Opracowa

ł: dr S. Wierzba

Katedra Biotechnologii i Biologii Molekularnej

Uniwersytetu Opolskiego

METODY PRZECHOWYWANIA

I UTRWALANIA BIOPRODUKTÓW

SUSZENIE – PODSTAWY

TEORETYCZNE CZ.1

SUSZENIE – PODSTAWY TEORETYCZNE CZ1

Suszenie mikroorganizmów i produktów ich biosyntezy

– z

łożony proces, w którym

przenoszenie masy i ciep

ła uzależnione jest od:

• w

łaściwości struktury układów (mikroorganizm, produkt biosyntezy, fermentacji)‏

• przemian fizykochemicznych i biologicznych towarzysz

ących procesowi suszenia

Anabioza

– stan okresowego, odwracalnego zatrzymania funkcji

życiowych organizmu

(obni

żenia aktywności życiowej).

Funkcje

życiowe reguluje:

• temperatura

• wilgotno

ść

Aktywno

ść wody (A

w

)

0,75 – 0,85 (mikroorganizmy)

‏

W trakcie suszenie organizm traci

wod

ę wolną

(aktywna biologicznie)

‏

SUSZENIE – PODSTAWY TEORETYCZNE CZ1

Anabioza – obecno

ść tylko

wody

zwi

ązanej

w postaci uwodnionych

otoczek polarnych grup substancji
stanowi

ących szkielet żelu

protoplazmy.

Woda zwi

ązana:

• nie rozpuszczaj

ą się w niej

substancje znajduj

ące w

przestrzeniach wolnych struktury

żelowej – zatrzymanie funkcji

biochemicznych
• niszczy lub uszkadza cienkie b

łony

biologiczne (poni

żej 1mm)‏

Rola wody w uk

ładach

biologicznych :

•

łatwość tworzenia połączeń i

porz

ądkowania struktur

• stabilizacja konformacji bia

łek

• rozpuszczalnik biopolimerów
• wa

żna rola w tworzeniu

biomembran

SUSZENIE – PODSTAWY TEORETYCZNE CZ1

Odporno

ść fizjologiczna (biologiczna)

– zwi

ązana z procesami adaptacyjnymi

Odporno

ść fizyczna (strukturalna)

– zwi

ązana z budową poszczególnych

mikroorganizmów

Suszenie (odwodnienie) powoduje

:

• usuni

ęcie środowiska, w którym przebiegają reakcje biochemiczne

• zmiany strukturalne na poziomie biopolimerów, membran, organów, komórek (istotnie
zmieniaj

ąc odporności mikroorganizmów na działanie czynników zewnętrznych: pH,

temperatura, ci

śnienie, lepkość, promieniowanie itd.)‏

Przyczyny zamierania mikroorganizmów:

• naruszenie b

łony komórkowej,

• denaturacja termiczna bia

łek

• naruszenie stabilno

ści transportu substancji rozpuszczalnych w wodzie

• wzrost lepko

ści środowiska

Wzrost odporno

ści mikroorganizmów na odwodnienie jest możliwy poprzez:

• okre

ślenie optymalnych warunków odwadniania i przechowywania preparatów

mikrobiologicznych
• doskonalenie szczepów – podwy

ższenie odporności kultur odwadnianych

SUSZENIE – PODSTAWY TEORETYCZNE CZ1

Wp

ływ różnych czynników na odporność suszonych mikroorganizmów

Wilgotno

ść

– wp

ływ jej końcowej zawartości na jakość produktów należy rozpatrywać

oddzielnie dla:
• produktów syntezy mikrobiologicznej – ich jako

ść maleje wraz ze wzrostem wilgoci

(ko

ńcowa zawartość nie wyższa niż 8-10%)‏

• mikroorganizmów – odporno

ść na suszenie uzależniona od:

• rodzaju mikroorganizmu (E. coli – 37%, Streptococcus pneumonia – 18%)

‏

• warunków hodowli (dobór odpowiedniej substancji ochronnej)

‏

SUSZENIE – PODSTAWY TEORETYCZNE CZ1

Wilgotno

ść końcowa

– parametr decyduj

ący o zachowaniu zdolności życiowych

mikroorganizmów podczas suszenie i przechowywania

Przyk

łady odporności termicznej mikroorganizmów:

• przetrwalniki, cysty – okresowe „odgradzanie” si

ę układu od otoczenie otoczką

• komórki wegetatywne – zmiana parametrów fizjologicznych i biochemicznych

• dro

żdże, grzyby – zdolność do zatrzymywania wody swobodnej

• tworzenie symbioz (bakterie Actynomycetes + wodorosty)

‏

• korzystny wp

ływ na stan błon komórkowych:

• jonów magnezu, potasu, wapnia , trehaloza (dro

żdże)‏

• kationy metali dwuwarto

ściowych, kwas dwupikolinowy (Bacillus)‏

• immobilizacja komórek na no

śnikach (wzrost stabilności komórek)‏

SUSZENIE – PODSTAWY TEORETYCZNE CZ1

Temperatura

– odporno

ść termiczna – termostabilność – ważna dla określenia

optymalnych warunków temperaturowych procesu suszenia, zale

ży od:

• sk

ładu i temperatury podłoża hodowlanego (sacharoza, glukoza, białka sprzyjają

termostabilno

ści)‏

• pH (maksymalna dla wi

ększości komórek w przedziale 6-7)‏

• wieku kultury
• sk

ładu chemicznego komórek

• sposobu prowadzenia hodowli (fermentacji)

‏

Podstawowym parametrem decyduj

ącym o termostabilności jest zawartość i postać wody

znajduj

ącej się w komórkach (aktywność wody - A

w

):

• przetrwalniki – woda zwi

ązana / komórki wegetatywne – woda swobodna

• wraz ze zmniejszeniem A

w

wzrasta termostabilno

ść komórek

SUSZENIE – PODSTAWY TEORETYCZNE CZ1

Krzywe kinetyczne inaktywacji cieplnej
mikroorganizmów – pozwalaj

ą określić

temperatur

ę procesu suszenia i sposób

dostarczania ciep

ła

Kinetyka inaktywacji bakterii Propionobacterium acnis

• 1-50

°C

• 2-53

°C

• 3-55

°C

• 4-60

°C

• 5-65

°C

SUSZENIE – PODSTAWY TEORETYCZNE CZ1

Kinetyka inaktywacji wirusa pryszczycy

• 1-60

°C

• 2-70

°C

• 3-80

°C

SUSZENIE – PODSTAWY TEORETYCZNE CZ1

Kinetyka inaktywacji przetrwalników Bacillus stearothermophillus

F7954 w wodzie destylowanej

• 1-105

°C

• 2-108

°C

• 3-110

°C

• 4-116

°C

• 5-121

°C

SUSZENIE – PODSTAWY TEORETYCZNE CZ1

Kinetyka inaktywacji bakteriofagów T4

• 1-50

°C

• 2-55

°C

• 3-60

°C

• 4-65

°C

• 5-70

°C

• 6-75

°C

SUSZENIE – PODSTAWY TEORETYCZNE CZ1

SUSZENIE – PODSTAWY TEORETYCZNE CZ1

Dzia

łanie mechaniczne:

• korzystny wp

ływ:

• napowietrzanie,
• przyspieszenie procesów wymiany mi

ędzy komórka a otoczeniem)‏

• niekorzystny:

• denaturacja bia

łek

• wytrz

ąsanie z rozproszonymi ziarnami ciał stałego (piasek, kwarc): uszkodzenie,

dezintegracja komórek

Dezintegracja
mechaniczna
niekorzystnie wp

ływa na

jako

ść suchych

preparatów
bakteryjnych, ale jest
korzystna i celowa w
otrzymywaniu produktów
biosyntezy

SUSZENIE – PODSTAWY TEORETYCZNE CZ1

Adsorpcja

– zale

ży od właściwości substancji adsorbowanej i rozpuszczalnika, oraz od

struktury adsorbentu:

• ujemny wp

ływ na przeżywalność – węgiel aktywny, metale

• pozytywny wp

ływa na suszenie, filtrację, zatężanie i przechowywanie:

• adsorbenty mineralne (filtry porcelanowe, szklane, azbestowe, zeolity)

‏

• pochodzenia ro

ślinnego (otręby pszenne, ziarna zbóż, skrobia, mąka)‏

Przyk

łady stosowania sorbentów:

• metoda przechowywania kultur na sta

łych nośnikach – grzyby, promieniowce,

• hodowla mikroorganizmów na sta

łych substratach

• Salmonella enteritidis – pod

łoże z ziarnami zbóż

45-50

0

C – 20-30 minut

- pod

łoże bez dodatków

45-50

0

C – 0,5-1 minuta

SUSZENIE – PODSTAWY TEORETYCZNE CZ1

pH

środowiska

– dla wi

ększości optymalne w zakresie 6-7, odchylenia od tej wartości

powoduj

ą uszkodzenia bariery osmotycznej (błony komórkowej):

• wyj

ątek Mycobacterium – utrzymują aktywność w przedziale pH 1-13

Szczególne znaczenie pH podczas suszenia rozpryskowego, gdy

ż wpływa na lepkość

roztworu.

Od lepko

ści zależy stopień rozpylenia w suszarce, intensywność wymiany ciepła i masa

kropli.

Napi

ęcie powierzchniowe

– jego zmiany wp

ływają na przebieg procesów fizjologicznych

mikroorganizmów:

• zmiana intensywno

ści przemian, wzrostu, podziału komórek

• zmiana struktury i w

łaściwości błon komórkowych (rozerwanie)‏

Krytyczna warto

ść napięcia powierzchniowego – 35-50 x10

-3

N/m

Ci

śnienie

:

• mechaniczne – bez wi

ększego wpływu na przeżywalność – duża odporność

• gazów rozpuszczonych – sk

ład atmosfery w suszarce istotnie wpływa na przeżywalność,

zw

łaszcza ciśnienie CO

2

, O

2

• osmotyczne – istotny wp

ływa (dehydratacja komórek)‏

SUSZENIE – PODSTAWY TEORETYCZNE CZ1

W

łaściwości fizyczne suszonych obiektów pochodzenia mikrobiologicznego –

decyduj

ące o odporności fizycznej (strukturalnej)‏

Termostabilno

ść (odporność cieplna)

- okre

śla wrażliwość (podatność)

mikroorganizmów, lub produktów ich syntezy na dzia

łanie podwyższonej temperatury w

okre

ślonym czasie.

Do okre

ślania tremostabilności wykorzystuje się metodę kapilarną.

Termogramy

– zale

żności graficzne temperatury i czasu ogrzewania, z których można

odczyta

ć przeżywalność mikroorganizmów lub aktywność produktów biosyntezy

SUSZENIE – PODSTAWY TEORETYCZNE CZ1

Termostabilno

ść antybiotyków

• bacytracyna

gryzyna

•

czas ogrzewania [s] : 1-5; 2-15; 3-30; 4-60; 5-300; 6-900; 7-1800

SUSZENIE – PODSTAWY TEORETYCZNE CZ1

Termostabilno

ść wegetatwnych form bakterii

Rhizobium pisum

Azotobacter chroococcum

•

czas ogrzewania [s] :

•

1-5; 2-15 ; 3-30; 4-60; 5-90; 6-180; 1-5; 2-30 ; 3-60; 4-300

SUSZENIE – PODSTAWY TEORETYCZNE CZ1

Termostabilno

ść przetrwalników bakterii

• Bacillus thuringiensis

•

czas ogrzewania [s] : 1-15; 2-30 ; 3-30; 4-60; 5-300; 6-900

SUSZENIE – PODSTAWY TEORETYCZNE CZ1

SUSZENIE – PODSTAWY TEORETYCZNE CZ1

Zale

żność stałej szybkości reakcji inaktywacji cieplnej od temperatury

:

• formy wegetatywne – (45-50

0

C) – w

ąski zakres temperatur inaktywacji 10-15 K

• przetrwalniki – (90-100

0

C) – wy

ższa termostabilność, szerszy zakres temperatur

SUSZENIE – PODSTAWY TEORETYCZNE CZ1

Wp

ływ temperatury na szybkość reakcji inaktywacji można opisać

równaniem

Arheniusa

gdzie: A

– sta

ła

E

a

- energia inaktywacji [kJ/mol]

RT

E

a

e

A

k

/

-

×

=

Dla

szybko

ść

inaktywacji jest sta

ła

Dla

szybko

ść

ulega zmniejszeniu

60

£

t

60

>

t