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Effizientes, kostengünstiges Produktionsverfahren für natürlichen Süßstoff 5-Ketofructose (5-KF)

Kurzfassung

Die Substanz 5-Ketofructose (5-KF) eignet sich hervorragend als Süßstoff und kann dank des erfindungsgemäßen Verfahrens nun auch effizient und kostengünstig hergestellt werden. Ohne Nachgeschmack und aus gut verfügbaren, nachwachsenden Rohstoffen erzeugt, kann nun erstmals ein natürliches Produkt angeboten werden, dass sich optimal für die diabetische Ernährung eignet, ohne dabei den Geschmack von Speisen zu verfälschen.
Zur Produktion kommen rekombinante Zellen des Stamms Gluconobacter oxydans zum Einsatz. Diese können zukünftig nicht nur sehr effektiv Fructose in 5-KF umwandeln, sondern auch Enzyme zur Spaltung von kostengünstigen und in großen Mengen verfügbaren Substraten exprimieren.

Hintergrund

Laut Robert-Koch-Institut sind heute über 50 % aller Deutschen übergewichtig; weltweit haben sich Adipositas-Erkrankungen seit 1980 verdoppelt. Ein derart er­höhter Body-Mass-Index gilt heute auch als Risikofaktor für Typ-2-Diabetes. Vor allem Jugendliche und junge Erwachsene sind davon verstärkt betroffen. Süßstoffe besitzen keine für den menschlichen Organismus nutzbaren Kalo­rien und ihr Süßkraft-Faktor ist hoch, ohne dass sie Einfluss auf den Insulinspiegel nehmen. Das macht sie insbeson­dere für Diabetiker interessant. Auch gelten sie als geeig­netes Hilfsmittel, die Ernährung zuckerreduziert zu ge­stalten. Allerdings sind die meisten Zuckerersatzstoffe synthetisch hergestellt und nicht alle ohne Neben­wirkun­gen genießbar.

Problemstellung

Es sind nur wenige natürliche Produkte am Markt erhält­lich. Der vergleichsweise teure Süßstoff Stevia hat eine hohe Süßkraft, aller­dings auch einen bitteren Nachge­schmack – zudem sind die Produktionsbedingungen in Asien umstritten; der Durchbruch blieb bislang aus.
5-KF konnte sich bis jetzt nur deshalb nicht durchsetzen, da die Produktion entwe­der sehr auf­wändig oder ineffi­zient, in jedem Fall aber kosten­inten­siv war. Da sich 5-KF hervorra­gend als Süßstoff eignet und der Bedarf auch künftig stei­gen dürfte, ist ein effizi­entes und kosten­günsti­ges Verfah­ren gefragter denn je.

Lösung

Das an der RWTH Aachen University, der Universität Bonn und dem Forschungszentrum Jülich entwi­ckelte Verfahren basiert auf der Verwendung von rekom­binanten Glucono­bacter oxydans-Stämmen und ermög­licht nicht nur die kostengünstige Produktion von 5-KF. In einem Fed-Batch Pro­zess mit hochkonzentrierter Fruc­tose-Lö­sung kann 5-KF sehr effizient in einem Schritt produ­ziert werden, da Fructosede­hydro­genase (FDH) im Stamm über­ex­primiert wird. Produkt­ausbeute und -kon­zen­tration sind deutlich höher als bei herkömmlichen Verfahren. Pro­zess-Ef­fizienz und Produktreinheit sind durch weitere Maß­­nah­men noch optimierbar und durch die Ver­wendung von Mischkulturen ist es zukünftig auch möglich, den Prozess auf unterschiedliche Substrate anzupassen, indem notwendige Enzyme während des Prozesses ex­primiert werden. Verfahren zur Aufreinigung des Pro­duk­tes befinden sich derzeit in der Entwicklung. Derzeit können bereits Konzentrationen von 545 g/L aus reiner Fruktose erreicht werden.

Im Vergleich mit dem Wildtyp (weiße Symbole) zeigt sich, wie deutlich die Umsetzung der Fructose in 5-KF durch die Ergänzung um FDH im rekombinanten Stamm (schwarze Symbole) gesteigert werden kann [RWTH Aachen].

Vorteile

  • Natürliches Süßungsmittel aus gut verfügbaren, nachwachsenden Rohstoffen
  • Kein Beigeschmack
  • Einstufiger, sehr effektiver Prozess
  • Produktausbeuten > 90 %
  • Hohe Produktkonzentrationen
  • Verfahren für verschiedene Kohlenhydrat-Substrate adaptierbar
  • Kostengünstiger, natürlicher Süßstoff

Anwendungsbereiche

Bis jetzt ist kein natürli­cher Süßstoff erhältlich, der geschmacks­neutral und zu erschwinglichen Preisen ver­füg­bar ist. 5-Ketofructose (5-KF) besitzt all diese Ei­gen­­schaften. Kostengünstige und in großen Mengen verfügbare Sub­strate wie Saccharose, Glucose oder Stär­ke können mit dem neuen Verfahren direkt zur 5-KF-Gewin­nung genutzt werden.

Publikationen und Verweise

Elena Herweg, Marie Schöpping, Katja Rohr, Anna Siemen, Oliver Frank, Thomas Hofmann, Uwe Deppenmeier, Jochen Büchs,
"Production of the potential sweetener 5-ketofructose from fructose in fed-batch cultivation with Gluconobacter oxydans",
Bioresource Technology, Volume 259, 2018, Pages 164-172, ISSN 0960-8524.
https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.03.038

Siemen, A., Kosciow, K., Schweiger, P. et al.,
"Production of 5-ketofructose from fructose or sucrose using genetically modified Gluconobacter oxydans strains",
Appl Microbiol Biotechnol (2018) 102: 1699.
https://doi.org/10.1007/s00253-017-8699-1

Exposé
Kontakt
Anne Böse, M.Sc.
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Entwicklungsstand
Prototyp / TRL5
Patentsituation
EP (WO 2018/229161 A1) anhängig
US (WO 2018/229161 A1) anhängig
Referenznummer
16/132TLB
Service
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