Wissenschaftler erforschen die mikrobielle Vielfalt in Sauerteigstartern

Als Millionen von Menschen während der Pandemie den Lockdown verhängten, machten sie sich auf die Suche nach neuen Hobbys für zu Hause, um ihre Langeweile zu lindern. Dazu gehörte auch die Herstellung von Sauerteigbrot. Es ist nicht nur nachhaltig, da es natürliche Zutaten und traditionelle Methoden verwendet, die Jahrtausende bis ins alte Ägypten zurückreichen, sondern wird auch wegen seiner ernährungsphysiologischen Vorteile geschätzt.

Studien haben beispielsweise gezeigt, dass Sauerteig im Vergleich zu vielen anderen Brotsorten mehr Vitamine, Mineralien und Antioxidantien enthält. Für Menschen mit einer leichten Glutenunverträglichkeit kann Sauerteigbrot leichter verdaulich sein, da ein Großteil des Glutens während des Fermentationsprozesses abgebaut wird. Darüber hinaus gelten viele Milchsäurebakterienarten, die die Grundlage für Sauerteig bilden, als Probiotika und werden mit einer verbesserten Magen-Darm-Gesundheit in Verbindung gebracht.

Ein über Jahre hinweg entwickeltes Geschmacksprofil

Der Prozess der Herstellung von Sauerteigbrot beginnt mit einem Sauerteigstarter. Diese Starter entstehen, wenn sich Mikroben – Bakterien- und Hefegemeinschaften – in einer Mehl-Wasser-Mischung stabilisieren. Diese als Mikrobiom bekannte Gemeinschaft aus wilden Hefen und Bakterien sorgt dafür, dass Sauerteigbrot aufgeht und trägt zu seinem Geschmack und seiner Textur bei. Sauerteig unterscheidet sich deutlich von den meisten Broten, da er zum Aufgehen auf diesen Starter aus wilden Mikroben und nicht auf Bäckerhefepäckchen angewiesen ist.

Viele Sauerteige werden über Generationen hinweg konserviert, wobei einige Proben Jahrtausende alt sind. Um einen Sauerteig zu erhalten, entnehmen Sie eine Probe aus einem vorherigen Teig und mischen diese mit neuem Mehl und Wasser. Bei ausreichender Übertragung des Sauerteigstarters besteht die mikrobielle Gemeinschaft aus Hefe, Milchsäurebakterien (LAB) und Essigsäurebakterien (AAB), die am besten an die Sauerteigumgebung angepasst sind. Was verschiedene Sauerteigstarter einzigartig macht, sind die unterschiedlichen Hefe- und Bakterienstämme, die den charakteristischen sauren Geschmack erzeugen.

Testen der genetischen Vielfalt

Fortschritte in der Sequenzierungstechnologie haben es Forschern ermöglicht, schnell ein Profil mikrobieller Gemeinschaften, wie etwa des Sauerteig-Mikrobioms, zu erstellen. An der Syracuse University haben Mitglieder des Labors von Biologieprofessorin Angela Oliverio Essigsäurebakterien untersucht, um herauszufinden, wie sich die genetische Vielfalt von AAB auf Sauerteiggemeinschaften auswirkt.

Während sich frühere Forschungen eher auf Milchsäurebakterien und Hefen konzentrierten, sind die Ökologie, die genomische Vielfalt und die funktionellen Beiträge von AAB im Sauerteig noch weitgehend unbekannt. Beryl Rappaport, Ph.D. Student in Oliverios Gruppe, leitete kürzlich eine Studie veröffentlicht In mSystemsin dem sie und andere Sauerteigwissenschaftler, darunter Oliverio, Nimshika Senewiratne vom Oliverio-Labor, SU-Biologieprofessorin Sarah Lucas und Professor Ben Wolfe von der Tufts University, 29 AAB-Genome aus einer Sammlung von über 500 Sauerteigstartern sequenzierten und synthetische Startergemeinschaften konstruierten im Labor, um die Art und Weise zu definieren, wie AAB die entstehenden Eigenschaften von Sauerteig formt.

„Obwohl Essigsäurebakterien im Sauerteig nicht so häufig vorkommen wie Milchsäurebakterien, sind sie eher für ihre dominante Rolle in anderen fermentierten Lebensmitteln wie Essig und Kombucha bekannt“, sagt Rappaport. „Für diese Studie waren wir daran interessiert, frühere Erkenntnisse weiterzuverfolgen, die besagten, dass AAB, wenn es im Sauerteig vorhanden ist, einen starken Einfluss auf Schlüsseleigenschaften zu haben scheint, einschließlich des Duftprofils und der Metabolitenproduktion, die die Gesamtgeschmacksbildung beeinflussen.“

Um die Auswirkungen von AAB auf die entstehende Funktion von Sauerteig-Starter-Mikrobiomen zu beurteilen, testete ihr Team zehn AAB-Stämme, von denen einige entfernt verwandt und andere sehr eng verwandt waren. Sie führten manipulative Experimente mit diesen zehn Stämmen durch und fügten jeden einzelnen einer Hefe- und LAB-Gemeinschaft hinzu. Sie behielten eine separate Gemeinschaft, die nur aus Hefe und LAB bestand, um als Kontrolle zu dienen.

„Da wir manipulieren können, welche Mikroben und welche Konzentrationen von Mikroben in diese synthetischen Sauerteiggemeinschaften gelangen, konnten wir die direkten Auswirkungen der Zugabe jedes AAB-Stammes zum Sauerteig erkennen“, sagt Rappaport. „Wie wir erwartet hatten, senkte jeder AAB-Stamm den pH-Wert des synthetischen Sauerteigs (was mit einem zunehmenden Säuregehalt einherging), da er Essigsäure und andere Säuren als Nebenprodukte seiner Stoffwechselprozesse freisetzte. Unerwarteterweise wurde jedoch bei AAB, die enger miteinander verwandt waren, nicht gerechnet.“ Tatsächlich gab es große Unterschiede bei den Metaboliten, viele davon im Zusammenhang mit der Geschmacksbildung, sogar zwischen Stämmen derselben Art.

Laut Rappaport wird die Stammvielfalt in mikrobiellen Gemeinschaften oft übersehen, unter anderem weil es aufgrund der großen Vielfalt an Mikroorganismen innerhalb einer bestimmten Gemeinschaft schwierig ist, den Grad der Vielfalt zu identifizieren und zu manipulieren. Allein im menschlichen Darmbiom können etwa 100 Billionen Bakterien leben. Durch die Betrachtung der Vielfalt näherer Verwandter im Labor können Forscher beginnen, wichtige Wechselwirkungen im Mikrobiom zu verstehen.

Eine neue Starterquelle

Wenn es ums Backen geht, bieten ihre Erkenntnisse den Brotbackautomaten ihrer Meinung nach eine neue Richtung bei der Gestaltung des Sauerteiggeschmacks und der Sauerteigtextur.

„Da AAB die Starter, mit denen wir gearbeitet haben, zuverlässig säuerte und eine große Vielfalt an Aromastoffen freisetzte, können Bäcker, die ihren Sauerteig saurer haben oder neue Geschmacksrichtungen kreieren möchten, versuchen, einen Starter mit AAB zu beschaffen oder versuchen, AAB selbst einzufangen“, sagt Rappaport . „Wir hoffen, dass diese Studie dazu beiträgt, ein Licht auf die Vielfalt der im Sauerteig vorkommenden Mikroben und ihre wichtigen funktionellen Rollen zu werfen.“

Ihre Forschung könnte auch Auswirkungen auf die gesundheitlichen Vorteile von Sauerteigbrot haben.

Während des Fermentationsprozesses erzeugt AAB Essigsäure, die maßgeblich zum Abbau von Gluten und komplexen Kohlenhydraten beiträgt und so die Verdaulichkeit von Sauerteig verbessert. Durch die Untersuchung der genetischen Vielfalt von AAB und ihres Einflusses auf die Essigsäureproduktion können Forscher Stämme entwickeln, die diesen Prozess optimieren.

Die umfassendere Wirkung

Das Team nutzt Sauerteig vor allem als Modellsystem, da das Sauerteig-Mikrobiom relativ einfach zu kultivieren und für wiederholte Experimente im Labor zu verwenden ist. Aber ihre Ergebnisse gehen weit über das Backen hinaus.

„Unsere Ergebnisse werden für Menschen relevant sein, die sich für komplexere mikrobielle Gemeinschaften wie den menschlichen Darm oder den Boden interessieren“, sagt Rappaport. Denn mit dem Sauerteigsystem lassen sich Fragen zur Ökologie und Evolution stellen, die mit komplexeren Systemen schwieriger zu stellen wären.

Im menschlichen Darm können mikrobielle Gemeinschaften dazu beitragen, die Widerstandsfähigkeit gegenüber Infektionen zu stärken und die Effizienz beim Abbau komplexer Kohlenhydrate, Ballaststoffe, Proteine ​​und Fette zu verbessern. Im Boden tragen Mikroben dazu bei, organisches Material abzubauen und die allgemeine Stabilität des Bodenökosystems aufrechtzuerhalten. Es gibt jedoch viele Unbekannte darüber, wie sich verschiedene Ebenen der genetischen Vielfalt auf diese Prozesse auswirken.

Durch die Erkenntnis, wie Stammvielfalt gemeinschaftsweite Auswirkungen auf ein Mikrobiom haben kann, könnten die Erkenntnisse des Teams weitreichende Vorteile für die menschliche Gesundheit, das Wohlbefinden und die ökologische Nachhaltigkeit haben.