Wykład 1.

BIOTECHNOLOGIA W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM

Biotechnologia - integracja nauk przyrodniczych i inżynieryjnych mająca na celu zastosowanie organizmów, komórek i ich części oraz analogów molekularnych do pozyskanie dóbr i usług

(wg. Europejskiej Federacji Biotechnologii)

Rodzaje biotechnologii:

• czerwona - nowe formy zapobiegania, leczenia z użyciem nowych technologii

• zielona - manipulacje genetyczne roślin i zwierząt

• biała - działanie na rzecz przemysłu

Dobór mikroorganizmów stosowanych w biotechnologii:

• wybór szczepu zdolnego do przeprowadzenia kreślonej reakcji lub produkcji określonego związku

Cechy mikroorganizmów:

• muszą być niepatogenne

• nie mogą wytwarzać toksycznych produktów

• muszą wykazywać stabilność biologiczną

• łatwe w hodowli

GRAS:

• generally regarded as safe - powszechnie uznane za bezpieczne

• substancje zatwierdzone przez FDA

• należą tu także:

• mikroorganizmy

• substancje produkowane przez mikroorganizmy

• żywność - substancja lub produkt przetworzony, częściowo przetworzony lub nieprzetworzony, przeznaczony do spożycia przez ludzi lub taki, do którego istnieje przypuszczenie, że będzie spożyty przez ludzi

• do żywności zalicza się także: wodę, napoje, gumę do żucia, każdą substancję włączoną w sposób zamierzony w skład żywności w czasie produkcji, przygotowania lub przetworzenia

Fermentacja alkoholowa:

• proces beztlenowy

• głównie drożdże

• w przemyśle znaczenie mają szczepy należące do rodzaju Saccharomyces

• bakterie Zymomonas mobilis

Drożdże szlachetne:

• produkują znaczne ilości alkoholu

• wpływają korzystnie na jakość końcową produktu

• wykorzystywane w przemyśle winiarskim, browarniczym, gorzelniczym, piekarskim

• Saccharomyces sensu stricto

Drożdże dzikie:

• produkują niewielkie ilości alkoholu

• wpływają negatywnie na jakość produktu

• niepożądane w przemyśle

Najwięcej alkoholu wytwarzają drożdże winiarskie - 16-18%

Fermentacja alkoholowa:

C₆H₁₂O₆ 2 C₂H₅OH + 2 CO₂ + 118,43kJ

180 2x46 2x44

100 51,1 49,9

praktycznie (90%W) 46g (58,3cm³)

C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O 2 C₆H₁₂O₆ 4 C₂H₅OH + 4 CO_{2 +} 236,86kJ

342 18 2x180 184 176

100g 53,8

praktycznie 48,4g (61,3cm³)

(C₆H₁₂O₅)n + n H₂O n C₂H₅OH + n CO₂

162 18 92 88

100g 56,8g

praktycznie 51,1g (64,8cm³)

5%= 5 cm³ czystego alkoholu w 100ml

Fermentacja alkoholowa charakteryzuje się:

• zmniejszenie suchej masy nastawu/ zacieru/ brzeczki

• obniżenie gęstości (czysty cukier 1,58g/cm³,alkohol 0,7894g/cm³)

• nieznaczny wzrost kwasowości spowodowany nagromadzeniem się CO₂ i uwalnianiem się kwasów organicznych

• produkcja alkoholu etanolowego z cukrem zachodzi w środowisku kwaśnym (pH ok. 4,5)

• przy pH ok. 8,5 - produkcja glicerolu

Piwo - napój otrzymywany w wyniku fermentacji alkoholowej brzeczki piwnej

Brzeczka - wodny wyciąg składników wyekstrahowanych ze słodu, chmielu lub przetworów chmielowych, z dodatkiem lub bez surowców niesłodowych

Podział piw według normy:

• utrwalone

• nieutrwalone

• bezalkoholowe

• jasne

• ciemne

• dalszy podział oparty jest na zawartości ekstraktu brzeczki podstawowej i zawartości alkoholu w % objętości

Surowce do produkcji piwa:

• jęczmień browarny - dwurzędowy

• jednolity odmianowo

• o ziarnach wyrównanych pod względem kształtu i wielkości

• jęczmienia wielorzędowego się nie używa

• Energia kiełkowania - procent ziaren, które w odpowiednich warunkach skiełkują po 3ech dobach (nie niższa niż 90%, dobrej jakości 95%)

• Konsystencja bielma - co najmniej 80% ziarna mączystego

Chmiel:

• Roślina dwupienna, wieloletnia, stosuje się żeńskie kwiatostany mające postać szyszek, zbierane w okresie dojrzałości technologicznej (listki szyszek są szczelnie zamknięte)

Obecnie stosuje się preparaty chmielowe:

• granulaty

• ekstrakty

Woda do produkcji piwa:

• musi spełniać wymagania dla wody pitnej

• musi posiadać właściwości technologiczne wpływające pozytywnie na przebieg procesu produkcji piwa

• pH powinno wynosić 6-7

• związki alkalizujące CaCO₃, MgCO₃, Na₂CO₃ w dużych ilościach niekorzystne, tworzą twardość węglanową

• związki zakwaszające CaSO₄, MgSO₄, CaCl₂, MgCl₂

Surowce niesłodowane:

• kukurydza

• sacharoza

• syropy cukrowe

• jęczmień

• ryż

Drożdże:

• liczne szczepy należące do gatunku Saccharomyces uvarum, S. pastorianum, S. cerevisiae

• w praktyce te szczepy dzieli się na dwie grupy:

• fermentacji dolnej - fermentują w niższych temperaturach (5-13°C) i pod koniec osiadają na dnie zbiornika (jasne piwa)

• fermentacji górnej - (15-25°C), a podczas fazy burzliwej zbierają się głównie w górnej warstwie tworząc kożuch (piwa ciemne i pszeniczne)

• wytwarzają 5-10% objętości alkoholu

Technologia produkcji słodu:

• przygotowanie jęczmienia lub innego zboża do produkcji - czyszczenie, sortowanie

• moczenie ziarna - ma na celu pobudzenie ziarna do intensywnych przemian biochemicznych przez doprowadzenie do jego wnętrza dodatkowych ilości wody

Szybkość wchłaniania wody przez ziarno zależy od:

• czasu moczenia - największa szybkość wchłaniania w pierwszym okresie - przekracza nawet 1%/h

• temperatury wody - stosuje się temperatury 10-12°C, ważne aby woda miała stale jednakową temperaturę

• dostęp tlenu - tlen wzrasta intensywność oddychania, brak tlenu zamiast oddychania normalnego zachodzi wytwarzanie alkoholi, kwasów, estrów; ziarno ma nieprzyjemny zapach, powstają huzary, gorsza ekstraktywność słodu

• grubość ziaren - powinna by jednakowa dla wszystkich ziaren

• zawartość białka - nie więcej niż13%

Podczas moczenia:

• początkowo są oddzielane „spływki”, zanieczyszczenia stałe, kurz, związki goryczkowe, garbnikowe, białkowe

• muszą być ograniczone procesy beztlenowe - mieszanie

• proces moczenia musi być równomierny dla wszystkich ziaren

• w Polsce powszechnie stosowane jest moczenie metodą powietrzno-wodną

• ilość wody pobranej przez ziarna w czasie moczenia nazywa się stopniem namoczenia

Słodowanie właściwe (kiełkowanie):

• proces sztucznego kiełkowania ziarna, w wyniku którego otrzymuje się słód zielony

• cele:

• wzbogacenie jęczmienia w enzymy celulolityczne, proteolityczne, amylolityczne

• nadanie odpowiednich cech aromatycznych

• zmiana struktury ziarna

Słodowanie:

• dostęp tlenu

• odprowadzanie CO₂

• stała temperatura

• mieszanie

Suszenie:

• cele:

• utrwalenie słodu

• obniżenie wilgotności

• usunięcie surowego zapachu słodu zielonego

• nadanie charakterystycznego smaku i zapachu

• wytworzone enzymy powinny być w pełni zachowane - mokry słód najpierw należy podsuszyć, potem poddać silniejszemu ogrzewaniu

• bezpośrednio po zakończeniu suszenia - usunięcie korzonków (mają ogonki, dużo białka i są higroskopijne)

Rodzaje słodów:

• jasny (pilzneński)

• ciemny (monachijski)

• słody specjalne (np. barwiący, karmelowy, palony)

Proces produkcji słód piwo:

chmiel

Słód kadź zacierna kadź filtracyjna kadź wrzelna wirówka wymiennik ciepła

Śrutowanie wysłodziny drożdże

tankofermentor - fermentacja

Śrutownie słodu:

• rozdrabnianie słodu

• cel - ułatwienie przejścia substancji ekstrakcyjnych do wody podczas procesu zacierania i zwiększenie powierzchni działania enzymów

• otrzymuje się: łuskę, gruby grys, drobny grys, mąkę

• na ilość ekstraktu wpływa głownie zawartość mąki i śrutu - pochodzą z bielma

• łuska - w czasie filtracji stanowi naturalny materiał filtracyjny

Zacieranie:

• cel - rozkład skrobi do cukrów prostych i dekstryn

• na oddziale warzelni

• proces rozpoczyna się zmieszaniem śruty słodowej z wodą o odpowiedniej temperaturze, w stosunku 1 część słodu na 4 części wody

• podczas zacierania w wyniku przemian enzymatycznych związki nierozpuszczalne przekształcają się w rozpuszczalne i przenikają do wody

• ekstrakt - wszystkie substancje przechodzące do roztworu

Roztwór zawierający ekstrakt to brzeczka.

Enzymy działające w czasie zacierania:

• hemicelulazy - rozkładają hemicelulozy i substancje gumowate, 40-50°C

• proteolityczne - rozkładają białka, 45-55°C

• amylolityczne - α i β-amylazy

α- amylaza:

• rozkłada długie łańcuchy skrobi

• dekstrynotwórcza

• optimum działania 70-75°C

• temperatura inaktywacyjna 80°C

• optymalne pH 5,6-5,8

• następuje rozpuszczenie kleiku skrobiowego, upłynnienie

β- amylaza:

• odszczepia maltozę nieredukującego końca łańcucha

• optymalna temp. 60-65°C

• temperatura niszczenia 70-75°C

• cukrująca - powstaje glukoza, maltoza, maltotrioza

• optymalne pH 5,4-5,5

Zawsze powstają dekstryny graniczne - wiązanie 1,6-glikozydowe

Zacieranie metodą infuzyjną:

• stopniowe podnoszenie temperatury w całej brzeczce i przetrzymywanie w określonych przerwach temperaturowych

• prowadzi się w kadzi zaciernej

Zacieranie dwuwarowe:

Warka- objętość, którą otrzymujemy w wyniku zacierania: 90l/rok/mieszkańca - średnio

Filtracja zacieru:

• cel - oddzielenie klarowne brzeczki od wysłodzin (młóta)

• wysłodziny - łuski, zarodki, substancje które nie przeszły do roztworu

• odbywa się na gorąco w kadzi filtracyjnej lub filtrze zaciernym (poniżej 80°C)

• filtracja w dwóch fazach:

• spływanie brzeczki przedniej - pozostają wysłodziny z zawartą w nich częścią ekstraktu wymywalnego

• wysłodziny wymywa się gorącą wodą - ługowanie (woda wysłodowana)

Gotowanie brzeczki z chmielu:

• nadanie cech smakowo - zapachowych

• zniszczenie enzymów

• zagęszczenie brzeczki

• wzrost zabarwienia brzeczki

• zakwaszenie brzeczki

• sterylizacja

• α- kwasy nadają goryczkę

• olejki eteryczne nadają aromat

• stosuje się granulaty i preparaty chmielowe

Przygotowanie brzeczki:

• w czasie gotowania brzeczki z chmielu powstają:

• osady gorące o wielkości cząstek 30-80 μm

• osady zimne o średnicy 0,5 μm

• po zakończeniu gotowania oddzielenie osadów

• schłodzenie brzeczki do temperatury nastawnej

• napowietrzanie (6-8 mg/dm³ tlenu)

Propagacja drożdży:

• cel - uzyskanie drożdży nastawnych zapewniających prawidłowy przebieg fermentacji i jakość piwa

Warunki:

• napowietrzanie

• brzeczka chmielowa

• odpowiednia ilość aminokwasów

• odpowiednia ilość związków mineralnych i mikroelementów

• warunki wykluczające rozwój niepożądanych drobnoustrojów

Liczba komórek drożdży - ok. 8x10⁷/cm³

Fermentacja:

Etapy:

1. stadium niskich krążków - namnażanie drożdży, oznaki zafermentowania po 20-25h, wydziela się CO₂ tworząc białą pianę, trwa 2-3dni

2. stadium wysokich krążków - maksymalne wydzielanie CO₂ i produkcja etanolu, obniżenie ekstraktu 1-1,5°BLG/dzień, lekka piana

3. stadium brunatnych krążków - wydzielanie żywic chmielowych, opadanie piany, kłaczkowanie drożdży, obniżenie temperatury

Leżakowanie piwa (dojrzewanie):

• następuje nasycenie piwa CO₂

• uzyskanie właściwego stopnia odfermentowania

• sklarowanie piwa

• wytworzenie właściwego bukietu smakowo-zapachowego

• pod koniec leżakowania wysokość ciśnienia wynosi zwykle 0,5 bara, ciśnieniowa do 1 bara

• temperatura od -1 do +1°C, może być poniżej -1°C

• czas leżakowania jest różny dla poszczególnych gatunków piwa, piwa jasne wymagają zwykle dłuższego okresu leżakowania niż piwa ciemne

Filtracja piwa - ziemia okrzemkowa:

• zatrzymanie zmętnienia od 0,1 μm

• powierzchnia do 20cm²/g

• nie sterylizuje

Pasteryzacja:

• zniszczenie drobnoustrojów

• inaktywacja enzymów

• przedłużenie trwałości

• zapewnienie bezpieczeństwa konsumentów

Sposób pasteryzacji:

1. w przepływie - przed rozlewem - temp. 68-72°C/ok.50sek.

2. w butelkach - łączny czas ok.1h, temp. 60-64°C/15-20min.

Rozlew:

• przeprowadzany jest pod zwiększonym ciśnieniem do butelek, puszek, kegów

• z opakowań usuwane jest powietrze za pomocą pary

• sterylizacja

• CO₂ - wtłaczany wypiera powietrze z butelek, wyrównuje ciśnienie do poziomu rozlewowego

• Wpływa piwo, które wypiera CO₂

• Po wpłynięciu piwa obniżenie ciśnienia w butelce do ciśnienia atmosferycznego

Stabilizacja piwa:

• zapobiega zmętnieniom i osadom

• kwas askorbinowy - stabilizacja koloidowa piwa przez wiązanie tlenu (przeciwutleniacz)

• preparaty żelu kwasu krzemionkowego - stosowane do poprawy stopnia klarowania i w małym stopniu do podwyższenia stabilizacji koloidowej piwa

• poliwinylopolipirolidon (PVPP) wiąże i usuwa polifenole

• preparaty żelu krzemowego

HGB (High gravity breving):

• wytwarzanie brzeczki ze znacznie wyższa zawartością ekstraktu niż to odpowiada wytworzonemu piwu (16-18°Blg)

Stosuje się:

• odpowiednie drożdże

• lepsze napowietrzenie drożdży

• napowietrzenie brzeczki

• dodatek soli stymulujących (Mg, Zn, aminokwasy)

• po fermentacji piwo jest preklarowne i klarowne

• następnie rozcieńcz się wodą

• korzyści ekonomiczne

Drożdże:

• ciśnieniowe

• odporne na wysokie stężenie cukru i alkoholu

Piwo bezalkoholowe:

• usuwanie alkoholu metodami membranowymi

• odwrócona osmoza

• dializa

• usuwanie alkoholu metodami termicznymi

• wyparki odpadowe

• destylacja próżniowa

• wysokowydajne wyparki próżniowe

• stosowanie metod umożliwiających wytwarzanie małych ilości alkoholu

Wykład 2.

WINO

• produkt otrzymywany w wyniku fermentacji alkoholowej owoców lub soku (moszczu) Vitis vinifera (winorośl)

Początki winiarstwa: Gruzja, Armenia

W Polsce - 500ha winnic - Zielona Góra, Kraków, Rzeszów, region przełomu Wisły

Zgodnie z obowiązującą ustawą wyróżniamy:

• fermentowane napoje winiarskie

• wyroby winiarskie gronowe

Wyroby winiarskie gronowe:

• określone w przepisach UE w sprawie wspólnej organizacji rynku

• produkowane wyłącznie z winogron z krzewów odmiany winorośli właściwej (Vitis vinifera) lub krzewów winorośli właściwej z innymi gatunkami należącymi do odmiany winorośl

Fermentowane napoje winiarskie:

• wino owocowe wzmocnione

• wino owocowe aromatyzowane

• wino z soku winogronowego

• aromatyzowane wino z soku winogronowego

• nalewka na winie owocowym

• aromatyzowana nalewka na winie owocowym

• aromatyzowana nalewka na winie z soku winogronowego

• napój winny owocowy lub miodowy

• aromatyzowany napój winny owocowy lub miodowy

• wino owocowe niskoalkoholowe

• aromatyzowane wino owocowe niskoalkoholowe

• cedry - soki jabłkowe fermentowane

• perry - soki gruszkowe fermentowane

Miody pitne:

• napoje o rzeczywistym stężeniu alkoholu 9-18% objętości

• otrzymywane w wyniku fermentacji alkoholowej wodnego roztworu miodu pszczelego (brzeczki miodowej)

• z dodatkiem ziół aromatycznych lub przypraw korzennych albo wyciągów ziół i przypraw

• z możliwością dodania alkoholu

• leżakowanie co najmniej 6m-cy (miód markowy)

• czwórniak - 1 objętość miodu + 3 objętości wody

• trójniak - 1 objętość miodu + 2 objętości wody

• dwójniak - 1 objętość miodu + 1 objętość wody

• półtorak - 1 objętość miodu + 0,5 objętości wody

Podział wyrobów winiarskich w zależności od zawartości i pochodzenia CO₂:

• spokojne - zawierają CO₂ znajdujący się pod ciśnieniem poniżej 1bara w temp. 20°C

• półmusujące - ciśnienie 1-2,5bara w temp. 20°C, po otwarciu butelki CO₂ uchodzi i powoduje perlenie napoju

• musujące - zawiera CO₂ znajdujący się pod ciśnieniem nie mniejszym niż 3bary

• CO₂ pochodzi z fermentacji alkoholowej

• Napoje gazowane (półmusujące, musujące) - CO₂ jest dodawany

Podział w zależności od zawartości cukru:

• Gronowe:

• wytrawne <4 g/dm³

• półwytrawne 4-15 g/dm³

• półsłodkie 15-45 g/dm³

• słodkie >45 g/dm³

• Owocowe:

• wytrawne <10 g/dm³

• półwytrawne 10-30 g/dm³

• półsłodkie 30-60 g/dm³

• słodkie >60 g/dm³

Podział w zależności od barwy:

• białe - od jasnosłomkowej z odcieniem zielonkawym do ciemnobursztynowej, ale bez odcienia czerwonego

• różowe - barwa od różowej do jasnoczerwonej

• czerwone - barwa od czerwonej do ciemnoczerwonej z ewentualnym odcieniem fioletowym

Produkcja wina:

1. wina gronowe

• soki (moszcz) lub miazga owocowa

• nie stosuje się dodatku cukru i wody (w większości krajów)

• zabiegi podwyższające zawartość cukrów w winogronach

2. wina gronowe białe

• są pozbawione szypułek i rozdrobnione

• z uzyskanej miazgi jest oddzielany tzw. samociek oraz sok z pierwszego tłoczenia uzyskuje się moszcz bardziej cierpki i gorszej jakości, przeznaczony na wina popularne lub do destylacji

• moszcz jest lekko siarkowany, następnie oddziela się cząstki miazg

• Winogrona ciemne po zgnieceniu zazwyczaj poddawane są fermentacji w miazdze - w skórce obecne są polifenole i barwniki.

Nastaw - mieszanina sporządzona przy użyciu całych lub rozdrobnionych owoców lub moszczów uzyskanych z owoców lub soków owocowych lub zagęszczonego soku owocowego, z dodatkiem wody, cukrów, pożywek, kwasów spożywczych

• nastaw na cydr

• nastaw na perry

• nastaw na wino owocowe

• nastaw na wino owocowe markowe

• nastaw na wino z soku winogronowego

Dodatek cukru:

• z reguły owoce inne niż winogrona zawierają zbyt niską zawartość cukrów dla uzyskania pożądanej zawartości alkoholu

• cukry na wytworzenie etanolu + cukry na słodycz

• powyżej 25% stężenia cukrów w nastawie mogą wystąpić trudności z zafermentowaniem

• przy produkcji win mocnych i słodkich cukier dodaje się w 2-3 porcjach

• w zależności od napoju - różne cukry

Przygotowanie nastawu/moszczu:

• regulacja kwasowości - pożądana kwasowość 5-8g/dm³

• zbyt kwaśne - rozcieńcza się wodą, miesza z mniej kwaśnymi moszczami lub stosuje się dodatek węglanu wapnia, ewentualnie bakterie fermentacji mlekowej

• o niskiej kwasowości - dokwaszanie kwasem cytrynowym, winowym lub jabłkowym

• dodatek związków azotowych - są pożywką dla drożdży. Stosuje się:

• fosforan lub ortofosforan amonu w ilości do 0,4g/dm³

• siarczany/dwusiarczany amonu w ilości 0,3g/dm³

• preparaty (odżywki) kompleksowe

Sulfitacja:

• konieczność informowania na etykiecie o SO₂ (E220)

• wina gronowe o kontrolowanej jakości do 400mg/dm³

• fermentowane napoje winiarskie mogą zawierać SO₂ do 200 mg/dm³

• stosuje się 5-6% roztwór H₂SO₃ (w postaci gazowej) lub sole kwasu siarkowego

• dodawany na kilku etapach produkcji wina

• konserwujące działanie w formie wolnej

• dawka SO₂ 60-100mg/dm³ nastawu

• w celu zahamowania wzrostu drożdży dzikich lub bakterii (głownie octowych)

Drożdże:

• po fermentacji osadzają się na dnie zbiornika

• odporne na garbniki

• odporne na SO₂

• wykazują zdolność tworzenia produktów ubocznych korzystnie wpływających na jakość wina

• odporna na stosunkowo wysokie stężenia cukrów

• w zależności od szczepu zdolne do wytwarzania 9-20% objętości etanolu

• stosowane szczepy drożdży zostały w większości wyizolowane z powierzchni owoców winogron, winiarni i win

• drożdże szlachetne - Saccharomyces cerevisiae, S. bayanus

Dodatek drożdży:

• drożdże suszone - w ilości 10-40g/hl, rozpuszcza się w lekko osłodzonej wodzie o temperaturze 30-35°C

• „metka drożdżowa”- namnożona czysta kultura drożdży w ilości 2-10% objętości nastawu (śr.5%)

Ze względu na powstawanie piany podczas fermentacji, zbiorniki fermentacyjne wypełnia się w ilości ok.80-85%

• temperatura rozpoczęcia fermentacji 15-20°C

• wina z ciemnych winogron - wyższe temperatury fermentacyjne

Fermentacja:

• zafermentowanie - następuje silny wzrost liczby komórek drożdży, zmętnienie drożdży oraz wydzielanie się CO₂. Na powierzchni pojawiają się skupiska grudek, które stopniowo przechodzą w pianę. Trwa 1-3dni

• fermentacja burzliwa - intensywnie wydziela się CO₂ oraz na powierzchni występuje mniej lub bardziej obfita piana. Gęstość moszczu stopniowo obniża się. Trwa ok.1-5tygodni

• dofermentowanie - przebiega w zwolnionym tempie. Łagodne wydzielanie CO₂ już bez pienienia. Trwa zwykle tym wolniej, im wyższe jest stężenia alkoholu i im niższa jest temperatura.

• Zachodzi stopniowe klarowanie się wina, po ok.1-3tygodniach od zakończenia fermentacji burzliwej przeprowadza się ściąganie wina znad osadu

Leżakowanie:

• początkowo wino w dalszym ciągu dofermentowuje - łagodne wydzielanie pęcherzyków CO₂

• w procesie leżakowania zachodzi harmonizacja smakowo - zapachowa, obniżenie kwasowości, wytrącenie się części nierozpuszczalnej (klarowanie). Prowadzi się okresowe ściąganie wina znad osadu

• optymalna temperatura leżakowania win owocowych wynosi 5-15°C dla win mocnych i słodkich może przekraczać 18°C

Rozlew wina:

• po pasteryzacji rozlew

• na gorąco, tj. w temperaturze 52-55°C, po zamknięciu chłodzenie butelek samoczynne

• na zimno w warunkach sterylnych

• po filtracji biologicznej - rozlew sterylny

Choroby win:

• zmiany wina powstałe w wyniku znacznego rozwoju drobnoustrojów, prowadzące do obniżenia jakości produktu

• tlenowe drożdże kożuchujące - Pichia, Hansenula, Candida

• są przyczyną tworzenia się kożucha - błonki

• mają zdolność rozkładania etanolu, glicerolu oraz kwasów organicznych wpływających niekorzystnie na smak i zapach wina

• obecne są w winach o zawartości etanolu do 12% objętości

• optymalna temperatura 24-26°C, nie występują <4°C i >34°C

• bakterie fermentacji octowej:

• utleniają etanol do kwasu octowego, który mogą dalej utleniać do CO₂ i H₂O

• pojawia się zapach kwasu octowego i jego estrów, następnie na powierzchni wina cienka błonka bakterii

• znoszą stężenie alkoholu do 16%, korzystne dla rozwoju stężenie alkoholu do 12%

• zawartość kwasów lotnych w winie w przeliczeniu na kwas octowy nie powinna przekraczać 1,3g/dm³

• bakterie fermentacji mlekowej: Oenococcus, Pedicoccus, Lactobacillus:

• przekształcają cukry do kwasu mlekowego i innych kwasów lotnych

• zmiana zapachu i smaku oraz utrata klarowności

• sprzyja rozwojowi bakterii - wysoka zawartość produktów autolizy drożdży, poniżej 3,3, hamuje rozwój bakterii. Wyższa zawartość alkoholu nie ogranicza występowania choroby

Zapobieganie rozwojowi niepożądanych drobnoustrojów:

• ilość SO₂ wolnego powinna wynosić w winach białych ok.25mg/dm³, w czerwonych ok.15mg/dm³

• temperatura fermentacji powinna wynosić do 26°C, a w przypadku czerwonych win gronowych max.30°C

• należy przestrzegać terminów ściągania wina znad osadu

• utrzymywać beczki i tanki całkowicie napełnione

Zmętnienia i osady:

• usuwanie niepożądanych cech smakowo - zapachowych oraz barwy - klarowanie węglem aktywnym

• metale (żelazo) - klarowanie żelazocyjankiem potasu

• barwnikowo - garbnikowe (polifenole, antocyjany) - głównie wina czerwone klarowane żelatyną, koreinianem potasu, albuminą, wychładzanie

• białkowe - wina białe gronowe i miody pitne, klarowanie butonitem oraz żelatyną w połączeniu z żelem kwasu krzemowego

• krystaliczne (wodorowinian potasu, tzw. kamień winny) - wina gronowe, klarowanie przez wychładzanie lub kwas metaninowy

Wina musujące:

• do wina (cuve) dodaje się syrop cukrowy (tirage liquer) oraz drożdże, butelki zamyka się

• fermentacja wtórna i samoczynne klarowanie - kilka miesięcy

• następnie butelki stopniowo doprowadza się do położenia szyjkami w dół dla osadzenia drożdży

• wino w szyjce zamraża się, usuwa się korek wraz z osadem drożdży i lodem

• ubytek wina uzupełnia się likierem cukrowym ekspedycyjnym (expidion liquer) z dodatkiem aromatyzującym, zatyka korek, drutuje

Champagne (szmpany) - rejon we Francji

GORZELNICTWO

• rozwój gorzelnictwa rolniczego w Polsce - XIX w.

• Aqavit - napoje spirytusowe aromatyzowane destylatem z roślin lub przyprawami korzennymi

• Okowita - od słowa aqua vita (woda życia)

• Na ziemiach polskich gorzelnie istniały już w XV w, - produkcja okowity

• Udokumentowane opisy aparatu do destylacji od III w. n.e.

• Spiritus vini - duch wina

Wódka:

• napój spirytusowy otrzymywany na drodze rektyfikacji alkoholu pochodzenia rolniczego lub filtrowania przez węgiel aktywny

• można nadawać właściwości organoleptyczne przez dodanie aromatów

Polska Wódka:

1. nie zawiera środków aromatyzujących ani barwników, a max poziom cukru nie może przekraczać 1g/l czystego alkoholu i max poziom alkoholu metylowego nie może przekraczać 20g/ml czystego alkoholu

2. zawiera naturalne środki aromatyzujące lub w szczególnych przypadkach barwniki, a max Poziom cukru nie może przekraczać 100g/l czystego etanolu

• wódka otrzymywana z ziaren zbóż lub ziarniaków uprawianych na terenie Rzeczypospolitej Polskiej, poddana procesowi fermentacji, destylacji, rektyfikacji do mocy co najmniej 96% obj., a następnie rozcieńczona wodą wyprodukowana i butelkowana na terenie Rzeczypospolitej Polskiej.

Cechy drożdży gorzelniczych:

• szybka (48-72h) fermentacja podłoży o stosunkowo wysokim stężeniu cukrów (14-16°Blg)

• odporność na stężenie alkoholu do 14%

• wysoka wydajność procesu

• odporność na temperaturę nawet powyżej 35°C

• wytwarzanie niezliczonej ilości produktów ubocznych

Ziemniaki:

• zawartość białka, błonnika i tłuszczów w suchej substancji ziemniaków jest w przybliżeniu stała i wynosi ok.5,75 - stała Maerchera

• zawartość skrobi + zawartość cukrów prostych = wartość skrobiowa gorzelnicza

• zawartość skrobi = wartość skrobiowa krochmalnicza

Skład melasy:

20%woda

100%

80% sucha masa

50% sacharoza 20% związki organiczne

ok. 10% substancje azotowe ok. 10% substancje bezazotowe

zawartość N wynosi ok.1,6% w tym: - 3% - substancje pektynowe i

- ²/₃ betaina produkty ich rozpadu

- ¹/₃ N przyswajalny głównie jako - 2,5% produkty rozpadu cukru

kwas glutaminowy i kwas asparaginowy - 1,5% kwasu inwertowanego

organicznego

W melasie stwierdza się obecność witamin: biotyna, kwas pantotenowy, inozytol, tiamina, pirydoksyna, amidy kwasy nikotynowego.

Parowanie (upłynnianie):

• cel - skleikowanie skrobi - skleikowana skrobia jest bardzo podatna na działanie enzymów amylolitycznych

• skrobia ziemniaczana kleikuje w temperaturze 55-65°C, zbożowa 60-80°C

• klasyczna technologia - proces pod ciśnieniem 0,4-0,6Mpa

• ciśnienie 0,4Mpa odpowiada temperaturze 151°C - karmelizacja cukrów

• rośliny okopowe ok.70-80% H₂O - działanie samej pary wodnej

• zboża ok. 13-15% H₂O - poddaje się działaniu wody i pary - 4% ilości wody w stosunku do skrobi

• w czasie parowania bulwy ziemniaków i ziarna zbóż pozostają w całości

• z chwilą wejścia do zacierni - raptowny spadek ciśnienia, rozerwanie tkanek

• uparowaną masę poddaje się działaniu enzymów amylolitycznych w celu rozłożenia nie ulegającej fermentacji skrobi do cukrów prostych i dwucukrów - zacier

• w technologii klasycznej + mleczko słodowe

• obecnie dodaje się preparaty enzymatyczne działające w temp.60-90°C

• zacier o gęstości 18-18°Blg ulega scukrzeniu w ok. 80%

Zacieranie:

Β -amylaza

• odszczepia maltozę od nieredukujacego końca łańcucha

• optimum działania 60-65°C, temp. niszcząca 70-75°C

• cukrująca - powstaje glukoza, maltoza i maltotrioza

α -amylaza

• rozkłada długi łańcuchy skrobi - dekstrynotwórcza

• optimum działania 70-67°C, temp. inaktywacyjna 80°C

Zimne zacieranie = bezciśnieniowe uwalnianie skrobi (BUS); temp. ok. 90°C, dodatek α -amylaz

Przygotowanie drożdży

• klasyczne - namnażanie na zacierze wzbogaconym w substancje aktywne, przyswajalne przez drożdże (przecierek)

• dla prawidłowego namnażania stosunek C:N:P powinien wynosić 50:8:1

• pH 4-4,5

• czas namnażania drożdży ok. doby

• coraz powszechniej stosuje się drożdże suszone

Fermentacja:

• przeważnie ok. 3 doby, dzieli się na 3 fazy:

• zafermentowanie

• fermentacja główna

• dofermentowanie

Wykład 3.

Po fermentacji uzyskujemy średnio 10-12% alkoholu.

Odfermentowany zacier, składniki:

• substancje nielotne tworzące suchą masę (4-11%), związki lotne: woda (77-90%), etanol (7-11%), kwasy lotne z parą wodną

• podczas fermentacji powstają produkty uboczne fermentacji (ok.1%), około połowy stanowi gliceryna, ponadto alkohol wyższe, kwasy organiczne, aldehydy, estry

• fuzle - alkohole wyższe, np. propylowy, izobutylowy, amylowy

• po fermentacji wydzielani spirytusu za pomocą destylacji

Destylacja - odparowanie cieczy i skraplanie wydzielanej pary:

• temperatura wrzenia czystego alkoholu - 78,32°C

• destylat jest mieszaniną alkoholu z wodą

• stężenia alkoholu w destylacie jest wyższe od destylowanej mieszaniny

• współczynnik lotności (K) - stosunek zawartości alkoholu w parze do zawartości alkoholu w roztworze

• za pomocą zwykłej destylacji nie uzyska się spirytusu o stężeniu wyższym od 97,2% obj.

Temperatura wrzenia roztworów wodno-alkoholowych

Temperatura wyliczona rzeczywista

• Najniższą temperaturę wrzenia 78,17°C wykazuje roztwór 97,2% obj. Etanolu i 2,8% obj. Wody.

• Spirytus o stęż.97,2% - mieszanina azotropowa

Aparat odpędowy jednokolumnowy:

• w wyniku odfermentowania zacieru otrzymuje się spirytus surowy (okowita, surówka) o mocy 88-94% obj.

• Spirytus surowy zawiera produkty uboczne w ilości ok.0,5% w stosunku do etanolu

• Produkty uboczne: aldehydy (octowy, propionowy, furfural), estry (mrówczan etylu, octan etanolu), kwasy organiczne (octowy, bursztynowy), fuzle

• Surówkę osusza się na drodze rektyfikacji - frakcjonowanej destylacji

Rektyfikacja:

• Spirytus przed procesem rektyfikacji rozcieńcza się wodą, dodaje NaOH i KMnO₄

• na początku destylacji wydzielają się związki organiczne mające temperaturę wrzenia niższą niż alkohol etylowy, np. aldehyd octowy, octan etylu (przedgon), K>1

• czysty etanol

• trzecia frakcja - związki mające temperaturę wrzenia wyższą niż alkohol - fuzle (niedogon), K<1

• po rektyfikacji - spirytus o mocy 96-96,5% obj.

• Wódka ziołowa z Niziny Północno - Podlaskiej aromatyzowana ekstraktem z trawy żubrowej:

• produkowana z polskich surowców na terytorium Rzeczypospolitej Polskiej wyłącznie na terenie Niziny Północno- Podlaskiej

• uzyskiwana z alkoholu etylowego pochodzenia rolniczego o zawartości alkoholu metylowego mniejszej niż 96,5%, z którego jest sporządzana wódka następnie poddawana aromatyzacji maceratem z trawy żubrowej na terenie Niziny Północno - Podlaskiej

• macerat - roztwór wodno-alkoholowy uzyskany z trawy żubrowej (Hierochloe odorata,

H. Australis); trawa zawiera kumarynę - nadaje aromat

Drożdżownictwo:

• drożdże piekarnicze należą do gatunku Saccharomyces cerevisiae

• drożdży do spulchniania ciasta używano od XVII w. - drożdże piwowarskie, potem gorzelnicze

• produkcja na skalę przemysłową od 1850r.

• Na początku XX w. Zaczęto wykorzystywać jako surowiec do produkcji drożdży melasę

Drożdże piekarskie:

• krótki czas regeneracji

• szybka adaptacja do różnych substratów

• wysoka aktywność enzymów hydrolizujących cukry

• zdolność do wzrostu w warunkach tlenowych i beztlenowych

• wysoka aktywność fermentacyjna

• nie mogą mieć ujemnego wpływu na smak i zapach ciasta

• trwałość drożdży handlowych w temp.20°C powinna wynosić do 30dni

Rola drożdży w wytwarzaniu ciasta:

• pulchnienie ciasta przez wytwarzanie w procesie fermentacji alkoholowej CO₂ (objętość i porowatość miękiszu chleba - struktura gąbczasta)

• tworzenie smakowo - zapachowych cech chleba

• dynamika fermentacji alkoholowej zależy od:

• aktywności drożdży

• temperatury procesu (28-32°C)

Melasa:

• dla prawidłowego rozwoju drożdży stosunek C:N:P = 50:8:1

• sacharoza: 47-51%, azot 1,7-2%, azot aminowy stanowi 0,06-0,28% - konieczny dodatek soli amonowych

• minerały: popiół węglanowy 7-11,5%, sole Mg i Ca 0,4-4%, wzbogaca się w sole Mg, Zn

• biostymulatory: biotyna, kwas pantotenowy - trzeba dodać

• niekorzystne dla drożdży związki karmelowe oraz huminowe, kwasy lotne, azotyny, SO₂

Przygotowanie melasy:

• rozcieńczenie wodą

• zakwaszenie H₂SO₄ do pH 4,7

• ogrzewanie parą do temperatury 80°C

• klarowanie poprzez wirowanie

• sterylizacja 165°C/60sek.

• Dodatek związków mineralnych

• Rozcieńczenie do wymaganej zawartości cukrów - brzeczka

Efekt Pasteura:

• w warunkach beztlenowych

C₆H₁₂O₆ 2C₂H₅OH + 2CO₂ + 118,43kJ

• w warunkach tlenowych przyrost biomasy drożdżowej

C₆H₁₂O₆ 6CO₂ + 2H₂O + 276,9kJ

• ujemny efekt Pasteura (Crabtree) - w warunkach tlenowych, jeżeli nie jest dostosowana ilość cukrów do zdolności asymilacyjnych drożdży, nadmiar cukrów jest zużywany do produkcji alkoholu etylowego

Produkcja biomasy drożdżowej - teoria Finka;

• zakłada, że węglowodany są zużywane: ¹/₃ na procesy energetyczne, ²/₃ na przyrost biomasy

• Ile drożdży uzyska się z 1kg melasy?

Sacharoza C₁₂H₂₂O₁₁ - 342g

48gC

C=144g

96gC 192g drożdży, D₁₀₀ (50%) jest w biomasie)

342g sacharozy 192g D₁₀₀

500g sacharozy x

x=280,7g D₁₀₀

280x4 = 1120g D₂₅ (drożdże świeże) ≈ ok.1kg

Komórki przyrastają w postępie geometrycznym, po „n” pokoleniach liczba komórek N=2ⁿ

Zakażenia w produkcji drożdży:

• Źródła zanieczyszczeń:

• Niewłaściwie wyjałowiona melasa, woda, powietrze

• Zły stan sanitarny pomieszczeń, urządzeń, linii technologicznych

• Niewłaściwie przechowywane opakowania

• Mikroflora

• Drożdże: Candida, Tromla, Pichia

• Bakterie: Bacillus subtilis, B. Careus, Lactococcus, Lactobacillus, Leuconostoc, Proteus, Pseudomonas

• Pleśnie: Aspergillus, Penicillum, Mucor, Geotrichum

Drożdże suszone:

• drożdże przeznaczone do suszenia powinny zawierać ok. 40% węglowodanów (w tym wysoka zawartość glikogenu i trehalozy), 40% białek, 20% tłuszczy i sole mineralne

• aby zachować siłę pędną temperatura suszenia nie może przekraczać 40°C (15-30°C)

• wilgotność drożdży suszonych ok.4-8%

• drożdże piekarskie, winiarskie, gorzelnicze, rzadko browarnicze

• suplement diety

• dodatek do paszy dla zwierząt

• składnik kosmetyków

Zastosowanie ekstraktu drożdżowego:

• składnik podłoży mikrobiologicznych

• dodatek do żywności (smakowy, zapachowy)

• produkt spożywczy

• suplement diety

• składnik kosmetyków

Dyrektywa nr 2003/30/EC w sprawie użytkowania biopaliw oraz innych odnawialnych paliw w transporcie:

• bioetanol - etanol produkowany z biomasy i/lub ulegającej biodegradacji części odpadów, do użycia jako biopaliwo

• biodiesel - ester metylowy produkowany z oleju roślinnego lub zwierzęcego o jakości oleju napędowego do użycia jako biopaliwo

• biogaz - paliwo gazowe produkowane z biomasy i/lub ulegającej biodegradacji części odpadów, które może być oczyszczone do jakości naturalnego gazu, do użycia jako biopaliwo

• biometanol - metanol produkowany z biomasy

• biodimetyloeter - dimetyloeter produkowany z biomasy

Raport w sprawie postępu w zakresie używania biopaliw i innych paliw odnawialnych w państwach członkowskich UE (2008/C44/10):

• udział biopaliw na rynku do 10% w 2020r

• przeciwwskazania dla biopaliw pierwszej generacji

• zboża przeznaczane na inne cele niż zaspokajanie potrzeb żywieniowych

• konkurencja między żywnością a paliwem

• wzrost cen zbóż na rynkach światowych

• wysokie koszty produkcji

• ograniczona wydajność (1t buraka=400l bioetanolu)

• wysokie zużycie wody i nawozów

• nie mogą być przesyłane rurociągami przeznaczonymi na paliwa naftowe

• w celu uzyskania 10% udziału biopaliw konieczne byłoby wykorzystanie w UE 18mln ha ziemi uprawnej

• obecnie powierzchnia upraw roślin energetycznych - ok.2,8mln ha

• do wyprodukowania 1l etanolu potrzeba 1000-4000l wody w zależności od rośliny i techniki produkcji

• do produkcji bioetanolu wykorzystuje się: kukurydzę, pszenicę, jęczmień, sorgo, ziemniaki, owoce, wytłoki, winogrona

• ETBE - eter etylowo-t-butylowy uzyskany w reakcji bioetanolu i izobutylenu

Wykład 4.

Produkcja etanolu z surowców ligninocelulozowych.

Metoda pośrednia:

• enzymatyczna hydroliza celulozy

• fermentacja

• hydroliza przebiega wolno - celobioza i glukoza akumulowane w środowisku hamują aktywność celulaz oraz zmniejszają szybkość i wydajność scukrzenia

Metoda bezpośrednia:

• enzymatyczna hydroliza celulozy i fermentacja cukrów przebiegają w tym samym reaktorze

• utrudnienie - różnica temperatur: hydroliza celulozy (45-50°C), fermentacja (28-35°C)

• Clostridium thermocellum, Monilia sp., Neurospora crassa, Peacillomyces sp.

Peacillomyces sp.:

• wyizolowane z gleby

• zdeponowany w ATCC (amerykańska kolekcja czystych kultur) w sierpniu 1985r.

• Temperatura fermentacji 20-42°C

• Optymalna temperatura fermentacji 30-37°C

• Możliwość fermentacji kilku cukrów jednocześnie

Produkcja ciast żytnich i mieszanych:

• proces samorzutny wywołany przez mikroorganizmy obecne w mące. Po dodaniu wody do mąki, w temp. 25-30°C zaczynają rozwijać się mikroorganizmy

• cel fermentacji - zakwaszanie ciasta, elastyczna struktura miękiszu oraz powstanie związków smakowo-zapachowych

• dodawana mieszanina bakterii i drożdży - zakwas lub kultura starterowa; stosunek bakterii kwasu mlekowego do drożdży powinien wynosić 100:1

• w zakwasie najczęściej występują: Lactobacillu plantarum, L. Brevis, L. Fermentum,

L. Sanfranciscensis

• Lactobacillus sanfranciscensis - wykazuje zdolność hydrolizy maltozy do glukozy oraz glukozo-1-fosforanu

• Drożdże - produkują CO₂

Fermentacja mlekowa:

C₆H₁₂O₆ 2 CH₃CHOH-COOH + 94,2kJ

180 2x90

Fermentację mlekową charakteryzuje:

• brak gazowania wskazuje na stałą masę

• niewielki spadek gęstości (sacharoza ciężar właściwy 1,58g/cm³, kwas mlekowy 1,25g/cm³)

• zmienny wzrost kwasowości

Gram⁺ - nieprzetrwalnikujące laseczki z rodzaju Lactobacillus

Gram^- - ziarniaki z rodzaju Lactococcus, Streptococcus, Leuconostoc, Oenococcus, Pedicoccus

Podział bakterii fermentacji mlekowej:

• bakterie homofermentatywne - produkują prawie czysty kwas mlekowy wykorzystując cukry proste i dwucukry; Lactococcus lactis, L. Plantarium, L. Acidophilis

• bakterie heterofermentatywne - wytwarzają oprócz kwasu mlekowego CO₂, kwas octowy, aldehyd octowy, alkohol etylowy, diacetyl. Fermentują heksozy, pentozy i rafinozę; Lactobacillus brevis, L. Fermentum, Leuconostoc mesenteroides

• bakterie pseudomlekowe - niekorzystne w produkcji piwa, wina. Powodują zmętnienie, nadają produktom nieprzyjemny smak, zapach; Pseudococcus

Naturalne środowisko występowania bakterii fermentacji mlekowej:

• mleko

• rośliny

• błony śluzowe oraz przewód pokarmowy człowieka i zwierząt

Kiszona kapusta:

• proces samofermentacji

• etapy produkcji

• szatkowanie kapusty

• dodatek soli w ilości 2-3% masy kapusty

• 
  ubijanie poszatkowanej kapusty

• dodatek kminku hamują rozwój

• ogórki - chrzan, czosnek liście dębu mikroorganizmów

Przyczyny psucia kapusty:

• wysoka temperatura ogranicza rozwój Leuconostoc mesenteroides

• dominują pałeczki Lactobacillus plantarum i L. Brevis

• nadmierna kwasowość kapusty - wady aromatu i smaku, ciemnienie kiszonki

• w warunkach tlenowych na powierzchni rozwijają się Condida, Mycoderma i Oospora lactis

• odkwaszenie produktu - zmiana smaku, zapachu, barwy

• obniżona kwasowość umożliwia rozwój bakterii gnilnych, które powodują całkowite zepsucie kiszonki

• niskie stężenie soli i zbyt wysokie pH (pow. 5,5)

• mikroorganizmy o aktywności pektynolitycznej i celulolitycznej (Bacillus menseteriues)

• utrata twardości, mięknięcie, powstają puste przestrzenie w ogórkach

• bakterie z grupy coli - dziury w ogórkach

• Bacillus nigricans - czernienie ogórków, efekt rozkładu białek i wydzielania H₂S

• Saccharomyces, Hansenula, Torulopsis - tzw., gazowe psucie, powstają duże ilości CO₂ i H₂

Oliwki:

• moczone w 1,6-2% roztworze NaOH (4-7h, 21-24°C) - usunięcie deuropeiny, hydroliza białek skórki

• oliwki czarne wcześniej w solance o stężeniu 5-7%

• płukanie

• fermentacja w roztworze 1-10% NaCl (ok.24°C, 2-3m-ce)

• kwasowość końcowa 1-1,3%, pH 3,8-4

Wyroby mleczarskie

• szczepionki (startery) - odpowiednio dobrane szczepy bakterii fermentacji mlekowej należące do rodziny Lactobacillus, Lactococcus, Streptococcus

Ponadto: Propionobacterium, Leuconostoc, Micrococcus, Brevibacterium

• dla niektórych produktów konieczny jest ponadto dodatek innych mikroorganizmów:

Oidium lactis, Saccharomyces kefir, Penicillium camambertii, P. Candidum, P. roquefortii

Funkcja szczepionek zależy od rodzaju produktu, główne zadania to:

• wytworzenie kwasu mlekowego i innych metabolitów nadających produktom cechy sensoryczne

• koagulacja białek mleka

• przyspieszenie syntezy mleka podczas produkcji serów

• tworzenie gazów

• przemiany proteolityczne (dojrzewanie serów)

• obniżenie zawartości laktozy

• hamowanie rozwoju mikroorganizmów niepożądanych

• przemiany zwiększające wartość odżywczą surowca

• nadawanie produktom cech dietetycznych i terapeutycznych (probiotyki)

Mleko zsiadłe:

• samorzutna fermentacja mleka

• w przemyśle - dodatek zakwasu (Lactococcus lactis subsp. Lactis, L. Lactis subsp. Cremonis, L. Lactis subsp. Diacetilactis)

Zakażenia:

• bakterie z grupy coli - podchodzenie skrzepu serwatką i rozrywanie skrzepu na skutek gazowania

• Oospora lactis - zmiany sensoryczne

Mleko acidofilne:

• otrzymuje się z mleka poddanego fermentacji kulturami Lactobacillus acidophilus bakterie te lepiej aklimatyzują się w jelicie grubym niż L. Delbruechi subsp. Bulgarcius zakwaszając treść jelita grubego i hamują rozwój bakterii gnilnych

Kefir:

• fermentacja mleka z tzw. ziarniakami (grzybkami) kefirowymi

• ziarna kefirowe - symbiotyczna forma współżycia bakterii i drożdży

• bakterie: Lactobacillus acidophilus, L. Kefiranofarieus, L. Casei, L. Kefiri, Lactococcus lactis, Streptococcus salivarius subsp. Thermophilus

• drożdże: Saccharomyces lactis, Candida kefir, Kluyveromyces lactis

• w skłąd ziaren wchodzą ponadto: polisacharyday, białko, tłuszcze

• kefir zawiera 0,8-1,2% kwasu mlekowego, 0,1-0,2% alkoholu oraz CO₂

Jogurt (mleko bułgarskie):

• tradycyjny - fermentacja mleka w temperaturze 43°C (Streptococcus salivarius subsp. Thermophilus, Lactobacillus delbruecki subsp. Bulgaricus)

• produkty przemysłowe - zwiększona zawartość mleka (dodatek mleka w proszku, białek mleka lub zagęszczone)

• ukwaszenie - do pH ok.4,7; trwa 4-5h, w temp. Trzydziestu kilku °C - kilkanaście godzin ale produkt o większej lepkości

• biojogurty, jogurty łagodne - fermentacja mleka przy użyciu szczepionek: Streptococcus salivarius subsp. Thermophilus, Lactobacillus acidophilus, Bifidobacterium

• produkt mniej kwaśny od tradycyjnego, ale bez charakterystycznego zapachu i posmaku aldehydu octowego

Probiotyki:

• 1907 Ilija Miecznikow zwrócił uwagę na długowieczność mieszkańców Bułgarii

• z języka greckiego „pro bios” - „dla życia”

• terminu po raz pierwszy użyto w 1965 - substancja produkowana przez pierwotniaki, które stymulowały wzrost innych organizmów

• 1974 - substancja dodawana do karmy, która ma korzystny wpływ na organizm zwierzęcia poprzez utrzymywanie równowagi mikrobiologicznej w przewodzie pokarmowym

• probiotyki - żywe organizmy dodawane lub obecne w produktach żywnościowych, mające korzystny wpływ na organizm gospodarza

• Żywność zawierająca bakterie probiotyczne, to żywność funkcjonalna - poza efektem odżywczym wywiera korzystny wpływ na określone funkcje organizmu lub redukuje ryzyko zachorowań

Cechy bakterii probiotycznych:

• żywotność w czasie procesu produkcji żywności i w okresie jej przechowywania

• zdolność przedostawania się w stanie żywym do jelita grubego

• osiedlanie się w jelicie grubym i rozmnażanie

• odporność na wysoką kwasowość soku żołądkowego

• odporność na kwasy żółciowe

• stabilność genetyczna

• korzystny wpływ na organizm gospodarza

Mikroorganizmy probiotyczne:

• liczba ich powinna być nie niższa niż 1x10⁶/cm³ produktu. Dawka dobowa min. 1-2x10⁹jtk

• efekt probiotyczny musi być potwierdzony badaniami klinicznymi

Mikroflora jelitowa:

• optymalny skład (eurobiosis):

• Enterococcus faecium - ok.45%

• Lactobacillus acidophilus - ok.15%

• Escherichia coli - <1%

• Inne - ok.33%

• Zaburzenia równowagi mikrobiologicznej (dysbiosis)

• E.coli - ok.15%

• Streptococcus faecium - ok.6%

• Lactobacillus acidophilus - brak

• Inne - ok.80%

• Łącznie ok.400 gatunków

Wpływ bakterii probiotycznych na mikroflorę przewodu pokarmowego:

• adhezja do śluzówki i w konsekwencji zmniejszenie adhezji bakterii patogennych

• neutralizacja enterotoksyn np. E.coli

• produkcja kwasów organicznych (mlekowy, octowy, propionowy, mrówkowy)

• wytworzenie H₂O₂

• produkcja bakteriocyn

Wpływ bakterii probiotycznych na organizm:

• zmniejszenie efektu nietolerancji laktozy

• redukcja poziomu cholesterolu we krwi

• aktywność antykancerogenna

• stymulacja systemu odpornościowego

• działanie przeciwalergiczne

• zapobieganie próchnicy zębów

• zapobieganie osteoporozie

• stymuluje produkcję witamin z grupy B

• zapobieganie i łagodzenie przebiegu biegunek

Prebiotyki

• składniki żywności nietrawione przez endogenne enzymy gospodarza, które mają zdolność stymulowania wzrostu mikroflory probiotycznej, np. insulina występująca w cykorii, szparagach, cebuli, topinamburze orz aligofruktoza uzyskiwana w wyniku częściowej hydrolizy skrobi

Symbiotyki

• zawierają zarówno pro- jak i prebiotyki

Produkty bakterii fermentacji mlekowej:

• kwas mlekowy

• diacetyl - hamuje rozwój drożdży, bakterii G+ i G-

• aldehyd octowy- hamuje namnażanie E. Coli

• nadtlenek wodoru - hamuje Staphylococcus aureus, Pseudomonas sp.

• reuteryna - działa antagonistycznie w stosunku do Salmonella, Shigella, Clostridium, Staphylococcus, Listeria, Candida, Trypanasoma

• bakteriocyny

Bakteriocyny:

• związki białkowe o masie od kilku do kilkunastu kDa, produkowane przez niektóre bakterie fermentacji mlekowej

• są to kompleksy białkowo-węglanowe lub białkowe-lipidowe

• wykazujące działanie bakteriobójcze lub bakteriostatyczne wobec innych mikroorganizmów

• tworzą kompleksy z fosfolipidami lub glikoproteinami błon - tworzą się kanały, poprzez które następuje wyciek elektrolitów oraz niskocząsteczkowych metabolitów

• geny strukturalne bakteriocyn są zlokalizowane w chromosomach lub plazmidach

Bakteriocyny są uznawane za potencjalne konserwanty produktów żywnościowych:

• nietoksyczne dla człowieka

• antagonistyczne względem bakterii patogennych i powodujących psucie żywności

• odporna na działanie wysokich temperatur i stabilne w szerokim zakresie pH

• małe rozmiary

• nie zmieniają cech sensorycznych żywności

• stabilne podczas przechowywania

• działają efektywnie w niskich stężeniach

Wykład 5.

Sposób stosowania bakteiocyn:

• kultury starterowe - stosowane do wytwarzania żywności, produkują związki wpływające na cechy fizyczno-chemiczne żywności i jakość sensoryczną

• kultury ochronne - stosowane do utrwalenia konserwowania żywności. Drobnoustroje powinny wytwarzać produkty inhibitujące, jednocześnie nie metabolizować składników żywności z intensywnością, która mogłaby mieć wpływ na jakość sensoryczną

Nizyna:

• jedyna dozwolona bakteriocyna

• produkowana przez niektóre szczepy bakterii Lactococcus lactis ssp. lactis

• stabilna w środowisku kwaśnym, antagonistyczna wobec gatunków z rodzaju Lactobacillus, Pedicoccus, Listeria, Staphylococcus oureus, Clostridium, Bacillus

• w 1988r. Uznana za substancję bezpieczną, GRAS (generally regarded as safe), dopuszczona jako konserwant żywności

• W Polsce (E234) - konserwant serów dojrzewających i serów topionych w maksymalnej dawce 100mg/kg produktu, oraz budyni z tapioki

• W innych krajach także do produkcji konserwowych, owocowo-warzywnych, produktów mięsnych, mleka, przetworów mlecznych

Fermentowane produkty mięsne:

• Kultury starterowe - bakterie kwaszące, bakterie redukująco-aromatyzujące oraz drożdże, pleśnie lub ich mieszana

• Lactobacillus lub Pedicoccus - produkcja kwasów z cukru zawartego w mięsie lub dodanego - zużywają składniki pokarmowe oraz wydzielają produkty przemiany materii, które umożliwiają rozwój innych mikroorganizmów

• Obniżenie PH sprzyja żelowaniu białek mięsa, nadaje stabilną konsystencję, hamuje wzrost drobnoustrojów patogennych i gnilnych

• produkty uboczne wpływają na smak i zapach produktu

• po osiągnięciu odpowiedniego pH - obniżenie temperatury poniżej -16°C - zahamowanie rozwoju mikroorganizmóq

Fermentacja propionowa:

• Propinobacterium - G+, nieruchliwe, nieprzetrwalnikujące, krótkie pałeczki, w niektórych przypadkach podobne do maczugowców lub kształt buławkowaty, beztlenowe lub względnie beztlenowe

• Występują najliczniej w żwaczu i jelitach przeżuwaczy, nie występują w mleku, wodzie, glebie. Fermentują cukry (glukozę, sacharozę, laktozę, pentozę), a także kwas mlekowy, jabłkowy, glicerynę

• Podczas dojrzewania serów podpuszczkowych pod wpływem bakterii propionowych stopniowo przekształcają się w kwas propionowy, octowy i CO₂

• Mają zdolność wytwarzania cyjanokobalaminy (wit. B₁₂), w serach podpuszczkowych wynosi ona przeciętnie 0,002-0,003 mg/kg

• Kwas propionowy (E280) ma działanie fungistyczne, jego sole wapniowe (E282) i sodowe (E283) są stosowane do utrwalania pieczywa i wyrobów cukierniczych

Stosowanie substancji dodatkowych:

• w przypadku, gdy ich użycie jest uzasadnione technologicznie, a cel ich stosowania nie może być osiągnięty w innych sposób, praktycznie możliwy z punktu widzenia technologii i ekonomii

• przy dozwolonym poziomie, nie stanowiący zagrożenia dla zdrowia i życia człowieka

• ich użycie nie wprowadza w błąd konsumenta

Substancje dodatkowe możliwe do użycia:

• barwniki

• substancje słodzące

• substancje inne niż barwniki i substancje słodzące

Substancje dodatkowe stosuje się jako:

• barwniki

• substancje konserwujące

• przeciwutleniacze

• emulgatory

• zagęstniki

• regulatory kwasowości

• kwas

• skrobia modyfikowana

• enzymy

• dodatek do mąki

• gazy

• substancje

• żelujące

• wzmacniające smak i zapach

• przeciwzbrylające

• słodzące

• spulchniające

• przeciwpianotwórcze

• stosowane na powierzchnię

• wiążące (teksturotwórcze)

• utrzymujące wilgotność

• wypełniające

Stosowanie enzymów umożliwia:

• zwiększenie wydajności tradycyjnie stosowanych surowców

• włączenie do produkcji nowych surowców

• produkcję nowych asortymentów żywności

• podniesienie jakości produktu

• wydłużenie trwałości produktu

• racjonalne wykorzystanie produktów ubocznych

• zmniejszenie ilości odpadów

• skrócenie procesu produkcji

• obniżenie kosztów produkcji

Drobnoustroje jako producenci enzymów:

• wysoka specyficzna aktywność drobnoustrojowych enzymów

• produkcja niewrażliwa na wahanie klimatyczne oraz sezonowe

• duże ilości enzymów o różnych wartościach temperatur i pH

• bardzo duża wydajność produkcji dzięki zastosowaniu inżynierii molekularnej

Cele doskonalenia szczepów:

• zwiększenie wydajności wytwarzanych enzymów

• uzyskanie mutantów konstytutywnych

• uzyskanie mutantów odpornych na represora

• uzyskanie szczepów zdolnych do wzrostu w warunkach przemysłowych

• uzyskanie szczepów wykorzystujących tanie substraty

• uzyskanie szczepów nie wytwarzających substancji toksycznych

Uzyskanie bioproduktu

Hodowla mikroorganizmów

Produkt zewnątrzkomórkowy produkt wewnątrzkomórkowy

Dezintegracja komórek

Separacja

Zagęszczanie

Oczyszczanie

Formułowanie bioproduktu

Bioprodukt

Charakterystyka α- amylazy:

• hydrolizuje wiązania 1,4-glizkozydowe wewnątrz łańcuchów oligo- i polisacharydów

• stosowana w pierwszym etapie przetwarzania skrobi

• klasyczna powoduje upłynnianie skrobi, bakteryjna również scukrzenie

• w zależności od pochodzenia różne właściwości

• Aspergillus, Rhizopus, Bacillus

• 1928 - α- amylaza produkowana przez Bacillus subtilis (kontrola lepkości czekolady)

Charakterystyka β- amylazy:

• glukoamylazy

• oksydaza gluozowa

• utlenia glukozę do gluko-1,5-laktonu i nadtlenku wodoru

• wykorzystywana do:

• usuwania glukozy z białek jaj przed ich suszeniem

• poprawy struktury pieczywa

• usuwania tlenu z napojów beztlenowych

Zastosowanie enzymów amylolitycznych w przemyśle:

• piwowarski- obniżenie temperatury kiełkowanie skrobi, otrzymywanie brzeczki z surowców niesłodowanych, zwiększenie ilości cukrów prostych - zwiększenie wydajności

• gorzelnictwo- BUS, scukrzanie skrobi ziemniaczanej lub zbożowej, zwiększenie ilości cukrów prostych - zwiększenie wydajności

• piekarnictwo i cukiernictwo- zwiększenie zawartości cukrów prostych - poprawa cech sensorycznych i świeżości, odzyskiwanie cukrów z odpadów cukierniczych

• owocowy - zwiększenie ilości ekstraktów w sokach, ułatwienie tłoczenia

• skrobiowy - produkcja dekstryn, glukozy, syropy skrobiowe, glukozowe

• koncentratów spożywczych - modyfikacje skrobi, produkcja środków zagęszczających, dodatków do sosów, budyni, słodzików, odżywek dla dzieci, koncentratów zbożowych

• zbożowo-młynarski - przyspieszenie rozgotowywania makaronów i kasz, zwiększenie ich przyswajalności

Enzymy proteolityczne:

• egzo- i endopeptydazy

• produkowane przez mikroorganizmy wewnątrz- i zewnątrzkomórkowe

• bekteryjne temperatury optymalne 40-50°C

• Bacillus, Lactobacillus

• Penicillium roqueforti, Aspergillus niger, Mucor sp.

• Podpuszczka (chymoza, renina) - od lat 80-tyc produkowana mikrobiologicznie (GMO)

• Kluyveromyces marxianum (drożdże)

• Escherichia coli K12

• Aspergillus niger

Zastosowanie enzymów proteoliycznych:

• Przemysł mleczarski - koagulacja białek mleka w procesie wyrobów serów, produkcja hydrolizatów kazeiny, produkcja mleka w proszku

• Przemysł rybny - przyspieszenie dojrzewania solonych i marynowanych ryb

• Przemysł mięsny - poprawa konsystencji oraz i sensorycznych oraz skrócenie czasu dojrzewania, oddzielenie resztek mięsa od kości, zmiękczenie, dekapilacja (odwłośnienie) skór, ułatwienie uwolnienia tłuszczu

• Przemysł piwowarski - poprawa stabilizacji i klarowności piwa w przypadku surowców niesłodowych

• Przemysł jajczarski - produkcja suszonych jaj

• Przemysł piekarniczy- polepszenie pulchności i konsystencji ciasta, skracanie czasu wyrabiania ciasta, zmiękczenie i zwiększenie objętości bochenka

• Przemysł koncentratów spożywczych - hydrolizaty białkowe, sosy sojowe

Ponadto:

• Wybiórcza degradacja immunoaktywnych peptydów i alergizujących białe żywnościowych

• otrzymywane z udziałem transglutaminazy, kazeiniany są stosowane jako składniki żywności funkcjonalnej, ułatwiające przyswajanie solo mineralnych

Peptyd P:

• alkaliczna proteaza wykorzystywana w produkcji detergentów

• otrzymywana z GM Bacillus subtilis

• hydrolizuje białka

Richpro CBZ:

• preparat enzymów proteolitycznych

• stosowany do wypieków wafli i krakersów

• zalety:

• zmniejsza zawartość wody

• rozkład glutenu

• skrócenie czasu pieczenia i przygotowania ciasta

Zastosowanie enzymów lipolitycznych:

• synteza substancji smakowo - zapachowych

• odtwarzania zapachu „mlecznego” w niektórych produktach spożywczych

• poprawa cech sensorycznych serów

• skracanie okresu dojrzewania serów

• produkcja koncentratów zapachowych z odtłuszczonego mlekowego

• polepszania smaku wyrobów cukierniczych

• produkcji pełnego mleka w proszku

• odtłuszczenie skór i kości

• ulepszenie tekstury i polepszenie barwy makaronów i pieczywa

Enzymy cytolityczne:

• celulazy

• egzo-β-1,4-glukanaza, endo-β-1,4-glukanaza, β- glukozydaza

• bakterie mezo- i termofilne z rodzaju Cellulomonas i Clostridium

• promieniowce Streptomyces i Actinomyces

• grzyby Trichoderma, Fusarium, Aspergillus

• hemicelulazy

• Trichoderma reesai, T. Viride, Aspergillus niger

• Mutanty Trichoderma reesai - najlepsi producenci enzymów cytolitycznych

• Glukanazy, ksylanazy, glukanonidazy

• Glukozydazy

Zastosowanie enzymów cytolitycznych:

• przemysł owocowo-warzywny - usuwanie zmętnień w sokach, hydrolizowanie włókna w konserwowanych lub zamrożonych warzywach

• przemysł piwowarski - β- 1,3- oraz β- 1,4-glukanoza stosowana jest do hydrolizy β- glukozy

• przemysł piekarski - endoksylazy degradują tylko rozpuszczalny ksylan, a nie naruszają frakcji ksylenu nierozpuszczalnego, ułatwiają filtrację hydrolizatów skrobiowych otrzymywanych z mąki pszennej

Enzymy pektynolityczne:

• stosowane w przemyśle owocowo - warzywnym

• depektynizacja miazgi i moszczu

• hydroliza pektyn podczas produkcji zagęszczonych soków owocowych

• zwiększenia efektywności i tłoczenia soku winogronowego i innych owoców

• zwiększenie odzysku barwników i garbników z materiału roślinnego

• produkcja mikrobiologiczna - m.in. Aspegillus niger, Rhizopus sp.

Preparaty handlowe często zawierają także inne enzymy.

Aminokwasy:

• stosowane jako dodatki w celu podniesienia wartości odżywczych oraz smakowych

• aminokwasy niezbędne: fenyloalanina, izoleucyna, leucyna, lizyna, metionina, treonina, tryptofan, walina

Sposoby otrzymywania:

• hydroliza bogatych w aminokwasy białek (odpady przemysłu mięsnego, kazeina, gluten)

• synteza enzymatyczna - wymaga stosowania kosztownych prekursorów i enzymów

• synteza mikrobiologiczna i enzymatyczna

Światowa produkcja aminokwasów ok. 2mln to/rok.

Kwas L-glutaminowy:

• neuroprzekaźnik, pobudza aktywność nauronów

• zastosowanie farmakologiczne

• zastosowanie spożywcze - samk `umami'

• produkcja od 1908

• E620; 621 - glutaminian sodu, 622 - glutaminian potasu

• Pierwszy aminokwas produkowany w skali przemysłowej z hydrolizatów białek sojowych lub glutenu

• Od lat 60-tych produkcja mikrobiologiczna

• Produkcja roczna ok.1,7mln ton

• obecnie produkowany tylko mikrobiologicznie

Corynebacterium:

• G+, katalazozmienne - ziarniaki, krótkie pałeczki, maczugowce

• Nieruchliwe, w czasie podziału komórki tworzą V

• Optymalna temperatura wzrostu 28-30°C, mutanty nawet 40°C

• Małe wymagania pokarmowe

• 1956 - Kinoshita odkrył bakterię Micrococcus glutamineus

• w pożywce zawierającej sacharozę i jony amonowe produkuje kwas glutaminowy

• do produkcji aminokwasów stosowano także Corynebacterium liliom, Brevibacterium flavum, B. Lactifermentum

• obecnie Corynebacterium glutaminum

Otrzymywanie kwasu L-glutaminowego:

• auksotroficzne mutanty Corynebacterium glutaminum

• nadprodukcja - duża aktywność dehydrogenazy glutaminianowej, mała aktywność 2-aksolutaranu

• podłoże - dekstryny zwiększające przepuszczalność błon komórkowych

• pozyskiwany mikrobiologicznie

L- lizyna:

• uczestniczy w syntezie białek, przeciwciał, enzymów, hormonów, wpływa na metabolizm kwasów tłuszczowych

• suplement żywności, dodatek do pasz

• niedobór powoduje m.in. Zahamowanie wzrostu, zanik mięsni, zakłócenie biosyntezy białek, odwapnienie kości

• światowa produkcja ponad 6000ton rocznie, 95% produkcji wykorzystuje przemysł paszowy

• Corynebacterium glutaminum

Produkcja L- lizyny paszowej:

• w postaci płynnej lub suchych koncentratów

• zawartość pofermentacyjna: lizyna i inne produkty metabolzimu, biomasa, resztkowa ilość składników hodowlanych

• preparat zawiera: 15-20% lizyny, do 14% innych aminokwasów, 15-17% białka, 10-13% beatiny, 20-25% związków mineralnych, 48% wody

• higroskopijność preparatów można zmniejszyć przez dodanie wypełniny (np. otręby pszenne)

L-tryptofan:

• bierze udział w syntezie białek, prekursor serotoniny, melatoniny, miacyny

• Corynebacterium glutaminum, Escherichia coli - przemysłowe

• Produkcja ok. 1200t/rok

• Konwersja antranilanu Hansenula anomala lub Cabdida utilis ok. 6g/dm³

• Bacillus subtilis syntetyzuje ok. 10g.dm³ tryptofanu w podłożu z indolem

Treonina:

• uczestniczy w biosyntezie białek, enzymów, przeciwciał, tworzeniu kolagenu, elastyny

• stosowana do wzbogacenia paszy, jako suplement diety

• światowa produkcja ok.3,5tys ton/rok

• produkowana głównie przez hydrolizę białek, także biologicznie

• mutanty Seratia marcescens, E.coli

Inne aminokwasy:

• metionina - Corynebacterium glutaminum

• fenyloalanina - mutanty E.coli

Witaminy:

• w 1912r Kazimierz Funk z łusek ryżu otrzymał substancję która leczyła chorobę beri-beri czyli wit B₁. Uznał ją niezbędną do życia

• obecnie na świecie ze względu na koszt większość witamin jest produkowana metodą syntezy chemicznej

• metodami biotechnologicznymi produkowane są w skali przemysłowej wit B₂ i B₁₂,

β-karoten i ergosterol

Witamina B₂ (ryboflawina):

• Do syntezy zdolne są bakterie, drożdże, grzyby strzępkowe i algi

• Jest stosowana w medycynie, jako dodatek do żywności i pasz

• Sachromyces cerevisiae, Candida flarei zdolne do nadprodukcji witaminy

• Obecnie większość produkuje się przy użyciu grzybów Ashybia gossipi oraz Eremothecium ashybi

• Semisyntetyczną wit. otrzymuje się metodą syntezy chemicznej z D-rybozy (otrzymana mikrobiologicznie) lub iroalaksazy (chemicznie)

Witamina B₁₂ (cyjanokobalanina):

• jedyny naturalnie występujący w organizmach żywych związek metaloorganiczny

• wytwarzanie ciałek czerwonych w krwi

• do wewnątrz komórkowej syntezy zdolne są Aerobacter, Azotobacter, Bacillus, Clostridium, Propiniobacterium, Pseudomones

• Nocardia rugosa, N. gardneri i Streptomyces griselis, S.alivaceus

• W skali przemysłowej Propiniobacterium shermarii, Pseudomonas denitrifikans

β-karoten:

• prekursor witaminy A

• działanie antyoksydacyjne, wpływa na funkcjonowanie układu immunologicznego i wzrok

• był uważany jako środek antykoncepcyjny, obecnie przeciwnie

• na skalę przemysłową używa się Blakesela trispora, Dunaliella solina

1

---