Lebensmittelmikrobiologie - Exam.pdf

Aufgabe 1)

In der Lebensmittelproduktion spielen Mikroorganismen wie Bakterien, Hefen und Schimmelpilze eine essenzielle Rolle. Sie werden für verschiedene Prozesse wie Fermentation, Geschmacksbildung und Enzymproduktion genutzt. Gleichzeitig können sie jedoch auch Lebensmittel verderben. Ein Beispiel für die Verwendung von Bakterien ist die Fermentation durch Milchsäurebakterien bei der Joghurtherstellung. Hefen wie Saccharomyces cerevisiae sind für alkoholische Gärung in Bier und Wein verantwortlich. Schimmelpilze wie Aspergillus oryzae werden zur Enzymproduktion in der Herstellung von Sojasauce eingesetzt. Um die Qualität von Lebensmitteln sicherzustellen, ist eine mikrobiologische Kontrolle unerlässlich.

a)

Erläutere den Prozess der Joghurtherstellung unter Verwendung von Milchsäurebakterien und beschreibe die mikrobiologischen Kontrollmaßnahmen, die dabei durchgeführt werden sollten, um hygienische Standards zu gewährleisten.

Lösung:

Joghurtherstellung unter Verwendung von MilchsäurebakterienDie Joghurtherstellung umfasst mehrere Schritte, bei denen Milchsäurebakterien eine zentrale Rolle spielen. Hier ist eine detaillierte Beschreibung des Prozesses:

• Milchaufbereitung: Zunächst wird die Milch gesammelt und kann nach Bedarf standardisiert werden, um den Fett- und Trockenmassegehalt zu regulieren.
• Erhitzen: Die Milch wird auf etwa 85-90°C erhitzt und für einige Minuten gehalten. Dies dient der Abtötung unerwünschter Mikroorganismen und Inaktivierung von Enzymen, die die Konsistenz von Joghurt beeinträchtigen könnten.
• Abkühlen: Nach dem Erhitzen wird die Milch auf eine Temperatur von etwa 42-45°C abgekühlt, die optimal für das Wachstum der Milchsäurebakterien ist.
• Inokulation: Milchsäurebakterien (meistens Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus und Streptococcus thermophilus) werden der abgekühlten Milch als Starterkultur hinzugefügt. Diese Bakterien fermentieren den Milchzucker Laktose zu Milchsäure.
• Fermentation: Die Milch wird für etwa 4-8 Stunden bei einer konstanten Temperatur von 42-45°C gehalten, während die Bakterien fermentieren. Die Milchsäure, die produziert wird, senkt den pH-Wert der Milch und führt zur Bildung der charakteristischen joghurtspezifischen Textur und des Geschmacks.
• Abkühlen und Lagern: Nach abgeschlossener Fermentation wird der Joghurt auf etwa 5°C abgekühlt, um den Fermentationsprozess zu stoppen. Der fertige Joghurt wird dann verpackt und gelagert.

Mikrobiologische KontrollmaßnahmenUm sicherzustellen, dass der Joghurt hygienisch hergestellt wird und keine gesundheitsschädlichen Mikroorganismen enthält, sind verschiedene mikrobiologische Kontrollmaßnahmen erforderlich:

• Rohstoffkontrolle: Überprüfung der Rohmilch auf Kontaminationen durch pathogene Keime und Antibiotika.
• Hygiene der Produktionsanlagen: Regelmäßige Reinigung und Desinfektion der Produktionsanlagen und Geräte, um Kreuzkontaminationen zu verhindern.
• Personalhygiene: Schulung und Überwachung der Mitarbeiter in hygienischen Arbeitspraktiken, einschließlich Händehygiene und Tragen von Schutzkleidung.
• Prozesskontrolle: Überwachung der Temperatur und Zeit während der Erhitzungs- und Fermentationsschritte, um sicherzustellen, dass die Bedingungen für das Wachstum der Milchsäurebakterien optimal sind und pathogene Keime abgetötet werden.
• Endproduktprüfung: Regelmäßige mikrobiologische Tests des fertigen Joghurts auf unerwünschte Mikroorganismen wie E. coli, Salmonellen und Schimmelpilze.
• Dokumentation: Lückenlose Aufzeichnung aller Kontrollmaßnahmen und Befunde zur Nachverfolgbarkeit und Qualitätssicherung.

Diese Kontrollmaßnahmen gewährleisten, dass der produzierte Joghurt sicher und von hoher Qualität ist.

b)

Diskutiere die Bedeutung von Saccharomyces cerevisiae in der alkoholischen Gärung. Welche Faktoren beeinflussen die Fermentationsgeschwindigkeit und den Alkoholgehalt des Endprodukts?

Lösung:

Die Bedeutung von Saccharomyces cerevisiae in der alkoholischen GärungSaccharomyces cerevisiae, auch bekannt als Bäckerhefe oder Bierhefe, spielt eine zentrale Rolle in der alkoholischen Gärung bei der Herstellung von Bier, Wein und anderen alkoholischen Getränken. Hier sind die wichtigsten Punkte:

• Umwandlung von Zucker in Alkohol: Saccharomyces cerevisiae fermentiert Zucker (wie Glukose und Fruktose) zu Ethanol und Kohlendioxid. Dieser Prozess, bekannt als alkoholische Gärung, ist entscheidend für die Produktion von alkoholischen Getränken.
• Aromabildung: Neben Ethanol produziert die Hefe auch eine Vielzahl von Aromastoffen und Nebenprodukten wie Ester, Higher Alcohols (Fuselöle) und organische Säuren, die den Geschmack und das Aroma des Endprodukts beeinflussen.
• CO2-Produktion: Das von Saccharomyces cerevisiae erzeugte Kohlendioxid trägt zur Karbonisierung bei Bier und bestimmten Weinsorten bei, was zur Textur und sensorischen Wahrnehmung beiträgt.

Faktoren, die die Fermentationsgeschwindigkeit und den Alkoholgehalt beeinflussenVerschiedene Faktoren beeinflussen die Geschwindigkeit der Fermentation sowie den Alkoholgehalt des Endprodukts. Hier sind die wichtigsten:

• Zuckergehalt des Ausgangsmaterials: Der anfängliche Zuckergehalt der Würze oder des Mosts bestimmt das Potenzial für die Alkoholproduktion. Mehr Zucker führt in der Regel zu einem höheren Alkoholgehalt.
• Temperatur: Die Temperatur beeinflusst die Aktivität der Hefen stark. Eine optimale Temperatur (meist zwischen 20-25°C für Saccharomyces cerevisiae) fördert eine effiziente Fermentation. Zu hohe Temperaturen können jedoch die Hefe stressen und unerwünschte Nebenprodukte erzeugen, während zu niedrige Temperaturen die Fermentation verlangsamen.
• Ein optimaler pH-Wert für die Fermentation liegt normalerweise zwischen 4,0 und 4,5. Abweichungen können die Hefeaktivität beeinträchtigen und die Produktion von Nebenprodukten erhöhen.
• Nährstoffverfügbarkeit: Hefen benötigen eine Vielzahl von Nährstoffen wie Stickstoff, Vitamine und Mineralien. Eine unzureichende Versorgung kann die Fermentation verlangsamen oder stoppen und die Qualität des Endprodukts beeinträchtigen.
• Sauerstoffverfügbarkeit: Bei Gärbeginn ist eine begrenzte Sauerstoffzufuhr wichtig, um die Vermehrung der Hefe zu unterstützen, danach sollte die Fermentation unter anaeroben Bedingungen stattfinden, um die Alkoholproduktion zu maximieren.
• Hefestamm: Verschiedene Stämme von Saccharomyces cerevisiae weisen unterschiedliche Fermentationseigenschaften auf. Die Auswahl eines geeigneten Hefestamms ist entscheidend für die gewünschten Eigenschaften des Endprodukts.
• Gärzeit: Die Dauer der Fermentation beeinflusst sowohl die Alkoholkonzentration als auch die Bildung von Aromen. Eine längere Gärzeit kann zu höherem Alkoholgehalt und komplexeren Aromen führen.

Indem diese Faktoren sorgfältig überwacht und angepasst werden, können Hersteller die Fermentationsgeschwindigkeit steuern und das gewünschte Profil des Endprodukts erreichen.

c)

Erkläre die Rolle von Aspergillus oryzae bei der Produktion von Sojasauce. Welche Enzyme werden dabei produziert und welche Funktion haben sie im Gesamtprozess?

Lösung:

Die Rolle von Aspergillus oryzae bei der Produktion von SojasauceAspergillus oryzae, ein Schimmelpilz, ist ein zentraler Mikroorganismus bei der Herstellung von Sojasauce. Der Prozess der Sojasauce-Produktion umfasst mehrere Schritte, bei denen dieser Schimmelpilz eine wesentliche Rolle spielt. Hier sind die Hauptpunkte:

• Inokulation und Koji-Fermentation: Gekochter und gedämpfter Sojabohnen-Weizen-Mischung wird mit Aspergillus oryzae inokuliert. Diese Mischung wird als Koji bezeichnet und über mehrere Tage bei kontrollierten Bedingungen fermentiert. Während dieser Zeit produziert Aspergillus oryzae verschiedene Enzyme, die die Sojabohnen und den Weizen abbauen.
• Moromi-Fermentation: Der fermentierte Koji wird dann mit Salzlake gemischt und für mehrere Monate fermentiert. Diese Mischung ist als Moromi bekannt. Während dieser langen Fermentationsperiode führt die enzymatische Aktivität, die von Aspergillus oryzae gestartet wurde, zu einer Weiterentwicklung von Geschmack und Aroma der Sojasauce.

Enzyme, die von Aspergillus oryzae produziert werden und ihre FunktionAspergillus oryzae produziert eine Vielzahl von Enzymen, die in der Sojasauce-Herstellung eine Rolle spielen. Die wichtigsten Enzyme sind:

• Amylasen (Alpha-Amylase und Glucoamylase): Diese Enzyme zersetzen die Stärke im Weizen zu einfacheren Zuckern wie Glukose. Die Zuckerspaltung ist entscheidend für die Fermentation, da sie die Nahrungsquelle für Hefen und Milchsäurebakterien im Moromi liefert.
• Proteasen: Proteasen bauen die Proteine in den Sojabohnen in kleinere Peptide und Aminosäuren ab. Dies verleiht der Sojasauce ihren charakteristischen Umami-Geschmack.
• Cellulasen: Diese Enzyme zersetzen die Zellwände der Sojabohnen und des Weizens, wodurch die Nährstoffe für die weitere Fermentation zugänglich werden.
• Lipasen: Lipasen zersetzen Fette und Öle zu Fettsäuren und Glycerin. Diese Komponenten tragen ebenfalls zum komplexen Geschmacksprofil der Sojasauce bei.

Durch die kombinierte Wirkung dieser Enzyme wird die Ausgangsmaterialien in der Sojasauce in lösliche Bestandteile umgewandelt, die dann während der langen Fermentationszeit weiter veredelt werden. Das Endergebnis ist eine aromatische und vielschichtige Sojasauce.

d)

Ein Molkereibetrieb möchte die Wahrscheinlichkeiten für das Wachstum schädlicher Mikroorganismen in ihren Produkten minimieren. Angenommen, die Wahrscheinlichkeit für das Wachstum von Schimmelpilzen beträgt 0,02 und für Bakterien 0,03 in einem Joghurtbecher. Berechne die Gesamtwahrscheinlichkeit, dass zumindest eine der beiden Mikroorganismenarten in einem Joghurtbecher wächst.(Hinweis: Verwende das Gesetz der totalen Wahrscheinlichkeit)

Lösung:

Berechnung der Wahrscheinlichkeit des Wachstums schädlicher MikroorganismenUm die Gesamtwahrscheinlichkeit zu berechnen, dass zumindest eine der beiden Mikroorganismenarten (Schimmelpilze oder Bakterien) in einem Joghurtbecher wächst, verwenden wir die Regel von der additiven Wahrscheinlichkeit für unabhängige Ereignisse. Diese Regel besagt, dass die Wahrscheinlichkeit des Eintretens mindestens eines von mehreren Ereignissen gleich der Summe der Wahrscheinlichkeiten der einzelnen Ereignisse ist, abzüglich der Wahrscheinlichkeit ihres gemeinsamen Auftretens.Wir haben:

• Die Wahrscheinlichkeit für das Wachstum von Schimmelpilzen (\(P(A)\)) beträgt 0,02.
• Die Wahrscheinlichkeit für das Wachstum von Bakterien (\(P(B)\)) beträgt 0,03.

Da Schimmelpilze und Bakterien unabhängig voneinander wachsen, ist die Wahrscheinlichkeit, dass beide gleichzeitig auftreten (\(P(A \cap B)\)), das Produkt ihrer einzelnen Wahrscheinlichkeiten:

• \[P(A \cap B) = P(A) \times P(B) = 0,02 \times 0,03 = 0,0006\]

Jetzt verwenden wir die Formel für die Wahrscheinlichkeit, dass mindestens eines der Ereignisse eintritt:

• \[P(A \cup B) = P(A) + P(B) - P(A \cap B)\]
• \[P(A \cup B) = 0,02 + 0,03 - 0,0006 = 0,0494\]
Die Gesamtwahrscheinlichkeit, dass zumindest eine der beiden Mikroorganismenarten in einem Joghurtbecher wächst, beträgt somit 0,0494 oder 4,94%. Diese Wahrscheinlichkeit zeigt, wie wichtig mikrobiologische Kontrollen und Hygienemaßnahmen in der Lebensmittelproduktion sind, um das Wachstum schädlicher Mikroorganismen zu verhindern.

Aufgabe 2)

Mikrobielle Stoffwechselprozesse und ihre Anwendungen

Metabolische Aktivitäten von Mikroorganismen, die biochemische Umwandlungen ermöglichen. Anwendungen in der Lebensmittelproduktion und Biotechnologie.

• Fermentation: Umwandlung von Zucker in Ethanol und CO₂, Milchsäurebildung
• Enzymatische Prozesse: Amylasen und Proteasen in der Lebensmittelverarbeitung
• Biotransformation: Modifikation von Substraten, z.B. Steroidumwandlung
• Produktion von Primärmetaboliten: Aminosäuren (z.B. Glutamat), Vitamine (z.B. B12)
• Produktion von Sekundärmetaboliten: Antibiotika, Toxine
• Bioraffinerien: Nutzung von Mikroorganismen zur Gewinnung von Biokraftstoffen

a)

In der Alkoholfermentation wandeln Hefen, wie Saccharomyces cerevisiae, Glukose in Ethanol und Kohlendioxid um. Die Ausgangskonzentration von Glukose in einer Fermentationslösung beträgt 180 g/L.

• Formuliere die chemische Gleichung der alkoholischen Gärung und berechne, wie viel Gramm Ethanol (C₂H₅OH) aus 180 g Glukose durch diese Fermentation produziert werden können. Nutze das Verhältnis der Molekülgewichte, wobei das Molekulargewicht von Glukose 180 g/mol und von Ethanol 46 g/mol beträgt.
• Erkläre den biochemischen Prozess der Umwandlung und diskutiere zwei Einflussfaktoren, die die Effizienz dieser Fermentation beeinflussen können.

Lösung:

Alkoholische Gärung und ihre Berechnung

In der Alkoholfermentation wandeln Hefen, wie Saccharomyces cerevisiae, Glukose in Ethanol und Kohlendioxid um. Die Ausgangskonzentration von Glukose in einer Fermentationslösung beträgt 180 g/L.

• Formuliere die chemische Gleichung der alkoholischen Gärung und berechne, wie viel Gramm Ethanol (C₂H₅OH) aus 180 g Glukose durch diese Fermentation produziert werden können. Nutze das Verhältnis der Molekülgewichte, wobei das Molekulargewicht von Glukose 180 g/mol und von Ethanol 46 g/mol beträgt.

Die chemische Reaktionsgleichung der alkoholischen Gärung lautet:

C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2

Dies bedeutet, dass ein Mol Glukose (mit einem Molekulargewicht von 180 g/mol) zwei Mol Ethanol (mit einem Molekulargewicht von 46 g/mol pro Mol) und zwei Mol CO₂ produziert.

Berechnen wir die Menge an Ethanol, die aus 180 g Glukose erzeugt werden kann:

• Ein Mol Glukose (180 g) produziert zwei Mol Ethanol.
• Das Gewicht von zwei Mol Ethanol beträgt:
  • 2 × 46 g/mol = 92 g
• Daher produziert 180 g Glukose 92 g Ethanol.

Biochemischer Prozess und Einflussfaktoren

Die alkoholische Gärung ist ein biochemischer Prozess, bei dem Hefen Zucker (Glukose) in Ethanol und Kohlendioxid umwandeln. Dies geschieht in Abwesenheit von Sauerstoff (anaerob). Die Reaktion wird von Enzymen katalysiert, die von den Hefen produziert werden. Der Prozess beginnt mit der Glykolyse, bei der Glukose zu Pyruvat abgebaut wird. Das Pyruvat wird dann zu Ethanol und CO₂ reduziert, wodurch NADH zu NAD⁺ regeneriert wird, um den Glykolyseprozess aufrechtzuerhalten.

Zwei Einflussfaktoren, die die Effizienz der Fermentation beeinflussen können, sind:

• Temperatur: Die optimale Temperatur für die alkoholische Gärung durch Saccharomyces cerevisiae liegt typischerweise zwischen 30–35 °C. Zu niedrige oder zu hohe Temperaturen können die Aktivität der Hefen und damit die Fermentationsrate verringern.
• pH-Wert: Der ideale pH-Wert für die alkoholische Gärung liegt im Bereich von 4 bis 6. Ein pH-Wert außerhalb dieses Bereichs kann die Enzymaktivität und das Wachstum der Hefen negativ beeinflussen, was zu einer geringeren Effizienz der Fermentation führt.

b)

Amylasen werden oft in der Lebensmittelverarbeitung verwendet, um Stärke in einfachere Zucker umzuwandeln, die anschließend durch Gärung weiterverarbeitet werden können. Angenommen, ein Mehlprodukt enthält 70% Amylopektin-Stärke. Amylase spaltet Amylopektin in Maltose, die dann durch Fermentation zu Ethanol und CO₂ weiterverarbeitet wird.

• Erkläre den enzymatischen Prozess der Umwandlung von Amylopektin zu Maltose und anschließend zu Ethanol. Nenne die Reaktionsschritte und die beteiligten Enzyme.
• Wenn 1 kg des Mehlprodukts für die Fermentation verwendet wird, wie viel Ethanol (in Litern) könnte theoretisch produziert werden? Beachte, dass 1 kg Amylopektin 1,11 kg Maltose (höheres Molekulargewicht) und 1 kg Maltose 0,511 kg Ethanol ergibt. Die Dichte von Ethanol beträgt 0,789 g/cm³.

Lösung:

Enzymatische Umwandlung und Ethanolproduktion

Amylasen werden oft in der Lebensmittelverarbeitung verwendet, um Stärke in einfachere Zucker umzuwandeln, die anschließend durch Gärung weiterverarbeitet werden können. Angenommen, ein Mehlprodukt enthält 70% Amylopektin-Stärke. Amylase spaltet Amylopektin in Maltose, die dann durch Fermentation zu Ethanol und CO₂ weiterverarbeitet wird.

• Erkläre den enzymatischen Prozess der Umwandlung von Amylopektin zu Maltose und anschließend zu Ethanol. Nenne die Reaktionsschritte und die beteiligten Enzyme.

Enzymatischer Prozess der Umwandlung

Der enzymatische Prozess, bei dem Amylopektin zu Maltose und schließlich zu Ethanol umgewandelt wird, umfasst mehrere Schritte:

• Hydrolyse von Amylopektin zu Maltose: Amylopektin, eine stark verzweigte Fraktion der Stärke, wird durch die Amylase-Enzyme (hauptsächlich alpha-Amylase und glucoamylase) zu Maltose abgebaut. Alpha-Amylase spaltet die alpha-1,4-glykosidischen Bindungen in Amylopektin, während Glucoamylase die Enden der Ketten abbaut und Maltose (ein Disaccharid) freisetzt.
• Fermentation von Maltose zu Ethanol: Der so erzeugte Zucker (Maltose) wird dann durch Hefen (wie Saccharomyces cerevisiae) fermentiert. Hefen produzieren das Enzym Maltase (auch als alpha-Glucosidase bekannt), das Maltose zu zwei Molekülen Glukose abbaut. Anschließend führen die Hefen die alkoholische Gärung durch, bei der Glukose in Ethanol und Kohlendioxid umgewandelt wird.

Die chemischen Reaktionsschritte sind:

• Hydrolyse:

  Amylopektin + Amylase → Maltose

• Fermentation:

  Maltose + Maltase → 2 Glucose 2 Glucose + Hefe (Glykolyse und Gärung) → 4 Ethanol + 4 CO2

• Wenn 1 kg des Mehlprodukts für die Fermentation verwendet wird, wie viel Ethanol (in Litern) könnte theoretisch produziert werden? Beachte, dass 1 kg Amylopektin 1,11 kg Maltose (höheres Molekulargewicht) und 1 kg Maltose 0,511 kg Ethanol ergibt. Die Dichte von Ethanol beträgt 0,789 g/cm³.

Theoretische Berechnung der Ethanolproduktion

Gegeben:

• 1 kg Mehlprodukt enthält 70% Amylopektin = 0,70 kg Amylopektin
• 1 kg Amylopektin ergibt 1,11 kg Maltose
• 1 kg Maltose ergibt 0,511 kg Ethanol
• Dichte von Ethanol = 0,789 g/cm³

Berechnungen:

1. Menge an Maltose, die aus 0,70 kg Amylopektin entsteht:

   0,70 kg Amylopektin × 1,11 = 0,777 kg Maltose

2. Menge an Ethanol, die aus 0,777 kg Maltose entsteht:

   0,777 kg Maltose × 0,511 = 0,397147 kg Ethanol

3. Umwandlung von kg Ethanol in Liter:
   • Dichte = Masse/Volumen
   • Volumen = Masse/Dichte
   • 0,397147 kg = 397,147 g
   • Volumen = 397,147 g / 0,789 g/cm³ = 503,5 cm³
   • 1 cm³ = 1 mL = 0,001 L
   • 503,5 cm³ = 503,5 mL = 0,5035 L

Daher könnten theoretisch 0,5035 Liter Ethanol aus 1 kg des Mehlprodukts produziert werden.

Aufgabe 3)

Gärungsprozesse in Mikroorganismen spielen eine wichtige Rolle bei der Energiegewinnung in Abwesenheit von Sauerstoff. Es gibt zwei Haupttypen von Gärungsprozessen: die Milchsäuregärung und die ethanolische Gärung.

• Milchsäuregärung: Glucose wird zu 2 C₃H₆O₃ (Laktat) und 2 ATP umgewandelt. Das Schlüsselenzym ist die Laktatdehydrogenase, und dieser Prozess findet in Milchsäurebakterien sowie in Muskelzellen statt.
• Ethanolische Gärung: Glucose wird zu 2 C₂H₅OH (Ethanol), 2 CO₂ und 2 ATP umgewandelt. Die Schlüsselenzyme hierbei sind die Pyruvatdecarboxylase und die Alkoholdehydrogenase. Dieser Prozess findet sich hauptsächlich in Hefen und einigen Bakterien.

a)

Beschreibe den biochemischen Weg der Milchsäuregärung. Gehe dabei detailliert auf das Schlüsselenzym ein und beschreibe dessen Funktion. Welche Bedingungen sind notwendig, damit die Milchsäuregärung ablaufen kann, und welche physiologischen Bedeutungen hat dieser Prozess?

Lösung:

Beschreibung des biochemischen Wegs der Milchsäuregärung

Die Milchsäuregärung ist ein Prozess, bei dem Glucose anaerob (d.h., in Abwesenheit von Sauerstoff) zu Laktat (Milchsäure) umgewandelt wird. Dieser Prozess spielt eine wichtige Rolle bei der Energiegewinnung unter anaeroben Bedingungen.

• Glucose (C₆H₁₂O₆) wird zunächst in der Glykolyse in zwei Moleküle Pyruvat (C₃H₄O₃) umgewandelt. Dabei werden zwei Moleküle ATP gewonnen.
• Pyruvat wird anschließend durch das Enzym Laktatdehydrogenase (LDH) zu Laktat (C₃H₆O₃) reduziert.

Details zur Funktion des Schlüsselenzyms Laktatdehydrogenase

Die Laktatdehydrogenase (LDH) spielt eine zentrale Rolle im Milchsäuregärungsprozess, da sie das Schlüsselenzym ist, das die Reduktion von Pyruvat zu Laktat katalysiert. Dabei nimmt die LDH Elektronen von NADH auf, welches als Elektronendonor fungiert, und gibt sie an Pyruvat ab, sodass NAD⁺ regeneriert wird. Diese Regeneration von NAD⁺ ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Glykolyse unter anaeroben Bedingungen.

Bedingungen für die Milchsäuregärung

• Anaerobe Bedingungen: Die Milchsäuregärung findet in Abwesenheit von Sauerstoff statt, da Sauerstoff das Pyruvat in den Citratzyklus weiterleiten würde.
• Verfügbarkeit von Glucose: Glucose ist das Ausgangssubstrat für die Glykolyse und somit auch für die Milchsäuregärung notwendig.
• NADH: Das Vorhandensein von NADH, das aus der Glykolyse stammt, ist notwendig, um die Reduktion von Pyruvat zu Laktat zu ermöglichen.

Physiologische Bedeutung der Milchsäuregärung

• Muskelzellen: In Muskelzellen wird die Milchsäuregärung aktiviert, wenn die Sauerstoffversorgung nicht ausreicht, z.B. bei intensivem Training. Hier dient sie zur schnellen Bereitstellung von ATP.
• Milchsäurebakterien: Diese Bakterien nutzen die Milchsäuregärung zur Energiegewinnung und spielen eine wichtige Rolle in der Lebensmittelproduktion, z.B. bei der Herstellung von Joghurt und Sauerkraut.

b)

Vergleiche die Milchsäuregärung und die ethanolische Gärung, indem Du jeweils die Reaktionsgleichungen, die Schlüsselenzyme und die Organismen, in denen diese Prozesse vorkommen, angibst.

Lösung:

Vergleich zwischen Milchsäuregärung und ethanolischer Gärung

• Milchsäuregärung:
  • Reaktionsgleichung:

    Glucose (C6H12O6) → 2 Laktat (C3H6O3) + 2 ATP

  • Schlüsselenzym: Laktatdehydrogenase (LDH) Die Laktatdehydrogenase katalysiert die Reduktion von Pyruvat zu Laktat, um NAD⁺ zu regenerieren, welches in der Glykolyse benötigt wird.
  • Vorkommende Organismen: Milchsäurebakterien und Muskelzellen von Tieren.
• Ethanolische Gärung:
  • Reaktionsgleichung:

    Glucose (C6H12O6) → 2 Ethanol (C2H5OH) + 2 CO2 + 2 ATP

  • Schlüsselenzyme:
    • Pyruvatdecarboxylase: Katalysiert die Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetaldehyd und CO₂.
    • Alkoholdehydrogenase: Katalysiert die Reduktion von Acetaldehyd zu Ethanol, um NAD⁺ zu regenerieren, welches in der Glykolyse benötigt wird.
  • Vorkommende Organismen: Hefen und einige Bakterien.

Zusammenfassung der Unterschiede

• Reaktionsprodukte:
  • Milchsäuregärung: Laktat (C₃H₆O₃)
  • Ethanolische Gärung: Ethanol (C₂H₅OH) und CO₂
• Schlüsselenzyme:
  • Milchsäuregärung: Laktatdehydrogenase
  • Ethanolische Gärung: Pyruvatdecarboxylase und Alkoholdehydrogenase
• Vorkommende Organismen:
  • Milchsäuregärung: Milchsäurebakterien und Muskelzellen
  • Ethanolische Gärung: Hefen und einige Bakterien

c)

Bestimme die Gesamtenergiemenge (in ATP) die durch 1 Mol Glucose bei der Milchsäuregärung im Vergleich zur ethanolischen Gärung gebildet wird. Erkläre auch, warum diese Energiemengen unterschiedlich sind.

Lösung:

Gesamtenergiemenge bei der Milchsäuregärung und der ethanolischen Gärung

Bei beiden Gärungsprozessen, der Milchsäuregärung und der ethanolischen Gärung, wird pro Mol Glucose jeweils die gleiche Menge an ATP gebildet:

• Milchsäuregärung:
  • Reaktionsgleichung:

    Glucose (C6H12O6) → 2 Laktat (C3H6O3) + 2 ATP

  • Gewonnenes ATP: 2 ATP pro Mol Glucose
• Ethanolische Gärung:
  • Reaktionsgleichung:

    Glucose (C6H12O6) → 2 Ethanol (C2H5OH) + 2 CO2 + 2 ATP

  • Gewonnenes ATP: 2 ATP pro Mol Glucose

Unterschiede in der Gesamtenergiemenge

Obwohl beide Gärungsprozesse die gleiche Menge an ATP (2 Moleküle ATP) pro Mol Glucose erzeugen, handelt es sich dabei nur um einen Bruchteil der Energie, die durch vollständige aerobe Atmung gewonnen werden kann.

• Vollständige aerobe Atmung:

  Glucose → CO2 + H2O + 36-38 ATP

• Regeneration von NAD⁺: Sowohl bei der Milchsäuregärung als auch bei der ethanolischen Gärung ist die Regeneration von NAD⁺ wichtig, um die Glykolyse aufrechtzuerhalten. Dieser Prozess liefert weniger ATP, da Pyruvat nicht vollständig oxidiert wird.

Aufgabe 4)

Du bist in einem Lebensmittelmikrobiologie-Labor tätig und hast die Aufgabe, einen neuen Joghurt auf mikrobiellen Verderb und potentielle Pathogene zu untersuchen. Der Joghurt wird bei einer Temperatur von 8°C gelagert und hat einen pH-Wert von 4,5. Die Wasseraktivität (aw) liegt bei 0,97. Basierend auf diesen Informationen und Deinem Wissen über mikrobiellen Verderb, beantworte die folgenden Fragen:

a)

A Erläutere die Bedeutung der Wasseraktivität (aw) in Lebensmitteln und beschreibe, wie die Wasseraktivität des Joghurts (aw = 0,97) das Wachstum von mikrobiellen Pathogenen beeinflussen kann. Welche Arten von Mikroorganismen könnten unter diesen Bedingungen potenziell wachsen und welche nicht?

Lösung:

• Bedeutung der Wasseraktivität (aw) in Lebensmitteln:Die Wasseraktivität (aw) ist ein Maß dafür, wie viel verfügbares Wasser in einem Lebensmittel vorhanden ist. Sie beeinflusst das Wachstum von Mikroorganismen stark, da Wasser essentiell für deren Stoffwechselprozesse ist. Der Wert der Wasseraktivität reicht von 0 (kein verfügbares Wasser) bis 1 (reines Wasser).
• Wasseraktivität des Joghurts und mikrobielles Wachstum:Die Wasseraktivität des Joghurts liegt bei 0,97. Dieser Wert bedeutet, dass fast alles Wasser im Joghurt für mikrobielles Wachstum verfügbar ist. Viele mikrobiellen Pathogene benötigen eine Wasseraktivität von mindestens 0,90, um zu wachsen. Daher können unter diesen Bedingungen verschiedene Mikroorganismenpotentiell gedeihen.
• Potentiell wachsende Mikroorganismen:
  • Viele Bakterien wie E. coli, Salmonella, und Listeria monocytogenes können bei einer aw von 0,97 wachsen.
  • Auch Hefen und Schimmelpilze könnten sich unter diesen Bedingungen vermehren, da sie oft geringere Anforderungen an die Wasseraktivität haben.
• An Mikroorganismen, die unter diesen Bedingungen nicht wachsen:
  • Halophile Bakterien, die sehr geringe Wasseraktivitäten bevorzugen, könnten in Joghurt bei einer aw von 0,97 nicht wachsen.
  • Andere xerophile Mikroorganismen, die in sehr trockenen oder salzhaltigen Umgebungen leben, werden unter diesen Bedingungen vermutlich nicht gedeihen.

b)

B Berechne die potenzielle Lagertemperatur in Kelvin, bei der das Joghurt aufbewahrt wird. Nutzen die Formel zur Umrechnung von Celsius zu Kelvin

 T(K) = T(°C) + 273,15  

Diskutiere, wie sich eine geringfügige Erhöhung der Lagertemperatur (z.B. auf 10°C) auf das Risiko des Wachstums von Salmonella und Listeria auswirken könnte.

Lösung:

• Berechnung der potenziellen Lagertemperatur in Kelvin:Die Lagertemperatur des Joghurts beträgt 8°C. Die Umrechnung in Kelvin erfolgt nach der Formel:

  T(K) = T(°C) + 273,15

  Rechnen wir dies aus:

  T(K) = 8 + 273,15 = 281,15 K

• Auswirkungen einer geringfügigen Erhöhung der Lagertemperatur:Eine Erhöhung der Lagertemperatur auf 10°C (was 283,15 K entspricht) könnte das Risiko des Wachstums von pathogenen Bakterien wie Salmonella und Listeria monocytogenes beeinflussen:
• Salmonella:
  • Salmonella kann sich bereits bei Temperaturen von etwa 5-7°C vermehren, jedoch langsamer. Bei höherer Temperatur, wie 10°C, wird das Wachstum beschleunigt, was das Risiko von Lebensmittelkontaminationen erhöht.
• Listeria monocytogenes:
  • Listeria monocytogenes ist psychrotolerant, was bedeutet, dass sie bei niedrigeren Temperaturen besser überlebt und wachsen kann, aber auch bei Temperaturen bis zu 45°C wachsen kann. Eine Temperaturerhöhung auf 10°C könnte das Wachstum beschleunigen, was ebenfalls das Risiko einer Kontamination erhöht.
• Daher gilt:Eine geringfügige Erhöhung der Lagertemperatur, z.B. auf 10°C, erhöht allgemein das Risiko des Wachstums von pathogenen Bakterien, da höhere Temperaturen das mikrobielle Wachstum fördern. Es ist wichtig, Lebensmittel bei möglichst niedrigen Temperaturen zu lagern, um das Wachstum solcher Mikroorganismen zu minimieren.

c)

C Diskutiere die verschiedenen Präventionsmethoden, die eingesetzt werden können, um den mikrobiellen Verderb und das Wachstum von Pathogenen im Joghurt zu verhindern. Berücksichtige dabei die spezifische Lagerungstemperatur, den pH-Wert und die Wasseraktivität des Produkts.

Lösung:

• Präventionsmethoden zur Verhinderung von mikrobiellen Verderb und Wachstum von Pathogenen im Joghurt:
• 1. Temperaturkontrolle:
  • Der Joghurt wird bei 8°C gelagert. Diese Temperatur ist relativ niedrig und reduziert die Wachstumsrate vieler Mikroorganismen. Um das Risiko weiter zu minimieren, kann die Lagertemperatur noch weiter gesenkt werden, z.B. auf 4-5°C. Dies verlangsamt das Wachstum von psychrotoleranten Pathogenen wie Listeria monocytogenes.
• 2. pH-Wert:
  • Der pH-Wert des Joghurts beträgt 4,5. Ein solcher niedriger pH-Wert unterdrückt das Wachstum vieler Pathogene, da sie in sauren Umgebungen nicht gut wachsen. Die Aufrechterhaltung oder ggf. Senkung des pH-Werts kann als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme gesehen werden.
• 3. Wasseraktivität (aw):
  • Mit einer Wasseraktivität von 0,97 bietet der Joghurt viel freies Wasser, das für mikrobielles Wachstum verfügbar ist. Die Reduktion der Wasseraktivität kann durch die Zugabe von humektanten Substanzen wie Zucker oder Salz erfolgen. Dies hemmt das Wachstum der meisten Mikroorganismen, indem es das verfügbare Wasser reduziert.
• 4. Hygienische Herstellung und Verpackung:
  • Eine wichtige Methode, um mikrobielles Wachstum zu verhindern, ist die Aufrechterhaltung hoher Hygienestandards während der Produktion und Verpackung. Sterilisation der Produktionsanlage und aseptische Verpackungstechniken können Kreuzkontaminationen verhindern.
• 5. Verwendung von Konservierungsstoffen:
  • Natürliche oder chemische Konservierungsstoffe wie Kaliumsorbat, Natriumbenzoat oder Natamycin können hinzugefügt werden, um das Wachstum von Hefen und Schimmelpilzen zu verhindern. Diese Substanzen wirken antimikrobiell und verlängern die Haltbarkeit des Produkts.
• 6. Modifizierte Atmosphäre:
  • Die Verpackung des Joghurts unter einer modifizierten Atmosphäre, z.B. mit niedrigen Sauerstoff- und hohen CO2-Konzentrationen, kann das Wachstum von aeroben Mikroorganismen weiter reduzieren.
• 7. Verwendung von Probiotika:
  • Die Zugabe von probiotischen Kulturen kann helfen, das Wachstum von Pathogenen zu verhindern, indem nützliche Bakterien das mikrobielle Umfeld dominieren und Schutzmechanismen aktivieren.
• Zusammengefasst:Ein kombiniertes Vorgehen, das Temperaturkontrolle, pH-Anpassungen, Wasseraktivitätsreduktion, Hygienemaßnahmen, Konservierungsstoffe, modifizierte Atmosphäre und Probiotika einbezieht, bietet den besten Schutz gegen mikrobiellen Verderb und Pathogene im Joghurt. Jede dieser Methoden trägt dazu bei, das mikrobiologische Risiko zu minimieren und die Lebensmittelsicherheit zu gewährleisten.