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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer
salzresistenten und thermotoleranten Glutaminase aus Lactobacillus.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Demgemäß ist es
wichtig, über
eine Glutaminase zu verfügen,
die salzresistent und thermotolerant ist.
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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.
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US 6 063 409 offenbart eine
Glutaminase aus Cryptococcus nodaensis, die eine höhere Salztoleranz
und eine bessere Temperaturbeständigkeit aufweist.
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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.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend in näheren Einzelheiten beschrieben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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In den Zeichnungen:
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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.
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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).
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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).
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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).
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Glutaminase-Aktivitätstest
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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.
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Eine
Einheit (U) der Glutaminase-Aktivität ist definiert als diejenige
Menge des Enzyms, die 1 μmol Glutamat
pro Minute unter den obigen Bedingungen freisetzt.
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Messung der pH-Abhängigkeit
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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.
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Verwendeter Puffer:
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- 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
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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.
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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.
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Temperaturabhängigkeit
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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».
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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.
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Salzabhängigkeit
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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.
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Thermische Stabilität
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Die
thermische Stabilität
von Glutaminase wurde zwischen 45 und 75°C bestimmt (4).
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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).
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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.
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Die
Ergebnisse zeigen klar, dass die thermische Stabilität von Glutaminase
linear mit steigender Temperatur von 50 auf 75°C abnimmt.
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Katalytische Parameter
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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):
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Dabei
sind v und Vmax die Anfangs- und Maximalgeschwindigkeit
der Reaktion, [S] ist die Substrat-Konzentration und Km ist
die Michaelis-Menten-Konstante.
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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
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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.
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BEISPIEL I
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Kultivierung von Lactobacillus
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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.
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BEISPIEL II
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Enzympräparat
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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.
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BEISPIEL III
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Herstellung einer verbesserten Sojasoße
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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.