Technische Universität München
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TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung und Umwelt Lehrstuhl für Technische Mikrobiologie Formation and structure of exopolysaccharides of meat starter cultures Roman Maximilian Prechtl Vollständiger Abdruck der von der Fakultät Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung und Umwelt der Technischen Universität München zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) genehmigten Dissertation. Vorsitzender: Prof. Dr. Wolfgang Liebl Prüfende der Dissertation: 1. Prof. Dr. Rudi F. Vogel 2. Prof. Dr. Wilfried Schwab Die Dissertation wurde am 16.01.2019 bei der Technischen Universität München eingereicht und durch die Fakultät Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung und Umwelt am 05.04.2019 angenommen. DANKSAGUNG Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen eines Projekts (IGF-Nr.: 18357 N, Exopolysaccharid-bildende Starterkulturen), das durch Haushaltsmittel des BMWi über die AiF-Forschungsvereiningung „Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V.“ gefördert wurde. Mein besonderer Dank an dieser Stelle gilt meinem Doktorvater Herrn Prof. Rudi F. Vogel für das in mich gesetzte Vertrauen, sowie die uneingeschränkte Unterstützung und lehrreichen Diskussionen zu jedem Zeitpunkt der Promotion. Herzlichen Dank dafür, Rudi! Weiterhin möchte ich mich in besonderem Maße bei meinem Betreuer Dr. Frank Jakob bedanken, der mich zu jeder Zeit mit hilfreichen Anmerkungen, anregenden Diskussionen und seiner fachlichen Expertise unterstützt hat. Bei Frau Angela Seppeur möchte ich mich explizit für die Übernahme der Verwaltungsaufgaben im Rahmen meines Projektes, v.a. die finanziellen Angelegenheiten, bedanken. Herrn Dr. Daniel Wefers, Dr. Jürgen Behr und Frau Dr. Christina Ludwig danke ich für die schnelle, unkomplizierte und vor allem erfolgreiche Realisierung unserer wissenschaftlichen Kooperationen. Besonderer Dank gilt außerdem Di Xu und Evelin Wigmann, die stets für eine angenehme Stimmung im Ost-Büro gesorgt haben! Danke meine Mädels für viele unvergessliche Momente! Dieser Dank gilt natürlich auch meinen übrigen Kolleginnen und Kollegen im Labor, egal ob Student, Doktorand oder TA, welche den Laboralltag tagtäglich mit ihrer Anwesenheit und angenehmen Art bereichert haben. Ganz besonders bedanken möchte ich mich auch bei meinen Freunden Björn und Sabine, Gabriel und Evelin, Claudia, Melli, Raini und Dani für das regelmäßige Bereitstellen von Übernachtungsmöglichkeiten und viele schöne gemeinsame Stunden in Freising! Nicht zuletzt möchte ich mich aber vor allem bei meiner Familie bedanken, die einen wesentlichen Anteil daran trägt, dass ich heute hier stehe: Meinen Großeltern Franz und Marianne, die diesen Tag leider nicht mehr miterleben kann, sowie Rosi und Robert für die finanzielle Unterstützung während des Studiums. Und natürlich meinen Eltern Angela und Hubert, sowie meinen Geschwistern Hubert, Sabine, Maria und Simon für die liebevolle und aufopferungsvolle Erziehung, bzw. den kompromisslosen Zusammenhalt aller Geschwister! INDEX INDEX INDEX ..................................................................................................................................... i ABBREVIATIONS .................................................................................................................. v 1. Introduction ....................................................................................................................... 1 1.1. Exopolysaccharide formation by lactic acid bacteria................................................... 1 1.1.1. Synthesis of homopolysaccharides ..................................................................... 2 1.1.2. Synthesis of heteropolysaccharides .................................................................... 4 1.2. Exopolysaccharides in industrial products .................................................................. 7 1.3. Lactic acid bacteria as starter cultures in the food industry......................................... 8 1.3.1. LAB as meat starter cultures ............................................................................... 8 1.3.2. EPS-forming LAB starter cultures ....................................................................... 9 2. Motivation, Hypotheses and Approaches .........................................................................10 3. Materials and Methods .....................................................................................................12 3.1. General microbiological techniques ...........................................................................12 3.1.1. Strains and culture conditions ............................................................................12 3.1.2. Strain verification with MALDI-TOF MS ..............................................................13 3.1.3. Determination of viable cell counts .....................................................................14 3.1.4. Visual screening for EPS formation on mMRS and RSM agar ...........................14 3.1.5. Determination of characteristic growth parameters ............................................15 3.1.6. Screening for biogenic amine formation .............................................................15 3.1.7. Antimicrobial susceptibility testing (AST) ............................................................16 3.2. Production and purification of EPS ............................................................................17 3.2.1. Production and purification of HoPS ..................................................................17 3.2.2. Production and purification of HePS ..................................................................18 3.2.2.1. HePS production and purification from MBp medium...................................18 3.2.2.2. HePS production and purification from chemically defined medium (CDM) .18 3.2.3. Dextran synthesis with resuspended cells in buffer solution ...............................19 3.3. Analytical methods ....................................................................................................21 3.3.1. Acid hydrolysis of EPS .......................................................................................21 3.3.1.1. Hydrolysis of HoPS .....................................................................................21 3.3.1.2. Hydrolysis of HePS .....................................................................................21 3.3.2. Determination of sugar monomers in EPS with HPLC-RI ...................................21 3.3.3. Analysis of HePS monomer composition with HPAEC-PAD ...............................22 3.3.4. Analysis of macromolecular EPS structures with AF4-MALS .............................22 i INDEX 3.3.4.1. Analysis of HoPS .........................................................................................22 3.3.4.2. Analysis of HePS .........................................................................................23 3.3.5. Chemical structure analyses of EPS ..................................................................23 3.3.5.1. Determination of absolute monosaccharide configuration with GLC-MS ......23 3.3.5.2. Methylation analysis ....................................................................................23 3.3.5.3. NMR analyses .............................................................................................24 3.3.5.4. Endo-dextranase assay of glucans ..............................................................24 3.3.6. Quantification of dextrans in liquid solutions .......................................................25 3.3.7. Quantification of sugars and organic acids in liquid cultures ..............................25 3.4. Molecular biological methods ....................................................................................26 3.4.1. Isolation of genomic DNA and quality control .....................................................26 3.4.2. Protein quantification by the Bradford assay ......................................................26 3.5. Genomics ..................................................................................................................27 3.5.1. Genome sequencing, assembly and annotation .................................................27 3.5.1.1. Lactobacillus plantarum TMW 1.1478 ..........................................................27 3.5.1.2. Lactobacillus sakei TMW 1.411 ...................................................................27 3.5.2. Acquisition of published genomes ......................................................................27 3.6. Proteomics ................................................................................................................28 3.6.1. Experimental setup ............................................................................................28 3.6.2. Peptide preparation, separation and mass spectrometry ....................................28 3.6.3. Protein identification and quantification ..............................................................29 3.6.4. Proteomic data deposition ..................................................................................30 3.6.5. Data processing and statistical analysis .............................................................30 4. Results.............................................................................................................................31 4.1. Selection of EPS forming meat starter