Optimization of lactic acid production from dairy whey using indigenous lactic acid bacteria

Jedes Mal, wenn Käse hergestellt wird, bleibt eine große Menge an Flüssigkeit zurück. Für jedes Kilogramm produzierten Käses werden etwa zehn Liter dieser wässrigen Nebenproduktion, bekannt als Molke, erzeugt. Obwohl sie wie Wasser aussieht, ist sie tatsächlich reich an Zucker, Proteinen und Vitaminen, die der Käseherstellungsprozess nicht erfasst hat. An vielen Orten wird diese nährstoffreiche Flüssigkeit als Abfall behandelt. Wenn sie in Flüsse geleitet oder verrotten gelassen wird, verbraucht sie Sauerstoff im Wasser und schafft eine schwere Umweltbelastung. Diese Flüssigkeit birgt jedoch das gleiche verborgene Potenzial: Die darin enthaltenen Zucker können Mikroorganismen als Nahrung dienen, um Milchsäure zu erzeugen. Diese Substanz ist ein vielseitiger Baustein, der für alles verwendet wird, von Lebensmittelskonservierungsmitteln und Kosmetika bis hin zu biologisch abbaubaren Kunststoffen. Die Umwandlung eines verschmutzenden Abfallprodukts in ein wertvolles Material stellt einen Schritt hin zu einer Kreislaufwirtschaft dar, in der nichts verschwendet wird und jeder Output zum Input für etwas Neues wird.

Im Norden der Hochlandregion Ruandas, wo die Milchwirtschaft schnell gewachsen ist, standen Forscher vor der Herausforderung, die großen Mengen an Molke zu bewältigen, die von lokalen Käseherstellern produziert werden. Ein Team der INES-Ruhengeri setzte sich zum Ziel zu prüfen, ob sie diese Molke mithilfe von Bakterien, die bereits in der Region lebten, in Milchsäure umwandeln könnten. Anstatt spezialisierte Kulturen aus dem Ausland zu importieren, suchten sie in lokalem Joghurt, einem traditionellen fermentierten Lebensmittel, nach den richtigen Mikroorganismen. Sie sammelten Molkenproben von drei verschiedenen Käseproduzenten und Joghurt von einem lokalen Markt, um ihre Suche zu beginnen. Die von ihnen getestete Molke wurde als eine reichhaltige „Suppe“ aus Laktose bestätigt – dem in der Milch vorkommenden Zucker – zusammen mit kleinen Mengen an Protein und Mineralien, was sie zu einer idealen Nahrungsquelle für die Fermentation macht.

Die Forscher isolierten zunächst mehrere Stämme von Milchsäurebakterien aus dem lokalen Joghurt. Dies sind dieselben Arten von freundlichen Mikroben, die für die Verwandlung von Milch in Joghurt verantwortlich sind. Nach dem Testen dieser Stämme in steriler Molke wählten sie einen spezifischen Stamm aus, den sie LAB-4 nannten, da er sich als am effizientesten bei der Umwandlung des Molkezuckers in Säure erwies. Dieser Stamm war in der Lage, den pH-Wert der Molke innerhalb von drei Tagen signifikant zu senken, was ein Zeichen dafür war, dass er sehr aktiv arbeitete. Mit diesem einheimischen Bakterium in der Hand ging das Team zur nächsten Phase über: dem Finden der perfekten Umgebung für seine Arbeit. Sie wussten, dass Temperatur, der Ausgangs-pH-Wert der Flüssigkeit und die Menge der hinzugefügten Bakterien das Ergebnis beeinflussen würden, also nutzten sie eine systematische Methode, um hunderte Kombinationen zu testen, um den optimalen Punkt zu finden.

Durch diese sorgfältige Testung entdeckten die Wissenschaftler, dass die Bakterien am besten bei einer warmen Temperatur von 37 Grad Celsius und einem Ausgangs-pH-Wert von 6,0 funktionierten, sowie wenn die Mischung eine spezifische Menge der Bakterienkultur enthielt. Unter diesen optimierten Bedingungen war der Prozess bemerkenswert effektiv. In nur 48 Stunden wandelten die Bakterien die Laktose in der Molke in Milchsäure um und erreichten eine Konzentration von 43,2 Gramm pro Liter. Dieses Ergebnis bedeutete, dass die Bakterien für jedes verbrauchte Gramm Zucker fast 0,87 Gramm Milchsäure produzierten – eine hohe Effizienz, die der von Methoden mit importierten kommerziellen Bakterien in nichts nachsteht. Der Prozess reinigte auch das Abwasser; der chemische Sauerstoffbedarf, ein Maß für die Verschmutzung der Flüssigkeit, sank um mehr als zwei Drittel, was bewies, dass die Fermentation gleichzeitig den Abfall behandelte und ein Produkt schuf.

Nachdem die Fermentation abgeschlossen war, musste das Team die Milchsäure aus der Flüssigkeit trennen. Sie verwendeten eine einfache Methode unter Einsatz von Calciumhydroxid, um die Säure in ein festes Salz umzuwandeln, welches dann herausgefiltert und mit Säure behandelt wurde, um die reine Milchsäure freizusetzen. Dieser Rückgewinnungsschritt war erfolgreich und lieferte etwa 75 Prozent der verfügbaren Säure mit einer Reinheit von 82,5 Prozent. Obwohl diese Reinheit niedriger ist als das, was fortschrittliche Industriemaschinen erreichen können, ist sie für viele Lebensmittel- und technische Anwendungen ausreichend. Die Forscher untersuchten auch die Wirtschaftlichkeit des Prozesses im kleinen Maßstab und schätzten, dass die Produktion eines Kilogramms dieser Milchsäure etwa 2,10 US-Dollar kosten würde. Dieser Preispunkt deutet darauf hin, dass die Methode für lokale Molkereibetriebe finanziell rentabel ist und eine Möglichkeit bietet, eine ökologische Belastung in eine Einnahmequelle zu verwandeln.

Die Studie zeigt, dass lokale Lösungen globale Probleme lösen können. Durch die Verwendung von Bakterien, die in der Region heimisch sind, und die Optimierung ihres Wachstums auf lokalen Abfällen zeigten die Forscher, dass Ruandas Molkereibetriebe ihre Molke nachhaltiger bewirtschaften können. Die Arbeit bestätigt, dass süße Molke ein geeignetes Substrat für die Produktion von Milchsäure ist und dass einheimische Bakterien in der Lage sind, die Aufgabe effizient zu erfüllen, ohne dass teure, importierte Kulturen benötigt werden. Während die aktuellen Experimente in Kolben durchgeführt wurden und die Rückgewinnungsmethode einfach war, bieten die Ergebnisse eine starke Grundlage für die zukünftige Entwicklung. Der Prozess bietet einen praktischen, kostengünstigen Weg zur Wertschöpfung aus Abfällen (Waste Valorization), der mit den Zielen des Landes für Umweltschutz und Wirtschaftswachstum übereinstimmt, indem er ein potenzielles Schadstoffprodukt in eine wertvolle Ressource verwandelt.