Entwicklung eines hocheffizienten Verfahrens zur fermentativen Herstellung und Immobilisierung rekombinanter Isomaltulose-Synthase

Das Zuckerkonsumverhalten der Verbraucher hat sich durch die neuen Ernährungstrends Functional und Wellness Food deutlich gewandelt. Die Nachfrage nach Zuckeraustauschstoffen ist in den letzten Jahren extrem gestiegen. Isomaltulose, ein Isomer der Saccharose, ist ein zahnfreundlicher Zucker mit niedrigem Glykämischen Index, aus dem im industriellen Maßstab der kalorienreduzierte Zuckeralkohol PalatinitTM hergestellt wird. Darüber hinaus kann Isomaltulose als regenerativer Ausgangsstoff für die chemische Industrie verwendet werden. Isomaltulose wird durch enzymatische Konversion aus Saccharose gewonnen. Das für die Isomerisierung verantwortliche Enzym ist die Isomaltulose-Synthase (PalI-Enzym). Ziel dieser Arbeit war die Bioprozessoptimierung zur Herstellung von Isomaltulose mittels rekombinanter Isomaltulose-Synthase von der fermentativen Enzymproduktion bis zum industriell einsetzbaren Enzymimmobilisat. Zur Optimierung der heterologen Enzymbildung wurde ein für den industriellen Prozess geeigneter robuster Expressionsstamm ausgewählt und anschließend das Scale up der Kultivierung vom Schüttelkolben- in den 10-L-Fermentationsmaßstab durchgeführt. Da eine konventionelle Prozessführung zu keiner ausreichenden Enzymexpression führte, wurde ein neues, erfolgreiches Zwei-Phasen-Fermentationsverfahren entwickelt, das durch Steuerung der Sauerstoffversorgung der Zellen eine hohe Biomassebildung und heterologe Enzymproduktion ermöglichte. Mit Hilfe dieser Zwei-Phasen-Fermentationsstrategie wurden 12 g/L Biotrockenmasse und 1,6 g/L hoch aktive Isomaltulose-Synthase produziert. Zur Stabilisierung des Enzyms für den industriellen Einsatz wurde die Isomaltulose-Synthase durch Quervernetzung und Matrixeinschluss in LentiKats® immobilisiert. In den LentiKats® wurden über 50 % der eingesetzten PalI-Aktivität bzw. 65 EU/g Katalysatorfeuchtmasse wiedergefunden. Die Selektivität der immobilisierten Isomaltulose-Synthase blieb auch beim Mehrfacheinsatz auf höchstem Niveau erhalten (maximale Isomaltulose-Ausbeute von 87 %). Zusätzlich zeigten die Immobilisate eine gute physikalische und katalytische Stabilität. Durch die Überexpression der Isomaltulose-Synthase konnte erstmals eine für die industrielle Anwendung profitable Enzymimmobilisierung ohne kostenintensive Aufkonzentrierungs- und Aufreinigungsstufen realisiert werden. Durch den 6-maligen Einsatz von LentiKats®, die aus einem Liter Enzymlösung mit 1,6 g PalI-Enzym hergestellt werden, können ca. 33 kg Isomaltulose produziert werden.