Aerobe Deproteinierung von Crustaceaen-Abfällen zur Gewinnung von Chitin mittels proteolytischer Mikroorganismen

Abstract

Garnelenschalenabfälle stellen in den produzierenden Länder aufgrund ihres hohen biologischen Sauerstoffbedarfs und potenzieller pathogener Keime, welche die Schalen als Substrat nutzen ein Umweltproblem dar (Islam et al., 2004). Auf der anderen Seite wächst der Bedarf an Chitinprodukten aufgrund der stetig voranschreitenden Entwicklung an Anwendungsmöglichkeiten dieses Biopolymers. Für ein Land wie Indonesien, einer der Hauptproduzenten von Garnelen in Aquakultur, bedeutet eine wertschöpfende Aufarbeitung dieser Abfälle die Eröffnung eines neuen lukrativen Industriezweiges. Garnelenschalenabfälle bestehen neben Chitin überwiegend aus Proteinen, Mineralstoffen und Carotinoiden, welche entfernt werden müssen. Das klassische chemische Aufarbeitungsverfahren beinhaltet einen Demineralisierungs- und Deproteinierungsprozess mit Säuren und Laugen sowie die Dekoloration des Endproduktes. Eine kostengünstigere und umweltfreundlichere Alternative besteht in der biotechnologischen Aufarbeitung der Schalen.

In dieser Arbeit wurde ein biotechnologischer Deproteinierungsprozess entwickelt. Dazu wurden zunächst proteolytische Stämme von Garnelenschalen isoliert und in einem Screening auf ihre hydrolytische Leistung hin untersucht. Stämme der Gattung Bacillus erwiesen sich hier als besonders geeignet. Weiterhin zeigte sich, dass ein Prozess unter thermophilen Bedingungen (55 °C) Vorteile gegenüber den üblich gewählten Prozessbedingungen bei 30 oder 37 °C bietet. Diese bestehen zum einen darin, dass auf den energieaufwendigen Sterilisationsschritt verzichtet werden kann, da die übliche Verderbsflora der Abfälle überwiegend unterdrückt wird. Weiterhin stellt 55 °C eine optimale Temperatur für die enzymatische Wirkung vieler extrazellulärer Proteasen dar. Als besonders gut geeignet erwies sich eine Mischkultur aus zwei Stämmen (F5 und F11). Diese konnten nach biochemischer und phylogenetischer Analyse als Vertreter der Art B. licheniformis identifiziert werden.

Nach Optimierung des Kulturmediums wurden unterschiedliche Schalensubstrate für den Prozess getestet. Hier zeigten sich frische Schalen als besonders geeignet. Des Weiteren konnte durch eine Aufarbeitung des Abfallmaterials der Proteingehalt schon vor dem eigentlichen Fermentationsschritt um 70 % reduziert werden. Dieses führte zu einer deutlichen Erniedrigung des Restproteingehalts des Endproduktes von 10 % auf 2,1 %. Eine weitere Verbesserung konnte durch eine pH Kontrolle bei pH 8,0 erreicht werden. Aufgrund der durch den Verderbnisprozess und durch die hydrolytische Spaltung während des Prozesses entstandener Amine steigt der pH-Wert der Kulturen deutlich an. Bei pH-Werten über 8,0 vermindert sich die proteolytische Aktivität des Kulturüberstandes was sich negativ auf die Deproteinierungsleistung auswirkt. Unter optimierten Prozessbedingungen konnte so ein Chitin mit einem Restproteingehalt von 1,5 %, einem Restaschegehalt von 0,2 % und einem Chitingehalt von 92 % der Trockenmasse erhalten werden. Dieses entspricht der Qualität chemisch produzierter Produkte. Weiterhin liegt die Viskosität des biotechnologisch hergestellten Produktes mit durchschnittlich 70 mPas über der eines vergleichbaren chemischen Produktes mit 10 mPas, was auf eine höheres Molekulargewicht schließen lässt. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass der umweltschädliche chemische Prozess durch ein biotechnologisches Verfahren ersetzt werden kann und dass ein Produkt von gleicher Qualität mit höherem Molekulargewicht erhalten wird.