen, NAD zu regenerieren, und so die glycolytische ATP-Bildung aufrechtzuerhalten. Tolerante Reis-Pflanzen bildeten unter Anoxie in Dunkelheit mehr Ethanol als sensitive Weizen-Pflanzen. Dieser Unterschied war allerdings nur im Spross nachzuweisen und resultierte aus hohen Aktivitäten der Gärungsenzyme sowie aus großen Substratmengen in Reis-Blättern. Mehr als 24 h Anoxie konnten aber auch vom Reis aufgrund von Substratmangel nicht überlebt werden. Wurden Pflanzen bei Anoxie belichtet, verbesserten sich die Überlebensraten erheblich. Die Ethanol-Bildung war deutlich verringert, so dass neben der Gärung lichtabhängige Energie-liefernde Prozesse vermutet werden. Allerdings verlief die Photosynthese unter Anoxie aufgrund von CO2-Mangel nur vermindert ab. Eventuell könnte zyklischer Elektronentransport unter diesen Bedingungen zusätzliches ATP produzieren. In der Vergangenheit wurde vermutet, dass Pflanzen unter Sauerstoffmangel für Phosphorylierungsreaktionen statt ATP auch PPi nutzen könnten. In transgenen Kartoffelpflanzen, die infolge von Überexpression der E. coli-Pyrophosphatase weniger PPi enthielten als Wildtypen, wurde unter Hypoxie-Bedingungen nachgewiesen, dass PPi als alternativer Energiedonor bei der Saccharose-Spaltung eine bedeutende Rolle spielt. Dagegen konnte in transgenen Kartoffelpflanzen mit drastisch verminderter Aktivität der PPi-abhängigen Phosphofructokinase keine Beeinträchtigung der Stoffwechsel-Leistungen unter Hypoxie gezeigt werden. / Oxygen deficiency stress in plant cells leads through inhibition of mitochondrial respiration to an accumulation of NADH and a decrease in ATP content. Rice plants can survive oxygen deficiency better than wheat or potato plants. The aim of this PhD-work was to examine, which biochemical processes are responsible for plant tolerance against low oxygen stress. The studies were focused on the analysis of ethanolic fermentation, photosynthesis and the function of pyrophosphate (PPi) as an alternative energy source. By using ethanolic fermentation, plants can regenerate NAD and maintain ATP formation during glycolysis. Tolerant rice plants produced much higher amounts of ethanol during anoxia in darkness compared to sensitive wheat plants. The high fermentation rate mainly occurred in the shoots as a result of high activities of fermentative enzymes as well as high availability of carbohydrates. Nevertheless, rice plants could not survive more than 24 h of anoxia in the dark because of carbohydrate depletion. Illumination during anoxia extended survival of plants. Ethanolic fermentation rate was reduced during light exposure of plants, indicating that other energy-producing processes can compensate. However, it could be shown that the complete photosynthesis was slowed down during oxygen deficiency due to CO2 deficiency. It is likely that cyclic electron transport could at least partially contribute to ATP production during these conditions. In the past, it was speculated that PPi could replace ATP for phosphorylating processes during low oxygen stress. With transgenic potato plants expressing E. coli pyrophosphatase and therefore containing less PPi it was demonstrated that PPi is a significant alternative energy donor for sucrose cleavage during hypoxia. However, in transgenic potato plants with a reduction of synthesis and activity of PPi-dependent phosphofructokinase it could not be demonstrated that these plants suffer more from oxygen deficiency than the wildtype.

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Limitation of fuels reserves and contribution of fossil fuels to the greenhouse effect leads to develop a new, clean and sustainable energy. Among the various options, biohydrogen appears as a promising alternative energy source. The fermentative hydrogen production process holds a great promise for commercial processes. Hydrogen production by fermentative bacteria is a very complex and greatly influenced by pH. This paper presents biohydrogen production by bacterial strain Clostridium sp. Tr2. Operational pH strongly affected its hyrogen production. Its gas production rate as well as obtained gas product were roughly increase twice under controlled pH at 6 than non-controlled condition. Dark fermentation for hydrogen production of strain Tr2 was performed under bottle as well as automatic fermenter scale under optimal nutritional and environmental conditions at 30oC, initial pH at 6.5, then pH was controlled at 6 for bioreactor scale (BioFlo 110). Bioreactor scale was much better for hydrogen production of strain Tr2. Clostridium sp. Tr2 produced 0.74 L hydro (L medium)-1 occupying 72.6 % of total gas under bottle scale while it produced 2.94 L hydro (L medium)-1 occupying 95.82 % of total gas under fermenter scale. Its maximum obtained hydrogen yield of Clostridium sp. Tr2 under bioreactor scale Bioflo 110 in optimal medium with controlled pH 6 was 2.31 mol hydro (mol glucose)-1. / Dự trữ nhiên liệu có giới hạn và việc sử dụng nhiên liêu hoá thạch góp phần không nhỏ gây hiệu ứng nhà kính dẫn đến cần phải phát triển năng lượng mới, sạch và bền vững. Trong số các giải pháp, hydro sinh học xuất hiện như một nguồn năng lượng thay thế đầy hứa hẹn. Quá trình lên men sản xuất hydro có tiềm năng lớn để áp dụng trong sản xuất thương mại. Tuy nhiên qúa trình này rất phức tạp và chịu ảnh hưởng lớn bởi pH. Nghiên cứu này trình bày sản xuất hydro sinh học do chủng vi khuẩn Clostridium sp. Tr2. Quá trình sản xuất hydro của chủng này bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi pH thay đổi trong quá trình lên men. Tốc độ tạo khí cũng như lượng khí thu được của chủng này tăng gần gấp đôi trong môi trường có duy trì pH ở pH 6 so với môi trường không kiểm soát pH. Quá trình lên men tối sản xuất hydro của chủng Tr2 được thực hiện ở quy mô bình thí nghiệm cũng như bình lên men tự động trong điều kiện môi trường tối ưu ở 30oC, pH ban đầu 6.5, ở qui mô bình lên men tự động (BioFlo 110), pH môi trường sau đó được duy trì ổn định ở pH 6. Lên men sản xuất hdyro của chủng Tr2 trong bình lên men tự động tốt hơn rất nhiều so với lên men trong bình thí nghiệm. Clostridium sp. Tr2 chỉ tạo ra được 0,74 L hydro (L medium)-1 chiếm 72,6 % tổng thể tích khí thu được ở điều kiện lên men bình thí nghiệm trong khi chủng này sản xuất được 2,94 L hydro (L medium)-1 chiếm 95,82 % tổng thể tích khí ở điều kiện lên men tự động. Sản lượng hydro thu được lớn nhất của chủng này trong bình lên men tự động BioFlo 110 trong trong môi trường tối ưu có kiểm soát pH tại pH 6 là 2,31 mol hydro (mol glucose)-1.

Para-k-Casein entsteht durch Hydrolyse des kappa-Caseins nach Zugabe proteolytischer Enzyme zur Milch. Untersuchungen an selbst erstellten Modellen unter Bedingungen, die die Käsereifung simulieren, zeigen, dass die Proteolyse des für die Käsereifung bedeutenden para-k-Caseins stark vom Wassergehalt abhängt. Mit Hilfe geeigneter Methoden (SDS-Elektrophorese, IEF, GPC, RP-HPLC, ESI-MS u.a.) konnte der Abbau des para-k-Caseins durch die industriell relevanten Milchgerinnungsenzyme Chymosin, Fromase und Suparen bei unterschiedlichem Wasserangebot verfolgt werden. Para-k-Casein wird bei einem käseüblichen Wassergehalt von 60 % innerhalb von 15 Wochen über wenig höhermolekulare Spaltprodukte überwiegend zu Peptiden mit Molmassen im Bereich von 400-1400 Da abgebaut. Wie elektrophoretische Untersuchungen zeigen, wird para-k-Casein auch im Sauermilchkäse abgebaut. Allerdings ist die Detektion der in sehr geringer Menge entstandenen Hydrolyseprodukte problematisch. / K-casein is one of the original casein components in milk. Model-experiments under cheese ripening conditions demonstrate the hydrolysis of para-k-Casein, which is the hydrophobic part of kappa-casein, by rennet and rennet substitutes fromase and suparen. Different water contents influences the dimension of hydrolysis of para-k-Casein. A water content of 60 % usual found in cheese results in a great number of hydrolysis products from para-k-Casein with molecular weights between 400-1400 Da. The hydrolyses was investigated for a time period of 15 weeks by several analytical methods (i.e RP-HPLC, ESI-MS, electrophoretic methods, and others). Investigations by electrophoresis of the ripening process of acid curd cheese demonstrated that para-k-Casein is also hydrolysed in this type of cheese, but the detection is quite difficult.

Diese Arbeit hat das Ziel zu prüfen, inwieweit Energiepflanzen, die zur Erzeugung von Bioethanol verwendet werden sollen, für eine Phytoremediation SM-kontaminierter Flächen geeignet sind. In den durchgeführten Arbeiten wurden Topinambur/Kartoffel (Knollen-pflanzen), Zuckerrübe und Winterroggen auf SM/R- haltigem Boden angebaut und die Abhängigkeit des Pflanzenwachstums und der SM-Aufnahme von den SM/R- Konzentrationen, den pH- Bedingungen und der Zugabe verschiedener Zuschlagsstoffe (zur Verbesserung der Bodenbedingungen und des Pflanzenwachstums) untersucht. Anschließend wurden Gärversuche zur Erzeugung von Bioethanol mit den belasteten Pflanzenresten durchgeführt. Weiterhin wurde auch eine Bilanzierung des Verbleibs von Schwermetallen in den verschiedenen Produkt- und Abproduktströmen durchgeführt. Um die Praktikabilität dieses Verfahrens zu untersuchen, wurde am Ende dieser Arbeit eine Energiebilanz durchgeführt sowie die Wirtschaftlichkeit betrachtet. Eine solche Kopplung der Phytoremediation mit einer anschließenden Erzeugung von Bioethanol ist bisher noch nicht aus der Literatur bekannt. Im Laufe der Arbeiten und Versuche hat sich gezeigt, dass der Anbau von Kartoffeln, Roggen und Topinambur auch unter den vorhandenen Bodenbedingungen (niedriger pH-Wert, wenig verfügbarer Stickstoff und Phosphor) uneingeschränkt möglich ist. Die Erträge von Topinambur und Winterroggen waren am besten bei mineralischer Düngung, ohne eine Intervention im organischen Substanzgehalt und im pH-Wert des Bodens, aber nur durch ausreichende Düngung mit Stickstoff. Die Vergärung aller Pflanzen verläuft unproblematisch, die Ausbeute aus 100 kg Rohstoff ist vergleichbar mit unkontaminiertem Pflanzenmaterial. Die Gärflüssigkeit aus der Vergärung aller Pflanzen und der feste Gärrest aus der Winterroggen- und Zuckerrübenvergärung lässt sich gesetzeskonform als Dünger nutzen. Der feste Gärrest aus der Kartoffel- und Topinamburgärung darf wegen einer Überschreitung der Grenzwerte von Cd und Ni nicht als Dünger verwertet werden. Er muss einer anderen Verwendung zugeführt werden (z.B. Verbrennung und Deponie). Der beste Austrag von Metallen pro Hektar in einer Vegetationszeit kann mit Topinambur erreicht werden (5189 g Al, 568 g Ni, 18,6 g Cd und 2,1 g U). Das Energiegewinn/Energieeintrag-Verhältnis, wenn nur die Pflanzenteile, die Stärke oder direkt vergärbare Zucker enthalten, in Alkohol umgewandelt werden, überschritt im Fall der Kartoffel (1,13) und des Winterroggens (1,16) den Wert 1 und im Fall der Zuckerrübe wurde fast der Wert 1 erreicht. Ein monetärer Gewinn ist zu erzielen mit der Alkoholherstellung aus Zuckerrüben, Winterroggen und Kartoffeln. Den besten Gewinn gewährleisten die Zuckerrübe mit über 1000 €/ha und der Winterroggen mit 447 €/ha. Ein solches Verfahren kann einen Beitrag zur schonenden Rekultivierung schwermetall-kontaminierter Flächen leisten (Habitaterhaltung, geringere Hypotheken für zukünftige Generationen), die Kosten der gesamten Sanierung durch einen Erlös senken sowie einen Beitrag zur Erzeugung eines CO2-neutralen Energieträgers leisten.

Diese Arbeit hat das Ziel zu prüfen, inwieweit Energiepflanzen, die zur Erzeugung von Bioethanol verwendet werden sollen, für eine Phytoremediation SM-kontaminierter Flächen geeignet sind. In den durchgeführten Arbeiten wurden Topinambur/Kartoffel (Knollen-pflanzen), Zuckerrübe und Winterroggen auf SM/R- haltigem Boden angebaut und die Abhängigkeit des Pflanzenwachstums und der SM-Aufnahme von den SM/R- Konzentrationen, den pH- Bedingungen und der Zugabe verschiedener Zuschlagsstoffe (zur Verbesserung der Bodenbedingungen und des Pflanzenwachstums) untersucht. Anschließend wurden Gärversuche zur Erzeugung von Bioethanol mit den belasteten Pflanzenresten durchgeführt. Weiterhin wurde auch eine Bilanzierung des Verbleibs von Schwermetallen in den verschiedenen Produkt- und Abproduktströmen durchgeführt. Um die Praktikabilität dieses Verfahrens zu untersuchen, wurde am Ende dieser Arbeit eine Energiebilanz durchgeführt sowie die Wirtschaftlichkeit betrachtet. Eine solche Kopplung der Phytoremediation mit einer anschließenden Erzeugung von Bioethanol ist bisher noch nicht aus der Literatur bekannt. Im Laufe der Arbeiten und Versuche hat sich gezeigt, dass der Anbau von Kartoffeln, Roggen und Topinambur auch unter den vorhandenen Bodenbedingungen (niedriger pH-Wert, wenig verfügbarer Stickstoff und Phosphor) uneingeschränkt möglich ist. Die Erträge von Topinambur und Winterroggen waren am besten bei mineralischer Düngung, ohne eine Intervention im organischen Substanzgehalt und im pH-Wert des Bodens, aber nur durch ausreichende Düngung mit Stickstoff. Die Vergärung aller Pflanzen verläuft unproblematisch, die Ausbeute aus 100 kg Rohstoff ist vergleichbar mit unkontaminiertem Pflanzenmaterial. Die Gärflüssigkeit aus der Vergärung aller Pflanzen und der feste Gärrest aus der Winterroggen- und Zuckerrübenvergärung lässt sich gesetzeskonform als Dünger nutzen. Der feste Gärrest aus der Kartoffel- und Topinamburgärung darf wegen einer Überschreitung der Grenzwerte von Cd und Ni nicht als Dünger verwertet werden. Er muss einer anderen Verwendung zugeführt werden (z.B. Verbrennung und Deponie). Der beste Austrag von Metallen pro Hektar in einer Vegetationszeit kann mit Topinambur erreicht werden (5189 g Al, 568 g Ni, 18,6 g Cd und 2,1 g U). Das Energiegewinn/Energieeintrag-Verhältnis, wenn nur die Pflanzenteile, die Stärke oder direkt vergärbare Zucker enthalten, in Alkohol umgewandelt werden, überschritt im Fall der Kartoffel (1,13) und des Winterroggens (1,16) den Wert 1 und im Fall der Zuckerrübe wurde fast der Wert 1 erreicht. Ein monetärer Gewinn ist zu erzielen mit der Alkoholherstellung aus Zuckerrüben, Winterroggen und Kartoffeln. Den besten Gewinn gewährleisten die Zuckerrübe mit über 1000 €/ha und der Winterroggen mit 447 €/ha. Ein solches Verfahren kann einen Beitrag zur schonenden Rekultivierung schwermetall-kontaminierter Flächen leisten (Habitaterhaltung, geringere Hypotheken für zukünftige Generationen), die Kosten der gesamten Sanierung durch einen Erlös senken sowie einen Beitrag zur Erzeugung eines CO2-neutralen Energieträgers leisten.