Wyjaśnij rolę drożdży w przemyśle spożywczym podaj przykłady ich zastosowania
Drożdże piekarnicze( rola: spulchnianie ciasta przez wytworzony w procesie fermentacji alkoholowej CO2, co ma decydujący wpływ na objętość i porowatość miękiszu chleba. Tworzenie smakowo-zapachowych cech chleba)
Drożdże gorzelnicze( rola: w wyniki fermentacji alkoholowej drożdże ( produkcja spirytusu) wytwarzają z cukrów alkohol etylowy oraz CO2)
Drożdże piwowarskie ( rola: produkcja alkoholu, substancji aromatycznych, obniżenie pH brzeczki)
Drożdże winiarskie (rola: fermentacja cukru do etanolu, odpowiadają za bukiet smakowo zapachowy wina)
W przemyśle mięsnym do neutralizacji kw. Mlekowego – lepszy smak produktów.
Drożdże kefirowe ( rola: zapewnienie prawidłowego przeprowadzenia procesów technologicznych podczas produkcji jogurtów, kefirów)
Do produkcji witamin
Do produkcji aminokwasów
Do produkcji lipidów
Zastosowanie drożdży jako probiotykow
Do produkcji ekstraktów drożdżowych ( w przemyśle spożywczym jako polepszacz smaku w produkcji różnych wyrobów o profilu mięsnym)
Rodzaje biotech: -czerwona – nowe formy zapobiegania, leczenia z użyciem nowej technologii
-zielona - manipulacja gen. Zwierząt i roślin
-biała – działania na rzecz przemysły
Dobór mikroorg. Stosowanych w biotechnologii-szczep zdolny do przeprowadzenia określonej reakcji lub produkcja określonego zw.:
Cechy mikroorg:
*niepatogenne, *nie wytwarzają toksycznych prod, *stabilne biologicznie, *łatwe w hodowli
GRAS – generalny recognized as safe – powszechnie uznane za bezpieczne, substancje zatwierdzone przez EDA, należą tu także: mikroorganizmy I substancje prod.przez mikroorg.
Skład chem drożdży:
Makropierwiastki [s.s]: C 50%, H 6, O 2%, N 8,5%, P 1,13%, K 2,07%
Mikropierw.: Cu 0,002%, Ca 0,035%, Mg 0,24%, Al. 0,0026%, Cl 0,02%, Fe 0,005%
Charakterystyka S. cerevisiae:
- wysoka zdolność ferm. Wielu cukrów (glukoza, sacharoza, galaktoza, melibioza, maltoza, rafinoza 1/3, nie ferm. Laktozy i trehalozy)
- rozwój w war.tlenowych (asymilują glukozę, sacharozę, maltozę, trehalozę, rafinozę)
- oporność na wys.stęż.alko. i cukru
-auksotrofizm szczepów przemysł. (org., które w wyniku mutacji straciły zdolność do samodzielnej syntezy skł.)
Charakterystyka drożdży piekarskich z pkt widz. fizjologii kom.:
-wysoka właściwa szybkość wzrostu i aktywność w procesie glikolizy
-zdolność do adaptacji do szybko zmieniających się substr. W pożywce hodowlanej,
- wys. Akt. Inwertazy, alfaglukozydazy, betafruktofuranozydazy (szybka ferm. ciasta)
-zdolność do wzrostu i syntezy enzymów i koenzymów w war. Tl. i beztl.
Rozmnażanie S. cerevisiae: wegetatywnie przez paćzkowanie wielobiegunowe, generatywnie (płciowo), opt.temp.wzrostu 25-32st C, pH 4,5-5
Fazy namnażania: spoczynku (lag-faza lub faza zastoju), przyspieszenia (akceleracji), logarytmicznego wzrostu, opóźniona, stacjonarna, obumierania
Skład chem. Melasy: 20% woda, 80% s.s. (sacharoza ok 50%, niecukry ok 30% [związki min. 10%, zw. Org. 20% - substancje azotowe i bezazotowe], witaminy)
Opracowanie składu chemicznego podł.hodowlanego drożdży piekarskiech:
- Efekt PASTEURA
*war.beztl. – rozłożenie węglowodanów przez drożdże przy udziale kompleksu enzymów do alko i CO2 + ciepło; równianie Guy-Lussaca
*war. Tl. – tlen hamuje przebieg ferm. Alko. I przyrost biomasy kom.
glukoza+ tlen CO2+woda+energia
- UJEMNY EFEKT PASTEURA (CABTREE)
Zakłada, że w warunkach tlenowych np. w czasie hodowli drożdży piekarskich może tworzyć się alkohol. Dzieje się tak, jeżeli nie jest dostosowana ilość cukrów, do zdolności asymilacyjnych, drożdży. Wówczas mimo warunków tlenowych nadmiar cukrów jest zużywany przez drożdże do produkcji etanolu.
Skład podłoża hodowlanego: C:N:P = 50:8:1
C- w formie przyswajalnej (gł.melasa)
N-w formie aminokwasów lub jonów
P-w formie fosforanów kwasu fosforowego
- TEORIA FINKA – podczas namnażania biomasy 1/3 C w pożywce zużywana na procesy energetyczne, a 2/3 na przyrost biomasy
- TEORIA FOLKESA - podczas namnażania biomasy drożdżowej musi być odp stosunek azotu organicznego do nieorganicznego (azot org nie mniej niż 1/3 w stosunku do całkowitej ilości azotu; 2/3 może być w formie jonów amonowych)
Jakościowa charakterystyka drożdży piekarskiech:
Zawartość s.s. [%] | >27 |
---|---|
Białko ogółem [% s.s.] | 38 – 45 |
Fosfor jako P2O5 [% s.s.] | 2,5 – 3,0 |
Trehaloza [% s.s.] | 15 – 20 |
Glikogen [% s.s.] | 10 – 30 |
Tłuszcze [% s.s.] | 1 – 6 |
Czas podnoszenia ciasta, jako suma trzech pędów [min] | <120 (lub >1400 cm3 CO2 po 120 min) |
Trwałość w 35oC | Nie mniej niż 96 |
Białka – mają znaczący wpływ na trwałość drożdży piekarskich
Wzrost zawartości białka w biomasie komórkowej poprawia siłę pędną, ale pogarsza trwałość drożdży
Trehaloza – disacharyd zbudowany z 2 cząsteczek D – glukopiranozy połączonych wiązaniem 1→ 1)-α glikozydowym, cukier redukujący. Rola trehalozy w drożdżach:
Substancja zapasowa
Czynnik ochronny dla błon cytoplazmatycznych, szczególnie w czasie suszenia
Zwiększa stabilność białek i przeciwdziała termicznej ich inaktywacji
Przeciwdziała agregacji protein w podwyższonych temperaturach
Gromadzona w komórkach pod wpływem większego stężenia alkoholu w podłożu hodowlanym
Wpływa na zahamowanie pogorszenia siły pędnej drożdży w procesie przechowywania drożdży
Glikogen – polimer D – glukozy o strukturze podobnej do amylopektyn. Rola glikogenu:
Stanowi rezerwę cukrową komórki, zarówno w czasie adaptacji oddechowej, jak i w warunkach głodzenia
Zawartość powyżej 5% poprawia trwałość drożdży w procesie przechowywania
Rola drożdży w wytwarzaniu ciasta
Spulchnianie ciasta przez wytworzony w procesie fermentacji alkoholowej CO2 (objętość i porowatość miękiszu chleba – struktura gąbczasta)
Tworzenie smakowo – zapachowych cech chleba
W zależności od właściwości fizycznych, gluten klasyfikowany jest jako:
Mocny – powoli chłonie wodę, cechuje go zwięzłość, duża elastyczność, mała rozpływalność i rozciągliwość
Normalny
Słaby – chłonie wodę szybko, ma luźną i rozpływającą się konsystencję.
Drożdże jako surowiec do produkcji preparatów białkowo-mineralnych:
Bogate źródło białka (45-75%) o wysokiej wartości odżywczej
80% stanowi azot białkowy, 12 %- azot kw. Nukleinowych, reszta to wolne nukleotydy oraz inne związki azotowe niemające struktury aminokwasowej
Białko o dużej zawartości niektórych aminokwasów egzogennych np. ( lizyna 8,2 g (100g białka – S. cerevisiae, 7,1 /100g – C. utilis)
Współczynnik wydajności wzrostowej PER
C utilis 1,8 S. cerevisiae 2,0
Asymilacja magnezu i cynku przez komórki drożdży
W drożdżach:
Wyniki asymilowania jonów magnezu przez komórki drożdży z płynnego podłoża mikrobiologicznego wzbogaconego w 0,1% stężenia czystego pierwiasta wskazały ok. 2,5-krotnie zwiększenie ilości tego pierwiastka w zagęszczonej biomasie
Magnez w połączeniu z białkami enzymatycznymi i strukturalnymi drożdży jest łatwo przyswajalny z przewodu pokarmowego ludzi i zwierząt
Forma biopleksów powoduje, że jest wchłaniany w sposób charakterystyczny dla aminokwasów, peptydów i białek, a nie kationów
Kationy występując w formie związanej z białkami są znacznie mniej podatne na tworzenie nieprzyswajalnych związków z innymi składnikami żywności
W przypadku przedawkowania mniejsza szkodliwość
Stabilne w szerokim pH
Rola czynnika prebiotycznego i pro biotycznego
Biopleksy jako czynnik prebiotyczny i pro biotyczny
Oligomannany ściany komórkowej drożdży w środowisku wodnym przewodu pokarmowego pęcznieją tworząc lepką, półprzepuszczalną masę, która stanowi substrat dla bakterii kwasu mlekowego
Z kolei niektóre patogeny ( z rodzajów Salmonella lub Clostridium) nie potrafią metabolizować tych związków i unieruchomione w ich środowisku usuwane zostają z przewodu pokarmowego
Wada drożdży limitująca ich wykorzystanie w celach żywieniowych
Duża zawartość kwasów nukleinowych, które występują w połączeniach z białkami jako nukleoproteiny
Kwasy nukleinowe wywierające niekorzystny wpływ na zdrowie człowieka, gdyż powodują odkładanie kryształów kwasu moczowego w nerkach lub stawach, prowadząc do powstania bolesnych stanów chorobowych określanych jako dna moczanowa
Redukcja zawartości kwasów nukleinowych:
Wykorzystanie działania naturalnych nukleaz zawartych w ekstraktach komórek drożdżowych poprzez dobór optymalnych parametrów temp i pH działania tych enzymów
Inkubacja biomasy komórkowej drożdży w podwyższonej temperaturze z dodatkiem kilkuprocentowego NaCl lub KOH
Pozwala to na osiągnięcie redukcji poziomu zawartości kwasów nukleinowych w uzyskiwanych preparatach do ok. 2,0-2,6%
Ekstrakty drożdżowe
Koncentraty rozpuszczalnych składników komórek drożdży
Wyróżniamy:
Ekstrakty drożdżowe uzyskiwane w procesie autolizy – autoliza ty
Ekstrakty drożdżowe uzyskiwane poprzez użycie kwasów lub dodanie enzymów w celu zniszczenia struktur ściany komórkowej – hydrolizaty drożdżowe
Ekstrakty drożdżowe uzyskiwane poprzez dodanie znacznych ilości soli w celu zmiany ciśnienia osmotycznego komórek i ich rozerwania w procesie plazmolizy –
plazmolizaty drożdżowe
Porównanie AUTOLIZATÓW Z HYDROLIZATAMI:
Autolizaty: *Stanowią najczęstszą grupę produktów, *Są pozyskiwane przy użyciu metod ekstrakcji z żywych komórek
Hydrolizaty: *Zawierają duże ilości Na w wyniku użycia zasad do zobojętnienia kwasów stosowanych w procesie hydrolizy, *Są pozyskiwane w komórkach martwych
Zastosowanie ekstraktów drożdżowych:
W przemyśle fermentacyjnym jako substraty
W przemyśle spożywczym jako:
polepszacze smaku w produkcji różnych wyrobów o profilu męsnym, takich jak: koncentraty zup, sosów, mieszanek przypraw
modulatory cech funkcjonalnych żywności
składniki wzbogacające żywność w aminokwasy, witaminy i mikroelementy
w przemyśle farmaceutycznym – preparaty farmaceutyczne
w przemyśle kosmetycznym – komponenty kosmetyków
W przemyśle spożywczym stosuje się następujące preparaty pochodzenia drożdżowego:
ekstrakty drożdżowe – przy produkcji koncentratów spożywczych, mieszanek przyprawowych, przekąsek, wędlin, żywności gotowej do spożycia, żywności specjalnego przeznaczenia
izolaty i hydrolizaty białek drożdży – jako składniki odżywek dla sportowców i rekonwalescentów oraz dodatki modulujące cechy funkcjonalne i wzbogacające żywność
drożdże autolizowane – do produkcji koncentratów spożywczych, przekąsek, jako dodatki funkcjonalne do żywności oraz jako składnik podłoży mikrobiologicznych
glukan – jako składnik żywności funkcjonalnej, parafarmaceutyk oraz jako składnik powlekający i zagęszczający
bioemulgator – do produkcji majonezów, sosów sałatkowych, wędlin, pieczywa
Beta-glukan drożdżowy
biologiczne aktywny polisacharyd z grupy glukanów, o strukturze potrójnej helisy
pozyskiwany ze ścian komórkowych Saccharomyces cerevisiae
immunostymulator, czyli substancja która uaktywnia i wspiera naturalne mechanizmy obronne skóry
aktywuje procesy antyoksydacyjne w skórze – uodparnia ją na stres oksydacyjny i działanie innych niekorzystnych czynników środowiskowych
beta-glukan drożdżowy typu beta-1-3, jest substancją która wpływa na ochronę już istniejących komórek Langerhansa i stymuluje odbudowę ich liczebności
Komórki Langerhansa – stanowią populację komórek dendrycznych występujących w dolnych warstwach naskórka oraz nabłonkach przewodu pokarmowego, dróg oddechowych i moczowo-płciowych
Wady metody autolizy
Niskie uzyski ekstraktu
Problemy z wydzieleniem fazy płynnej od osadów komórkowych
Ubogi profil smakowy pozyskanego produktu jako polepszacza smakowego
Wysokie ryzyko zepsucia w wyniku działalności mikroorganizmów
Dobór surowca do autolizy
W przypadku drożdży piwowarskich musza się one charakteryzować:
Wysoką żywotnością
Wysoką jakością mikrobiologiczną
Niską zawartością pozostałości chmielowych i piwa oraz innych niepożądanych substancji stałych i rozpuszczalnych
Warunkiem wstępnym przeprowadzenia procesu autolizy jest odpowiednie przygotowanie surowca
Przygotowanie surowca do autolizy
Przeprowadzenie gęstwy drożdżowej przez sito wibracyjne o średnicy oczek 150-200 mikrometrów – usuniecie cząstek stałych i inne nierozpuszczalnych materiałów
Krótkotrwałe płukanie w obecności zasady sodowej - usunięcie substancji rozpuszczalnych np. związków goryczkowych
Autoliza
Może trwać od 15-60 h
Po zakończeniu ekstrakt jest oddzielany od składników nierozpuszczalnych i pozostałości komórek w fazie stałej
Dalsze zagęszczanie prowadzone w częściowej próżni i sterylizacja pozwalają uzyskać płynny ekstrakt lub gęstą pastę
Ekstrakty w postaci proszku sa otrzymywane poprzez suszenie płynnych form na wieży rozpływowej w niskich temp
W ciągu dalszego procesu poziomy temp są ściśle regulowane, aby zachować w stanie aktywnym wrażliwe na ciepłe związki
W czasie krótkotrwałej sterylizacji krytyczne temp zostają przekroczone w celu inaktywacji enzymów litycznych
Proces autolizy występuje kiedy gęstwa o s.m. ok. 15% jest utrzymywana w temperaturze 45-50 st. W czasie 24-36h i przy pH 5,5.
w warunkach autolizy kom drożdżowa w momencie wyczerpania wszystkich zasobów zaczyna obumierać
zachodzi stopniowa degradacja struktur komórkowych oddzielających od siebie poszczególne obszary cytoplazmy z jednoczesnym uwolnieniem enzymów proteolitycznych z wakuoli do obumierającej macierzy komórkowej
W pierwszym etapie enzymy są inaktywowane poprzez specyficzne dla nich inhibitory, które wiążąc się z nimi tworzą kompleksy (można to zauważyć, jeżeli proces jest prowadzony w środowisku, obojętnym, natomiast po obniżeniu pH do 5,0 następuje reaktywacja proteinaz YscA i YscB – mechanizm proteolitycznej inaktywacji związanych i specyficznych dla nich inhibitorów).
Proteinazy wakuolarne
są związane z niespecyficzną degradacją białek oraz peptydów
w normalnych warunkach zapewniają w obrębie wakuoli komórkowej odpowiednią pulę aminokwasów do syntezy nowych białek, trawiąc inne, niepotrzebne w procesach biochemicznych
po uwolnieniu w warunkach autolizy zaczynają trawić białka cytoplazmatyczne
Nukleazy
działają w podobny sposób
degradują RNA i DNA do polinukleotydów, mononukleotydow i nukleozydów
w dalszym ciągu procesu cząsteczki o niskiej masie molekularnej sa uwalniane na zewnątrz komórki
Otrzymywanie ekstraktów drożdżowych metodą plazmolizy
Jest procesem polegającym na zmianie ciśnienia osmotycznego komórek drożdżowych poprzez dodanie np. soli czy rozpuszczalników organicznych takich jak octan etylu, izopropanol
Może być prowadzona przez ok. 8 h w temp 50-60
Komórki drożdży znajdujące się w roztworze soli zaczynają tracić zawartą w nich wodę próbując wyrównać ciśnienie osmotyczne w stosunku do otaczającego medium. W takich warunkach zawartość komórki wydobywa się na zewnątrz i z czasem jest to przyczyną obumierania, co z kolei powoduje dalszą jej degradację
Zalety plazmolizy
Niezwykle opłacalna
Umożliwia otrzymanie produktów o wyższej jakości mikrobiologicznej
Wady plazmolizy
Ze względu na stosunkowo wysoką zawartość soli użycie tak otrzymanych produktów w przemyśle spożywczym jest ograniczone
CECHY drobnoustrojów używanych do biosyntezy białka:
Szerokie możliwości wykorzystania składników odżywczych
Odpowiedni skład biomasy
Szybki wzrost
Odporność na niekorzystne zmiany składu podłoża i warunki hodowli
Brak zdolności do wytwarzania substancji toksycznych
Brak zdolności do adsorpcji substancji toksycznych
Korzystne cechy technologiczne
Zalety SCP
Szybki wzrost drobnoustrojów
Bardzo wydajna biosynteza białka
Wysoka jakość białka
Możliwość przetworzenia produktów ubocznych ścieków i odpadów
Poprzez zmianę składu pożywki i parametrów hodowli można zmienić skład aminokwasowy białka
Do produkcji SCP wykorzystuje się:
n-alkany metan
tłuszcze roślinne olej palmowy, słonecznikowy, sojowy, rzepakowy
substancje odpadowe np. olej napędowy
Biosurfaktany
Związki amfifilowe, syntetyzowane przez niektóre drożdże po namnożeniu na pożywce z udziałem lipidów, węglowodanów, węglowodorów
Wytwarzanie występuje w fazie stacjonarnej wzrostu co sugeruje akumulacje tych związków jako wtórnych, dodatkowych metabolitów
Na ich wytwarzanie ma wpływ wiele czynników, takich jak źródło węgla, pH, temp, czy biodostępność substratów
Oprócz właściwości powierzchniowo czynnych, często wykazują aktywność przeciwdrobnoustrojową i przeciwnowotworową
Zapobiegają adhezji mikroorganizmów do różnych podłoży, dzięki czemu nie tworza się biofilny bakteryjne czy grzybowe
Od wielu lat są stosowane jako antybiotyki gdyż zabijają wiele różnych drobnoustrojów
Znane też są ich właściwości przeciwwirusowe
Mikrobiologiczne surfaktanty wywołują apoptozę
Stosowane są: *Przy produkcji żywności, *Przy wydobyciu ropy naftowej,*W przemyśle kosmetycznym i biomedycznym, *W ochronie środowiska, *W faramcji, *Stosowane jako antybiotyki
WITAMINY
Metodami biotechnologicznymi produkowane są w skali przemysłowej:
witamina B2 witamina B12 -karoten ergosterol
Saccharomyces cerevisiae (39-80 g B2/g s.s.)
Proces biosyntezy B2:
Namnożenie biomasy drożdży
Rozdrobnienie się
Autoliza w temp. 45-50o C, przy pH 6-6,5
Ekstrakcja witaminy alkoholem
Zagęszczenie wyciągu alkoholowego do 60% s.s.
Podstawowymi surowcami do biosyntezy ryboflawiny przy wykorzystaniu tych grzybów są:
wywar gorzelniczy, melasa,syrop kukurydziany, suszone drożdże, mleko odtłuszczone, mąka z nasion bawełny, mąka sojowa, białka zwierzęce,
mąka rybna.
Prekursory witaminy A
Związki z grupy karotenoidów, które w cząsteczce mają pierścień -jonowy (czyli przede wszystkim -karoten, z którego powstają dwie cząsteczki witaminy A)
Formy czynne witaminy A: retinol (wit. A1 ) i 3,4-didehydroretinol (wit. A2 )
Przemiana karetonoidów w witaminę A zachodzi w organizmie (błona śluzowa, wątroba)
Drobnoustroje zdolne do biosyntezy -karotenu
Aspergillus giganteus 0,17mg/g s.s.
Phycomyces blokesleeanus 0,55
Rhodosporidium diobovatum 0,70
Blakeslea trispora
Pożywka do syntezy -karotenu (uzysk 1g/dm3 podłoża)
Mielona kukurydza, mąka z nasion bawełny, oleje roślinne, melasa owoców cytrusowych, tiamina, oczyszczona nafta
Dodatek octanu, aminokwasów, a szczególnie –jononu w ilości do 1,8 g/dm3 znacznie intensyfikuje biosyntezę.
Wspólna hodowla szczepów Blakeslea trispora o zróżnicowanej płci powoduje 5-15 krotny wzrost biosyntezy -karotenu
Przemysłowa produkcja ergosterolu:
Szczepy drożdży:
S. cerevisiae, S. carlsbergensis, S. uvarum, Candida tropicalis,C. petrophilum, Szczepy przemysłowe:
S. carlsbergensis ATC 2345 (2,4%s.s.) Rhodotorula gracilis (2,7% s.s.) S. cerevisiae (3,9% s.s.)
Namnożenie biomasy
Wydzielenie biomasy z płynu pohodowlanego
Hydroliza kwasowa, enzymatyczna (enzymy proteolityczne) lub autoliza w temp. 450C
Ekstrakcja
Zagęszczenie
Kilkakrotna krystalizacja
Rozpuszczenie w rozpuszczalniku organicznym (alkohol etylowy, eter etylowy lub inny nie pochłaniający promieniowania UV)
Poddanie 0,5% roztworu ergosterolu izomeracji w aparatach ze szkła kwarcowego (warunki beztlenowe, naświetlanie falami o λ=275 – 315 nm)
Rafinoza – organiczny związek chemiczny z grupy węglowodanów będący trisacharydem zbudowanym z glukozy, fruktozy i galaktozy, według nomenklatury chemicznej nazywany jest galaktozylo-(1, 6)-glukozylo-(1, 2)-fruktofuranozydem o wzorze sumarycznym C18H32O16. W postaci uwodnionej krystalizuje, tworząc igły. Rozpuszcza się w wodzie i metanolu, jest nierozpuszczalny w eterze dietylowym. Występuje w wielu roślinach np. w nasionach bawełny, a w małych ilościach w burakach cukrowych i soi.
W czasie fermentacji drożdże zużywają węglowodany w określonej kolejności, najpierw monosacharydy (glukoza, fruktoza, mannoza, galaktoza), potem dwusacharydy (maltoza i sacharoza), a na końcu trójsacharydy (rafinoza, maltotrioza). Wynika to między innymi z wielkości nakładów energetycznych ponoszonych na ich transport do wnętrza komórki drożdży i asymilację. Głównym cukrem zużywanym przez drożdże jest maltoza.
DROŻDŻE WINIARSKIE:
- Drożdże dzikie: *słabe zdolności fermentacyjne, *tworzenie kożucha, śluzu, zużywanie alkoholu kwasów organicznych, * wytwarzanie niekorzystnych związków zapachowych
- Drożdże szlachetne - *wytwarzają alkohol 11-18%, *wysoka odporność na cukry, *produkty uboczne, które korzystnie wpływają na smak i aromat win, * odporne na SO2 i garbniki, * osiadają na dnie zbiornika po fermentacji
Ilość matko drożdżowej 2-10% zwykle 5%
Saccharomyces cerevisiae i Saccharomyces bayanus