Fermentowane surowce roślinne

Kiszona kapusta

• Oczyszczenie dojrzałych główek kapusty

• Wycięcie rdzenia i rozdrobnienie

• Solenie

• Bakterie coli, heterofermentatywne Leuconostoc messenteroides – fermentacja burzliwa

• Zmiana warunków

• Heterofermentatywne Lactobacillus brevis, homofermentatywne Lactobacillus plantarum, Pediococcus

• Temperatura optymalna 18

• Stężenie soli 2%

• Czas kiszenia – około 2 tygodni

• pH 3-4

• dla kapusty kiszonej najgorsza jest pleśń Geotrichum candidum

Kiszone ogóraski

• początkowo rozwijają się różne mikroorganizmy – drożdże i bakterie

• używa się szczepionek ukierunkowujących fermentację

• bakterie fermentacji mlekowej

• ostatni etap – Lacobacillus plantarum, L. brevis, Pediococcus (zmieniają one warunki, są to bakterie homofermentatywne, pojawiają się wtedy kwasy organiczne)

• 20 – 26

• Solanka 8-10%

• Nie ma dominującej roli L. messenteroides (bo są bardzo wrażliwe na zasolenie)

• Są trwałe długi czas, gdy są przechowywane w ciemności i w warunkach beztlenowych

Kiszonki paszowe

• Liście buraków cukrowych, kukurydzy, ziemniaki, trawy

• W procesie uczestniczy wiele mikroorganizmów

• Właściwy przebieg fermentacji – odpowiedni stosunek węgla do azotu

• Surowce roślinne muszą być zalewane dodatkowymi składnikami

• Następstwo gatunkowe mikroorganizmów – drobnoustroje zanieczyszczające rośliny ( coli, Bacillus, bakterie gnilne), homofermentatywne bakterie L. plantarum, L. curvatus lub heterofermentatywne pałeczki L. brevis, l. buchneri, bakterie propionowe, drożdże

• Jedynymi bezpośrednimi organizmami oprócz bakterii fermentacji mlekowej ś bakterie propionowe i drożdże

• Bakterie propionowe – ich rozwój jest korzystny dla paszy, kwas propionowy chroni przed bakteriami gnilnymi, wytwarzają witaminę B12

Fermentacja pieczywa

Szczepionki piekarskie: L. plantarum, L. brevis, L. fermentum, L. leichmani, L.sanfraciscensis (bardzo duże powinowactwo do maltozy)

Fermentacja mięsa

Szczepionki: Pediococcus acidilactici, P. pentosaceus, L. plantarum, L. sakei, mikrokoki

Stosuje się szczepionki mrożone lub liofilizowane.

Kwas mlekowy

• Przemysłowa produkcja kwasu mlekowego metodą biologiczną – 1881-1883 USA, 1895 Europa

• Rodzaj substratu do produkcji jest zależny od rodzaju stosowanego mikroorganizmu

• Akwawit Leszno – roztwór sacharozy z dodatkiem kiełków lub ekstraktu drożdżowego, L. delbrueckii

• Kwas mlekowy występuje w 3 formach: L, D i mieszaniny racemicznej

Dekstran

Leuconostoc messenteroides – dekstranosacharoza

Jest używany głównie do chromatografii.

Bakteriocyny

• Związki białkowe syntezowane rybosomalnie jako prebakteriocyny

• Aktywność po wydzieleniu z komórki

• Wąskie spektrum aktywności

• 4 grupy

• Najlepiej znana – nizyna (Lactobacillus lactis)

cecha	charakterystyka
Struktura chemiczna	Peptydy, w niektórych występują nietypowe aminokwasy
Synteza	I-rzędowe lub II-rzędowe metabolity syntezowane rybosomalnie
Kodowanie	Plazmidowo lub genomowo
Sposób działania	Destabilizacja osłon komórkowych bakterii
Specyficzność	Anty Gram +
Stabilność	Odporne na temperaturę, aktywne w szerokim spektrum pH, stabilne podczas przechowywania
Enzymy proteolityczne	Wrażliwe, trawione w przewodzie pokarmowym
Toksyczność	Nietoksyczne dla ludzi i zwierząt

Bakteriocyny – przemysł spożywczy, biosynteza rybosomalna, wąskie spektrum działania, odporność na komórki producenta

Antybiotyki – przemysł leczniczy, biosynteza za pomocą wtórnych metabolitów, szerokie spektrum działania, brak odporności na komórki gospodarza.

Probiotyki

Są to preparaty lub produkty żywnościowe zawierające pojedyncze lub mieszane kultury żywych mikroorganizmów, które podane człowiekowi lub zwierzętom w odpowiedniej ilości, wywierają korzystny wpływ na ich zdrowie.

Określenie probiotyk jest zastrzeżone dla produktów lub preparatów, które spełniają następujące warunki:

• Zawierają żywe komórki mikroorganizmów

• Poprawiają stan zdrowia człowieka i zwierząt

• Korzystny efekt w jamie ustnej (dodatki do żywności lub preparaty farmaceutyczne), przewodzie pokarmowym, w górnych drogach oddechowych (aerozole) lub w przewodzie moczowo-płciowym (preparaty miejscowe)

Bakterie fermentacji mlekowej wydzielają substancje antywirusowe, antybakteryjne i antygrzybiczne.

Stwarzają one również środowisko kwaśne, które nie jest tolerowane dla mikroorganizmów.

Fizyczne bariera, która zabezpiecza układ pokarmowy.

Komercyjnie wykorzystywane szczepy bakterii:

• Lactobacillus acidophilus

• L. casei

• L. lactis

• L. fermentum

• L. rhamnosus

• L. sulivarius

• L. gassari

• L. johnsonii

• L. paracasei

• L. plantarum

• Bifidobacterium bifidum

• B. breve

• B. lactis

• B. longum

• Streptococcus thermophilus

DROŻDŻE

Metabolizm:

- szlaki kataboliczne

- szlaki anaboliczne

- szlaki amfiboliczne – zarówno katabolizm, jak i anabolizm, dostarczają prekursorów do syntezy biomasy (glikoliza)

- amplerotyczne – uzupełniające, uzupełniają komórce to, czego jej brakuje (cykl glioksalowy)

Saccharomyces sp.:

• Metabolizm tlenowy (budowanie biomasy)

• Metabolizm beztlenowy (fermentacja alkoholowa)

Drożdże – chemoorganoautotrofy – organizmy wykorzystujące różne związki organiczne

Glukoza:

• Pirogronian (powstaje w trakcie EMP – glikoliza)

• Szlak tlenowy – powstaje CO2 i H2O

• Szlak beztlenowy – powstaje etanol

• Fruktozo-6-P i aldehyd 3-fosfoglicerynowy (powstaje w trakcie HMP – cykl pentozo fosforanowy)

I pentozofosforany – syntezy komórkowe

Beztlenowy metabolizm sacharydów

Fermentacja alkoholowa – przekształcenie cukru do etanolu i CO2.

Jest procesem amfibolicznym, związki pośrednie mogą być wykorzystywane do syntez komórkowych

Większość drożdży asymiluje glukozę, galaktozę lub mannozę

Podstawowym szlakiem jest glikoliza.

Z 1 mola glukozy powstają 2 mole pirogronianu (przekształcany jest w aldehyd octowy dzięki dekarboksylazie pirogronianowej, w której ko faktorem jest pirofosforan tiaminy, aldehyd jest przekształcany w etanol dzięki dehydrogenazie alkoholowej) i 2 cząsteczki ATP.

Reakcje glikolizy to reakcje amfiboliczne, bo np. triozofosforany mogą być wykorzystywane do syntezy bakteryjnych lipidów, pirogronian do syntezy aminokwasów.

Jeżeli niskie stężenie O2:

- w warunkach fermentacji poziom enzymów cyklu TCA jest niski (brak dehydrogenazy 2-oksyglutaranu)

- brak pentoz potrzebnych np.: w syntezie kofaktorów, kwasów nukleinowych

- pentozy=> cykl HMP ale poziom dehydrogenazy glukozo-6-P zbyt niski

- pentozy – transketolaza (substraty: fruktozo-6-P i aldehyd 3-PG)

95% glukozy przez drożdże jest przetwarzana do alkoholu

Gdy brak jest N2 w pożywce, część glukozy wchodzi do przemiany, reszta jest zmagazynowana w postaci glikogenu

Tlenowy metabolizm sacharydów

Gdy drożdże dostaną tlen cieszą się jak głupie i 10 razy zwiększają swoją biomasę.

Glukoza – pirogronian – acetylo-CoA, który jest całkowicie wykorzystywany w cyklu Krebsa.

Jeżeli braknie cukrów, cykl zostanie zahamowany na etapie izocytrynianu i włącza się cykl glioksalowy. Tworzy się acetylo-CoA, który przyłącza się do pirogronianu. W końcowym etapie włączony zostaje łańcuch oddechowy.

W łańcuchu oddechowym drożdży występują 3 biologicznie czynne systemy transportu elektronów:

- pirymidynowy

- flawoproteinowy

- cytochromów

W wyniku utlenienia cząsteczki glukozy powstaje 38 cząsteczek ATP

W wyniku fermentacji cząsteczki glukozy powstają 2 cząsteczki ATP

Drożdże niefermentujące – tylko mechanizm tlenowy

Na podstawie aktywności oddechowej drożdże mogą być podzielone na 3 grupy:

• Wykazujące metabolizm tlenowy – drożdże niefermentujące

• Prowadzące procesy tlenowe i beztlenowe w proporcjach równowagowych – drożdże browarnicze górnej fermentacji, drożdże piekarskie, patogenne

• Wykazujące głównie metabolizm beztlenowy – drożdże winiarskie, gorzelnicze, browarnicze dolnej fermentacji

Efekt Pasteura to efekt hamowania glikolizy przy wysokich stężeniach tlenu.

Fosfofruktokinaza jest hamowana przez wysokie stężenie ATP i cytrynianu i protonów

Dotyczy wszystkich drożdży S. cerevisiae za wyjątkiem drożdży piekarniczych

Efekt Pasteura

- hamowanie fosfofruktokinazy

- regulacja liazy cytrynianowej i dehydrogenazy jabłczanowej

- hamowanie transportu aktywnego glukozy przez membrany

Hamowanie oddychania na zasadzie katabolicznej represji glukozowej nosi nazwę negatywnego efektu Pasteura i efektu Crabtree.

Drożdże Crabrtree dodatnie – to takie, które fermentują w warunkach tlenowych.

Istota negatywnego efektu Pasteura polega na hamowaniu biosyntezy enzymów oddechowych, natomiast mianem efektu Crabtree określa się hamowanie aktywności enzymów proteolitycznych.

Drożdże winiarskie

• Krótki okres adaptacji do środowiska moszczu i szybkie zdefermentowanie

• Intensywna fermentacja o prawidłowym przebiegu

• Produkcja etanolu do wymaganego poziomu

• Wytwarzanie produktów ubocznych

• Mała wrażliwość na niskie pH środowiska i wysokie stężenie kwasów organicznych

• Zdolność do flokulacji i szybkiego osadzania po zakończeniu fermentacji

• Czechy, Włochy, Węgry – S. bayanus

• Francja, Niemcy – S. cerevisiae

• Odporność na wyższe stężenia etanolu

• Odporność na obecność związków siarki – drożdże sulfitowe

• Zdolność metabolizowania kwasu jabłkowego – głównego składnika kwasowości wina

• Możliwość prowadzenia fermentacji w obecności wysokich stężeń cukru – te, które wytwarzają miody pitne (osmofilne)

• Tolerancja na wysokie stężenia garbników

• Tolerancja na wysokie stężenia CO2

Drożdże winiarskie to drożdże mezofile, temp optymalna 28-32

Drożdże priofilne – zdolne do przeprowadzania fermentacji w 4 która jest wolniejsza, produkt jest wysycony CO2, wyższe stężenia etanolu i mniejsza ilość związków lotnych

Zanieczyszczenia mikrobiologiczne

• Brak fermentacji mlekowej – Leuconostoc sp. – śluz (wina słodkie o niskiej kwasowości)

• Brak fermentacji jabłczanowo-mleczanowej – L. plantarum, Oenococcus oenas – rozkład kwasu jabłkowego do kwasu mlekowego i CO2

• Brak fermentacji mannitowo-mleczanowej – L. fructovirans, L. fermentum – fermentacja cukrów z wytworzeniem kwasu mlekowego, octowego i mannitu

• Bakterie octowe – Acetobacter – zaoctowanie wina

• Drożdże:

- Schiyosaccharomyces pombe – rozkład kwasu jabłkowego do etanolu i CO2

- Candida, Pichia – utlenianie etanolu do kwasu octowego i estru etylooctowego

- Pichia, Kloeckera – przemiany siarki

• Pleśnie – Aspergillus sp., Penicillium sp., Botrytis sp. (mikotoksyny + śluz)