TECHNOLOGIA ŻYWNOŚCI, wykład IV 23.10.2014r.

PROCESY BIOTECHNOLOGICZNE

Procesy biotechnologiczne obejmują:

1. Procesy fermentacyjne

2. Procesy enzymatyczne

PROCESY FERMENTACYJNE

Fermentacja – w znaczeniu mikrobiologicznym i biotechnologicznym określa beztlenowy proces zdobywania energii prze drobnoustroje. W znaczeniu produkcyjnym obejmuje równiż przemiany ilościowe których rezulataem są produkty tylko częściowego utlenienia (odwodnienia, substratu najczęściej cukru)

Znaczenie procesów fermentacyjnych w przemyśle spożywczym:

1. Przetwarzanie surowców

2. Utrwalanie żywności

3. Otrzymywanie składników odżywczych

4. Otrzymywanie preparatów enzymatycznych

5. Otrzymywanie kwasów organicznych, alkoholu, barwników, antybiotyków

Rodzaje fermentacji:

1. Alkoholowa

2. Mlekowa

3. Propionowa

4. Octanowa

5. Masłowa

6. Metanowa

7. Cytrynianowa

Typy fermentacji:

1. Homofermentacja – produkcja znacznych ilości jednego głównego produktu, np. kwasu mlekowego

2. Heterofermentacja – oprócz głównego produkty powstają również liczne produkty uboczne (kw. Organiczne, aldehydy, alkohole, CO2)

FERMENTACJA ALKOHOLOWA
- proces beztlenowego rozkładu cukrów przez drobnoustroje, przede wszystkim drożdże z gatunku Saccharomyces cerevisiae
C ₆H₁₂O₆ 2 C₂H₅OH + 2 CO₂

- odgrywa kluczową rolę w:

• Gorzelnictwie, winiarstwie, piwowarstwie

• Ma duże znaczenie w piekarnictwie (chleb żytni) i mleczarstwie (kefir)

- proces fermentacji alkoholowej przebiega optymalnie w temp 25-30st C, jednak w warunkach przemysłowych, w szczególności w winiarstwie i piwowarstwie, ze względu na jakość gotowego produkty, prowadzi się go w niższych temperaturach 5-10st C

- uboczne produkty fermentacji alkoholowej (kwas octowy, bursztynowy, metanol, aldehyd octowy, wyższe alkohole) są oddzielane w procesie rektyfikacji spirytusu, natomiast pozostają w piwie, winie czy mlecznych napojach fermentowanych, wpływając na kształtowanie ich specyficznego aromatu (bukiet)

FERMENTACJA MLEKOWA

- podstawową zaletą fermentacji mlekowej, jako metody utrwalania żywności jest obniżenie pH środowiska, w szczególności produktów mleczarskich i roślin bogatych w węglowodany
-ponadto wpływa na ukształtowanie wielu cech organoleptycznych gotowego produktu
- mikroorganizmy zdolne do przeprowadzania procesu fermentacji:

• Homofermentatywne: Lactococcus, Lactobacillus

• Heterofermentatywne: Leuconostoc, Lactobacillus (produkują, oprócz kwasu mlekowego kwas octowy, etanol, CO2

- wykorzystanie:

• Produkcja biologicznego kwasu mlekowego, wykorzystywanego do celów kulinarnych lub farmaceutycznych

• Utrwalanie warzyw i owoców o procesie kiszenia (kapusta, ogórki, buraki, oliwki)

• Produkcja mlecznych napojów fermentowanych (jogurt, kefir, kwaśne mleko, maślanka) oraz twarogu i serów dojrzewających

• Utrwalanie niektórych produktów ubocznych (odpady przetwórstwa rybnego, wysłodziny, drożdże pofermentacyjne)

• W piekarnictwie przy produkcji pieczywa żytniego (zakwas)

• Produkcja i utrwalanie pasz (kiszenie zbóż, ziemniaków, zielonki, lucerny)

- bakterie fermentacji mlekowej są wrażliwe na stężenie kwasu mlekowego >3% (hamuje ich rozwój dlatego podczas fermentacji surowców bogatych w węglowodany (<10%), konieczna jest jego neutralizacja Ca(OH)2, CaCO3, NH4OH

FERMENTACJA PROPIONOWA:

- zdolność wytwarzania kwasu propionowego posiadają liczne gatunki bakterii z rodzaju Propioniobacterium

- proces fermentacji propionowej odgrywa istotną rolę w dojrzewaniu serów podpuszczkowych typu szwajcarskiego (Ementaler) i holenderskiego (Edamski, Gouda) – ilość i intensywność powstającego CO₂ odpowiada za wytworzenie odpowiednich oczek w serze

- bakterie propionowe mają zdolność wytwarzania większych ilości Witaminy B₁₂ (cyjanokobalaminy) i wykorzystywane są do jej produkcji na skalę przemysłową

FERMENTACJA OCTOWA:
- bakterie octowe z rodzaju Acetobacter posiadają zdolność utleniania alkoholu etylowego poprzez aldehyd octowy do kwasu octowego

- surowcem do produkcji octu jest tzw. Zacier octowniczy będący 6-12% wodnym roztworem etanolu wzbogaconym w substancje odżywcze. Proces prowadzi się w wysokich …… wypełnionych wiórami z drewna bukowego i intensywnie
- ponadto z wina produkuje się ocet winny

- zakażenie bakteryjne z rodzaju Acetobacter takich produktów jak wino czy piwo jest zjawiskiem niekorzystnym powodującym pogorszenie walorów sensorycznych

FERMENTACJA MASŁOWA

-bakterie masłowe z rodzaju Clostridium są zdolne do przekształcenia w warunkach beztlenowych cukrów do kwasu masłowego

- w przemyśle spożywczym obecność bakterii masłowych jest niepożądana, gdyż powodują one m.in.:

• Psucie serów twardych (tzw. Wtórne wzdęcia)

• Niewłaściwą fermentacją kiszonek

• Psucie konserw niewłaściwie sterylizowanych

- szczególnie niebezpieczne są przetrwalnikujące bakterie C.botulinum wytwarzające liczne toksyny

FERMENTACJA METANOWA

• proces ten zachodzi w warunkach beztlenowwych w środowisku alkaicznym przy udziale bakterii z rodzaju Methanobacterium, Methanosarcina, Methanoccocus

• powoduja one rozkład m.in. kwasów organicznych i alkoholi do metanu

• odbywa ważną rolę w biologicznym oczyszczaniu ścieków; powstający metan (biogaz) może być wykorzystywany na cele opałowe

FERMENTACJA CYTRYNIANOWA

• w przemysłowej produkcji kwasu cytrynowego wykorzystuje się pleśnie z gatunku Aspergillus niger

• proces prowadzi się metodą powierzchniową (na tacach) lub wgłębną (w tkankach fermentacyjnych przy kontrolowanym dopływie tlenu), używając jako surowca melasu rozcieńczonego do 15% zawartości cukru
  

Wykorzystanie

• produkcja napojów gazowanych

• dokwaszanie dżemów i marmolad

• regulator kwasowości i przeciwutleniacz

• ponadto w gospodarstwie domowym używany jako kwasek cytrynowy zamiast octu

II PROCESY ENZYMATYCZNE

• enzymy to tzw. naturalne katalizatory

• w przemyśle spożywczym wykorzystywane są enzymy pochodzenia roślinnego, zwierzęcego i mikrobiologicznego

• zaletą mikrobiologicznych jest możliwość produkcji teoretycznie w nieograniczonej ilości.

• kultury starterowe lub specyficzne preparaty enzymatyczne wyizolowane z mikroorganizmów są coraz częściej stosowane zamiast mikroflory naturalnie występującej

Korzyści:

• przyspieszenie procesów technologicznych

• uzyskanie produktów o lepszych cechach jakościowych

• kreowanie nowych produktów

• efektywniejsze wykorzystanie surowców

• możliwość wykorzystania nowych (niekonwencjonalnych) surowców lub zagospodarowania produktów ubocznych i odpadowych

ENZYMY AMYLOLITYCZNE

Amylazy – enzymy katalizujące przemianę skrobi i glikogenu do cukrów prostych (maltozy i niekiedy glukozy).

W większych ilościach występują w słodzie – odpowiednio skiełkowanych ziarnach jęczmienia lub innych zbóż

1) Alfa-amylaza – hydrolizuje wiązania alfa-1,4-glikozydowe wewnątrz cząsteczki skrobi, powodując powstawanie mniejszych fragmentów. Tzw. dekstryn granicznych (endoamylaza)

2) Beta-amylaza – odcina co drugie wiązanie afla-1,4-glikozydowe od niealdehydowego końca amylozy, rozkłada skrobię na dwucukier – maltozę (egzoamylaza)

3) Glukoamylaza – odrywa pojedyncze cząsteczki glukozy

Zastosowanie

• w gorzelnictwie

- zacieranie i scukrowanie surowców skrobiowych (kukurydza, ziemniaki, żyto)

- zastosowanie amylazy pleśniowej lub bakteryjnej pozwala na zastąpienie lub całkowitą eliminację słodu

• w browarnictwie

- scukrowanie skrobi słodowej w procesie powstawania brzeczki

• w piekarnictwie

- wzrost zawartości cukrów ułatwia fermentacje ciasta (wpływ na pulchność pieczywa

• ponadto:

- produkcja różnego typu odżywek, szczególnie dla dzieci

- w cukiernictwie: pozyskiwanie cukru z odpadów cukierniczych

- w krochmalnictwie: modyfikowanie cech fizycznych mączki ziemniaczanej

ENZYMY PROTEOLITYCZNE

• kataizują hydrolizę wiązań peptydowych w białkach i peptydach

• w zależności od sposobu i miejsca działania wyróżniamy: endopeptydazy, egzopeptydazy, dipeptydazy i proteinazy

• można wśród nich wyróżnić również aminopeptydazy i karboksypeptydazy, w zależności od którego końca łańcucha peptydowego zaczęły ciąć

Zastosowanie

• w przemyśle mleczarskim (serowarstwo)

- koagulacja białek mleka w procesie produkcji serów – podpuszczka (rzeźna), pepsyna wołowa i

wieprzowa, enzymy pochodzenia mikrobiologicznego produkowane przez pleśnie – z rodzaju Muco ?

• Ponadto:

- mikroorganizmy i enzymy pochodzenia bakteryjnego i pleśniowego biorą udział w późniejszym procesie dojrzewania serów (sery z porostem i przerostem pleśni lub sery dojrzewające „na maź”

• w przemyśle mięsnym

- w procesie dojrzewania mięsa (głównie wołowego)

• poprawa kruchości i delikatności oraz cech organoleptycznych mięsa

• skrócenie czasu dojrzewania

katepsyny – działają skruszająco w trakcie chłodniczego procesu dojrzewania mięsa

• ponadto enzymy proteolityczne stosuje się do

- oddzielania resztek mięsa od kości
- produkcji hydrolizatów z produktów ubocznych i surowców wielokonsumpcyjnych
- zmiękczanie i usunięcie owłosienia ze skór

• w piekarnictwie:
  -polepszenie plastyczności i konsystencji ciasta

- skrócenie czasu wyrabiania
- poprawa pulchności i objętości chleba

• w browarnictwie:

- rozpuszczenie białek zapobiega zmętnieniu, podnosi stabilność i klarowność piwa podczas jego chłodzenia

- proteazy z jęczmienia w procesie jego słodowania przyczyniają się do sklarowania brzeczki i podniesienia jej wartości

• w przemyśle rybnym:

- kilkakrotnie przyspiesza dojrzewanie solonych i marynowanych śledzi

- hydroliza rybnych produktów odpadowych

• enzymy pochodzenia pleśniowego z rodzaju Aspergillus

• w przemyśle koncentratów spożywczych:

- produkcja hydrolizatów białkowych czy sosów sojowych

- polepszenie rozpuszczalności sproszkowanych preparatów białkowych

Reakcja plasteinowa

• zastosowanie endopeptydów do hydrolizy i tworzenia wiązań peptydowych w procesie trawienia tzw. plastein

• koncentrat lub izolat białkowy poddaje się łagodnej hydrolizie w celu usunięcia zanieczyszczeń i niepożądanych aminokwasów (wymycie rozpuszczalnikiem organicznym)

• następnie do oczyszczonego hydrolizatu dodaje się estry etylowe wybranych aminokwasów w przetrzymuje kilka dni w temp. 37 st. C => w tym czasie zachodzi enzymatyczne wiązanie pożądanych reszt aminokwasowych do peptydów i otrzymanie plastein

ENZYMY LIPOLITYCZNE

Lipazy – hydrolizuje rozszczepienie wiązań tłuszczowych w glicerydach i powstanie WKT

Na ogół działalność tych enzymów w produktach spożywczych uznawana jest za niepożądaną, gdyż przyczynia

Pozytywne działanie:

• dojrzewanie serów, zwłaszcza tzw. pleśniowych:

- lipoliza tluszczu mlecznego przyczynia się do ukształtowania specyficznych cech smakowo-zapachowych

• skracanie dojrzewania serów

• odtwarzanie zapachu mlecznego i polepszanie smaku niektórych produktów spożywczych, np. wyrobów cukierniczych czekoladowych

• otrzymywanie koncentratów zapachowych z tłuszczu mlecznego (produkcja sosów i przypraw do mięs ?

• odtłuszczanie kości i skór