CZĘŚĆ I.

1. Definicja Biotechnologii, dyscypliny naukowe tworzące biotechnologię. Główne obszary zastosowań.

BIOTECHNOLOGIA - integracja nauk przyrodniczych i technicznych w celu osiągnięcia zastosowania organizmów, komórek, ich części i molekularnych analogów do otrzymywania produktów i wykonywania usług.

DYSCYPLINY NAUKOWE TWORZĄCE BIOTECHNOLOGIĘ:

• Biologia komórki

• Biochemia

• Mikrobiologia

• Inżyniera (bio) procesowa

• Genetyka molekularna

• Biologia molekularna

GŁÓWNE OBSZARY ZASTOSOWAŃ BIOTECHNOLOGII (podać przykłady):

• Przemysł farmaceutyczny

• Przemysł chemiczny

• Przemysł żywnościowy i paszowy

• Przemysł fermentacyjny

• Środowisko i energia

• Diagnostyka medyczna

• Rolnictwo i ogrodnictwo

2. Klasyfikacja biotechnologii wg Unii Europejskiej. („kolorowe”)

KLASYFIKACJA BIOTECHNOLOGII W UE:

• Zielona biotechnologia (green biotechnology) głównie dla „rolnictwa” - m.in. GMO, enzymy i inne produkty otrzymywane przez biotechnologię.

• Czerwona biotechnologia ( red biotechnology) w ochronie zdrowia (antybiotyki, testy diagnostyczne, testy DNA)

• Biała biotechnologia (white biotechnology) biotechnologia przemysłowa i w ochronie środowiska np. otrzymywanie enzymów, opiera się głównie na bioanalizie i bioprocesach.

3. Kolejność prac badawczych i wdrożeniowych w opracowaniu procesu biotechnologicznego (12 punktów)

ETAPY PRAC BADAWCZYCH I WDROŻENIOWYCH W BIOTECHNOLOGII:

- opracowanie procesów

1. „screening” drobnoustrojów (izolacja, ocena przydatności, warunki przechowywania itp.). Aby opracować taki proces trzeba posiadać te drobnoustroje - należy je znaleźć albo kupić prawie gotowy szczep.

2. Określenie wstępnych warunków hodowli, (skład pasożyta, pH, temperatura, czas i sposób hodowli) wstępne prace izolowania produktu.

3. Ulepszenie szczepu przez mutacje lub genetycznie (proces równoległy z określaniem warunków) trzeba „zmusić” szczepy do zwiększonej produkcji. Uszkadza się te szczepy w taki sposób aby wytwarzały w nadmiarze pożądany produkt. Lub: Można przeszczepiać geny z jednego do drugiego szczepu w celu utworzenia nowej cechy i wzrostu wydajności szczepu kilkadziesiąt razy.

4. Optymalizacja warunków procesu (technologia laboratoryjna) ostatni etap laboratoryjny, stworzenie warunków i dobranie ich w taki sposób, aby szczep miał jak najlepsze warunki rozwoju.

5. Powiększenie skali - m.in. przez próby w tzw. skali pilotowej ( skala pośrednia między laboratoryjną a przemysłową)

6. Uruchomienie produkcji przemysłowej :

Główne problemy:

• Natlenienie środowiska

• Utrzymanie czystości mikrobiologicznej (jałowość) - aby nie było zakażeń innych drobnoustrojów

• Zmienność szczepów - szczepy ulepszone mogą samoistnie wracać do poprzednich gorszych warunków

• Wdrożenie

4. Główne etapy klasycznego procesu biotechnologicznego.

ETAPY PROCESU BIOTECHNOLOGICZNEGO (GOTOWEGO):

1. Etap przygotowawczy - przygotowanie aparatury i podłoża - sterylizacja (121*C- termiczne zabicie wszystkich drobnoustrojów w pożywce)

2. Namnożenie materiału posiewowego - tworzenie inokulum (materiał posiewowy, zaszczepka)

UWAGA! : ETAP 1 I 2 WYSTĘPUJĄ RÓWNOCZEŚNIE .

3. Proces hodowli produkcyjnej i biosyntezy - namnażanie komórek CENTRALNY ETAP !!!

4. Wydzielanie produktu - po zakończeniu hodowli za pomocą różnych metod operacji

5. Produkcja, konfekcjonowanie gotowych produktów (pakowanie, porcjowanie) - do formy handlowej

5. Metody hodowli drobnoustrojów przemysłowych.

METODY HODOWLI DROBNOUSTROJÓW PRZEMYSŁOWYCH:

1. hodowle powierzchniowe

1. na ciekłych podłożach

2. na stałych podłożach

2. hodowle wgłębne

1. okresowe

2. ciągłe

3. kombinowane/półciągłe

3. SSF - Solid State Fermentation - hodowle w stałym wilgotnym podłożu tzw. gruba warstwa.

CZĘŚĆ II

1. Co to są kultury starterowe.

KULTURY STARTEROWE - preparaty wyselekcjonowanych mikroorganizmów dodawanych do surowców żywnościowych w celu zapoczątkowania i prowadzenia fermentacji kontrolowanej, jednocześnie umożliwiające nadanie produktom właściwego smaku, zapachu, barwy i struktury. Np. drożdże

2. Przemysłowe wykorzystanie drożdży.

Przemysłowe wykorzystanie drożdży:

• przemysł piekarski

• przemysł gorzelniczy

• przemysł winiarski

• przemysł piwowarski

3. Przemysłowe wykorzystanie bakterii fermentacji mlekowej.

WYKORZYSTANIE BAKTERII FERMENTACJI MLEKOWEJ:

• Fermentowane produkty mleczarskie

• Fermentowane produkty owocowo-warzywne

• Fermentacja mięsa i ryb

• Napoje alkoholowe

• Kawa, kakao

• Sosy sojowe

• Fermentowane pieczywo

• Produkcja kwasu mlekowego

• Produkcja dekstranu

• Produkcja nizyny

• Produkty i preparaty probiotyczne

4. Surowce piwowarskie.

Surowce: słód, woda, drożdże, chmiel

5. Cel procesu słodowania.

SŁODOWANIE: proces przetwarzania ziarna zbóż, głównie jęczmienia w słód.

• Namnażanie ziarna do określonego poziomu wilgotności

• Kiełkowanie w wyniku którego struktura ziarna ulega zmianie, powstaje kompleks enzymów oraz kształtują się odpowiednie cechy aromatyczne.

• Utrwalanie

aby uruchomić procesy przemian, które roślina w przyrodzie przechodzi w trakcie wzrostu, a następnie zatrzymaniu tych procesów w określonym momencie, zgodnie z oczekiwanymi efektami.

6. Cel i istota procesu zacierania w piwowarstwie.

Celem procesu zacierania jest wykorzystywanie enzymów rodzinnych słodu do hydrolizy związków o dużych masach cząsteczkowych do form przydatnych w dalszych etapach technologicznych .

W czasie procesu zacierania składniki słodu przechodzą do brzeczki podlegając jednoczesnej konwersji do form przyswajalnych przez drożdże oraz istotnych podczas tworzenia cech fizyko - chemicznych piwa.

7. Przemiany chemiczne procesu fermentacji alkoholowej.

Proces fermentacji alkoholowej prowadzony jest przez drożdże, które przy dostępie powietrza i w obecności cukru bardzo dobrze rozwijają się.

Fermentacja alkoholowa polega na beztlenowym przekształceniu cukru na alkohol i dwutlenek węgla. Przebiega ona wg schematu:

Glukoza dwutlenek węgla + etanol

Fermentacja propionowa polega na beztlenowym rozszczepieniu kwasu mlekowego przez bakterie na kwas propionowy, kwas octowy, dwutlenek węgla i wodę.

Kwas mlekowy kwas propionowy + kwas octowy + dwutlenek węgla + woda

8. Charakterystyka drożdży piwowarskich.

DROŻDŻE PIWOWARSKIE:

Z technologicznego punktu widzenia drożdże browarnicze powinny charakteryzować się następującymi cechami:

• Szybkością wzrostu oraz wydajnością produkcji biomasy komórek zapewniającą trzykrotny przyrost biomasy w czasie propagacji.

• Zdolnością do prowadzenia szybkiej fermentacji brzeczki

• Dobrą stabilnością cech morfologicznych

• Uzdolnieniami flokulacyjnymi, właściwą szybkością osadzania się komórek

• Wytwarzaniem związków smakowych i zapachowych, warunkujących odpowiedni bukiet piwa

9. Cel procesu siarkowania w winiarstwie.

SO₂ (ogółem 200mg/l, wolny 40mg/l)

1. hamuje rozwój enzymów utleniających w moszczu (tyrozynaza, lakaza)

2. hamuje rozwój niepożądanych mikroorganizmów w moszczu i winie (dzikich drożdży, bakterii, pleśni)

3. wiąże aldehyd octowy w winie (powstaje podczas dojrzewania wina w wyniku chemicznego utleniania się alkoholu = zabezpiecza przed pogorszeniem się cech organoleptycznych)

W UE ustalono dopuszczalne całkowite stężenie SO2 oraz nakaz informowania na etykiecie wina o obecności nawet w stosunkowo niewielkim stężeniu 10mg/l.

Otrzymanie białego wina, bez siarki jest możliwe tylko z zielonych winogron.

10. Co to jest moszcz i jak się go otrzymuje.

MOSZCZ - świeżo wyciśnięty sok owocowy jako półprodukt w procesie wyrobu napoju docelowego: soku, napoju, wina, wina owocowego.

OTRZYMYWANIE MOSZCZU:

1) zbiór winogron 2) selekcja 3) schłodzeni winogron przed przerobem
4) odszypułkowanie i zgniecenie winogron 5) siarkowanie winogron podczas wstępnego przerobu 6 tłoczenie

Różnica technologiczna w winie białym i czerwonym:

• kolor (pochodzi od skórki winogrona) w zależności od tego jak długo miazga przebywa w procesie fermentacji to taki kolor wypłukuje się do moszczu.

Z czerwonych winogron można otrzymać białe wino !!!!

11. Charakterystyka drożdży winiarskich.

Szczepy drożdży winiarskich przeznaczone do produkcji powinny charakteryzować się:

• krótkim okresem adaptacji do środowiska moszczu i szybkim zafermentowaniem

• intensywną fermentacją o prawidłowym przebiegu

• produkcją etanolu do wymaganego poziomu

• wytwarzaniem produktów ubocznych fermentacji decydujących o właściwym smaku i aromacie wina

• małą wrażliwością na niskie pH środowiska fermentacyjnego i wysokie stężenie kwasów organicznych

• zdolnością do fluktuacji i szybkiego osadzania się po zakończeniu fermentacji co umożliwia szybkie klarowanie wina

12. Przebieg procesu fermentacji alkoholowej w technologii winiarskiej.

FAZY FERMENTACJI:

1. Faza adaptacyjna - drożdże przyzwyczajają się do warunków

2. Faza dynamicznego wzrostu drożdży - spadek cukru, dostęp tlenu

3. Faza …. - spadek cukru, ustabilizowany spadek biomasy, nie ma dostępnego tlenu, emisja dwutlenku węgla

4. Faza zaniku fermentacji

13. Surowce przemysłu gorzelniczego.

Surowcami do produkcji alkoholu etylowego mogą być wszystkie produkty, które zawierają sacharydy. Najczęściej stosuje się te, które zawierają monosacharydy lub skrobię. Należą do nich surowce roślinne, takie jak:

• ziemniaki

• zboża

• buraki cukrowe

• kukurydza

• okopowe rośliny pastewne

• surowce przemysłowe: melasa

• odpady przemysłu celulozowego (ługi pocelulozowe)

• odpady przemysłu owocowo-warzywnego

• odpady przemysłu młynarskiego

14. Istota procesu zacierania w gorzelnictwie.

W zacieraniu skrobi skleikowanej biorą udział 3 enzymy:

• α-amylaza rozkłada skrobię do dekstryn

• β-amylaza rozkłada skrobię do maltozy i glukozy

• amyloglukozydaza rozkłada skrobię do glukozy

Działanie β-amylazy: Ziarna skrobi są zbudowane z amylazy i amylopektyny. Jedna spiralna drobina amylozy zawiera 400-1000 cząsteczek glukozy. Natomiast drobiny amylopektyny są większe i zawierają do 6000cząsteczek glukozy.

15. Przebieg procesu fermentacji alkoholowej w technologii gorzelniczej.

Przeciętny czas trwania fermentacji wynosi 48-72h. W czasie fermentacji wyróżniamy 3 fazy procesu:

1. Zafermentowanie (6-18h) zacier zawiera dużo tlenu oraz sacharydów, drożdże zużywają sacharydy na rozmnażanie. Proces izotermiczny - wydziela się ciepło.

2. Fermentacja główna - etap trwa 12-18h, charakteryzuje się gwałtownym „burzeniem się” zacieru na skutek silnego wydzielania dwutlenku węgla.

3. Dofermentowanie - najdłuższy etap procesu fermentacji, który trwa 20-30h, dofermentowanie resztek sacharydów przez drożdże.

Po zakończeniu fermentacji zawartość alkoholu etylowego 10-12,5% (objętościowych), 8-10% (masowych).

16. Rola bakterii fermentacji mlekowej w piekarnictwie.

1. Kultury bakterii mlekowych nadają mące odpowiednie cechy wypiekowe oraz zapewniają prawidłowy przebieg i stabilność fermentacji ciasta.

2. Kultury bakterii mlekowych zapewniają właściwy kierunek fermentacji i powtarzalną, wysoką jakość i trwałość pieczywa, dzięki ograniczaniu wzrostu i mikroflory.

3. Zwiększają biodostępność składników mineralnych

4. Wykorzystanie kultur bakterii mlekowych o zdolnościach proteolitycznych ma wpływ na cechy lepko sprężyste ciasta gdyż szczepy proteolityczne powodują wzrost lepkości ciasta oraz zwięzłości miękiszu.

17. Rodzaje szczepionek mleczarskich.

Szczepionki typu N (O) przeznaczone do produkcji sera chedar, feta i innych serów bez oczek, o zwartej strukturze. W składzie tych szczepionek znajdują się szczepy niezdolne do fermentacji cytrynianów.

Szczepionki typu B (L) przeznaczone do produkcji twarogów, serów topionych i innych serów z niewielka liczbą oczek lub bez nich. W składzie tych szczepionek poza bakteriami Lactoocuss lactis znajdują się także aromatyzujące szczepy.

Szczepionki typu D o wysokiej aktywności aromatotwórczej przeznaczone szczególnie do produkcji śmietany. W składzie poza bakteriami kwaszącymi, znajdują się także szczepy odmiany diacetylactis.

Szczepionki typu BD (LD) przeznaczone do różnych mlecznych produktów fermentowanych (masła, sery twarogowe, półtwarde). W składzie tych szczepionek występują zarówno szczepy kwaszące (diacetylactis) .

18. Co to jest kefir?

KEFIR - pochodzi z Kaukazu, był przechowywany w workach skórzanych i beczkach - doprowadziło to do wytworzenia specyficznego zespołu mikroorganizmów koegzystujących w postaci tzw. ziaren kefirowych.

Zawiera:

- ok. 0,8-0,9% kwasu mlekowego

- 0,08-0,2% dwutlenku węgla

- niewielkie ilości etanolu

- różne aldehydy, ketony i inne kwasy organiczne nadające mu specyficzny smak

Ziarna kefirowe rosną w procesie produkcji kefiru, zwiększając swoją masę i mogą być używane kolejny raz w następnych fermentacjach.

19. Otrzymywanie jogurtu.

JOGURT - wg aktualnej technologii jest definiowany jako produkt końcowy hodowli szczepów jogurtowych rosnących w 40-45*C. Gotowy jogurt zawiera ok. 45-60% kwasu mlekowego co jest zgodnie z wymogami dietetycznymi. Zasadniczym składnikiem aromatu jogurtu jest aldehyd octowy (10-15mg/l). Dodatkowo pożądane jest niewielkie stężenie acetylu (0,5mg/l) , zapewnia to delikatny smak jogurtu.

Jogurt może być otrzymywany metodą termostatową (tzw. jogurt stały) lub zbiornikową (tzw. jogurt mieszany).

Etapy produkcji jogurtu:

1. podgrzanie mleka do temperatury 40-45 °C

2. normalizacja zawartości tłuszczu (uzyskuje się wyższą lepkość i stabilność jogurtu)

3. podgrzanie mleka do 60-65 °C i homogenizacja w 15-20 MPa (rozbicie kuleczek tłuszczowych)

4. pasteryzacja w 90 °C przez 5 minut lub w temp. 93-95 °C w czasie nie krótszym niż 5-15 sekund (likwidacji szkodliwej mikroflory, zwiększenia lepkości, zwięzłości i stabilności jogurtu)

5. chłodzenie do 42 °C

6. zaszczepienie mleka bakteriami

7. rozlew i inkubacja w odpowiednich temperaturach (czas ukwaszenia mleka zależy od składu, aktywności, ilości zakwasu i temperatury inkubacji)

8. zakwaszenie kwasem jogurtowym do pH ok. 4,6

9. schłodzenie do 4-7 °C w ciągu kilkunastu godzin (uwadnianie i pęcznienie białek oraz częściowa krystalizacja tłuszczu, co powoduje wzrost lepkości i jednolitości struktury jogurtu)

Surowcem do produkcji jogurtu jest mleko surowe. Dodatkami są mleko w proszku odtłuszczone, mleko zagęszczone odtłuszczone, zakwas jogurtowy oraz stabilizatory, którymi mogą być żele roślinne (alginiany, pektyny, karboksymetyloceluloza, skrobia) lub zwierzęce (żelatyna).

20. Produkcja wędlin fermentowanych.

W produkcji wędlin poddawanych dojrzewaniu z reguły wprowadza się tzw.:

• Łatwo fermentowane sacharydy np. sacharozę

• Trudno fermentowane sacharydy np. dekstryny

Zapewnia to obniżenie pH (ok. 4,8-5) na początku fermentacji kiełbas do poziomu hamującego rozwój bakterii proteolitycznych, nie ogranicza jednak wzrostu bakterii mlekowych. Proces fermentacji kiełbas suchych prowadzi się w temp. 15-26*C. Kiełbasy do smarowania (metka) są zazwyczaj fermentowane w 22-26*C a im wyższa temperatura tym bardziej można skrócić czas fermentacji. Powolne tempo fermentacji mlekowej w dalszym okresie dojrzewania jest korzystne szczególnie podczas produkcji bardzo wysokiej jakości suchych wędlin fermentacyjnych. Niższa temperatura jest korzystniejsza dla otrzymania produktów wysokiej jakości, poddawanych dojrzewaniu przez dłuższy czas.

21. Co to są bakteriocyny?

BAKTERIOCYNY - mechanizm bójczego działania bakteriocyny to tzw. mechanizm poracji membrany cytoplazmatycznej wrażliwych bakterii. Polega ona na powstawaniu kompleksów bakteriocyn z fosfolipidami lub glikoproteinami membran, w wyniku czego tworzą się kanały porównywalne do beczki bez dnia i wieczka. Przez tak wytworzone kanały zachodzi wyciek elektrolitów.

Np. Nizyna - polipeptyd złożony z 34 aminokwasów. Konserwuje, stabilizuje żywność.

22. Fermentacja surowców roślinnych - cele

Cele:

• Zahamowanie rozwoju lub zniszczenie drobnoustrojów niepożądanych

• Zahamowanie procesów oddechowych w tkankach

• Zahamowanie tkankowych oksydacyjnych procesów enzymatycznych powodujących np. utlenianie się witaminy C lub brunatnienie powierzchni.

• Zahamowanie hydrolitycznych procesów enzymatycznych, będących powodem nadmiernego mięknienia, rozpadu tkanek i niepożądanych zmian smakowo - zapachowych

---