Streptococcus thermophilus in der Fermentation

Biochemie, Temperaturführung, Nährstoffnutzung und technologisch relevante Stoffwechselprodukte

Streptococcus thermophilus ist eines der wichtigsten Milchsäurebakterien in der Lebensmittelbiotechnologie. Es gehört zu den klassischen Starterkulturen für Joghurt, fermentierte Milchprodukte, Mozzarella und verschiedene Käsetypen. Seine Hauptfunktion ist die rasche Säuerung des Substrats durch die Bildung von L(+)-Milchsäure. Darüber hinaus beeinflusst es Aroma, Textur, Redoxmilieu und die Leistung von Mischkulturen. In pflanzlichen Fermentationen ist es ebenfalls nutzbar, seine Effizienz hängt dort jedoch stark von verfügbaren Zuckern und Stickstoffquellen ab.

Temperatur und Wachstumsoptimum

S. thermophilus ist ein thermophiles Milchsäurebakterium. Das bedeutet nicht, dass es ausschließlich bei sehr hohen Temperaturen wächst, sondern dass es im Vergleich zu mesophilen Käsekulturen deutlich wärmere Bedingungen bevorzugt.

Parameter	Typischer Bereich
Günstiger Wachstumsbereich	etwa 35–42 °C, stammabhängig
In einer kontrollierten Studie optimal	40 °C bei pH 6,5
Technologisch besonders aktiv	meist im warmen Bereich um 38–43 °C
Wachstum bei deutlich niedrigeren Temperaturen	möglich, aber meist langsamer

Eine Untersuchung mit mehreren Stämmen fand strainabhängige Optima zwischen 35 und 42 °C. In einer detaillierten pH-/Temperaturstudie zeigte ein untersuchter Stamm sein bestes Wachstum bei 40 °C und pH 6,5. Die maximale Säurebildungsrate kann dabei etwas von der reinen Wachstumsoptimum-Temperatur abweichen.

Bedeutung für Fermentationen

Für Joghurt- oder thermophile Kulturen ist das ideal. In einer mesophilen Kulturführung bei 26–28 °C, wie sie bei deinem Cashew-Käse wegen Lactococcus und Leuconostoc sinnvoll ist, wird S. thermophilus wahrscheinlich nicht sein volles technologisches Potenzial entfalten. Er kann mitarbeiten, dürfte aber gegenüber den mesophilen Partnern weniger dominant sein. Das ist eine fachliche Ableitung aus seinem Temperaturprofil.

Zentraler Energiestoffwechsel: Zucker → Pyruvat → Milchsäure

Biochemisch ist S. thermophilus ein überwiegend homofermentatives Milchsäurebakterium. Es baut geeignete Kohlenhydrate über die Embden-Meyerhof-Parnas-Glykolyse ab:

Zucker → Glykolyse → Pyruvat → Laktat

Das Schlüsselenzym am Ende ist die L-Lactatdehydrogenase, die Pyruvat zu L(+)-Milchsäure reduziert und dabei NAD⁺ regeneriert. Genau diese NAD⁺-Regeneration hält die Glykolyse und damit die Energiegewinnung aufrecht.

Fermentationstechnische Bedeutung

Die gebildete Milchsäure senkt den pH-Wert, verändert Proteinstrukturen, fördert Gelbildung in geeigneten Matrizes und hemmt unerwünschte Mikroorganismen. In Sojamilch senkte ein untersuchter Stamm den pH-Wert beispielsweise von 7,5 auf 4,9 innerhalb von 5 Stunden, parallel zu starkem Wachstum und Laktatbildung.

Welche Kohlenhydrate kann S. thermophilus nutzen?

Lactose: das bevorzugte Substrat

In Milch ist Lactose die zentrale Energiequelle. S. thermophilus ist außergewöhnlich gut an diesen Zucker angepasst. Der Transport erfolgt über den Membrantransporter LacS, anschließend spaltet β-Galactosidase/LacZ die Lactose in:

• Glucose
• Galactose

Die Glucose wird anschließend effizient über die Glykolyse zu Laktat umgesetzt.

Besonderheit: Galactose wird oft ausgeschieden

Viele klassische Milchstämme von S. thermophilus verwerten die aus Lactose freigesetzte Galactose nur unzureichend oder gar nicht. Stattdessen wird sie über einen Lactose/Galactose-Austauschmechanismus nach außen transportiert. Dieser Prozess kann den weiteren Lactoseimport sogar antreiben.

Die Fähigkeit, Galactose selbst zu metabolisieren, ist stammabhängig. Es existieren galactosepositive Stämme und technisch gezüchtete bzw. selektierte Varianten, aber das ist nicht für jede Kultur selbstverständlich.

Nutzung anderer Zucker: wichtig für pflanzliche Fermentationen

Neben Lactose können verschiedene Stämme auch andere Kohlenhydrate nutzen, besonders:

• Saccharose/Sucrose
• Glucose
• Fructose
• teils Galactose, stammabhängig

Neuere Untersuchungen zeigen, dass Lactose und Saccharose über viele Stämme hinweg besonders effizient genutzt werden. Glucosebasierte Wachstumsleistungen sind dagegen stärker stammabhängig.

Bedeutung für vegane Fermentationen

Für pflanzliche Käse- oder Joghurtalternativen ist das zentral, weil dort keine Lactose vorhanden ist. In einer Studie mit Sojamilch konnte S. thermophilus LMD-9 sehr gut wachsen, indem er Saccharose verbrauchte; dabei entstanden Laktat und eine deutliche Ansäuerung. Gleichzeitig wurde Fructose freigesetzt, was auf eine spezifische Umsetzung der Saccharose hinweist.

Praktische Ableitung für Cashew-Käse:
Wenn S. thermophilus in einer veganen Cashew-Matrix gezielt unterstützt werden soll, ist eine kleine Menge leicht zugänglicher Kohlenhydrate sinnvoll. Saccharose ist aus wissenschaftlicher Sicht besonders plausibel; Glucose/Dextrose ist technologisch ebenfalls sehr gut kontrollierbar. Bei Agavensirup kommt vor allem Fructose ins Spiel, die je nach Stamm nutzbar sein kann, aber weniger zuverlässig einzuschätzen ist als Saccharose oder Glucose. Diese Einschätzung ist eine Ableitung aus den bekannten Zuckerpräferenzen und den Studien zu pflanzenbasierten Matrices.

Stickstoffbedarf, Aminosäuren und Proteolyse

Wie viele Milchsäurebakterien besitzt S. thermophilus einen relevanten Bedarf an Stickstoffverbindungen, insbesondere an Aminosäuren und Peptiden. Milch ist zwar reich an Protein, aber arm an frei verfügbaren Aminosäuren. Deshalb ist die Verfügbarkeit kleiner Peptide für die Fermentationsleistung wichtig.

Rolle des Protease-Systems PrtS

Einige Stämme besitzen die Zellwandprotease PrtS. Sie kann Proteine in kleinere Peptide zerlegen und dadurch Wachstum und Säurebildung beschleunigen. In Milch ist das technologisch sehr bedeutsam, weil PrtS-positive Stämme oft schneller ansäuern.

Bemerkenswert ist, dass PrtS auch in pflanzlichen Matrices wirksam sein kann: In Sojamilch zeigte ein PrtS-haltiger S. thermophilus-Stamm eine bessere Ansäuerung und stärkere Proteinhydrolyse als ein entsprechender PrtS-defizienter Mutant.

Bedeutung für vegane Cashew-Fermentation

Cashews enthalten Protein, aber dessen Verfügbarkeit und die entstehenden Peptidprofile unterscheiden sich stark von Milch oder Soja. S. thermophilus kann in pflanzlichen Matrices funktionieren, aber seine Leistung hängt wahrscheinlich stärker von Stammwahl und zugänglichen Nährstoffen ab als bei Milchsäuerung. Diese Schlussfolgerung wird durch die Sojamilch-Daten gestützt.

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Wichtige Stoffwechselprodukte

Milchsäure

Das mit Abstand wichtigste Produkt ist L(+)-Milchsäure. Sie:

• senkt den pH-Wert,
• trägt zu frischer, säuerlicher Sensorik bei,
• stabilisiert fermentierte Produkte mikrobiologisch,
• beeinflusst die Gerinnung und Textur proteinreicher Substrate.

Bei klassischer Milchfermentation ist dies die zentrale technologische Leistung von S. thermophilus.

Acetaldehyd: entscheidendes Joghurtaroma

Acetaldehyd ist einer der wichtigsten Aromastoffe in Joghurt. S. thermophilus kann es über einen amino­säurebasierten Weg bilden:
Die Serin-Hydroxymethyltransferase (SHMT) besitzt zugleich Threonin-Aldolase-Aktivität und kann Threonin zu Glycin und Acetaldehyd umsetzen.

Die Acetaldehydbildung ist:

• stammabhängig,
• vom Substratangebot abhängig,
• durch Threoninverfügbarkeit beeinflussbar,
• technologisch vor allem für frisch-säuerliche, joghurtartige Aromen bedeutsam.

In Studien unterschieden sich S. thermophilus-Stämme deutlich in ihrer Fähigkeit zur Acetaldehydbildung.

Bedeutung für Cashew-Käse

Acetaldehyd ist nicht primär „käseartig-butterig“, sondern eher frisch, grünlich, joghurtartig. In einer Cashew-Fermentation kann S. thermophilus daher einen Beitrag zu einer frisch-säuerlichen Fermentationsnote leisten, während die stärker „buttrigen“ Noten in deiner Kultur eher von Lactococcus lactis biovar. diacetylactis und Leuconostoc kommen. Diese Zuordnung ist biochemisch gut begründbar.

Formiat, CO₂ und die Bedeutung in Mischkulturen

Unter bestimmten Bedingungen kann S. thermophilus neben Laktat auch weitere Stoffwechselprodukte bilden oder freisetzen, die in Ko-Kulturen eine große Rolle spielen. Besonders wichtig sind:

• Formiat
• CO₂
• indirekt auch Ammoniak aus Ureaseaktivität

In klassischen Joghurtkulturen stimuliert S. thermophilus das Wachstum von Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus unter anderem durch Formiat und CO₂. Umgekehrt liefert L. bulgaricus freie Aminosäuren und Peptide, die S. thermophilus fördern. Dieses wechselseitige Zusammenspiel beschleunigt die Fermentation.

Urease, Ammoniak und Pufferwirkung

Viele S. thermophilus-Stämme besitzen eine Urease, die Harnstoff zu Ammoniak und CO₂ spaltet. Das ist in der Milchfermentation technologisch wichtig, weil:

• Ammoniak als Stickstoffquelle wirken kann,
• die lokale Säurewirkung teilweise gepuffert wird,
• die Ko-Fermentation mit L. bulgaricus beschleunigt werden kann.

Eine Studie zeigte, dass ureasedefiziente Mutanten deutlich schlechtere Fermentationsleistungen aufwiesen und dass die ureasebedingte Versorgung mit Ammoniakstickstoff für effektive Joghurtansäuerung besonders relevant war.

Exopolysaccharide: Textur, Viskosität und Wasserbindung

Einige, aber nicht alle, S. thermophilus-Stämme bilden Exopolysaccharide (EPS). Diese Polysaccharide werden an die Zelloberfläche abgegeben oder in die Umgebung freigesetzt. Sie sind technologisch hochinteressant, weil sie:

• Viskosität erhöhen,
• Wasserbindung verbessern,
• Synerese verringern können,
• ein cremigeres Mundgefühl erzeugen.

In Milchmodellen wurden deutliche texturverbessernde Effekte von EPS-produzierenden S. thermophilus-Stämmen beobachtet.

Bedingungen für EPS-Bildung

Die EPS-Produktion ist stamm- und bedingungsabhängig. Bei einem untersuchten Stamm wurde die höchste EPS-Bildung bei etwa 42 °C und pH 6,5 gemessen – also nahe den optimalen Wachstumsbedingungen.

Relevanz für veganen Cashew-Käse

EPS-positive Stämme könnten in pflanzlichen Käsealternativen helfen, Cremigkeit und Wasserbindung zu verbessern. Ob deine konkrete Kultur nennenswert EPS bildet, lässt sich aus der bloßen Artenliste aber nicht sicher ableiten, da dies stark stammspezifisch ist.

Folatbildung: funktioneller Zusatznutzen, aber stammabhängig

Bestimmte S. thermophilus-Stämme können während der Fermentation Folate/Vitamin-B9-Derivate bilden. In einer Studie mit folatproduzierenden Stämmen stieg der Folatgehalt fermentierter Milch an; als dominante Formen wurden 5-Methyltetrahydrofolat (5-MTHF) und Tetrahydrofolat (THF) identifiziert. Die Fähigkeit war jedoch deutlich stammabhängig.

Für die Fermentationstechnologie ist das interessant, aber bei einer nicht näher spezifizierten Handelskultur darf man keine garantierte relevante Folatanreicherung erwarten.

Bakteriocine und antimikrobielle Peptide

Einzelne S. thermophilus-Stämme produzieren Bakteriocine, darunter verschiedene Thermophiline. Diese antimikrobiellen Peptide können das Wachstum bestimmter konkurrierender oder unerwünschter Bakterien hemmen. Beispiele sind Thermophilin T, Thermophilin 9, Thermophilin 110 oder Thermophilin 1277.

Auch hier gilt:
Bakteriocinbildung ist nicht artspezifisch garantiert, sondern stammspezifisch. Für eine konkrete Kulturmischung ist sie nur dann relevant, wenn der Hersteller entsprechende Angaben zum Stamm macht.

Mischfermentationen: Warum S. thermophilus selten allein betrachtet werden sollte

In klassischen Starterkulturen entfaltet S. thermophilus einen großen Teil seiner Stärke im Zusammenspiel mit anderen Mikroorganismen. In Joghurt ist die bekannte Partnerart Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus. Die beiden Organismen tauschen Stoffwechselprodukte aus und beschleunigen dadurch:

• Wachstum,
• Säurebildung,
• Aromabildung,
• Produktstabilisierung.

Die molekularbiologische Analyse solcher Mischkulturen zeigt, dass zahlreiche Stoffwechselwege in Ko-Kultur anders reguliert werden als in Reinkultur.

Übertragen auf deine Cashew-Kultur

In deiner Mischung steht S. thermophilus zusammen mit:

• Lactococcus lactis subsp. lactis
• Lactococcus lactis subsp. cremoris
• Lactococcus lactis biovar. diacetylactis
• Leuconostoc mesenteroides subsp. cremoris

Das ist keine klassische Joghurt-Kombination, sondern eher eine Hybridkultur aus thermophilem Säurebildner und mesophilen Käse-/Aromakulturen. Daraus folgt:

• Bei 26–28 °C dominieren wahrscheinlich eher Lactococcus und Leuconostoc.
• S. thermophilus trägt vermutlich eher unterstützend zur Ansäuerung bei.
• Bei höheren Temperaturen würde sein Anteil steigen, dafür würden die mesophilen Aromabildner geschwächt.

Das ist eine fachliche Ableitung aus den bekannten Temperaturprofilen der Kulturgruppen.

Bedeutung für pflanzenbasierte Fermentationen

Die Forschung der letzten Jahre zeigt, dass S. thermophilus nicht auf Milch beschränkt ist. In Sojamilch konnte er:

• stark wachsen,
• Saccharose nutzen,
• Laktat bilden,
• den pH-Wert schnell senken,
• pflanzliche Proteine hydrolysieren.

Damit ist klar: S. thermophilus kann pflanzliche Matrizes funktionell fermentieren, sofern passende Kohlenstoff- und Stickstoffquellen verfügbar sind.

Für Cashew-Käse lässt sich daraus vorsichtig ableiten:

1. Zuckerzugabe ist sinnvoll, da keine Lactose vorhanden ist.
2. Saccharose oder Dextrose sind technologisch besser kalkulierbar als komplexere Sirupe.
3. Die Temperaturführung entscheidet, ob S. thermophilus nur mitläuft oder stärker aktiv wird.
4. Aromatisch trägt er eher zu frischer Säure und joghurtartiger Note bei als zu butterig-käsiger Tiefe.

Streptococcus thermophilus ist ein hochleistungsfähiger, thermophiler Starterorganismus mit besonderer Bedeutung für:

• schnelle Milchsäurebildung,
• effiziente Lactoseverwertung,
• Acetaldehydbildung und frische Fermentationsaromen,
• Kooperation in Mischkulturen,
• teils EPS-bedingte Texturverbesserung,
• mögliche, aber stammabhängige Folat- und Bakteriocinbildung.

Für veganen Cashew-Käse ist er nicht unwichtig, aber in deiner konkreten mesophil geführten Mischkultur vermutlich nicht der Hauptakteur. Dort dürften die Lactococcus– und Leuconostoc-Stämme stärker über Säuerung, Diacetyl-/Butteraroma und käseartige Komplexität bestimmen, während S. thermophilus eher unterstützend zur mikrobiellen Dynamik und Säurebildung beiträgt.