Forschung

Deutschland gehört mit 31,9 Millionen Tonnen im Jahr 2023 zu den wichtigsten Milchproduzenten weltweit. Exporte von Milchprodukten haben für die deutsche Milchwirtschaft einen großen Stellenwert. Dabei ist zu bedenken, dass die Güter langen Transitzeiten und Kühllagerungszeiten ausgesetzt sind, die Einfluss auf Qualität und Verderb der Produkte nehmen können. Der ökonomische Schaden durch Verderbniserreger im milchverarbeitenden Bereich beträgt zwischen 25 und 30% weltweit.

Es ist davon auszugehen, dass ein nicht unerheblicher Anteil des ökonomischen Schadens auf eine Kontamination mit Acinetobacter spp. zurückzuführen ist. In einem vom Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V. geförderten Projekt sollen in Zusammenarbeit mit dem Max-Rubner-Institut in Kiel Handlungsempfehlungen abgeleitet werden, die dazu beitragen, den Eintrag in die Rohmilch zu reduzieren und dem frühzeitigeren Verderb der Milchprodukte entgegenzuwirken. Zudem soll der entwickelte Schnelltest eine Entscheidungshilfe für die Verwertung der Rohmilch bieten.

Denn Acinetobacter spp. spielen auf Grund ihrer lipolytischen, also fettabbauenden, Eigenschaften eine zentrale Rolle bei Milch und Milchprodukten. Der Einfluss auf das Lipidprofil kann Auswirkungen auf die Textur, den Geschmack, den Geruch und insgesamt die Qualität und die Haltbarkeit des Produkts haben. Acinetobacter spp. können bei niedrigeren Lagertemperaturen eine hohe lipolytische Aktivität aufweisen. Ziel des Projektes ist es, rohmilchrelevante, lipolytisch aktive Acinetobacter spp. zu isolieren und zu identifizieren. Zudem sollen die jeweiligen Lipasen identifiziert und bei besonders abundanten Vertretern zusätzlich charakterisiert werden. Dabei stehen die genetische Charakterisierung, die lipolytische Kapazität und das durch die Lipolyse entstandene veränderte Lipidprofil im Vordergrund. Dies verfolgt das Ziel, besonders verderbnisrelevante Spezies zu identifizieren und deren potenziellen sensorischen Einfluss analytisch zu evaluieren. Des Weiteren soll ein PCR- bzw. LAMP-PCR basiertes schnelles Nachweisverfahren für Spezies mit hoher lipolytischer Kapazität entwickelt werden.

Die Forschung wird unter der Schirmherrschaft des Exzellenzclusters Understanding Written Artefacts durchgeführt. Mit Hilfe von Metagenomanalysen soll die Mikrobiota verschiedener Manuskripte (vorzugsweise aus Pergament) identifiziert und gezielt charakterisiert werden. Diese Fragestellung baut auf dem „Kairouan Manuscript Projekt“ auf, in dem erste Manuskripte aus dem 9. bis 11. Jahrhundert untersucht wurden.

Pergamente aus verschiedenen Sammlungen und Bibliotheken weisen öfter Schäden wie Verfärbungen, Wellenbildungen oder Fehlstellen auf. Die Ursachen dieser Probleme werden häufig auf Umwelteinflüsse und Lagerbedingungen, aber auch auf mikrobiellen Verderb zurückgeführt. Manuskripte sind verschiedenen Belastungen ausgesetzt, wie Temperaturschwankungen und erhöhten Wasser- bzw. Salzgehalten. Aber auch menschlicher Umgang mit Manuskripten beeinflusst deren Beschaffenheit und Struktur und formt ein individuelles Mikrobiom auf deren Oberfläche. Diese Mikroorganismen können Collagen, das Strukturprotein von Haut, abbauen und so deren Struktur negativ beeinflussen. Durch erhöhte Temperaturen und Proteolyse Vorgänge während der Produktion und Lagerung der Pergamente, können Abbauprozesse des Collagens ausgelöst und beschleunigt werden. Da mikrobielle Interaktionen meist vielschichtig und komplex sind, könnten Metagenomanalysen Hinweise auf Verderber und generelle Tendenzen aufzeigen.

Die Hypothesen dieser Forschung setzen sich wie folgt zusammen:

• Bei der Auswahl von Pergament Manuskripten aus verschiedenen Sammlungen, aber derselben zeitlichen Herkunft und ähnlichen Lagerbedingungen lässt sich die Mikrobiota identifizieren und ihre Zusammensetzung ist vergleichbar. Andererseits zeigen sich Unterschiede in der Mikrobiota je nach Produktion, Lagerung und Handhabung der Manuskripte.
• Das Mikrobiom unterscheidet sich an verschiedenen Fehlstellen untereinander und zu intaktem Pergament und die Schäden werden durch spezifische Mikroorganismen ausgelöst. Der mikrobielle Verderb kann auf bestimmte Mikroorganismen, sei es Bakterien oder Pilze, zurückgeführt werden. Des Weiteren zeigen diese Isolate verschiedene Expressionsprofile bei der Transkriptomanalyse in Gegenwart von Collagen/Gelatin und ohne.
• Dieser Verderb lässt sich mit frischem Pergament und mikrobiellen Isolaten simulieren. In einem kontrollierten Langzeittest werden Lagerbedingungen simuliert und das mikrobielle Wachstum kontrolliert. Außerdem wird die Überlebensfähigkeit der Mikroorganismen mikroskopisch überprüft.

Die meisten Farbstoffe für die Textilindustrie werden aus Petrochemikalien hergestellt, was zur Umweltverschmutzung beiträgt. Am 01.10.2025 hat das Projekt DyeAnotherWay begonnen, dass dafür Abhilfe schaffen will. Ziel des Projektes ist es, mit Hilfe von Mikroorganismen erneuerbare und daher umweltverträglichere Farbstoffe herzustellen. In diesem von der Europäischen Union geförderten Marie Skłodowska-Curie Action Programm werden 14 Universitäten und industrielle Partner aus ganz Europa sowie den USA und Brasilien zusammenarbeiten. Das Projekt erlaubt auch die Ausbildung von 12 DoktorandInnen in den Bereichen Biotechnologie, Mikrobiologie, Chemie, Textil- und Marktforschung. Eine dieser Doktorandenstellen ist in der Arbeitsgruppe Lebensmittelmikrobiologie, Hamburg School of Food Science, am Fachbereich Chemie angesiedelt. Hier werden insbesondere Mikroorganismen isoliert und identifiziert, die Farbstoffe produzieren. Ein Schwerpunkt soll dabei auf schwarz, blau und rot gelegt werden, langfristig soll jedoch die gesamte Farbpalette abgebildet werden können, was besonders für Drucke auf Textilien interessant ist. Darüber hinaus ist auch eine Prüfung auf Anwendbarkeit für den Lebensmittelsektor geplant, der deutlich strengere Anforderungen bezüglich der Sicherheit stellt. Über die Sequenzierung der Genome können zudem Informationen zur Sicherheitsbewertung und über Stoffwechselwege gewonnen werden, die eine maßgeschneiderte Produktion bio-basierter Farbstoffe im industriellen Maßstab erlauben. In Zusammenarbeit mit den anderen Projektpartnern sollen so Farbstoffe identifiziert werden, die den Anforderungen der Textil- und Lebensmittelindustrie gerecht werden.

Forschungsarbeiten der letzten Jahre haben gezeigt, dass Nutzpflanzen als Sekundärwirte für Humanpathogene fungieren können, und es stellt sich die Frage, welchen Einfluss diese Interaktion sowie die technologischen Prozesse in der Lebensmittelherstellung auf die Virulenz von Pathogenen haben. Unser besonderes Interesse gilt der Interaktion des humanpathogenen Bakteriums Listeria monocytogenes mit der Salatpflanze und soll basierend auf diesen Hypothesen erforscht werden:

• Pathogene nutzen ähnliche molekulare Mechanismen zur Adhäsion an/ Internalisierung in Kulturpflanzen wie im menschlichen Wirt. Hier wird die Genregulation in repräsentativen Stämmen in Anwesenheit der Pflanze untersucht. Zusätzlich soll der Einfluss der Lokalisation der Bakterien auf und in der Pflanze mit der Expression ausgewählter Gene korreliert werden. Als relevant identifizierte Strukturen würden zuerst mittels Deletionsmutagenese der zugehörigen Gene bestätigt. Die Interaktion von Wildtypstämmen sowie Deletionsmutanten und Pflanzen wird mittels mikroskopischer Methoden evaluiert.
• Pathogene reagieren auf den Wirt durch Änderung der Transkriptionsmuster, was zu einer veränderten Virulenz führt. Es soll durch Transcriptomics (DualRNASeq) die Anpassung von adhärierenden und/oder internalisierten Bakterien untersucht werden, und inwieweit sich diese auf die Virulenz und Resistenz der Bakterien auswirken. Da Pflanzen immer auch eine autochthone Mikrobiota besitzen und da davon ausgegangen werden muss, dass diese Mikroorganismen direkt oder indirekt interagieren, ist statt einer einfachen Beziehung ein Netzwerk von Parametern zu untersuchen.

Mittels „omics“ Technologien sollen Stämme selektieren werden, die in Lebensmitteln die gewünschten Eigenschaften aufweisen.

Ein Teil dieser Arbeiten baut auf ein bereits abgeschlossenes FEI-Projekt (AiF 19688 N) auf. Lactococcus lactis ist ein in der Milchindustrie zur industriellen Fermentation eingesetzter Starterorganismus. Stämme dieser Spezies sind auf Grund ihres Plasmidoms genetisch divers. Die für das Wachstum in Milch essentiellen Enzyme des proteolytischen Systems sind ebenfalls teilweise plasmidkodiert. Aus der industriellen Erfahrung ist bekannt, dass manche Stämme die Bildung von Bitterpeptiden induzieren, andere aber nicht. Es ist unbekannt, welche genetischen Determinanten in Kombination mit welchen Umgebungsbedingungen, besonders erhöhten Calciumgehalten, wie sie in der Fermentation von Konzentraten auftreten, dazu führen. Basierend auf eigenen Ergebnissen wird die Hypothese aufgestellt, dass Calcium einen Einfluss auf die Bildung von Bitterpeptiden durch Starterkulturen hat, der nicht in einer unterschiedlichen Transkription der für die Enzyme/Proteine des proteolytischen Systems kodierenden Gene begründet ist.

• Fermentation von Fruchtkomponenten mit Exopolysaccharid-bildenden Milchsäurebakterien zur strukturellen Stabilisierung von Fruchtzubereitungen
  01.02.2022 – 31.01.2026, FEI, AiF 22473 N
  https://www.fei-bonn.de/gefoerderte-projekte/projektdatenbank/01if22473n.projekt

• Zweistufige Fermentation pflanzlicher Rohstoffe zur Herstellung pflanzlicher Alternativen zu Rohwurst und Rohmilchkäse.
  01.09.2021–29.02.2024, FEI, AiF 21931 N
  https://www.fei-bonn.de/gefoerderte-projekte/projektdatenbank/aif-21931-n.projekt

• Establishing a strong and lasting international training network for innovation in food and juice industries: A 4D-research approach for fruit juice processing (HiStabJuice).
  01.11.2020–28.02.2025, European Union’s Marie Skłodowska-Curie Innovative Training Network (ITN), GA No. 956257
  https://www.histabjuice.eu/

• Reduktion der Bitterkeit von fermentierten Milchprodukten mit erhöhtem Calciumgehalt durch Selektion geeigneter Starterkulturen - Einfluss milchendogener und exogener Peptidasen.
  01.10.2017–30.09.2020, FEI, AiF 19688 N

• Technologische und mikrobiologische Ansätze zum Einsatz von Starterkulturen bei der industriellen Rohschinkenherstellung.
  01.05.2013–30.06.2016, FEI, AiF 17687 N

• Optimierung der mikrobiologischen Qualität und der physiologischen Eigenschaften von verzehrfertigen Blattsalaten und Kräutern mittels innovativer technologischer Verfahren und molekularbiologischer Analysen.
  01.11.2012–31.05.2016, FEI, AiF 17122 N

• Optimierung von Nachweis und Differenzierung von Salmonella enterica, Cronobacter sakazakii und Bacillus cereus in Milch und Milcherzeugnissen durch den Einsatz von Zellwand-bindenden Phagenproteinen.
  01.11.2010–30.04.2013, FEI, AiF 16756 N

• Backwaren hergestellt mit Sauerteigen aus Amaranth, Buchweizen und Sorghum unter Verwendung universell einsetzbarer und mikrobiologisch stabiler Sauerteigstarter.
  01.04.2007–30.06.2009, FEI, AiF 15188 N