DE60222567T2 - Glutaminase - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer salzresistenten und thermotoleranten Glutaminase aus Lactobacillus.
  • Hydrolysierte Proteine sind lange bekannt zur Verwendung als Würzmittel in Form von Sojasoße, die traditionell hergestellt wurde durch enzymatische Hydrolyse, die für die Herstellung eine lange Zeit benötigte. Bei der Herstellung von Sojasoße werden proteinhaltige Pflanzenmaterialien mit Aspergilli beimpft, und die feste Kultur wird zwei Tage fermentiert, um Koji herzustellen. Während dieser Zeit werden Enzyme produziert, die in der Lage sind, auf der Moromi-Stufe Proteine zu Peptiden und Aminosäuren zu hydrolysieren. Der Koji wird mit einer Lösung von herkömmlichem Salz und Wasser vermischt, wobei ein Moromi erhalten wird, der aufgrund der Wirksamkeit von Mikroorganismen wie salzliebenden Milchsäurebakterien und Hefen für 4 Wochen bis 8 Monate fermentiert wird, und die Sojasoße wird dadurch erhalten, dass man den Feststoffanteil aus dem fermentierten Moromi entfernt. Eine derartige Fermentation ist bekannt als ein Verfahren zur Herstellung von Glutaminsäure-reichen Würz-Lebensmitteln durch enzymatischen Abbau von proteinischen Materialien in Gegenwart von hohen Konzentrationen von Salz. In diesem Falle soll die Anwesenheit von Salz eine Zersetzung und eine Fäulnis verhindern, die Ergebnis einer mikrobiellen Kontamination sind.
  • Für Glutaminase ist bekannt, dass sie eine wichtige Rolle in derartigen Verfahren spielt, insbesondere auf der Moromi- Stufe, um Glutamin enzymatisch durch Desaminierung in Glutaminsäure (oder Glutamat) umzuwandeln. Dieses Enzym wird als das Schlüsselenzym betrachtet, das den würzigen und den Umami-Geschmack von fermentierten Produkten von der Art von beispielsweise Sojasoße kontrolliert. Bei den traditionellen Herstellungsverfahren für Sojasoße oder Biohydrolysat stammt Glutaminase aus Aspergillus-Stämmen, mit denen man den Koji beimpft hat. Es wird jedoch berichtet, dass Glutaminase aus diesen Schimmelarten durch Salzkonzentrationen über 10 bis 15% (Gewicht/Volumen) inhibiert wird, die die praktischen Bedingungen für die Sojasoßenherstellung auf der Moromi-Stufe darstellen. Es ist somit erforderlich, eine salzresistente Glutaminase zu verwenden, um eine effiziente Glutaminsäureproduktion zu erreichen.
  • Ferner ist der enzymatische Abbau von Protein bei einer hohen Temperatur sehr effektiv im Hinblick auf die Erhöhung der Geschwindigkeit des Proteinabbaus auf der einen Seite, und im Hinblick auf die Verhinderung einer Kontamination durch Mikroorganismen andererseits. Da Glutamin in Abwesenheit von Glutaminase bei einer erhöhten Temperatur in geschmacklose Pyroglutaminsäure umgewandelt werden kann, besteht ein Wunsch nach einer thermotoleranten Glutaminase.
  • Der Hauptgrund für den niedrigeren Glutaminsäuregehalt beim Verfahren des enzymatischen Abbaus besteht darin, dass Glutaminase signifikant durch sowohl eine hohe Salzkonzentration als auch eine hohe Temperatur inhibiert wird.
  • Demgemäß ist es wichtig, über eine Glutaminase zu verfügen, die salzresistent und thermotolerant ist.
  • Glutaminase aus Candida famate ( japanische Patentveröffentlichung Nr. 38748/1994 ) und aus Cryptococcus albidus ( japanische Patentveröffentlichung Nr. 48759/1974 ) werden beschrieben als salzresistent und thermostabil. Die relative Aktivität in Gegenwart von 18% Salz ist jedoch für beide Enzyme niedrig und beträgt nur etwa 50 bis 60%, bezogen auf eine 100%ige Aktivität in Abwesenheit von Salz.
  • US 6 063 409 offenbart eine Glutaminase aus Cryptococcus nodaensis, die eine höhere Salztoleranz und eine bessere Temperaturbeständigkeit aufweist.
  • Außer der Tatsache, dass alle diese Glutaminasen die gewünschten Merkmale einer Salzresistenz und einer Thermotoleranz mehr oder weniger aufweisen, stammen sie alle aus Mikroorganismen, die im Allgemeinen für Menschen pathogen sind und die daher weder als sicher noch als von Lebensmittelqualität angesehen werden. Die Verwendung von Kulturen derartiger Mikroorganismen ist unmöglich, ohne eine intensive Reinigung, um Enzyme zu gewinnen. Diese Art von Manipulation ist aufwändig und würde es unmöglich machen, den Mikroorganismus direkt, sei es tot oder lebendig, in einem Lebensmittelprodukt zu verwenden oder auf irgendeiner Stufe des Herstellungsverfahrens eines Lebensmittelprodukts.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in näheren Einzelheiten beschrieben.
  • Die vorliegende salzresistente thermotolerante Glutaminase wird nach einem Verfahren hergestellt, das die Kultivierung eines Mikroorganismus, der zur Gattung Lactobacillus gehört, vorzugsweise Lactobacillus rhamnosus, der die Fähigkeit aufweist, die salzresistente thermotolerante Glutaminase herzu stellen, wodurch die salzresistente thermotolerante Glutaminase hergestellt wird, und dann deren Gewinnung umfasst.
  • Ein Lactobacillus rhamnosus-Stamm mit der erforderlichen Fähigkeit wurde beispielhaft am 5. April 2000 unter der Referenzbezeichnung CNCM I-2433 nach dem Budapester Vertrag hinterlegt bei der Collection National de Cultures de Microorganismes (CNCM), Institut Pasteur, 28 rue du Docteur Roux, 75724 Paris Cedex 15, Frankreich.
  • Üblicherweise wird das Kultivierungsverfahren mit Vorteil in einem flüssigen Medium in beispielsweise einem Glas, einem Kolben oder einem Bioreaktor durchgeführt. Die Temperatur des Mediums kann von 35 bis 55°C betragen, und die Kultivierungszeit kann 6 Stunden oder mehr betragen.
  • Das Kulturmedium kann als Kohlenstoffquelle Monosaccharide oder Oligosaccharide wie Glucose, Maltose, Dextrine oder eine andere Kohlenstoffquelle pflanzlicher Herkunft, wie beispielsweise Weizen, Mais, Weizengluten oder Soja, umfassen. Das Kulturmedium kann als Stickstoffquelle Peptide, Proteine und Aminosäuren enthalten, die pflanzlicher Herkunft sind, wie beispielsweise ebenfalls aus Weizen, Mais, Weizengluten oder Soja.
  • Das nach der Kultivierung erhaltene Kulturmedium kann als solches zur Charakterisierung der Enzymaktivität verwendet werden, kann jedoch auch einer Fest/Flüssig-Trennung und Reinigung unterworfen werden. Das Kulturmedium kann auch einem proteinhaltigen Medium zugesetzt werden, damit die Glutaminase das enthaltene Glutamin desaminiert. Da jedoch die salzresistente thermotolerante Glutaminase gemäß der vorliegenden Erfindung Membran-gebunden ist, kann eine weitere Stufe erforderlich sein, um das Enzym aus den Zellen freizusetzen, um es weiter zu charakterisieren und/oder um seine Aktivität zu erhöhen. Es können daher herkömmliche Enzymextraktionsverfahren angewandt werden. Beispielsweise ist es möglich, ein mechanisches Mahlen und Zerreißen, eine Schall- oder Ultraschallbehandlung anzuwenden, Detergenzien zu verwenden, eine Zelllyse unter Anwendung von Lysozym oder ein anderes Verfahren anzuwenden, das die Freisetzung des Enzyms aus der Membran ermöglicht. Somit kann nach diesen Techniken eine rohe Enzymlösung der salzresistenten thermotoleranten Glutaminase hergestellt werden. Um eine stärker gereinigte Lösung zu erhalten, kann das rohe Enzympräparat einer geeigneten Kombination von Adsorptions-Elutionstechniken unter Verwendung verschiedener Arten von Ionenaustauschern unterzogen werden, beispielsweise von DEAE-Cellulose, TEAE-Cellulose, QAE-Sephadex oder Hydroxyapatit, einer Gelfiltration unter Verwendung von Sephadex oder Superdex, wodurch ein gereinigtes Enzympräparat erhalten werden kann.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kulturmedium, das die salzresistente thermotolerante Glutaminase enthält, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, auf der Stufe des Vermischens oder auf der Stufe der Fermentation und/oder des Alterns bei einem Verfahren zur Herstellung von Biohydrolysaten zugesetzt, die ausgehen von proteinhaltigem Material, wie beispielsweise bei einem Sojasoßenverfahren oder bei einem Weizenglutenhydrolysat. Ein derartiges Kulturmedium kann das zellhaltige Medium sein, das nach der Kultivierung von Lactobacillus rhamnosus (CNCM I-2433) erhalten wurde. Dieses zellhaltige Medium oder das Zellfraktionen enthaltende Medium kann auch durch Schritte zur Flüssig/Feststoff-Trennung konzentriert werden, um einen zellhaltigen Rückstand zu gewinnen.
  • Vorteilhafterweise kann das verwendete Medium auch eine Mischung sein, bei der das Enzym aus den Zellen durch Beschallung, Lyse oder irgendeine andere geeignete Weise freigesetzt wurde.
  • Tatsächlich werden thermisch denaturierte proteinhaltige Materialien (Sojabohnen, Weizengluten, ...) mit thermisch denaturierten Stärkematerialien (Reis, Weizen, Mais, ...) vermischt, und nachdem der Wassergehalt der Mischung auf 30 bis 45% eingestellt wurde, wird ein Koji-Schimmel als Beimpfung zugegeben und auf übliche Weise kultiviert, um einen festen Koji zu erhalten, der dann mit einer Salzlösung vermischt wird und einer Fermentation und Alterung unterzogen wird. Die Stufe der Hydrolyse eines Protein-haltigen Materials kann jedoch durchgeführt werden unter Verwendung entweder von endogenen Enzymen aus Koji, oder von technisch zugesetzten Enzymen, in Gegenwart eines Lactobacillus, der eine Glutaminase-Aktivität aufweist, vorzugsweise eines Lactobacillus rhamnosus, stärker bevorzugt von Lactobacillus rhamnosus (CNCM I-2433).
  • Die Mischung, die eine salzresistente thermotolerante Glutaminase aus Lactobacillus enthält, kann in einem Verfahren zur Herstellung eines Biohydrolysats verwendet werden. Vorteilhafterweise ist das Biohydrolysat eine Sojasoße oder ein Weizenglutenhydrolysat. Die salzresistente thermotolerante Glutaminase gemäß der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden auf der Stufe der Hydrolyse und/oder auf der Stufe der Alterung bei dem Verfahren zur Biohydrolysat-Produktion.
  • Die neue salzresistente thermotolerante Glutaminase (gereinigt oder zellgebunden), die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, kann somit bei einem Verfahren zur Herstellung von Lebensmitteln und Getränken zugesetzt werden, die Peptide und/oder Aminosäuren als einen Teil oder einen Hauptteil ihrer Geschmackskomponenten enthalten. Bei einem derartigen Verfahren werden Proteinmaterialien oder proteinhaltige Materialien mit wenigstens einem proteolytischen Enzym hydrolysiert oder einem ein proteolytisches Enzym enthaltenden Material, wie beispielsweise mit einem Koji. Aufgrund ihrer hohen Salzresistenz und Thermotoleranz werden, wenn das vorliegende Enzym beispielsweise bei einem Verfahren verwendet wird, das die Proteinhydrolyse bei einer hohen Temperatur und einer hohen Salzkonzentration zur Herstellung eines Glutaminsäure-reichen Würzmittels beinhaltet, auf wirksame Weise Lebensmittel erhalten, die signifikant mit Glutaminsäure als Geschmackskomponente angereichert sind.
  • In den Zeichnungen:
  • 1 zeigt die pH-Abhängigkeit der Glutaminase, wobei die senkrechte Achse die relative Aktivität (R.A.) definiert, ausgedrückt als Prozentsatz der Maximalaktivität im angegebenen pH-Bereich.
  • 2 zeigt die Temperaturabhängigkeit der Glutaminase, wobei die senkrechte Achse die relative Aktivität (R.A.) definiert, ausgedrückt als Prozentsatz der Maximalaktivität im Temperaturbereich T(°C).
  • 3 zeigt die Salzabhängigkeit der Glutaminase, wobei die senkrechte Achse die relative Aktivität (R.A.) definiert, ausgedrückt als Prozentsatz der maximalen Aktivität im NaCl-Konzentrationsbereich, in Prozent Gewicht/Volumen (NaCl).
  • 4 stellt die thermische Stabilität der Glutaminase dar und zeigt:
    • A – die Veränderung der Restaktivität (R.A.) als Funktion der Inkubationszeit t(min) bei (+) 45°C, (o) 55°C, (Δ) 60°C, (ν) 65°C und (λ) 75°C.
    • B – die Arrhenius-Kurve des Neper'schen Logarithmus der Geschwindigkeitskonstante der thermischen Desaktivierung k(min–1) als Funktion des Kehrwerts der Temperatur (1/K).
  • Glutaminase-Aktivitätstest
  • Die Glutaminase-Aktivität wird getestet durch Bestimmung der Bildung von L-Glutamat aus L-Glutamin, unter Verwendung eines kolorimetrischen Verfahrens (Kit von Boehringer Mannheim, Nr. 139 092, Darmstadt, Deutschland). Die Reaktionsmischung, die 0,5 ml von 60 mM L-Glutamin in 50 mM Natriumphosphatpuffer, pH 7,0, enthält, wird bei 37°C 3 min vorinkubiert, und die Reaktion wird durch Zugabe von 0,5 ml des zu testenden Enzym-haltigen Präparats gestartet. Die Inkubation wird bei 37°C für 20 bis 30 min durchgeführt. Die Reaktion wird dadurch gestoppt, dass die Proben auf Eis gekühlt werden. Die Menge an hergestelltem Glutamat wird anschließend enzymatisch bestimmt.
  • Eine Einheit (U) der Glutaminase-Aktivität ist definiert als diejenige Menge des Enzyms, die 1 μmol Glutamat pro Minute unter den obigen Bedingungen freisetzt.
  • Messung der pH-Abhängigkeit
  • Die pH-Abhängigkeit der Glutaminase-Aktivität wurde innerhalb des pH-Bereichs von 4 bis 9 bestimmt. Die Glutaminase-Aktivität wurde getestet unter Verwendung von 100 mM Puffer, der verschiedene pH-Werte ergab, und ist in 1 dargestellt. Nach der Inkubation der Enzymlösung mit einer Endkonzentration von Glutamin von 30 mM in 100 mM Puffer für 30 min bei 37°C wurde die Glutaminase-Aktivität bestimmt, wie im Abschnitt «Glutaminase-Aktivitätstest» beschrieben wird.
  • Verwendeter Puffer:
    • pH 4 bis 6,5: 100 mM Citrat/200 mM Natriumphosphat
    • pH 7 und 7,5: 100 mM Natriumphosphat
    • pH 8 und 9: 100 mM Tris/HCl
  • Jeder Testpunkt ist der Mittelwert von zwei Bestimmungen, und die Aktivitäten sind ausgedrückt als Prozentsätze der maximalen Aktivität, die in dem pH-Bereich von 4 bis 9 beobachtet wird.
  • Der optimale pH-Wert für die Glutaminase gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt etwa pH 7,0. Das Enzym ist bei niedrigeren pH-Werten weniger aktiv, da bei einem pH von etwa 6,0 etwa 62% der Aktivität verloren geht. Im Gegensatz dazu weist das Enzym eine höhere Aktivität bei einem alkalischen als bei einem sauren pH auf, da bei pH 8 bzw. 9 etwa 74% und 69% der Aktivität erhalten bleiben.
  • Temperaturabhängigkeit
  • Die Temperaturabhängigkeit der Glutaminaseaktivität wurde dadurch bestimmt, dass man das Enzym mit Substrat 30 min bei unterschiedlichen Temperaturen im Bereich von 25 bis 80°C inkubierte, wie in 2 gezeigt ist. Die Glutaminase-Aktivität wurde bestimmt, wie beschrieben ist in «Glutaminase-Assays».
  • Die optimale Temperatur für die Glutaminase-Aktivität beträgt etwa 50°C, und das Enzym behält mehr als 90% seiner Aktivität bei etwa 45°C bei, was der Temperatur der Kultivierungsbedingungen entspricht. Es wird beobachtet, dass bei 70°C immer noch etwa 50% der Aktivität vorhanden sind.
  • Salzabhängigkeit
  • Die Salzabhängigkeit der Glutaminase wurde bestimmt durch Zugabe von 0 bis 20% (Gewicht/Volumen) NaCl zu dem Reaktionsmedium. Die relativen Aktivitäten des Enzyms wurden errechnet und als Prozentsatz der Aktivität ausgedrückt, die ohne Salz beobachtet wird (3). Die Glutaminase-Aktivität steigt in Gegenwart von NaCl-Konzentrationen unterhalb von 10% an, verbessert sich insbesondere 1,8-fach bei 2,5% NaCl. Ferner beträgt die Enzymaktivität in Gegenwart von 15% Salz etwa 90% derjenigen ohne Salz.
  • Thermische Stabilität
  • Die thermische Stabilität von Glutaminase wurde zwischen 45 und 75°C bestimmt (4).
  • Im Anschluss an eine Wärmebehandlung bei 45°C kommt es zu keinen thermischen Inaktivierungen. Die Behandlungen bei T ≥ 55°C induzieren eine fortschreitende Inaktivierung des Enzyms, und die Glutaminase wird bei einer Inkubation bei 75°C für etwa 15 min vollständig inaktiviert (4A).
  • Die scheinbare Inaktivierungsgeschwindigkeitskonstante k für die thermische Inaktivierung wurde aufgetragen gegen den Kehrwert der absoluten Temperatur (4B). Wie man erkennen kann, folgt die Temperaturabhängigkeit der Inaktivierungskonstante der Arrhenius-Gleichung. Die Aktivierungsenergie Ea, errechnet aus der Steigung der Arrhenius-Kurve, betrug etwa 90 bis 110 kJ mol–1. Das entspricht den Werten, die für die meisten thermotoleranten Enzyme erhalten werden.
  • Die Ergebnisse zeigen klar, dass die thermische Stabilität von Glutaminase linear mit steigender Temperatur von 50 auf 75°C abnimmt.
  • Katalytische Parameter
  • Die Glutaminase-katalysierte Desaminierung von Glutamin wurde getestet in 50 mM Natriumphosphatpuffer, pH 7,0, bei 37°C unter Verwendung von 12 unterschiedlichen Konzentrationen von Glutamin, die im Bereich von 0,5 bis 80 mM lagen. Die Substratinhibierung war in dem angewandten Glutaminkonzentrationsbereich nicht signifikant. Das katalytische Verhalten von Glutaminase gegenüber Glutamin kann nach der Michaelis-Menten-Gleichung (2) beschrieben werden. Die katalytischen Parameter wurden errechnet als gewichtete lineare Regression unter Anwendung der Lineweaver-Burk-Inversion und durch nicht-lineare Regression der Michaelis-Menten-Gleichung (2):
    Figure 00120001
  • Dabei sind v und Vmax die Anfangs- und Maximalgeschwindigkeit der Reaktion, [S] ist die Substrat-Konzentration und Km ist die Michaelis-Menten-Konstante.
  • Das Ergebnis ist im Einklang mit einer Michaelis-Menten-Kinetik. Aus dem Abschnitt auf der Abszisse der Lineweaver-Burk-Kurve wurde der Km-Wert für die enzymatische Reaktion abgeschätzt auf 5,7 mM und V max = 108 U/l an Hydrolysat. Die nicht-lineare Regression von Gleichung (2) lieferte Km und Vmax-Werte von 4,8 ± 0,4 mM bzw. 101 ± 2 U/l
  • Wir können somit schließen, dass der Km-Wert für die Glutaminase der vorliegenden Erfindung von etwa 4 bis 6 mM beträgt und Vm von etwa 100 bis 110 U/l Hydrolysat beträgt.
  • BEISPIEL I
  • Kultivierung von Lactobacillus
  • Eine Kultur von Lactobacillus rhamnosus (CNCM I-2433), die 5 × 108 KBE/ml enthält, wird in einem Medium gezüchtet, das 22% (Gewicht/Gewicht) Weizengluten (Roquette, Lestern, Frankreich), 0,1% Alcalase (Novozymes, Bagsvaerd, Dänemark), 4% (Gewicht/Gewicht) Flavorzyme L1000 (Novozymes, Bagsvaerd, Dänemark) und 30 mM Natriumacetatpuffer, pH 5,8, enthält und zwar für 12 h bei 45°C. Die Brühe wird dann bei 4°C abgekühlt und sofort einer Analyse unterzogen.
  • BEISPIEL II
  • Enzympräparat
  • Nach der Kultivierung wird das Medium 3-mal mit 50 mM Natriumphosphatpuffer, pH 7,0, gewaschen und schließlich in dem gleichen Puffer, der 10% (Gewicht/Volumen) Saccharose und 1 mM PMSF enthält, rekonstituiert. Da die Glutaminase membrangebunden ist, wurde das Hydrolysat 1 mg/ml Lysozym für 1 h bei 37°C ausgesetzt. Die Lösung wurde bei 4°C gelagert und für Enzym-Assays verwendet.
  • BEISPIEL III
  • Herstellung einer verbesserten Sojasoße
  • 0,2 kg Koji-Schimmel wurden einer Mischung von 1,2 kg von entfetteten und zerstoßenen Sojabohnen, 0,3 kg Weizengluten, 1,2 kg Salz und 3,4 kg Wasser als Beimpfung zugesetzt, um einen Moromi gemäß einem herkömmlichen Verfahren zur Herstellung eines Sojasoßen-Kojis zu bilden. In einer separaten Stufe wurde das gemäß Beispiel 1 erhaltene Medium bei 2000 g × 10 min zentrifugiert. Der resultierende Überstand wurde verworfen, und der zellhaltige Rückstand wurde dem obigen Moromi zugesetzt. Die so erhaltene Mischung wurde dem traditionellen Moromi-Fermentationsprozess unterzogen, und auf diese Weise desaminierte die salzresistente thermotolerante Glutaminase, die sich in dem zellhaltigen Rückstand des Medium-Beispiels I akkumuliert hatte, das Glutamin, das in dem Moromi vorhanden war, und zwar während der Zeit, die erforderlich war, um eine befriedigende Glutamat-Ausbeute zu erhalten und eine reife Sojasoße herzustellen.

Claims (4)

  1. Verfahren zur Herstellung einer salzbeständigen thermotoleranten Glutaminase, das das Kultivieren eines Mikroorganismus, der zur Gattung Lactobacillus gehört und die Fähigkeit aufweist, eine salzbeständige thermotolerante Glutaminase zu erzeugen, wodurch die salzbeständige thermotolerante Glutaminase hergestellt wird, sowie deren anschließende Gewinnung umfasst.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Lactobacillus Lactobacillus rhamnosus (CNCM I-2433) ist.
  3. Verfahren zur Herstellung einer salzbeständigen thermotoleranten Glutaminase, das das Kultivieren eines Mikroorganismus, der zur Gattung Lactobacillus gehört und die Fähigkeit aufweist, eine salzbeständige thermotolerante Glutaminase zu produzieren, wodurch die salzbeständige thermotolerante Glutaminase hergestellt wird, umfasst, und wobei das Kulturmedium, das die salzbeständige thermotolerante Glutaminase enthält, der Stufe des Vermischens oder der Stufe der Fermentation und/oder des Alterns eines Prozesses zur Herstellung von Biohydrolysaten, ausgehend von einem proteinischen Material, zugesetzt wird, wie beispielsweise in einem Sojasoßenprozess oder Weizenglutenhydrolysat.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Lactobacillus Lactobacillus rhamnosus (CNCM I-2433) ist.
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