Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Ausgabe 09/2016, 05.09.2016

Die mikrobielle Biodiversität in Rohmilchkäse

Einige Mikroorganismen nutzt die Menschheit schon seit Langem zur Fermentierung und Haltbar- machung von Lebensmitteln. Die Forschungsanstalt Agroscope widmet sich der Erforschung des Mikrobioms und der Funktionen von Mikroorganismen in Rohmilchkäse sowie der mikrobiellen Biodiversität der Agroscope Stammsammlung.

Autor: Elisabeth Eugster, Stefan Irmler, Noam Shani, Marco Meola, Hélène Berthoud Agroscope, Institut für Lebensmittelwissenschaften ILM, Bern, Schweiz

Bilder: Agroscope

Mikroorganismen (im Speziellen Bakterien und Pilze), stellen auf der Welt die diverseste Gruppe von Lebewesen dar. Erst in jüngerer Zeit, mit dem Aufkommen moderner Methoden in der Genomik, die auch unter dem Begriff «Next Generation Sequencing» (NGS) bekannt sind, lassen sich die Gene der in einem Ökosystem vorhandenen Mikroorganismen unabhängig davon, ob sie kultivierbar sind oder nicht, beschreiben. So ist die Gesamtheit aller in einem Ökosystem vorkommenden Mikroorganismen – das Mikrobiom – in kurzer Zeit und kostengünstig bestimmbar.

In biotechnologischen Prozessen setzt die Menschheit Mikroorganismen als Gärungsorganismen seit Jahrhunderten ein, so zum Beispiel um Lebensmittel herzustellen oder landwirtschaftliche Rohprodukte zu veredeln. Zu diesen biotechnologisch stark genutzten Mikroorganismen gehören die Milchsäurebakterien. Sie spielen eine substanzielle Rolle bei der Herstellung fermentierter Lebensmittel wie Brot, Sauerkraut, Joghurt, Käse und Wein. Mit moderner Genomik können wir heute anhand des Erbguts von Bakterien Rückschlüsse auf deren Stoffwechsel ziehen. So lässt sich die Bakterienvielfalt nutzen, um die Sicherheit und die Qualität fermentierter Lebensmittel weiter zu optimieren. Das Agroscope Institut für Lebensmittelwissenschaften ILM erforscht seit einigen Jahren das Mikrobiom und die Funktionen von Mikroorganismen in Rohmilchkäse sowie die mikrobielle Biodiversität der Agroscope Stammsammlung (Liebefeld). Es ist das Ziel, die natürlich vorkommende mikrobielle Vielfalt zu beschreiben, zu erhalten und auf Basis von Genomdaten und Stoffwechselaktivitäten zu erforschen, um sie dann gezielt für die Herstellung von hochwertigen und sicheren, fermentierten Milchprodukten einzusetzen.

Hohe mikrobielle Biodiversität in der Agroscope Stammsammlung.

Lactobacillus casei zeichnet sich durch eine Vielfalt von Stoffwechselaktivitäten aus. Dieses Milchsäurebakterium kann deshalb in verschiedenen Ökosystemen leben, etwa in Pflanzenmaterial, im menschlichen Darm und in Milchprodukten. In gereiften Schweizer Rohmilchkäsesorten ist es oftmals eine der am häufigsten anzutreffenden Bakterienarten. Daher ist anzunehmen, dass es mit seiner Stoffwechselaktivität die Qualität und das Aroma von Käse beeinflusst. Agroscope-Fachleute haben in Zusammenarbeit mit der Universität Bern das Erbgut von 40 Stämmen dieses Bakteriums entschlüsselt.

Die Analyse zeigte, dass die Erbgutgrösse bei jedem der 40 Bakterienstämme unterschiedlich ist – die Spannweite reicht von 2501 bis 3078 Genen. Der Stamm mit den meisten Genen zeichnet sich dadurch aus, dass er ganze 577 Gene mehr besitzt als derjenige mit den wenigsten Genen. Aus den Daten wurden Gene identifiziert, die in allen Stämmen vorhanden sind. Sie bilden quasi den konstanten Teil, man spricht vom Kerngenom, und entsprechen im Mittel etwa 60 Prozent des Erbguts. Die anderen 40 Prozent sind variabel, also nicht in allen Stämmen vorhanden. Dies erklärt, wieso sich die Stämme auch durch eine hohe Vielfalt der Stoffwechselaktivitäten voneinander unterscheiden.

Die molekulare Ursache für den variablen Teil im Erbgut liess sich auf horizontalen Gentransfer zurückführen. Das ist ein Mechanismus, mit dem die Bakterien Genmaterial austauschen, innerhalb der eigenen Art und mit anderen Bakterienarten.

Durch die Studie der Zusammenhänge zwischen identifizierten Genen und phänotypischen Merkmalen derselben Stämme konnte gezeigt werden, dass einige Lactobacillus casei die schwefelhaltige Aminosäure Methionin in eine andere schwefelhaltige Aminosäure, Cystein, umwandeln können. Dies ist eine bislang selten beschriebene bakterielle Stoffwechselaktivität und für die Bildung von schwefelhaltigen Aromastoffen in Käse von Bedeutung.

Mit diesem Vorgehen lassen sich somit aus komplexen Genomdatensätzen wichtige neue Erkenntnisse gewinnen – in Zukunft vielleicht auch für Fragestellungen wie zum Beispiel zur Antibiotikaresistenz, zum Überleben unter Hitzeeinwirkung und oxidativem Stress im Fermentationsprozess, zur Aroma- und Gasbildung in Lebensmitteln und zu gesundheitsfördernden Eigenschaften.

Die mikrobielle Biodiversität in Rohmilchkäse.

Die Herstellung von Käse gehört zu den ältesten biotechnologischen Verfahren. Hierbei kommen Mikroorganismen zum Einsatz, um Milch in ein lagerbares Produkt umzuwandeln und sie mit einer Vielfalt von Stoffwechselprodukten (beispielsweise Aromastoffen) anzureichern, wodurch verschiedene Käse ihre typischen Eigenschaften erhalten. Durch die Bestimmung der mikrobiellen Biodiversität können biochemische Veränderungen, die während der Käsereifung stattfinden und die Käsequalität massgeblich beeinflussen, untersucht werden. Bislang haben Experten in Rohmilch mehr als 400 verschiedene Bakterienarten identifiziert und es gibt Hinweise, dass die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft in traditionell hergestellten Rohmilchkäsen sehr komplex ist. Mikroorganismen die aus der Rohmilch, aus der Käsereiumgebung und aus den Starterkulturen stammen, können identifiziert und ihre Entwicklung während der Käsereifung verfolgt werden. Weiterhin lässt sich der Einfluss von technologischen Parametern auf die mikrobielle Biodiversität untersuchen. Interessant ist auch der Vergleich von Mikrobiomen aus Käsen mit guter und Käsen mit verminderter Qualität, um den Einfluss der Mikroorganismen auf die Käsequalität besser zu verstehen.

Agroscope hat die mikrobielle Biodiversität in 4 Monate gereiftem Emmentaler Käse mit fehlerhafter Lochbildung mit NGS untersucht. Es interessierten vor allem die Unterschiede zwischen der anwesenden und der aktiven bakteriellen Gemeinschaft im Käselaib. Dazu wurden DNA und RNA aus dem Rohmilchkäse extrahiert und die 16S rRNA Gene, auf denen die verwandtschaftlichen Beziehungen von Bakterien basieren, mittels Amplicon Sequenzierung auf einer Ion Torrent Plattform sequenziert. In obenstehender Abbildung sind die Ergebnisse der Amplicon-basierten Metagenomanalyse dargestellt. Es zeigt sich, dass obwohl

Lactobacillus delbrueckii den grössten Anteil der anwesenden Spezies darstellt, jedoch Propionibacterium freudenreichii und Streptococcus thermophilus die aktivsten Spezies in diesem Käse nach 4 Monaten Reifung sind. Werden die subdominanten Spezies betrachtet, wird eine Reihe weiterer erwarteter (L. rhamnosus, L. lactis, L. paracasei), aber auch unerwarteter Bakterienspezies (zum Beispiel L. parafarraginis, L. rapi, L. harbinensis), deren Herkunft und Rolle in der Käsereifung teilweise unbekannt sind, ersichtlich.

Weitere Analysen des Mikrobioms von Rohmilchkäse werden folgen. Sie bilden die Grundlage dafür, dass wir den Einfluss der Mikroorganismen auf die Biochemie im Käse besser verstehen und somit die Qualität besser kontrollieren und gegebenenfalls sogar optimieren können. Ursachen von Käsefehlern, die zu einer Wertminderung führen, lassen sich besser verstehen und Massnahmen zur Qualitätsverbesserung können frühzeitig ergriffen werden.



Weitere Informationen:
Agroscope, Institut für Lebensmittelwissenschaften ILM
Interessierte können die vollständige Literaturliste unter der Internetadresse elisabeth.eugster@agroscope.admin.ch anfordern.




Mikrobiom eines 120 Tage gereiften Emmentaler Käses mit fehlerhafter Lochbildung, basierend auf einer 16S rRNA Metagenomanalyse. Die anwesenden (A) und die aktiven (B) Bakterienarten wurden mittels DNA-, bzw. RNA-Analysen dargestellt. In den kleinen Tortendiagrammen sind die subdominanten Arten dargestellt, die weniger als 1 Prozent der gesamten Gemeinschaft darstellen