multiPS: Innovative multienzymatische Präbiotika-Synthese

Galactooligosaccharide (GOS) entstehen in einer Nebenreaktion der Lactose-Hydrolyse durch das Enzym β-Galactosidase, indem der am aktiven Zentrum verbleibende Galactose-Rest nicht auf Wasser, sondern auf ein anderes Zuckermolekül übertragen wird (sog. Transgalactosylierung). Wie stark diese Transgalactosylierung ausgeprägt ist, hängt v. a. vom Herkunftsorganismus der β-Galactosidase sowie der anfängliche Lactosekonzentration ab. GOS gelten als Präbiotika und können ab 3 Monomeren als Ballaststoff ausgelobt werden (EU-VO Nr. 1169/2011). Durch die strukturelle Ähnlichkeit zu den humanen Muttermilcholigosacchariden, fördern GOS das Wachstum der positiven Darmflora (Bifidobakterien und Laktobazillen) bei Säuglingen und Erwachsenen gleichermaßen. Sie hemmen weiterhin pathogene Keime (Krebsschutz), fördern die Calcium-Resorption und verbessern die Stuhlkonsistenz. Durch ihre hohe pH- und Temperaturstabilität können GOS einer Vielzahl an Lebensmitteln zugesetzt werden (z.B. Fruchtsäfte, Backwaren, ...).

Als eine mögliche Lactose-Quelle für die GOS-Synthese kann Molke dienen. Sie entsteht als Nebenprodukt bei der Käseherstellung, wobei aus 10 L Rohstoff (Milch) nur ca. 1 kg Produkt (Hartkäse) gewonnen wird, aber gleichzeitig ca. 9 L Molke anfallen. In Deutschland lag das Molkeaufkommen 2023 bei ca. 14 Mio. Tonnen (Milchindustrie-Verband e.V., Geschäftsbericht 2023/2024). Molke enthält neben Lactose auch Milchsalze und Molkenproteine. Die genaue Zusammensetzung hängt vom Produkt (Hartkäse, Weichkäse, Frischkäse, …) und von der konkreten Prozessführung in der Molkerei ab.

Es ist bekannt, dass diese weiteren Inhaltsstoffe der Molke zu einem veränderten Verhalten (Aktivität, Stabilität, Transgalactosylierungsaktivität) der β-Galactosidase und damit veränderten GOS-Ausbeuten im Vergleich zu synthetischen Puffern führen können. Somit müssen die Synthesebedingungen ggf. angepasst werden, wenn ein Substratwechsel vom optimalen Puffer auf Realsysteme (Molke, Molkenpermeat) erfolgt.

Im Projekt soll eine Wertschöpfung und nachhaltige Nutzung von Molkereinebenströmen realisiert werden, indem die darin enthaltene Lactose zu präbiotischen Galactooligosacchariden (GOS) umgewandelt wird. Hierfür wird erstmals ein multi-Enzymsystem aus vier verschiedenen Enzymen eingesetzt, um einerseits eine Intensivierung des Syntheseprozesses zu erreichen und damit die Ausbeute (v. a. an längerkettigen GOS) zu erhöhen und andererseits nicht umgesetztes Substrat (Lactose) zu entfernen und somit hochreine GOS-Produkte zu erzeugen. Aus der niedrigpreisigen Lactose werden somit mehrere Wertprodukte erhalten, welche Anwendung in der Lebensmittel- (GOS als Präbiotika) bzw. pharmazeutische Industrie (Lactobionsäure) finden.