Novel polyphosphate analytics for the development of biotechnological polyphosphate production

Christ, Jonas Johannes; Schwaneberg, Ulrich; Blank, Lars M.

doi:10.18154/RWTH-2020-03947

Novel polyphosphate analytics for the development of biotechnological polyphosphate production = Neue Polyphosphatanalytik für die Entwicklung biotechnologischer Polyphosphatproduktion

Christ, Jonas Johannes^RWTH*

2020

VerantwortlichkeitsangabeJonas Johannes Christ

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2020

Umfang1 Online-Ressource (xiii, 229 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-86359-847-1

ReiheApplied microbiology ; 19

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Blank, Lars M. (Thesis advisor)^RWTH* ; Schwaneberg, Ulrich (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-02-13

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-03947
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/787160/files/787160.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Baker's yeast (frei) ; Phosphate (frei) ; Polyphosphate (frei) ; Recycling (frei) ; Saccharomyces cerevisiae (frei) ; yeast extract (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Phosphat (PO43-, Pi) ist ein unersetzlicher Nährstoff in der menschlichen Ernährung und wird aus Pi-Erz gewonnen. Strategien für die Rückgewinnung von Pi aus ungenutzten Pi-Abfallströmen müssen entwickelt werden, da die globalen Pi-Erzreserven bald erschöpft sein werden. Rapsschrot (Pi als Phytinsäure gebunden) entsteht beim Entölen von Rapssamen (Brassica napus) und stellt einen solchen ungenutzten Pi-Abfallstrom dar. Vier Projektpartner entwickelten den ValuePP-Prozess. PolyP ist das lineare Polymer von Pi mit einer Kettenlänge n von 2 bis ca. 1.000 P-Untereinheiten, wird derzeit chemisch hergestellt und in Lebensmitteln verwendet. Der ValuePP-Prozess begann mit einer Phytasebehandlung, um das Pi aus dem Rapsschrot freizusetzen. Das Pi wurde von Saccharomyces cerevisiae akkumuliert und intrazellulär zu PolyP polymerisiert. PolyP-reiche S. cerevisiae dienten als Substrat zur Herstellung von polyP-reichem Hefeextrakt oder von reinem biotechnologisch hergestelltem (Bio)PolyP. Das übergeordnete Ziel dieser Dissertation war die Entwicklung der letzten drei Prozesse und von Methoden für die Analyse von PolyP in S. cerevisiae. Eine analytische PolyP-Extraktion wurde entwickelt, die 40 % mehr PolyP extrahierte als die beste Literaturmethode (5 h, 5 Reaktionsgefäße), 30 min dauerte und nur ein Reaktionsgefäß benötigte. Eine kolorimetrische Pi-Messmethode wurde entwickelt, welche die Zugabe nur eines Reagenzes zur Probe erforderte und 2 min für die Farbentwicklung benötigte (Literatur: 2 Reagenzien, 30 min). Eine enzymatische Gesamt-PolyP-Messmethode wurde entwickelt, die PolyP vollständig quantifizierte. Die durchschnittliche PolyP-Kettenlänge konnte bisher nur quantitativ durch 31P-Kernresonanz bestimmt werden. Eine enzymatische Messmethode zur Bestimmung dieses Parameters wurde hier entwickelt. Eine Kultivierungsstrategie wurde entwickelt, um Wildtyp-S. cerevisiae mit einem rekordhohen PolyP-Gehalt zu produzieren (28 % polyP als KPO3 in Zelltrockenmasse). Ein Verfahren wurde entwickelt, um das neuartige Produkt polyP-reicher Hefeextrakt herzustellen. Ein Verfahren zur Synthese des ersten Bio-PolyPs mit Lebensmittelqualität wurde entwickelt. Zusammen mit den Projektpartnern wurde Pi erstmals aus Rapsschrot zu polyP-reichem Hefeextrakt und reinem Bio-PolyP weiterverarbeitet. Der phytatreduzierte Rapsschrot kann für die Pi-kontrollierte Fütterung von Nutztieren verwendet werden. Die deutsche (2.700 t) und europäische (11.000 t) Nachfrage nach PolyPn ≥ 4 könnte gedeckt werden, wenn ein Drittel des jährlich in Deutschland anfallenden Rapsschrots (2 * 106 t) mit dem ValuePP-Verfahren behandelt würde.

Phosphate (PO43-, Pi) is an irreplaceable nutrient in the human diet and is mined from Pi rock. Strategies for the recycling of Pi from unused Pi waste streams must be developed because global Pi rock reserves will be depleted in a few hundred years. Canola meal, in which Pi is bound as phytic acid, is generated as a side product during the deoiling of canola seed (Brassica napus) and constitutes such an unused Pi waste stream. Four project partners developed the ValuePP process to recycle Pi from canola meal into inorganic polyphosphate (polyP). PolyP is the linear polymer of Pi with a chain length n of 2 to ca. 1,000 P-subunits, is currently only produced chemically, and is used in food products. The ValuePP process began with a phytase treatment to release Pi from the canola meal. Pi was accumulated and intracellularly polymerized into polyP by Saccharomyces cerevisiae. PolyP-rich S. cerevisiae served as the substrate to produce polyP-rich yeast extract or pure biotechnologically synthesized (bio-)polyP. The overall goal of this Ph.D. thesis was to develop the latter three processes and methods for the analysis of polyP. An analytical polyP extraction was developed that extracts 40 % more polyP than the best literature method (5 h, five reaction tubes), takes 30 min, and requires one reaction tube. A colorimetric Pi assay was developed, which involved the addition of one reagent to the sample and took 2 min for color development (best literature method: 2 reagents, 30 min). An enzymatic total polyP assay was developed that fully quantified polyP (the best literature method excludes polyP2). Recently, the average polyP chain length could only be detected quantitatively by 31P nuclear magnetic resonance spectroscopy. Here, an enzymatic assay was developed for the determination of this parameter, which required only commonly available laboratory equipment. A cultivation strategy was designed to produce wild type S. cerevisiae with the so-far highest reported polyP content (28 % polyP as KPO3 in cell dry weight). A yeast extract fabrication process was developed to obtain the novel product polyP-rich yeast extract. A highly scalable process for the preparation of the first water-soluble food-grade bio-polyP (purity on a par with chemically produced polyP) was developed, too. Together with project partners, Pi was, for the first time, recycled from canola meal and upcycled into polyP-rich yeast extract and pure bio-polyP. Both products can be used as food additives. The phytate-reduced canola meal can be used in the Pi-controlled feeding of livestock. The German (2,700 t) and European (11,000 t) demand for polyPn ≥ 4 could be satisfied if one-third of the canola meal (2 * 106 t) that is annually produced in Germany would be subjected to the ValuePP process.

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