In der Milchindustrie spielt die Auswahl der Starterkulturen eine wichtige Rolle bei der Herstellung fermentierter Produkte mit gewünschter Textur und entsprechenden sensorischen Eigenschaften. Milchsäurebakterien mit der Fähigkeit extrazelluläre Polysaccharide (EPS) zu synthetisieren sind von besonderem Interesse, da auf Grund der in situ gebildeten Hydrokolloide der Einsatz von Zusatzstoffen vermieden werden kann. Die Wirkung von EPS auf die Produkt-eigenschaften ist in der Literatur bereits mehrfach beschrieben, wird jedoch auf Grund der Vielzahl an unterschiedlichen Stämmen und Fermentationsparametern bzw. einer fehlenden Systematisierung immer noch sehr kontrovers diskutiert. Des Weiteren stellt die wissenschaftliche Aufklärung der komplexen Struktur-Funktionsbeziehungen und der Wechselwirkungen mit anderen Produktkomponenten eine große Herausforderung dar. Um die Zusammenhänge besser verstehen zu können, wurde in dieser Arbeit ein neuer Ansatz gewählt: isolierte und aufgereinigte EPS wurden der Milch vor der Säuerung zugesetzt und die daraus hergestellten Milchgele mit jenen mit in situ produzierten EPS verglichen.
In Milchgelen aus Einzelstammkulturen von Streptococcus thermophilus oder Lactobacillus delbrueckii ssp. bulgaricus wurden EPS‑Gehalte von 40 - 150 mg/kg ermittelt. Die Gele unterschieden sich hinsichtlich ihrer Viskosität und ihres fadenziehenden Charakters, was erste Hinweise auf die Art der gebildeten EPS liefert. Die Synthese größerer Mengen an EPS zur Charakterisierung und Untersuchung ihrer Funktionalität erfolgte entkoppelt von der Produktherstellung mit ausgewählten Stämmen in Batch-Fermentationen mit konstantem pH in komplexen oder semidefinierten Medien. S. thermophilus ST‑143 produzierte ~ 300 mg/L fadenziehende EPS, die durch entsprechende Aufreinigungsschritte als drei EPS‑Fraktionen gewonnen werden konnten: freie EPS (EPSf), kapsuläre EPS (EPSk) und ein Gemisch aus beiden (EPSf+k). EPSf haben eine höhere Molekülmasse (M = 2,6 x 10^6 Da) und eine höhere intrinsische Viskosität (1,14 mL/mg) im Vergleich zu EPSk (M = 7,4 x 10^3 Da, 1,4 x 10^5 Da; intrinsische Viskosität = 0,06 mL/mg) und führten bereits in geringen Mengen zu rheologischen Veränderungen. Allerdings scheinen die EPSk Wechselwirkungen zwischen EPSf Molekülen zu unterstützen.
In chemisch gesäuerten Milchgelen konnte durch den definierten Zusatz aufgereinigter Fraktionen von EPSf und EPSf+k vor der Säuerung (c = 0 - 0,35 mg/g) erstmals eine konzentrationsabhängige Wirkung aufgezeigt werden. Mit EPSf stieg der maximale Speichermodul der Milchgele als Maß für die Gelsteifigkeit linear an (457 - 722 Pa). EPSk zeigten hingegen keinen Einfluss. Als Modellpolysaccharid wurde vergleichend das gut beschriebene, ebenfalls ungeladene und nicht gelbildende Homopolysaccharid Dextran herangezogen (c = 0 - 300 mg/g). EPSf und Dextran veränderten die Gelbildung, erhöhten die Steifigkeit stichfester Gele und die Viskosität gerührter Gele in ähnlichem Maße, es waren jedoch deutlich unterschiedliche Konzentrationen notwendig. Die in den Milchgelen beschriebenen Einflüsse können unter anderem auf Depletionseffekte zwischen gleichgeladenen Polymeren (hier Proteine und Polysaccharide) zurückgeführt werden. / The selection of suitable starter cultures for the production of fermented milk with a desired texture and corresponding sensory attributes is of great importance for the dairy industry. Lactic acid bacteria with the ability to synthesise extracellular polysaccharides (EPS) are of particular interest, because these in situ produced hydrocolloids may allow to omit the use of additives. Many effects of EPS on product properties are already described in the scientific literature, but are still discussed controversially because of the multitude of different strains and fermentation parameters and, hence, a lack of systematisation. Furthermore, research on the mechanisms behind the structure-function relationship and interactions with other product components is a challenging area. To obtain a deeper understanding of this complex system, a new approach was chosen for the present study: EPS were isolated, purified and added to the milk prior to acidification, and the respective milk gels were compared with those with in situ produced EPS.
In milk gels acidified by single strains of Streptococcus thermophilus or Lactobacillus delbrueckii ssp. bulgaricus, EPS contents of 40 - 150 g/kg were determined. The gels differed in viscosity and their ropy character, which is a first indicator for the type of the EPS. To allow for their chemical and technofunctional characterisation, the synthesis of higher amounts of EPS was performed by batch-fermentation at constant pH and decoupled from the product manufacturing with selected strains in complex or semidefined media. S. thermophilus ST‑143 synthesised ~ 300 mg/L ropy EPS, which were isolated as three different EPS fractions by applying particular purification steps: free EPS (EPSf), capsular derived EPS (EPSk) and a mixture of both EPS (EPSf+k). EPSf had a higher molecular mass (M = 2.6 x 10^6 Da) and a higher intrinsic viscosity (1.14 mL/mg) compared to EPSk (M = 7.4 x 10^3 Da, 1.4 x 10^5 Da; intrinsic viscosity = 0.06 mL/mg) and affected the rheological properties of aqueous solutions already at low concentration. However, EPSk appear to support interactions between the EPSf molecules.
In chemically acidified milk gels a concentration dependent impact of EPSf and EPSf+k, which were added to the milk prior to acidification (c = 0 - 0,35 mg/g), was described for the first time. The maximum of the storage modulus as a measure for stiffness of the milk gels linearly increased with EPSf content (457 - 722 Pa). With EPSk no effects were observed. For the purpose of comparison dextran, a well described also uncharged and non gelling homopolysaccharide, was used as a model polysaccharide (0 - 300 mg/g). EPSf and dextran affected the gelation, increased gel stiffness of set gels and viscosity of stirred gels to a similar way, but the concentrations needed for that found to be completely different. The effects described for milk gels can be ascribed among others to depletion interactions between similar charged polymers (here proteins and polysaccharides).
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:28253 |
| Date | 24 July 2014 |
| Creators | Mende, Susann |
| Contributors | Rohm, Harald, Vogel, Rudi F., Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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