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