Vom IGF-Projekt zum patentierten Prozess: Enzymatische Gewinnung von Lactulose und Entwicklung eines präbiotischen Getränks zur Mobilisierung der Verdauung von Personen in besonderen Lebenssituationen


Schon Hippokrates wusste: Krankheiten beginnen im Darm. Vielfach wird erforscht, ob und wie diverse Volksleiden auf eine aus der Balance geratenen Darmflora zurückzuführen sind. Viele Fragen sind hierbei noch offen, doch eines steht fest: Der Darm hat einen großen Einfluss auf das Wohlbefinden von Menschen. Vor diesem Hintergrund sind in den letzten beiden Jahrzehnten Produkte in den Fokus des Interesses gerückt, die die Darmflora günstig beeinflussen – sogenannte Präbiotika. Sie wandern unverdaut vom Magen über den Dünndarm in den Dickdarm und stimulieren dort das Wachstum von physiologisch positiv wirkenden Darmbakterien wie Bifidobakterien.
Ein seit langem anerkanntes Präbiotikum ist Lactulose, ein Zweifachzucker, der aus dem Milchzucker Lactose hergestellt wird. Neben der Verwendung als funktioneller Lebensmittelzusatz wird Lactulose auch als Medikament bei chronischer Verstopfung oder bei bestimmten Lebererkrankungen eingesetzt.
  • Komplexes Verfahren


    Vor Beginn eines Projektes der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF), das von Forschern der Universität Hohenheim durchgeführt wurde, erfolgte die industrielle Lactulose-Produktion ausschließlich über die chemisch-thermische Isomerisierung von zuvor aufgereinigter Lactose. Das Verfahren ist aufwändig und nur durch den Zusatz von Komplexbildnern wie Aluminat oder Borat lassen sich Ausbeuten von bis zu 80 % erreichen; in einer kostenintensiven Aufreinigung werden anschließend Komplexbildner und Nebenprodukte wieder abgetrennt. Weltweit gibt es nur fünf Unternehmen, die dieses Verfahren beherrschen – darunter keine kleinen und mittelständischen Unternehmen.
    Ein alternatives Verfahren zur industriellen Herstellung existierte nicht. Ebenso wenig gab es ein Verfahren, mit dem gezielt und direkt in einer komplexen Milchmatrix Lactulose erzeugt werden konnte – ohne vorherige Aufreinigung der Lactose.

  • Nachhaltige Verwertung


    Des Weiteren fallen in der Käseherstellung große Mengen an Molke an – vieles wird davon genutzt, doch es verbleiben weiterhin ungenutzte Reststoffe wie ein lactosehaltiges Permeat, aus dem aufwändig mittels Aufreinigung Lactose gewonnen wird oder das teils kostenintensiv entsorgt wird. Von einem nachhaltigen Verwertungsverfahren zur Umwandlung der darin enthaltenen Lactose in höherwertige Produkte würden daher viele Unternehmen profitieren können.

  • Alternative Lactulose-Gewinnung gesucht


    Vor diesem vielschichtigen Hintergrund hatten die Forscher das Ziel, ein enzymatisches Verfahren zur Gewinnung von Lactulose zu entwickeln. Dabei sollte der innovative Prozess sowohl für präbiotische Milchprodukte geeignet sein als auch die Verarbeitung von Molke zu physiologisch wirksamen Lactulosepräparaten erlauben.
    Als Enzyme wurden β-Galactosidasen bezüglich ihrer Fähigkeit zur Lactulosesynthese gescreent; Permeate von Magermilch, Süß- und Sauermolke mit Fructosezugabe wurden dabei als Modellsysteme getestet. In der enzymatischen Reaktion wird das Disaccharid Lactose durch β-Galactosidase gespalten, wobei zunächst Glucose freigesetzt wird und die Galactose am Enzym gebunden bleibt. Dieser Galactose-Rest wird anschließend vom Enzym entweder auf Wasser zur Freisetzung der Galactose übertragen oder mit einem Fructosemolekül verknüpft – das Disaccharid Lactulose. Beide Wege laufen parallel ab und können durch die Prozessbedingungen gesteuert werden. Nach der erfolgreichen Transgalactosylierung wird das eingesetzte Enzym durch eine Kurzzeitpasteurisation inaktiviert, da ansonsten gebildete Lactulose wieder enzymatisch abgebaut wird.

  • Erfolgreich im Labor und Technikum


    Im Rahmen des IGF-Projektes wurde die Lactulosesynthese in Milch und Molke erfolgreich im Labor- und Technikumsmaßstab durchgeführt. Dabei wurden u.a. Milchdrinks in Lactulosekonzentrationen von 6-10 g pro Liter erzeugt. Des Weiteren wurde ein kontinuierlicher Prozess zur Gewinnung eines Lactulose-Präparates aus einem Molke-Permeat entwickelt.
    Nach Abschluss des IGF-Projektes galt es, das Know-how rund um den innovativen Prozess weiterzunutzen, um hierauf basierend marktfähige Produkte zu entwickeln. Zunächst wurde hierzu mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Stephan Bischoff (Institut für Ernährungsmedizin, Universität Hohenheim) eine Humanstudie durchgeführt, in der die präbiotische Wirkung eines Getränks mit enzymatisch erzeugter Lactulose bestätigt wurde. Allerdings war die Studie so ausgelegt, dass täglich 500 g des Getränks konsumiert werden mussten, um die präbiotische Wirkung zu erzielen. Für Zielgruppen wie ältere Menschen oder Menschen mit eingeschränkter Mobilität ist diese Trinkmenge zu groß.

  • Kleiner Drink mit großer Wirkung


    So entstand die Idee, ein molkebasiertes Getränk mit einer deutlich höheren Konzentration von Lactulose bis zur Marktreife zu entwickeln – das war der Startschuss für ein Kooperationsprojekt zwischen der Universität Hohenheim und zwei mittelständischen Unternehmen, der Schwarzwaldmilch GmbH in Freiburg und der CuraProducts GmbH in Groß-Gerau. Gefördert wurde es im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) des BMWi mit Unterstützung des FEI.
    Ziel war es, für Personen in der Rehabilitation oder Pflege ein Getränk von angenehmer Süße zu entwickeln, das bereits in einer Trinkmenge von nur 150 ml eine wirksame Lactulose-Konzentration enthält, so dass bei Darmträgheit „mit einem Schluck“ (one shot) eine Mobilisierung der Verdauung erzielt werden kann. Erforscht und entwickelt wurde dazu ein kombiniertes Verfahren aus Nano- und Diafiltration. Dadurch kann einerseits eine wirksame Lactulose-Konzentration eingestellt werden, andererseits können die Monosaccharide reduziert werden, um eine angenehme Süße zu gewährleisten.

  • Paradebeispiel für die Kombination von IGF und ZIM


    Im Rahmen des ZIM-Projekts wurden zudem Fragestellungen der Markt- und Verbraucherakzeptanz, mögliche Marketingstrategien sowie Verpackungsoptionen bearbeitet. Ein erfolgreiches Scale-up des Verfahrens in den industriellen Maßstab bildete den Abschluss des Projekts.
    Im Ergebnis der mehrjährigen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zeigt sich: Die Projekte sind ein Paradebeispiel für die erfolgreiche Kombination von Industrieller Gemeinschaftsforschung und einem ZIM-Kooperationsprojekt zur Entwicklung innovativer Produkte.


  • Projektbeteiligte


    Forschungsstelle:
    • Universität Hohenheim, Institut für Lebensmittelwissenschaft und Biotechnologie, FG Milchwissenschaft und -technologie (https://www.fei-bonn.de/fei-netzwerk/forschungsinstitute/institut-fuer-lebensmittelwissenschaft-und-biotechnologie-fg-milchwissenschaft-und-technologie.52765-40031-43478.institut)
      (Leiter: Prof. Dr. Dr. Jörg Hinrichs) – IGF- und ZIM-Projekt –
    • Universität Hohenheim, Institut für Lebensmittelwissenschaft und Biotechnologie, FG Biotechnologie und Enzymwissenschaft (https://www.fei-bonn.de/fei-netzwerk/forschungsinstitute/institut-fuer-lebensmittelwissenschaft-und-biotechnologie-fg-biotechnologie-und-enzymwissenschaft.48006-40031-44559.institut)
      (Leiter: Prof. Dr. Lutz Fischer) – IGF-Projekt –

    Industriegruppe:
    • Milchindustrie-Verband e.V. (MIV), Berlin (https://www.fei-bonn.de/fei-netzwerk/wirtschaftsverbaende/mv-milch-miv.39887.verband)

    (Stand: Februar 2019)



Forschungsvorhaben
  • IGF-Projekt: AiF 14787 N "Enzymatische Gewinnung von Lactulose in lactosehaltigen Milchprodukten und technischen Lactoselösungen" (https://www.fei-bonn.de/gefoerderte-projekte/projektdatenbank/aif-14787-n.projekt)
  • ZIM-Projekt: KF 2544106WZ3 (Universität Hohenheim, Stuttgart), KF 3272601WZ3 (CuraProducts GmbH, Groß-Gerau) &
    KF 3101502WZ3 (Schwarzwaldmilch GmbH Freiburg)



... ein Projekt der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)


Förderhinweis