Zagadnienia z zaliczenia z BIOTECHNOLOGII

1. Zalety procesów biotechnologicznych w produkcji żywności.

2. Wykorzystanie procesów fermentacyjnych w produkcji żywności.

3. Znaczenie biotechnologii w gospodarce żywnościowej.

4. Korzyści stosowania enzymów w produkcji żywności.

5. Metody hodowli mikroorganizmów w bioreaktorach.

6. Wymień metody oczyszczania produktów z hodowli mikroorganizmów w bioreaktorach.

7. Scharakteryzuj mikrobiologiczne otrzymywanie kwasu cytrynowego.

8. Co to jest słód i jaka jest jego rola w produkcji piwa.

9. Zastosowanie bakterii fermentacji mlekowej w produkcji żywności.

Zastosowanie bakterii fermentacji mlekowej w produkcji żywności.

Wykorzystanie bakterii fermentacji mlekowej

- W przemyśle mleczarskim są wykorzystywane w postaci szczepionek (tzw. zakwasów) do produkcji serów (twarogowych i dojrzewających), masła, mlecznych napojów fermentowanych

- Do produkcji kiszonek spożywczych (ogórki, kapusta, oliwki, sałatki, soki warzywne, orientalne produkty – sosy

- W przemyśle piekarniczym do fermentacji zakwasów chlebowych

- Do produkcji wędlin fermentowanych

- W gorzelnictwie do biologicznego ukwaszania przycierku, przez co są stworzone korzystne warunki dla rozwoju drożdży i przebiegu fermentacji etanolowej

- Do produkcji kiszonych pasz

- Do konserwowania pasz

- W przemyśle farmaceutycznym do produkcji dekstranu (zastępowanie osocza krwi, produkcja preparatów chromatograficznych), preparatów probiotycznych, szczepionek

- Do przemysłowej produkcji kwasu mlekowego

- Konserwowanie owoców, koncentratów spożywczych

- W przemyśle garbarskim, kosmetycznym (a zatem nie tylko przemysł spożywczy)

Rola bakterii fermentacji mlekowej w żywności fermentowanej

- Nadanie produktom specyficznych cech organoleptycznych, głównie smaku, aromatu i konsystencji

- Zwiększenie ich wartości odżywczej – ułatwiają rozkład białka mleka, przeprowadzają je w formę sernika łatwiej wchłanianą;

- Zwiększenie przyswajalności składników mineralnych (głównie żelaza, wapnia, ale także magnezu, fosforu, zwiększają wchłanianie)

Powyższe funkcje zawdzięczamy głównie działaniu kwasu mlekowego – wpływ na perystaltykę jelit, zwiększa wydzielanie soków żołądkowych

- Konserwacja biologiczna produktów – tę funkcję zawdzięczamy kwasom organicznym obniżającym pH, hamującym rozwój wielu patogenów, m.in. bakterii gnilnych, ale także antagonistycznym związkom (bakteriocyny – nizyna, lizozym i wiele innych

Scharakteryzuj mikrobiologiczne otrzymywanie kwasu cytrynowego.

Otrzymywanie kwasu cytrynowego

Kwas cytrynowy (2-hydroksypropanotrikarboksylowy) syntetyzują grzyby strzępkowe Aspergillus (zwłaszcza A. niger), Penicillium, Mucor, Trichoderma, drożdże Candida, Rhodotorula, Torulopsis oraz bakterie Bacillus licheniformis i Arthrobacter terregens. Drożdże Candida, np. C. tropicalis, C. oleophila, Yarrowia lipolytica (C. lipolytica) i C. zeylanoides, syntetyzujące duże ilości kwasu cytrynowego z n-alkanów, są również przydatne do biosyntezy w pożywkach z sacharozą lub melasą po wstępnej hydrolizie disacharydu do monosacharydów. W porównaniu do klasycznej syntezy prowadzonej przez grzyby strzępkowe biosynteza kwasu cytrynowego przez drożdże charakteryzujące się wyższą produktywnością, przy podobnej wydajności, jest łatwiejsza do prowadzenia metodą ciągłą, lecz jej wadą jest duży udział (do 20%) kwasu izocytrynowego. Mutanty Y. lipolytica wytwarzają niewielkie ilości kwasu izocytrynowego isyntetyzują kwas cytrynowy bezpośrednio z cukru białego, dzięki czemu jest możliwa półciągła lub ciągła synteza kwasu z sacharozy lub z melasy przy użyciu wolnych lub immobilizowanych komórek.

Podstawowymi substratami do biosyntezy kwasu są melasa buraczana i trzcinowa, hydrolizaty skrobi ziemniaczanej i kukurydzianej, glukoza techniczna i czysta, cukier biały i surowy, koncentraty soków z buraków i trzciny cukrowej. Skład pożywki jest uzupełniany organicznymi źródłami azotu i nieorganicznymi źródłami fosforu oraz mikroelementami (magnez, siarka, cynk, żelazo, miedź, mangan).

Biosynteza kwasu cytrynowego jest prowadzona metodą

1. Powierzchniową w ciekłej pożywce w komorach fermentacyjnych z tacami lub w stałym podłożu w perforowanych fermentorach tacowych (tzw bioreaktorach Koji), bębnowych, komorowych lub wieżowych

2. Wgłębną w ciekłej pożywce w klasycznych fermentorach o pojemności 50- jako proces półciągły lub ciągły.

W metodzie klasycznej po odfiltrowaniu grzybni ciecz pofermentacyjna jest ogrzewana do 70-75^oC i doprowadzana wodorotlenkiem wapnia do pH 2,7-2,9 w celu wytrącenia współsyntetyzowanego kwasu szczawiowego w postaci szczawianu wapnia, który następnie jest usuwany metodą filtracji lub wirowania. Tworzący się jednocześnie monocytrynian wapnia pozostaje w roztworze.

Schemat produkcji krystalicznego kwasu cytrynowego

- Oddzielenie grzybni z cieczy pofermentacyjnej

- Neutralizacja

- Filtracja cytrynianu wapnia

- Rozszczepianie cytrynianu trój wapnia

- Oddzielanie gipsu

- Wytrącanie (kwasem siarkowym)

- Węgiel aktywny

- Zagęszczanie

- Wydzielanie kryształów kwasu cytrynowego

Inne rozwiązanie: (ideowy schemat produkcji krystalicznego kwasu cytrynowego metodą „bezcytrynianową”

- Fermentacja

- Oddzielanie grzybni

- Wytrącanie wapnia

- Zastosowanie aktywnych jonitów

- Zagęszczanie

- Krystalizacja

- Oddzielanie krzyształków – część cieczy jest ponownie poddawana neutralizacji i kierowana do procesu, co zwiększa wydajność.

Wymień metody oczyszczania produktów z hodowli mikroorganizmów w bioreaktorach

Metody membranowe

Metoda	Rodzaj membrany	Charakterystyka membrany/promień porów	Mechanizm rozdziału
Ciśnieniowe metody rozdziału
Mikrofiltracja	Porowata	0,1-10μm	Efekt sitowy
Ultrafiltracja	Porowata, asymetryczna	5-10nm	Efekt sitowy
Nanofiltracja	Porowata, asymetryczna	~10^-?nm (nie widać )	Efekt sitowy
Odwrócona osmoza	Porowata, asymetryczna	Porowate, nanometrowe	Sorpcyjno-kapilarny przepływ rozpuszczalnika
Dyfuzyjne metody rozdziału
Perwaporacja	Asymetryczna, nieporowata		Sorpcyjno-dyfuzyjny
Prądowe metody rozdziału
Elektrodializa	Żelowa, jonowa		Migracja jonów

Metody chromatograficzne

Rodzaj chromatografii	Zasada metody/podstawa różnicowania
Adsorpcyjna	Siły van der Waalsa, moment dipolowy
Powinowactwa	Specyficzne oddziaływania z Ugandami (tak było napisane :p)
Chromatoogniskowanie	Punkt izoelektryczny
Filtracja żelowa	Wielkość cząsteczki, masa cząsteczkowa
Jonowymienna	Ładunek elektryczny
Odwróconej fazy	Oddziaływania hydrofobowe i hydrofilowe
Oddziaływań hydrofobowych	Oddziaływania hydrofobowe i hydrofilowe

Metody elektroforetyczne

Metody hodowli mikroorganizmów w bioreaktorach.

Metody hodowli drobnoustrojów (powierzchniowe, wgłębne)

Do najczęściej stosowanych metod namnażania drobnoustrojów należą

1. Metody statyczne (okresowe, ang. batchfermentation) polegają na tym, że w czasie rozwoju mikroorganizmów nie doprowadza się świeżych substancji odżywczych i nie odprowadza się końcowych porduktów metabolizmu. Drobnoustroje rozwijają się do momentu określonego prawami minimum Liebiega i tolerancji Shelforda. Fazy rozwoju drobnoustrojów podczas stosowania tej metody przedstawiono na rysunku.

W skali przemysłowej wzrost populacji drobnoustrojów określa się często na podstawie uzyskanej ich masy (biomasy) i wyróżnia się trzy podstawowe fazy wzrostu:

- Fazę wykładniczego (logarytmicznego przyrostu masy, pod koniec której osiąga się maksymalny przyrost biomasy

- Fazę zanikającego przyrostu biomasy, podczas której drobnoustroje przestają rosnąć

- Fazę endogennej respiracji, podczas której drobnoustroje zaczynają zużywać materiały zapasowe komórek, masa komórkowa zaczyna się zmniejszać i następuje obumarcie komórek

1 – faza inkubacyjna (przystosowawcza) – lagfaza

2 – faza zapoczątkowanego wzrostu

3 – faza wykładniczego (logarytmicznego) wzrostu

4 – faza zahamowanego wzrostu

5 – faza stacjonarna

6 – faza letalna

Wśród metod statycznych wyróżnia się metody:

- Powierzchniowe, realizowane w cienkiej warstwie

- Wgłębne, które mogą przebiegać w warunkach tlenowych lub beztlenowych (najczęściej w obecności gazów obojętnych CO₂ , N₂) z neutralizacją, bez neutralizacji lub z częściową neutralizacją środowiska (z napowietrzaniem lub bez napowietrzania), procesy wgłębne, w porównaniu z powierzchniowymi, charakteryzują się krótszym czasem fermentacji, większą wydajnością, mniejszym zapotrzebowaniem na powierzchnię, łatwością utrzymania sterylnych warunków, mniejszą pracochłonnością, możliwością mechanizacji i automatyzacji, niższym nakładami inwestycyjnymi.

1. Metody okresowe z zasilaniem tzn. z okresowym lub ciągłym dozowaniem sterylnej pożywki do fermentora, dzięki czemu uzyskuje się zmniejszenie hamującego wpływu produktów metabolizmu na rozwój drobnoustrojów i zwiększony przyrost biomasy. Jest to tzw metoda powietrzno-dolewowa, w której najważniejsze jest to, aby ilość dopływających substancji odżywczych w określonym czasie odpowiadała ich rzeczywistemu zużyciu przez drobnoustroje.

2. Metody okresowe z powtórnym zasilaniem (ang. Repeated-fed batch fermentation) charakteryzujące się tym, że co pewien czas odbiera się część pożywki wraz z nagromadzoną biomasą drobnoustrojów i uzupełnia świeżą porcją pożywki, utrzymując w fermentorze stałą jej objętość.

3. Półciągłe metody fermentacji (ang. Semicontinuous fermentation) polegają na długotrwałym wykorzystaniu potencjału biosyntetycznego drobnoustrojów przez okresowe odbieranie części środowiska znajdującego się w fermentorze i wprowadzenie równoważnej ilościowo porcji świeżej pożywki. Zachowując aseptyczne warunki oddzielania biomasy od cieczy pohodowlanej, uzysnaką biomasę można użyć jako inokulum do następnego procesu. Zawracając oddzielną biomasę do fermentora, z którego ją wydzielono, uzyskuje się modyfikację metody półciągłej, zwaną metodą zwrotnego wirowania, dzięki której można dwukrotnie zwiększyć wydajność z danej objętości fermentora

4. Metoda fermentacji ciągłej (ang. Continuous fermentation) polegająca na stałym odbieraniu podłoża fermentora i stałym uzupełnianiu (w równoważnej ilości stała objętość) świeżą pożywką

Korzyści stosowania enzymów w produkcji żywności

Przemysł spożywczy
- Ulepszona żywność - Witaminy - Kultury posiewowe i zakwasy - Dodatki smakowe - Wielocukry - Enzymy

- W przemyśle stosowana jest biała biotechnologia. Wykorzystuje ona żywe kom. np. pleśni, drożdży czy bakterii oraz enzymy do wytwarzania nowych produktów i inicjowania procesów przetwórczych. Mikroorganizmy wykorzystywane w białej biotechnologii są zwykle zmodyfikowane przy zastosowaniu inżynierii genet. Ulepszane w ten sposób kom. mikroorg. pracują jako komórkowe fabryki w bioreaktorach produkując np. liczne enzymy. W przemyśle spożywczym biotechnologia wykorzystywana jest do ulepszania żywności, produkcji witamin, kultur podstawowych i zakwasów. W przemyśle chemicznym wykorzystywana jest w katalizie enzymatycznej, bioenergetyce, biotransformacjach, bioplastiku.

Wykorzystanie procesów fermentacyjnych w produkcji żywności

Fermentacja – utlenienie związków organicznych bez udziału tlenu atmosferycznego, gdzie akceptorem wodoru są związki organiczne. Fermentacja może być

• Beztlenowa (alkoholowa, mlekowa, propionowa, masłowa)

• Tlenowa, czyli utleniająca (octowa, cytrynowa)

Fermentacje „dzikie” – zachodzą żywiołowo pod wpływem różnych gatunków drobnoustrojów

Fermentacje właściwe (szlachetne) – wywołane przez określony gatunek drobnoustrojów wprowadzany do środowiska w postaci czystej kultury (szczepionki)

Produkty fermentacyjne: kapusta kwaszona, ogórki kwaszone

Kwaszenie warzyw przez zastosowanie fermentacji mlekowej - utrwalanie jest spowodowane rozwojem bakterii fermentacji kwasu mlekowego.

Produkty kwaszone: sok z buraka ćwikłowego, sok z buraka i selera, sok z kapusty i marchwi, sok z ogórka, sok z selera, sok z marchwi, kapusta kwaszona, przecier z ogórka kwaszonego

Kwaszenie jest jedną z najstarszych metod konserwowania warzyw. Soki kwaszone oraz kwaszonki zachowują wiele cennych składników odżywczych zawartych w surowcach. W porównaniu z surowcem charakteryzują się:

• Wysokimi walorami smakowymi

• Stosunkowo wysoką zawartością witaminową (proces kwaszenia stabilizuje witaminę C i prowitaminę A)

• Pozytywnymi cechami zdrowotnymi, ponieważ bakterie fermentacji mlekowej nie wytwarzają związków szkodliwych dla zdrowia, a ich metabolizm hamuje rozwój bakterii patogennych

• Niską kalorycznością gotowego produktu i wysoką trwałością

Kwaszenie polega na fermentacyjnej zamianie cukrów na kwas mlekowy, który obniża pH środowiska i jednocześnie sam w postaci niezdysocjowanej jest inhibitorem wzrostu wielu drobnoustrojów. W wyniku fermentacji i gromadzenia się kwasu pH spada poniżej 4,2-3,5

W kiszeniu konieczne jest minimum cukrowe – najmniejsza zawartość cukru w suchej masie surowca pozwalająca na otrzymanie w wyniku fermentacji mlekowej takiej ilości kwasu, aby pH wynosiło 4,2. Takie pH zabezpiecza kiszonki przed rozwojem bakterii gnilnych i masłowych.

Kapusta

1. Oczyszczanie kapusty – usunięcie zabrudzeń, uszkodzeń

2. Szatkowanie kapusty – paski o grubości kilku milimetrów – ułatwienie wydzielania z niej soku

3. Napełnianie pojemników

- Warstwy poszatkowanej kapusty układane

- Ubijanie w beczkach

Dodatek: 2-3% NaCl

• Ułatwia wydzielanie soku z poszatkowanej kapusty poprzez różnicę ciśnienia osmotycznego w tkance kapusty i w roztworze soli

• Zmienia strukturę wewnątrz tkanek

• Tworzy smak i zapach

• Hamuje rozwój mikroorganizmów

Wpływ tanin i fitoncydów – na rozwój mikroflory oraz nadanie smaku i zapachu

Dodatki: liście chrzanu, wiśni, dębu, marchew – mają ukierunkować proces fermentacji, nadać smak i zapach produktowi. PH świeżej kapusty = 6,5

Fermentacja (etap pierwszy): 20^oC, 2-3% NaCl, 5 dni, pH 4

Ziarniaki gazujące: Leuconostoc mesenteroides, Lactococcus lactis

• Wytwarzanie dwutlenku węgla („burzenie się” soku), estry i kwasy: masłowy, propionowy, bursztynowy, octowy

• Lactobacillus brevis, Lactobacillus plantarum, Lactobacillus pentoaceticus

Fermentacja (etap drugi) 10-16 dni, 15^oC, pH 3,5

Fermentacja (etap trzeci)

• Spowolnienie procesu fermentacji (dofermentowanie)

• Wytwarzanie kwasu mlekowego i octowego (Lactobacillus brevis)

Kwaszona kapusta zawiera:

• Kwas mlekowy 1,5%

• Kwas octowy 0,3%

• Alkohol etylowy 0,4%

• pH 3,4-3,5

Skład chemiczny prawidłowo ukwaszonej kapusty:

• Kwas mlekowy (kwasy nielotne) 1-1,3

• Kwas octowy (kwasy lotne) 0,2-0,3

• Alkohol 0,5-0,6

• Cukier 0-0,2

• Związki azotowe 1,5

• Sól kuchenna 2-2,5

• Części nierozpuszczalne 2,5-4

• Sucha masa 10-12

• Witamina C (mg/100g) 20-30

Wady kapusty:

• Niska kwasowość kapusty kiszonej powodowana niską temperaturą fermentacji, małą zawartością cukru, niewłaściwym składem mikroflory

• Duża kwasowość spowodowana nadmiernym odfermentowaniem cukru

• Ciemnoszara barwa powodowana kontaktem z tlenem atmosferycznym

Ogórki

1. Mycie ogórków

2. Upakowanie w kontenerach

3. Zalanie solanką 8% NaCl

4. Fermentacja

- Sól dyfunduje do wnętrza ogórków

- Sole mineralne, białka, sacharydy zawarte w ogórkach przechodzą do solanki

- Maleje ciśnienie osmotyczne

- Wytworzenie się środowiska do rozwoju mikroflory kwaszącej

Etapy fermentacji:

• Wytwarzanie gazów H₂ i CO₂ (Enterobacter)

• Wytwarzanie alkoholu etylowego i CO₂

• Wytwarzanie kwasu mlekowego: Leuconostoc mesenteroides, Lactobacillus brevis, Lactobacillus plantarum. Bacillus mesentericus (utrata jędrności ogórków), biało-kremowa warstwa na powierzchni (drożdże i pleśnie)

Kwaszenie innych warzyw i owoców: buraki ćwikłowe, pomidory, jabłka, grzyby

Procesowi kwaszenia można poddawać surowce zawierające

• Węglowodany

• Substancje azotowe (białkowe)

• Składniki mineralne

• Mające niezbyt dużą kwasowość (pH mniej 3,6-3,8)

PRZEMYSŁ PIEKARSKI

Technologie fermentacyjne przemysłu piekarskiego

- Fermentacja mlekowa – celem jest zakwaszenie ciasta

- Fermentacja alkoholowa

• Nadaje porowatą strukturę ciasta przez drożdże Saccharomyces cerevisiae

• Celem jest spulchnianie ciasta przez wytworzony di tlenek węgla, który w postaci pęcherzyków nadaje mu strukturę gąbczastą (zwiększa objętość ciasta)

Ciasta żytnie i mieszane – zachodzi fermentacja mlekowa i alkoholowa

Fermentacja jest procesem samorzutnym, wywołanym przez drobnoustroje zawarte w mące

1. Mąka z wodą w temperaturze 25-30^oC

2. Ukwaszenie ciasta, obniżenie pH selekcjonuje mikroorganizmy (zakwas)

3. Proces jest wspomagany przez kolejne dodanie wody i mąki (tzw odświeżanie ciasta)

Po 30 godzinach od rozpoczęcia procesu w cieście jest około 40% gatunków bakterii wprowadzanych z mąką, a po kolejnych 24 godzinach – 10%.

W celu wyselekcjonowania drobnoustrojów – mieszamy ciasto, w celu usunięcia metabolitów hamujących rozwój i dostarczamy mąkę.

Bakterie uczestniczące w ukwaszaniu ciast żytnich to bakterie Lactobacillus=

Dodawane bakterie i drożdże są nazywane zakwasem (kultury starterowe)

Na jakość wpływa

• Konsystencja – im jest luźniejsza, tym szybszy przebieg procesu

• Temperatura – decyduje o szybkości procesu, ukwaszaniu ciasta i fermentacji alkoholowej

Fermentacja

• Samoczynna – przebiega pod wpływem drobnoustrojów znajdujących się w mące

• Końcowa (rozrost) – po uformowaniu ciasta

Ukwaszanie ciasta żytniego (prowadzenie ciasta)

1. Zaczątek (zakwas) – faza o największym ilościowym nasyceniu drożdżami i bakteriami kwasu mlekowego. Charakteryzuje się strukturą o najmniejszej liczbie porów

2. Przedkwas – faza, w której następuje ożywienie i rozmnożenie się drobnoustrojów, głównie drożdży, którym sprzyja luźna konsystencja ciasta i temperatura procesu 24-26^oC. Czas trwania fermentacji 5-9 godzin. Stuktura porowata i luźniejsza konsystencja

3. Półkwas – faza rozmnażania drożdży i bakterii kwasu mlekowego w temperaturze 26-28^oC, 5-6 godzin. Półkwas ma strukturę gąbczastą, konsystencję średnio ścisłą

4. Kwas – faza kontynuacji rozwoju bakterii i drożdży z przewagą drożdży, temperatura 28-30^oC przez 3 godziny. Kwasy sporządzane z mąki wyższego wyciągu (ciemniejszej) należy fermentować w temperaturze wyższej. Struktura kwasu jest gąbczasta o równomiernych i dość dużych porach, średnio ścisła konsystencja, smak i zapach winno-kwaśny

5. Ciasto – jest fazą słabego nagromadzenia się drobnoustrojów i dużego zakwaszenia środowiska. Ciasto o dobrych właściwościach posiada taką ilość kwasu, aby ciasto zawierało 50% mąki zawartej w cieście? Ciasto na pieczywo ciemne zakwasza się mniej. Do kwasu dodaje się wodę o temperaturze 29-31^oC. Po dodaniu soli, mąki, ciasto miesza się i poddaje się ponownej fermentacji trwającej około 20-30 minut

Ciasto ma strukturę gąbczastą, o drobnych cienkościennych porach i konsystencję dość ścisłą

Ciasto pszenne – do jego spulchniania stosuje się drożdże. Otrzymuje się dwoma metodami

1. Bezpośrednią (jednorazową)

Zachodzi tu fermentacja alkoholowa i mlekowa. Przygotowuje się podmłody (rozczynu), proces polega na wymieszaniu mąki, wody, drożdży i poddaniu ciasta fermentacji alkoholowej. Czas fermentacji 1,5-3 godziny

Ciasto poddaje się przebijaniu w celu usunięcia z niego dwutlenku węgla i par alkoholu

1. Pośrednią (dwufazową) – polega na przygotowaniu podmłody (rozczynu) i wymieszaniu jej z mąką. Tworzy się gluten (wiąże wodę 70-200% suchej masy glutenu), tworzy strukturę szkieletową. Tak wytworzone ciasto poddaje się fermentacji alkoholowej przez drożdże, w temperaturze 30^oC

Podmłodę przygotowuje się przez wymieszanie mąki, wody i drożdży, czasem cukru, soli mineralnych. Ciasto poddaje się fermentacji przez kilka godzin.