Cheese whey wastewater-derived Chlorella biomass promotes growth and β-galactosidase activity of Pediococcus sp. isolated from Gundurk

In der Welt der Lebensmittelproduktion ist Abfall oft ein unvermeidbares Nebenprodukt, doch für Wissenschaftler kann er eine verborgene Ressource sein. Ein solches Abfallprodukt ist Molke, die Flüssigkeit, die übrig bleibt, wenn Milch zu Käse verarbeitet wird. Obwohl diese Flüssigkeit reich an Nährstoffen wie Zucker und Protein ist, ist sie schwierig zu entsorgen, da sie, wenn sie unbehandelt in Gewässer gelangt, den Sauerstoffgehalt senken kann. Um dies zu lösen, suchen Forscher nach den winzigen Recycelern der Natur: Mikroalgen. Dies sind mikroskopisch kleine, pflanzenähnliche Organismen, die Sonnenlicht zur Wachstumsnutzung verwenden, aber auch von den organischen Nährstoffen in Abfallströmen zehren können. Wenn diese Algen wachsen, verwandeln sie Abfall in eine feste, nährstoffreiche Biomasse. Diese Biomasse ist nicht nur Abfallbehandlung; sie ist ein potenzieller Lebensmittelbestandteil, der reich an Proteinen und Fetten ist. Auf der anderen Seite der Gleichung stehen Milchsäurebakterien, die Arbeitspferde hinter fermentierten Lebensmitteln wie Joghurt und Sauerkraut. Diese Bakterien sind essenziell für die menschliche Gesundheit und die Haltbarmachung von Lebensmitteln, aber sie benötigen spezifische Bedingungen, um zu gedeihen und nützliche Enzyme zu produzieren. Die Frage, die diese Forschung antrieb, war, ob die auf Abfall gezüchteten Algen diesen Bakterien tatsächlich helfen könnten, ihre Arbeit besser zu erledigen, wodurch ein Kreislauf entsteht, in dem Abfall zu einem Werkzeug für die Herstellung gesünderer Lebensmittel wird.

Ein Team von Forschern am Research Institute for Bioscience and Biotechnology in Nepal unternahm den Versuch, diese Idee mit zwei spezifischen Arten lokaler Mikroorganismen zu testen. Zuerst sammelten sie Wasser aus einem Süßwasserteich in Banepa, um einen Wildstamm von Chlorella, einer häufigen Art der grünen Mikroalge, zu finden. Sie sammelten auch Proben von Gundurk, einem traditionellen fermentierten Gemüsegericht aus Senfblättern, um einen spezifischen Stamm der Milchsäurebakterien namens Pediococcus zu isolieren. Die Forscher schufen dann zwei verschiedene Umgebungen für das Wachstum der Algen. Eine war eine standardmäßige Labor-Nährlösung und die andere war eine Mischung aus der Käsemolke-Abwasserlösung und Wasser. Sie ließen die Algen in beiden Umgebungen acht Tage lang wachsen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Algen in der Käsemolke genauso gut wuchsen wie in der standardmäßigen Labornährlösung. Tatsächlich produzierten die Algen in der Käsemolke am Ende des Experiments eine etwas höhere Anzahl an Zellen und erreichten eine Dichte von 17,3 Millionen Zellen pro Milliliter, verglichen mit 15,9 Millionen in der Standardlösung. Wichtiger noch war, dass die in dem Abfall gezüchteten Algen signifikant mehr festes Material produzierten und eine Trockenbiomasse von 1,40 Gramm pro Liter lieferten, während die Standardlösung nur 0,30 Gramm produzierte.

Die Forscher untersuchten anschließend, was sich in den Algenzellen befand, um zu sehen, ob der Abfall ihre Zusammensetzung veränderte. Mit einer Technik, die misst, wie Licht von Molekülen reflektiert wird, fanden sie heraus, dass die in Käsemolke gezüchteten Algen eine andere chemische Zusammensetzung aufwiesen als jene, die im Labor gezüchtet wurden. Speziell enthielten die im Abfall gezüchteten Algen mehr Lipide, also Fette und Öle, während die im Labor gezüchteten Algen eine stärkere Protein-Signatur aufzuweisen schienen. Dies deutet darauf hin, dass die Nährstoffe in der Käsemolke, wie Laktose und andere organische Verbindungen, die Algen dazu brachten, mehr Energie in Form von Fetten zu speichern. Das Team nahm diese getrocknete Algenbiomasse und fügte sie dem Nährmedium der Pediococcus-Bakterien hinzu. Sie wollten sehen, ob die Fütterung der Bakterien mit dieser Alge ihnen helfen würde, schneller zu wachsen oder härter zu arbeiten. Die Ergebnisse waren eindeutig: Das Hinzufügen der Algenbiomasse half den Bakterien, sich während ihrer aktiven Wachstumsphase schneller zu vermehren. Die Bakterien wuchsen in Anwesenheit der Algen signifikant besser als ohne sie, insbesondere nach 18 bis 24 Stunden Wachstum.

Über das bloße Helfen beim Bakterienwachstum hinaus steigerten die Algen auch eine spezifische Funktion, die für die menschliche Gesundheit sehr wertvoll ist: die Fähigkeit, Laktose abzubauen. Die Pediococcus-Bakterien produzieren natürlicherweise ein Enzym namens Beta-Galactosidase, das bei der Verdauung des in Milch enthaltenen Zuckers hilft. Dies ist entscheidend, da ein großer Teil der erwachsenen Bevölkerung Laktose nicht richtig verdauen kann. Als die Forscher die Aktivität dieses Enzyms maßen, stellten sie fest, dass die mit Algen gefütterten Bakterien wesentlich mehr davon produzierten als jene mit einer Standarddiät. Die mit Algen gefütterten Bakterien, die mit Algen aus der Standard-Labornährlösung gefüttert wurden, produzierten ein Enzymaktivitätsniveau von 49,33 Einheiten, während jene, die mit den Algen aus der Käsemolke gefüttert wurden, 38,82 Einheiten produzierten. Beide Zahlen lagen signifikant höher als die 18,34 Einheiten, die die Kontrollgruppe ohne Algen produzierte. Dies zeigt, dass die Algenbiomasse als leistungsstarker Booster für die enzymatische Leistung der Bakterien wirkt, auch wenn die aus dem Abfall gezüchteten Algen eine etwas geringere Enzymaktivität als die im Labor gezüchteten Algen hervorbrachten.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass dieser Ansatz einen doppelten Nutzen für die Umwelt und die Lebensmittelwissenschaft bietet. Durch die Verwendung von Käsemolke zur Kultivierung von Algen demonstrierten die Forscher einen Weg, einen problematischen Abfallstrom zu reinigen und gleichzeitig eine hochwertige Biomasse zu schaffen. Diese Biomasse dient wiederum als funktioneller Lebensmittelzusatzstoff, der die Leistung nützlicher Bakterien verbessert. Die Ergebnisse legen nahe, dass wilde Mikroorganismen aus lokalen Umgebungen, wie etwa aus Süßwasserteichen und traditionellen fermentierten Lebensmitteln, zu einem einheitlichen System kombiniert werden können. Dieses System ermöglicht es nicht nur, Nährstoffe aus Milchabfällen zurückzugewinnen, sondern erzeugt auch ein Produkt, das die Qualität fermentierter Lebensmittel verbessern und potenziell die Verdauung von Milchprodukten für Menschen mit Laktoseintoleranz unterstützen kann. Während der Prozess zeigte, dass die im Abfall gezüchteten Algen einen etwas anderen Effekt auf die Enzymproduktion hatten als die im Labor gezüchteten Algen, bestätigt das Gesamtergebnis, dass aus Abfall gewonnene Biomasse ein lebensfähiges und effektives Werkzeug zur Unterstützung des Wachstums und der Funktion nützlicher Bakterien ist.