Das Aroma von Backwaren wird wesentlich durch die verwendeten Zutaten und den Herstellungsprozess beeinflusst. So können Weizenbrote sowohl mit als auch ohne Zusatz von Vorteigen hergestellt werden, die das Brotaroma in der Regel maßgeblich verbessern. Ein Vorteig besteht aus Mehl, Wasser und der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae und wird für bis zu 24 h fermentiert. Die während der Fermentation entstehenden Aromen werden durch die metabolische Aktivität von S. cerevisiae und die im Mehl vorhandenen Substrate bestimmt. In dieser Arbeit wurde daher das metabolische Potenzial von alternativen Hefen bezüglich ihrer Fähigkeit zur Aromabildung am Beispiel der Fermentation von Weizenteigen untersucht. Darüber hinaus wurde das Angebot an Aromavorstufen durch den Zusatz unterschiedlicher Nebenströme der Lebensmittelindustrie (Apfel-, Karotten- und Traubentrester oder Biertreber) erhöht. Erwartungsgemäß wirkten sich diese Zusätze unterschiedlich auf das Wachstum bestimmter Hefespezies und der davon eingesetzten Hefestämme aus. Während einige Nebenströme das Wachstum bestimmter Hefen förderte, blieben andere davon unbeeinflusst. Insbesondere die Kombination von Apfel- oder Karottentrester mit den Hefen Cyberlindera jadinii, Kluyveromyces marxianus, Torulaspora delbrueckii oder Wickerhamomyces anomalus wirkte sich positiv auf die Hefeflora und die Aromabildung aus. Weiterhin förderte vor allem der Zusatz von Karottentrester das Wachstum der ebenfalls im Teig vorhandenen Milchsäurebakterien, was allerdings keinen wesentlichen Einfluss auf das Aroma der Teige hatte. Somit ist neben den beschriebenen Inhaltsstoffen vor allem die Hefeflora ein wichtiger Faktor der Aromabildung in Teigen. Bezüglich der verschiedenen Hefestämme zeigten Propagationsstudien, dass K. marxianus DIL 82 besonders kompetitiv ist und auch nach vier Tagen Fermentation noch im Teig persistiert. In entsprechenden Teigen mit Apfeltrester wurde durch K. marxianus eine besonders fruchtige Note zugeschrieben. Die Bestimmung der in dem Teig gebildeten Aromakomponenten zeigte, dass unter anderem die Konzentration an Esterverbindungen und höheren Alkoholen durch die Fermentation mit K. marxianus DIL 82 gesteigert wurde. Backversuche zeigten, dass nicht alle der in der Fermentation gebildeten Aromen auch ins Brot gelangten, sodass das Aroma der Brotkrume stärker von dem verwendeten Nebenstrom als von dem für die Fermentation verwendeten Hefestamm bestimmt wurde. Um die Aromastudien zu komplementieren wurden mit Hilfe gentechnischer Methoden die für die Esterbildung wichtigen Gene ATF1 und EEB1 aus der Weinhefe Hanseniaspora uvarum in Kluyveromyces lactis und K. marxianus überexprimiert. Erste sensorische Analysen nach Anzucht dieser Stämme in synthetischem Medium ergaben ein eindeutig fruchtigeres Aroma gegenüber den mit Leervektor transformierten Kontrollstämmen. Die gaschromatographische Analyse zeigte allerdings nur bei Überexpression von HuEeb1 eine erhöhte Konzentration des wichtigen Aromastoffs Essigsäure-2-phenylethylester. Diese Vorversuche lassen vermuten, dass auch die Qualität von Backwaren durch gezielte genetische Veränderungen der bei ihrer Fermentation eingesetzten Hefestämme verbessert werden könnte.

Das Projekt hat zum Inhalt, Hefen aus Futtermitteln sicher mittels Fourier-Transform-Infrarot (FT-IR)-Spektroskopie identifizieren zu können. Die am Zentralinstitut für Ernährungs- und Lebensmittelforschung der TU München bestehende Datenbank zur Identifizierung von Hefen mittels FT-IR-Spektroskopie konnte durch eine Datenerweiterung für die Futtermittelmikrobiologie nutzbar gemacht werden. So wurde die sichere Differenzierung der naheverwandten Arten der Gattungen Issatchenkia und Pichia möglich, die einen wesentlichen Anteil an der Gesamthefeflora von Futtermitteln pflanzlichen Ursprungs ausmachen. Desgleichen gelang die sichere spektrometrische Trennung der handelsüblichen probiotischen Saccharomyces cerevisiae-Stämme von ubiquitären Stämmen sowie eine Differenzierung der probiotischen Zusatzstoffe untereinander. Durch die Nutzung der FT-IR-Spektroskopie kann die mikrobiologische Qualität von Futtermitteln durch genaue Identifizierung der Hefespezies besser charakterisiert sowie ein Gesundheitsrisiko für die Tiere schnell und effizient beurteilt werden.

Das Projekt hat zum Inhalt, Hefen aus Futtermitteln sicher mittels Fourier-Transform-Infrarot (FT-IR)-Spektroskopie identifizieren zu können. Die am Zentralinstitut für Ernährungs- und Lebensmittelforschung der TU München bestehende Datenbank zur Identifizierung von Hefen mittels FT-IR-Spektroskopie konnte durch eine Datenerweiterung für die Futtermittelmikrobiologie nutzbar gemacht werden. So wurde die sichere Differenzierung der naheverwandten Arten der Gattungen Issatchenkia und Pichia möglich, die einen wesentlichen Anteil an der Gesamthefeflora von Futtermitteln pflanzlichen Ursprungs ausmachen. Desgleichen gelang die sichere spektrometrische Trennung der handelsüblichen probiotischen Saccharomyces cerevisiae-Stämme von ubiquitären Stämmen sowie eine Differenzierung der probiotischen Zusatzstoffe untereinander. Durch die Nutzung der FT-IR-Spektroskopie kann die mikrobiologische Qualität von Futtermitteln durch genaue Identifizierung der Hefespezies besser charakterisiert sowie ein Gesundheitsrisiko für die Tiere schnell und effizient beurteilt werden.

In the presented study, dimorphic yeasts were applied as model organisms to study the growth of fungal mycelia. When environmental conditions are chosen appropriately, yeast colonies are built up of well separated individual cells. Thus, in contrast to fungal mycelia the translocation of nutrients and information within the colony can be neglected. The study focuses on the question of how the growth behaviour of a population of single cells is regulated, and which differences can be expected when nutrient translocation actually occurs. To answer this question, at first, an effective method for the highly resolved estimation of biomass distributions inside the colonies was developed. This method facilitates a dynamic non-invasive monitoring of colony development. Furthermore, mathematical models were established which describe the development of the colonies based on the behaviour of discrete individual cells. Growth simulations allow a quantitative prediction, and, thereby, an in silico testing of hypothetic regulatory mechanisms. The growth behaviour of yeast colonies was investigated applying the model organisms Candida boidinii and Yarrowia lipolytica. The yeasts were cultivated on solid agar substrates at various degrees of carbon and nitrogen limitation, respectively. The highest gain of understanding was achieved for the growth of both yeasts on glucose as the limiting carbon source: Investigations showed that mycelial yeast colonies adapt to declining nutrient concentrations by decreasing the cell density in their mycelium while the growth rate of the colony diameter remains constant. Under glucose limitation, the yeast C. boidinii grows diffusion-limited, i.e., the growth of the population is controlled by the amount of nutrient that diffuses towards the colony. The cessation of growth coincides with the depletion of the primary nutrient source glucose from the growth substrate. In contrast to these findings, it was shown that Y. lipolytica colonies continue to extend even after the complete consumption of glucose. In the absence of the primary nutrient source, the yeast assimilates biomass from the inner colony regions to facilitate the growth of the population. The suggested mechanism of coupled extension and decay processes was verified by a number of experiments. However, the mechanism which facilitates the transport of decay products to the growing colony boundary, i.e., the actual nature of the decay process, remains unclear. Mathematical simulations show that a continuous colony extension on the decay products of dying cells cannot be explained by the assumption that colonies are built up of uncoordinatedly growing single cells. Therefore, a hypothesis for the growth of Y. lipolytica colonies was derived which suggests that these populations are built up of tube-like hyphal cells. Accordingly, the measured drop of biomass density in the inner colony areas is the consequence of a cytoplasm transport towards the growing edge of the mycelium where it is assimilated as a secondary nutrient resource in the absence of glucose. It has to be emphasized that this hypothesis also provides a mechanistic explanation for the vacuolisation of hyphae in mycelia of higher fungi. / In der vorgestellten Arbeit wurden dimorphe Hefen als Modellorganismen für die Untersuchung des Wachstums von Pilzmyzelien eingesetzt. Bei geeigneter Wahl der Umgebungsbedingungen sind Hefekolonien aus Einzelzellen aufgebaut, wodurch im Gegensatz zu Myzelien höherer Pilze der Transport von Nährstoffen und Informationen innerhalb der Kolonie vernachlässigt werden kann. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stand die Frage, wie das Wachstumsverhalten einer Population individueller Zellen reguliert ist, bzw. welche Unterschiede sich ergeben, wenn ein Nährstofftransport tatsächlich stattfindet. Um diese Fragestellungen bearbeiten zu können, wurde zunächst eine effektive Methode zur hoch ortsaufgelösten Bestimmung der Biomasseverteilung innerhalb der Kolonien entwickelt. Diese Methode ermöglicht ein dynamisches nichtinvasives Monitoring der Entwicklung einer Kolonie. Weiterhin wurden mathematische Modelle entwickelt, die das Wachstumsverhalteeiner Population auf der Grundlage des Verhaltens von diskreten Einzelzellen beschreibt. Die Wachstumssimulationen erlauben quantitative Vorhersagen und damit ein in silico Testen der Auswirkungen von hypothetischen Regulationsmechanismen. Das Wachstumsverhalten von Hefekolonien wurde anhand der Modellorganismen Candida boidinii und Yarrowia lipolytica untersucht. Die Hefen wurden auf festen Agar-Nährböden bei verschieden starker Kohlenstoff- und Stickstofflimitation kultviert. Der größte Erkenntnisgewinn wurde dabei für das Wachstum beider Hefen auf Glukose als limitierender Kohlenstoffquelle erzielt: Die Untersuchungen ergaben, dass myzelartig wachsende Hefekolonien bei sinkenden Nährstoffkonzentrationen eine geringere Zelldichte aber einen konstante Wachstumsgeschwindigkeit des Koloniedurchmessers aufweisen. Die Hefe C. boidinii wächst unter Glukoselimitation diffusionslimitiert, d.h. das Wachstum der Population wird durch die Menge der zur Kolonie diffundierenden Nährstoffe bestimmt. Der Abbruch des Koloniewachstums fällt mit dem Verbrauch der primären Nähstoffquelle Glukose zusammen. Im Gegensatz dazu konnte für das Wachstum von Y. lipolytica gezeigt werden, dass sich die Kolonien auch nach dem vollständigen Verbrauch von Glukose weiter ausdehnen. Im Abwesenheit der primären Nährstoffquelle nutzt die Hefe Zerfallsprodukte eigener Zellmasse aus dem Inneren der Kolonie als Nährstoff, um das weitere Wachstum der Population zu gewährleisten. Während der vorgeschlagene gekoppelte Ausdehnungs- und Zerfallprozess durch eine Reihe von Versuchen experimentell abgesichert wurde, bleibt der Mechanismus des Transports der Zerfallsprodukte zum Kolonierand, bzw. die eigentliche Natur des Zerfallsprozesses unklar. Simulationsrechnungen ergaben, dass eine kontinuierliche Ausdehnung der Kolonie auf Zellzerfallsprodukten sterbender Zellen nicht durch die Annahme erklärt werden kann, dass die Kolonien aus unkoordiniert wachsenden Einzelzellen aufgebaut sind. Aus diesem Grunde wurde für das Wachstum von Y. lipolytica die Hypothese abgeleitet, dass das Myzelium dieser Hefe aus schlauchartigen Hyphenzellen aufgebaut ist. Der gemessene Abfall der Biomassekonzentration im Kolonieinneren ist demnach die Konsequenz des Transports von Zytoplasma hin zum wachsenden Kolonierand, wo es in Abwesenheit von Glukose als sekundäre interne Nährstoffquelle assimiliert wird. Es ist zu beachten, dass diese Hypothese auch eine mechanistische Erklärung für die Ursachen der Vakuolisierung in Myzelien höherer filamentöser Pilze gibt.

In the presented study, dimorphic yeasts were applied as model organisms to study the growth of fungal mycelia. When environmental conditions are chosen appropriately, yeast colonies are built up of well separated individual cells. Thus, in contrast to fungal mycelia the translocation of nutrients and information within the colony can be neglected. The study focuses on the question of how the growth behaviour of a population of single cells is regulated, and which differences can be expected when nutrient translocation actually occurs. To answer this question, at first, an effective method for the highly resolved estimation of biomass distributions inside the colonies was developed. This method facilitates a dynamic non-invasive monitoring of colony development. Furthermore, mathematical models were established which describe the development of the colonies based on the behaviour of discrete individual cells. Growth simulations allow a quantitative prediction, and, thereby, an in silico testing of hypothetic regulatory mechanisms. The growth behaviour of yeast colonies was investigated applying the model organisms Candida boidinii and Yarrowia lipolytica. The yeasts were cultivated on solid agar substrates at various degrees of carbon and nitrogen limitation, respectively. The highest gain of understanding was achieved for the growth of both yeasts on glucose as the limiting carbon source: Investigations showed that mycelial yeast colonies adapt to declining nutrient concentrations by decreasing the cell density in their mycelium while the growth rate of the colony diameter remains constant. Under glucose limitation, the yeast C. boidinii grows diffusion-limited, i.e., the growth of the population is controlled by the amount of nutrient that diffuses towards the colony. The cessation of growth coincides with the depletion of the primary nutrient source glucose from the growth substrate. In contrast to these findings, it was shown that Y. lipolytica colonies continue to extend even after the complete consumption of glucose. In the absence of the primary nutrient source, the yeast assimilates biomass from the inner colony regions to facilitate the growth of the population. The suggested mechanism of coupled extension and decay processes was verified by a number of experiments. However, the mechanism which facilitates the transport of decay products to the growing colony boundary, i.e., the actual nature of the decay process, remains unclear. Mathematical simulations show that a continuous colony extension on the decay products of dying cells cannot be explained by the assumption that colonies are built up of uncoordinatedly growing single cells. Therefore, a hypothesis for the growth of Y. lipolytica colonies was derived which suggests that these populations are built up of tube-like hyphal cells. Accordingly, the measured drop of biomass density in the inner colony areas is the consequence of a cytoplasm transport towards the growing edge of the mycelium where it is assimilated as a secondary nutrient resource in the absence of glucose. It has to be emphasized that this hypothesis also provides a mechanistic explanation for the vacuolisation of hyphae in mycelia of higher fungi. / In der vorgestellten Arbeit wurden dimorphe Hefen als Modellorganismen für die Untersuchung des Wachstums von Pilzmyzelien eingesetzt. Bei geeigneter Wahl der Umgebungsbedingungen sind Hefekolonien aus Einzelzellen aufgebaut, wodurch im Gegensatz zu Myzelien höherer Pilze der Transport von Nährstoffen und Informationen innerhalb der Kolonie vernachlässigt werden kann. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stand die Frage, wie das Wachstumsverhalten einer Population individueller Zellen reguliert ist, bzw. welche Unterschiede sich ergeben, wenn ein Nährstofftransport tatsächlich stattfindet. Um diese Fragestellungen bearbeiten zu können, wurde zunächst eine effektive Methode zur hoch ortsaufgelösten Bestimmung der Biomasseverteilung innerhalb der Kolonien entwickelt. Diese Methode ermöglicht ein dynamisches nichtinvasives Monitoring der Entwicklung einer Kolonie. Weiterhin wurden mathematische Modelle entwickelt, die das Wachstumsverhalteeiner Population auf der Grundlage des Verhaltens von diskreten Einzelzellen beschreibt. Die Wachstumssimulationen erlauben quantitative Vorhersagen und damit ein in silico Testen der Auswirkungen von hypothetischen Regulationsmechanismen. Das Wachstumsverhalten von Hefekolonien wurde anhand der Modellorganismen Candida boidinii und Yarrowia lipolytica untersucht. Die Hefen wurden auf festen Agar-Nährböden bei verschieden starker Kohlenstoff- und Stickstofflimitation kultviert. Der größte Erkenntnisgewinn wurde dabei für das Wachstum beider Hefen auf Glukose als limitierender Kohlenstoffquelle erzielt: Die Untersuchungen ergaben, dass myzelartig wachsende Hefekolonien bei sinkenden Nährstoffkonzentrationen eine geringere Zelldichte aber einen konstante Wachstumsgeschwindigkeit des Koloniedurchmessers aufweisen. Die Hefe C. boidinii wächst unter Glukoselimitation diffusionslimitiert, d.h. das Wachstum der Population wird durch die Menge der zur Kolonie diffundierenden Nährstoffe bestimmt. Der Abbruch des Koloniewachstums fällt mit dem Verbrauch der primären Nähstoffquelle Glukose zusammen. Im Gegensatz dazu konnte für das Wachstum von Y. lipolytica gezeigt werden, dass sich die Kolonien auch nach dem vollständigen Verbrauch von Glukose weiter ausdehnen. Im Abwesenheit der primären Nährstoffquelle nutzt die Hefe Zerfallsprodukte eigener Zellmasse aus dem Inneren der Kolonie als Nährstoff, um das weitere Wachstum der Population zu gewährleisten. Während der vorgeschlagene gekoppelte Ausdehnungs- und Zerfallprozess durch eine Reihe von Versuchen experimentell abgesichert wurde, bleibt der Mechanismus des Transports der Zerfallsprodukte zum Kolonierand, bzw. die eigentliche Natur des Zerfallsprozesses unklar. Simulationsrechnungen ergaben, dass eine kontinuierliche Ausdehnung der Kolonie auf Zellzerfallsprodukten sterbender Zellen nicht durch die Annahme erklärt werden kann, dass die Kolonien aus unkoordiniert wachsenden Einzelzellen aufgebaut sind. Aus diesem Grunde wurde für das Wachstum von Y. lipolytica die Hypothese abgeleitet, dass das Myzelium dieser Hefe aus schlauchartigen Hyphenzellen aufgebaut ist. Der gemessene Abfall der Biomassekonzentration im Kolonieinneren ist demnach die Konsequenz des Transports von Zytoplasma hin zum wachsenden Kolonierand, wo es in Abwesenheit von Glukose als sekundäre interne Nährstoffquelle assimiliert wird. Es ist zu beachten, dass diese Hypothese auch eine mechanistische Erklärung für die Ursachen der Vakuolisierung in Myzelien höherer filamentöser Pilze gibt.

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The Maillard reaction products (MRPs) 3-deoxyglucosone (3-DG) and 5-hydroxymethylfurfural (HMF), which are formed during the thermal processing and storage of food, come into contact with technologically used yeasts during the fermentation of beer and wine. In order for the yeast cells to work efficiently, handling of the stress-inducing carbonyl compounds is essential. In the present study, the utilization of 3-DG and HMF by 13 Saccharomyces yeast strains (7 brewer’s yeast strains, 1 wine yeast strain, 6 yeast strains isolated from natural habitats) was investigated. All yeast strains studied were able to metabolize 3-DG and HMF. 3-DG is mainly reduced to 3-deoxyfructose (3-DF) and HMF is completely converted to 2,5-bishydroxymethylfuran (BHMF) and 5-formyl-2-furancarboxylic acid (FFCA). The ratio of conversion of HMF to BHMF and FFCA was found to be yeast strain-specific and no differences in the HMF stress tolerance of the yeast strains and species were observed. After incubation with 3-DG, varying amounts of intra- and extracellular 3-DF were found, pointing to a faster transport of 3-DG into the cells in the case of brewer’s yeast strains. Furthermore, the brewer’s yeast strains showed a significantly higher 3-DG stress resistance than the investigated yeast strains isolated from natural habitats. Thus, it can be shown for the first time that Saccharomyces yeast strains differ in their interaction of 3-DG induced carbonyl stress.